Studie über Schlüsselschichten und Vorhersage der Oberflächendeformation bei Abstützverfüllung im Überlagerungsbereich benachbarter Stollen auf Basis der Fundamentbalkentheorie

Warum der Boden über Kohlebergwerken absinkt

In vielen Kohlebergbauregionen beobachtet man, wie Risse an Hauswänden kriechen, Straßen in flache Mulden einsinken und kleine Brücken aus der Achse geraten. Diese Veränderungen werden häufig durch das langsame Durchbiegen und Brechen von Gesteinsschichten tief unter der Erde verursacht, wenn die Kohle entfernt wird. Diese Studie untersucht eine Methode, solche Bodensenkungen vorherzusagen und zu kontrollieren, indem versteckte Hohlräume im Gestein gezielt mit Mörtel verfüllt werden, sodass der Abbau fortgesetzt werden kann, ohne die Oberflächenstruktur so stark zu schädigen.

Risse unter Tage und Schäden an der Oberfläche

Beim Abbau einer Kohleflözschicht verliert das darüberliegende feste Gestein seine vollständige Unterstützung. Einige starke Schichten, sogenannte Schlüsselschichten, wirken wie steife Balken, die das Gewicht des gesamten darüberliegenden Gesteins und Bodens tragen. Wenn die Kohle entfernt wird, biegen sich diese Schichten und brechen mitunter, und diese Bewegung arbeitet sich allmählich bis zur Oberfläche vor. In der Xiadian-Kohlenmine in China hat dieser Prozess bereits zu rissigen Gebäudewänden, unebenen Straßen und der Gefahr neuer Bodenfurchen geführt. Da Kohleflöze zunehmend tiefer und großflächiger abgebaut werden, ist das Verständnis der Bewegungen dieser Schlüsselschichten wesentlich zum Schutz von Häusern, Straßen und lokalen Ökosystemen geworden.

Versteckte Hohlräume füllen, um das Dach zu stützen

Eine verbreitete Methode zur Begrenzung von Senkungen wird als Trennverpressung (Separation Grouting) bezeichnet. Nachdem der Abbau einen Hohlraum geschaffen hat, entstehen oft kleine Zwischenräume zwischen den Gesteinsschichten über dem Flöz. Ingenieure bohren von der Oberfläche aus Bohrlöcher und pumpen Mörtel in diese versteckten Spalten. Nach dem Erhärten wirkt der Mörtel wie eine Stütze, die einen Teil der Last übernimmt und das Durchbiegen der Schichten begrenzt. Die Studie konzentriert sich auf eine Reihe langer Abbaubereiche, sogenannter Panels, in der Xiadian-Mine, in denen diese Verpressung angewendet wird. Zwei einfache Stellschrauben werden detailliert untersucht: die eingebrachte Mörtelmenge, ausgedrückt als Einspritz–Förder-Verhältnis, und die Breite der einzelnen abzubauenden Panels.

Gesteinsschichten als vergrabener Balken betrachtet

Um das Durchbiegen der Schlüsselschichten zu beschreiben, behandeln die Autoren diese als einen elastischen Balken, der auf einer federnden Unterlage ruht. In diesem Bild ist der Balken die steife Gesteinsschicht, und die weicheren Schichten sowie der darunterliegende Mörtel verhalten sich wie eine Matratze aus Federn. Das Team verwendete eine mathematische Vereinfachung, die sogenannte Anfangsparameter-Methode, um zu berechnen, wie sich der Balken über mehrere Zonen verformt: festes Kohlegestein, locker geschütteter Schutt und dichtes, verdichtetes Gestein mit Mörtel. Diese Analytik kombinierten sie mit Computersimulationen, die modellieren, wie Gestein beim Vortreiben des Abbaus bricht und sich setzt. Durch die Anpassung der berechneten Balkenformen an die numerischen Ergebnisse konnten sie die Steifigkeit jeder Zone schätzen und diese Steifigkeit mit praxisrelevanten Entwurfsgrößen wie Panelbreite und Mörtelmenge verknüpfen.

Vom Durchbiegen unter Tage zur Oberflächensenkung

Zu wissen, wie stark die Schlüsselschichten durchbiegen, ist nur ein Teil der Gleichung. Die Forscher verknüpften dieses Biegen anschließend mit der Form der Erdoberfläche durch eine wahrscheinlichkeitstheoretische Methode, die den Einfluss der Untergrundbewegung nach oben verteilt, und einen „äquivalenten Höhen“-Trick, der komplexe Krümmungen durch einfache rechteckige Blöcke ersetzt. Für einzelne Panels und benachbarte Panels unterschiedlicher Breite erarbeiteten sie, wie sich die Senkungströge an der Oberfläche ausbilden, seitlich verschieben und in ihrer Steilheit variieren. Tests mit realen Messdaten aus Panel 3119 zeigten, dass die vorhergesagte maximale Bodensenkung nur um etwa sechs Prozent von den Messwerten abwich, was für Feldbedingungen als sehr genau gilt.

Ein sicheres Betriebsfenster für Bergwerke finden

Die Ergebnisse zeigen klare Trends, die Planern in Bergwerken nützen können. Eine Erhöhung der Mörtelmenge verringert allgemein, wie weit sich die Schlüsselschichten und die Oberfläche durchbiegen, während eine Vergrößerung der Panelbreite das Biegen verstärkt und den Trichter vertieft. Haben benachbarte Panels unterschiedliche Breiten, wird das Senkungsmuster ungleichmäßig, und der tiefste Punkt kann sich näher an empfindliche Bauwerke verschieben. Durch die Wahl eines geeigneten Einspritz–Förder-Verhältnisses lässt sich diese Ungleichmäßigkeit jedoch weitgehend ausgleichen. Im Fall Xiadian führte ein Verhältnis von etwa 45 Prozent für Panel 3119 zu nahezu symmetrischem Biegungsverhalten der Schlüsselschichten und zu moderater Oberflächenbewegung.

Was das für Bergbaugemeinden bedeutet

Für Menschen, die über Kohlebergwerken leben, bietet die Studie einen Weg, das Risiko ernsthafter Schäden an Häusern und Straßen während des Bergbaus zu reduzieren. Indem die starken Gesteinsschichten als gestützter Balken betrachtet und das Modell direkt an steuerbare Faktoren wie Panelbreite und Mörtelvolumen gekoppelt wird, ermöglicht die Methode Ingenieuren, vorherzusagen, wo und wie stark der Boden Monate im Voraus absinken wird. Auf dieser Basis können Bergbaupläne angepasst, Gebäude in Risikozonen verstärkt oder Verpressungsschemata geändert werden, bevor Probleme auftreten. Zwar hängen reale Standorte zusätzlich von Details wie Mörteldruck und zeitlicher Abfolge ab, doch stellt diese Arbeit einen wichtigen Schritt zu vorhersehbarerem und weniger schädlichem unterirdischem Kohleabbau dar.

Zitation: Shibao, L., Yan, L., Huaidong, L. et al. Study on key strata and surface deformation prediction for overburden separation grouting mining in adjacent panel based on foundation beam theory. Sci Rep 16, 14926 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44188-y

Schlüsselwörter: Kohlenbergbau, Bodensenkung, Verpressung, Gesteinsschichten, Oberflächendeformation