Optimierung der Lage und des Querschnitts von Fahrstrecken bei Überlagerung von verbleibenden Kohlepfeilern und benachbarten Ausbrüchen in engstehenden Flözen

Warum unterirdische Fahrwege für den Alltag wichtig sind

Ein Großteil der elektrischen Energie für Haushalte, Fabriken und Städte stammt nach wie vor aus Kohle, die tief unter Tage abgebaut wird. Um diese Flöze sicher zu erreichen, müssen Ingenieure lange Tunnel oder Fahrstrecken durch das Gestein anlegen. Werden diese Fahrstrecken an der falschen Stelle angelegt oder in der ungeeigneten Form ausgebildet, kann das umgebende Gestein nachgeben und einstürzen, was Bergleute gefährdet und den Zugang zu wertvollen Lagerstätten abschneidet. Die vorliegende Untersuchung aus einer chinesischen Kohlegrube analysiert, wie sowohl die sicherste Lage als auch die günstigste Querschnittsform für solche Fahrstrecken gewählt werden können, wenn mehrere Flöze eng beieinander liegen und Teile des oberen Flözes bereits abgebaut sind.

Gesteinsschichten und zurückgelassene Kohle

In vielen Kohlerevieren tritt Kohle nicht in einer einzigen dicken Schicht auf, sondern in mehreren übereinanderliegenden Flözen. In der Meihuajing‑Grube liegen die Hauptflöze, bezeichnet als Nr. 2 und Nr. 3, nur 12 Meter auseinander. Das obere Flöz Nr. 2 wurde bereits in zwei großen Abbaufeldern gewonnen, wobei zwischen ihnen ein 60 Meter breiter Block unberührter Kohle als Stützpfeiler stehen gelassen wurde. An beiden Seiten dieses Pfeilers befinden sich ausgebaute Hohlräume, sogenannte Ausbrüche (Goafs), die eingestürzt und nun mit zerbrochenem Gestein gefüllt sind. Zusammen verändern der feste Pfeiler und die weicheren Ausbrüche die Art und Weise, wie die Last aus dem überlagernden Gestein in das untere Flöz Nr. 3 weitergeleitet wird, wo neue Fahrstrecken geplant sind.

Messen des Langzeitverhaltens des Gesteins

Die Forscher überprüften zunächst, ob der obere Kohlepfeiler seine Stützfunktion erfüllt. Sie überwachten eine bestehende Fahrstrecke im Flöz Nr. 2 über etwa zwei Jahre, nachdem der Abbau in diesem Bereich eingestellt worden war. Instrumente erfassten Dachaufsprengungen sowie seitliche und bodenwärtige Verformungen. Die Messungen zeigten nur geringe Bewegungen: Dachaufsprengungen von höchstens etwa ein bis zwei Zentimetern und Seitwärts‑ sowie Bodenverformungen typischerweise im Bereich von fünf bis zehn Zentimetern. Da in der Nähe kein neuer Abbau stattfand, spiegeln diese langsamen, moderaten Deformationen einen langfristigen, stabilen Zustand unter statischer Belastung wider. Das deutet darauf hin, dass der 60 Meter breite Pfeiler ausreichend tragfähig ist, um die überlagernde Last zu tragen und die darüber liegende Gesteinsstruktur größtenteils intakt zu halten.

Nachverfolgung der Spannungsübertragung im Gestein

Im nächsten Schritt verwendete das Team eine klassische Theorie der Felsmechanik, die das Gestein unter dem Flöz als elastischen Halbraum — ein tiefes, kontinuierliches Medium — behandelt und Belastungen an der Oberfläche anlegt, um Spannungen in der Tiefe zu berechnen. Sie modellierten den Kohlepfeiler und die benachbarten Ausbrüche als eine Reihe vereinfachter Belastungssegmente, jeweils mit unterschiedlichen Intensitäten, die die Spannungskonzentration unter dem Pfeiler und die Spannungsentlastung in den eingestürzten Zonen widerspiegeln. Mithilfe mathematischer Ausdrücke und Computerwerkzeuge ermittelten sie vertikale, horizontale und Schubspannungen im darunterliegenden Gestein. Die Ergebnisse zeigten ein klares Muster: Direkt unter dem festen Pfeiler konzentrierten sich die Spannungen, während sie unter den Ausbrüchen abnahmen und eine spannungsverminderte Zone bildeten. Im unteren Flöz Nr. 3 war die vertikale Spannung direkt unter dem Pfeiler am höchsten und ungefähr 13 Meter von dessen Kante entfernt am niedrigsten, unter dem Bereich, der dem Ausbruch entspricht. Horizontale Spannungen änderten sich weniger stark, zeigten aber ebenfalls ein günstigeres Umfeld weg vom Pfeiler, während Schubspannungen an den Pfeilerkanten am stärksten waren.

Auswahl des Standorts für den neuen Tunnel

Praktisch orientiert wollen Ingenieure den Fahrweg dort anlegen, wo das Gestein relativ niedrigen und ausgeglichenen Spannungen ausgesetzt ist, damit es weniger wahrscheinlich zusammengedrückt oder versagt. Ausgehend von den berechneten Spannungskurven kamen die Autoren zu dem Schluss, dass der ideale Bereich für die neue Fahrstrecke im Flöz Nr. 3 innerhalb der vertikal spannungsabnehmenden Zone liegt, leicht unter dem Ausbruch und nicht direkt unter dem Pfeiler. Das absolute Minimum der vertikalen Spannung liegt etwa 13 Meter von der Pfeilerkante entfernt, doch würde diese Lage mehr Kohle im Boden belassen. Um Sicherheit und Rohstoffgewinnung auszubalancieren, empfehlen sie, die Fahrstrecke 10 Meter von der Pfeilerkante entfernt zu platzieren — damit noch immer in der Niedrigspannungszone, aber näher am verbleibenden Kohlevorrat, was Verschwendung reduziert und zugleich ein günstiges Spannungsumfeld erhält.

Warum die Tunnelgeometrie die Gesteinsstabilität beeinflusst

Die Lage ist nur ein Teil der Gleichung; die Form der Öffnung bestimmt ebenfalls, wie das Gestein reagiert. Mit einem dreidimensionalen numerischen Modell (FLAC3D) bauten die Forscher einen virtuellen Abschnitt der Grube nach, inklusive der beiden Flöze, des Pfeilers, der eingestürzten Ausbrüche und einer unteren Fahrstrecke an der bevorzugten Position. Sie testeten vier Querschnittsformen, hielten dabei jedoch alle dieselbe Breite und Höhe bei: ein geradewandiger, halbkreisförmiger Bogen, ein dreizentrierter Bogen (ein komplexerer Bogen aus drei Kurven), ein Trapez und ein Rechteck. Nach der Simulation des Ausbruchs jeder Fahrstrecke untersuchten sie, wie sich Spannungen neu verteilten und wie tief das umgebende Gestein plastisch nachgab bzw. versagte. In allen Fällen erfuhren Dach und Sohle oberhalb und unterhalb der Öffnung Druckentlastung, während an den Seitenwänden teilweise wieder Spannungszunahmen auftraten.

Die sicherste und einfachste Lösung finden

Der Vergleich ergab, dass gewölbte Formen die Last besser aufnehmen als flachgedeckte Profile. Der geradewandige halbkreisförmige Bogen wies die geringste Spannungskonzentration an seiner am stärksten belasteten Seite und die geringsten Versagetiefen in Dach, Sohle und Seitenwänden auf. Der dreizentrierte Bogen schnitt in Bezug auf die Stabilität nahezu gleich gut ab, während das trapezförmige und besonders das rechteckige Profil höhere Spitzenspannungen und deutlich tiefere Versagenszonen zeigten, was mehr Bruch und Schwächung des umgebenden Gesteins bedeutet. Da der dreizentrierte Bogen geometrisch aufwändiger zu schneiden und zu sichern ist — er erfordert präzise Kontrolle mehrerer Radien und Verbindungsstellen — halten die Autoren ihn für weniger praktikabel im Routinebau. Sie empfehlen daher den geradewandigen halbkreisförmigen Bogen als bevorzugten Querschnitt: Er bietet hohe Stabilität unter der kombinierten Wirkung von Pfeiler und Ausbrüchen und bleibt zugleich relativ einfach zu bauen und zu sichern.

Fazit für sichereren und effizienteren Kohlebergbau

Für allgemein Interessierte lautet die Kernbotschaft: Kleine Designentscheidungen unter Tage — wo genau ein Tunnel liegt und welche Kontur er hat — können große Auswirkungen auf Sicherheit und Effizienz haben. In dieser speziellen Grube zeigt die Studie, dass das Belassen eines stabilen Kohlepfeilers im oberen Flöz und die Positionierung der unteren Fahrstrecke leicht unter dem eingestürzten Bereich statt direkt unter dem Pfeiler ein günstigeres Spannungsfeld schaffen. Die Ausgestaltung des Tunnels mit gewölbten Wänden und abgerundetem Dach hilft dem umgebenden Gestein zusätzlich, sich gleichmäßig um die Öffnung zu „verfließen“ und Schäden zu begrenzen. Obwohl die exakten Abstände und Maße von Standort zu Standort variieren, bietet der kombinierte Ansatz — die Abbildung der Spannungsübertragung zwischen Flözen und der Vergleich von Tunnelformen — eine praxisorientierte Grundlage zur Planung unterirdischer Fahrstrecken, die sowohl sicherer für Bergleute als auch effizienter bei der Kohlenutzung sind.

Zitation: Ren, Y., Li, J., Li, Y. et al. Optimizing roadway location and cross section under superposition of residual coal pillars and adjacent goafs in close distance coal seams. Sci Rep 16, 13983 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44345-3

Schlüsselwörter: Planung von Grubenfahrwegen, verbleibender Kohlepfeiler, Stabilität unterirdischer Stollen, numerische Felsmechanik, Mehrlagiger Bergbau