Forschung zur integrierten Technologie von Tragrakonstruktionserneuerung und Stützsteuerung im Gefahrenbereich der Hauptkohlenfahrstraße in mächtiger Kohleschicht

Warum sichere Kohlenstollen wichtig sind

Tief in mächtigen Kohlenflözen bewegen sich Arbeiter und transportieren Kohle durch lange Untertagestollen. An einigen Stellen treten Dachabsackungen, bröckelnde Wände und plötzliche Gesteins- oder Kohleabbrüche auf, die Bergleute gefährden und die Produktion verlangsamen. Diese Studie untersucht, warum diese Probleme in bestimmten Hochrisikobereichen so schwerwiegend sind, und testet ein neues Verfahren zur Verfestigung des Gebirges, damit Stollen über die Zeit sicherer und stabiler bleiben.

Wo die Probleme beginnen

Die Forschung konzentriert sich auf eine große Fahrstraße in einer chinesischen Kohlenmine, die durch ein sehr mächtiges Flöz führt. In diesem Umfeld verläuft der Stollen durch Kohle statt durch festen Fels, und die Kohle über und neben der Öffnung ist geschwächt und zerbrochen. Natürliche Verwerfungen im Gebirge und das große Gewicht der Deckschichten konzentrieren Spannungen um den Stollen, was zu Dachablösung, Dachstürzen, nachdrückenden Seitenwänden und ständigem Reparaturbedarf führt. Frühere Stützmöglichkeiten, wie einfache Vergüsse und Rohrschilde, versagten oft, weil der Verguss die dichte Kohle nicht durchdringen und keine starke, einheitliche Tragstruktur bilden konnte.

Wie sich der Stollen bewegt und verformt

Um dieses Verhalten zu verstehen, kombinierten die Forschenden Feldmessungen, Labortests und mechanische Modellierungen. Sie betrachteten die Kohle über dem Stollendach als belasteten Träger und zeigten, dass die Dachsenkung sehr schnell zunimmt, wenn die Stollenweite größer wird und die Kohle schwächer ist. Sie fanden außerdem, dass sich Dach und Seitenwände nicht isoliert verformen. Wenn die Seitenkohle aufweicht und nach innen drückt, erweitert sich effektiv die Öffnung, was die Dachsenkung weiter verstärkt. Umgekehrt drückt zusätzliche Dachbewegung die Seitenwände weiter zusammen. Diese gekoppelte Top- und Seitenbewegung erklärt, warum lokale, stückweise Stützungen in mächtigen Flözen oft versagen.

Tests mit virtuellen Stollen

Mithilfe dreidimensionaler Computersimulationen variierten die Forschenden zwei Schlüsselfaktoren: die Dicke der Kohle, die über dem Stollendach verbleibt, und die Festigkeit dieser Kohle. Eine größere Kohleschicht über dem Dach erhöhte die Dachsenkung, verringerte jedoch das Sohlaufwölben, während die Seitenwandbewegung sich kaum veränderte. Eine Erhöhung der Festigkeit der oberliegenden Kohle reduzierte sowohl Dachsenkung als auch seitliches Nachdrücken der Wände deutlich, obwohl sich das generelle Spannungsmuster nur geringfügig änderte. Die Berechnungen zeigten, dass Risse und plastische Zonen zuerst in Dachnähe entstehen und sich dann weiter ausdehnen, mit charakteristischen „Schmetterlings“-förmigen Schädigungszonen nahe den Seitenwänden, was die Notwendigkeit betont, eine breite Zone zu verstärken statt nur eine dünne Schale.

Eine neue Methode zur Abstützung schwacher Bereiche

Angeleitet von diesen Erkenntnissen entwarfen die Autoren ein kombiniertes Stützsystem mit Vorbohrrohren für Verguss und einem Netzwerk aus Bolzen und Seilen. Bevor der Stollen in eine risikoreiche Zone vorgetrieben wird, bohren die Arbeiter Reihen von Stahlrohren in die Kohle vor der Wand und pumpen einen schnell abbindenden Verguss hinein. Dieser Verguss härtet schnell in und um die Rohre aus, vernäht Risse und verwandelt die gebrochene Kohle in einen kompakteren Block. Beim weiteren Vortrieb verbinden Bolzen und Seile das verstärkte Dach und die Seitenwände zu einem einheitlichen Tragrahmen. Computermodelle verschiedener Anordnungen zeigten, dass eine mittlere Rohrteilung fast dieselbe Bewegungsreduktion wie eine sehr dichte Anordnung bietet, jedoch zu geringeren Kosten.

Nachweis aus dem aktiven Bergwerk

Das Team wandte das ausgewählte System anschließend im realen Fahrweg an. Sie überwachten Dachsenkung, Seitenwandkonvergenz, Sohlaufwölbung, Schichttrennungen und die Kräfte in Bolzen und Seilen. Nach Aushub und Stützung mit der neuen Methode blieb die Dachsenkung bei etwa 110 mm, die Seitenbewegung bei rund 80 mm und die Sohlaufwölbung war sehr gering. Die Schichttrennung über dem Dach blieb deutlich unter Warnwerten, und die Lasten in Bolzen und Seilen wurden stabiler und niedriger als im alten Design. Da der Verguss innerhalb von Minuten Festigkeit erlangte, konnten die Mannschaften deutlich schneller vorgehen als zuvor und gleichzeitig einen sicheren Abstand zwischen Abbaufront und verstärkter Zone einhalten.

Was das für Bergleute bedeutet

Kurz gesagt zeigt die Studie, dass das Verhaltenskollektiv der schwachen Kohle um einen Stollen als ein gut verbundenes Gewölbe und Wandpaar große Dachabbrüche und Einstürze deutlich reduzieren kann. Durch Vorverstärkung der Kohle mit vergossenen Rohren und anschließendes Verbinden von Dach und Seiten mit Bolzen und Seilen kann die Fahrstraße die Last von oben mit geringeren Verformungen und niedrigeren Stützkraftbedarf tragen. Die Autoren führen aus, dass dieser integrierte Ansatz eine praktische Anleitung für sichereres und effizienteres Vortriebs- und Stützverhalten in mächtigen Kohlenflözen mit ähnlichen geologischen Bedingungen bietet und so Sicherheitsrisiken und Wartungsaufwand im Untertagebergbau reduziert.

Zitation: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

Schlüsselwörter: Stabilität von Kohlenfahrstraßen, Dachstützung, Vergussverstärkung, Felsankerstangen und -seile, Sicherheit im Untertagebergbau