Verformungsmerkmale und die Stabilitätssteuerung durch vorgefertigte Rissdruckentlastung einer kleinen Kohlesäule in einer Streckenbaue unter Spannungsüberlagerung

Warum unterirdische Kohlestrecken wichtig sind

Ein großer Teil der weltweiten Kohle wird in langen, tief unter der Erde angelegten Stollen gewonnen. Zwischen diesen Stollen bleiben bewusst dünne „Säulen“ aus Kohle stehen, um das überlagernde Gebirge zu tragen. Wenn die Förderung intensiviert wird und Ingenieure versuchen, kleinere Säulen zu belassen, um mehr Kohle zu gewinnen, können diese verbleibenden Blöcke gefährlich überlastet werden und dazu führen, dass der Stollen zusammengedrückt wird, Risse entstehen oder er sogar versagt. Dieser Beitrag untersucht, wie und warum solche kleinen Kohlesäulen überlastet werden, und stellt eine Methode vor, das Dach darüber gezielt zu schwächen, sodass Spannungen kontrolliert abgebaut werden, bevor ernsthafte Schäden auftreten.

Verborgene Kräfte, die unter Tage aufbauen

Die Autoren konzentrieren sich auf eine Strecke – den Hauptzugangsstollen –, die neben einer kleinen Kohlesäule verläuft, die zwischen zwei Abbaubereichen eingeklemmt ist. Während jeder Abbaufront voranschreitet, erfährt das Gestein um die Säule nicht nur eine einzige Belastung, sondern eine Reihe wiederholter Spannungswellen. Mit numerischen Modellen simulierte das Team vier Schlüsselphasen: das Schneiden der ersten Strecke, das Schneiden der gegenüberliegenden Strecke, das Zurückbauen (Rückbau) des ersten Panels und dann des zweiten. In jedem Schritt stieg die vertikale Belastung auf der Säule und erreichte schließlich mehr als das Dreifache der ursprünglichen Gesteinsspannung und näherte sich oder überschritt die gemessene Festigkeit der Kohle. Unter diesen überlagerten Lasten neigen die Säule und die benachbarte Strecke zu Zermürbung und erheblichen Verformungen.

Energie gespeichert wie in einer zusammengedrückten Feder

Um das Versagen physikalischer zu verstehen, verfolgt die Studie nicht nur die Spannung, sondern auch die in der Kohle gespeicherte elastische Energie – die „Federenergie“, die sich aufbaut, wenn die Säule zusammengedrückt wird. Numerische Simulationen zeigen, dass diese Energie mit jedem Abbauschritt im Zentrum der kleinen Säule akkumuliert. Während des Rückbaus verdoppelt sich die Energiedichte gegenüber der Phase der Streckenherstellung mehr als und überschreitet schließlich das Niveau, bei dem im Labor getestete Kohleproben versagen. Bis zum Vorrücken des zweiten Panels ist die in der Säule gespeicherte Energie hoch genug, um Bedingungen zu erreichen, die mit heftigen Felsenstößen assoziiert sind. Anders gesagt: Die Säule ist nicht nur überbeansprucht, sie ist darauf vorbereitet, Energie plötzlich freizusetzen, was sowohl die Streckenstabilität als auch die Sicherheit der Bergleute bedroht.

Das Dach dort und dann brechen lassen, wo wir es wollen

Anstatt einfach mehr Stützmaßnahmen in der Strecke einzubauen – was schnell eng wird und trotzdem nicht ausreichen kann – prüfen die Autoren eine andere Idee: das Dach in kurzer Entfernung oberhalb der kleinen Säule gezielt zu schwächen, sodass es kontrolliert einstürzt. Durch skalierte physikalische Modelle vergleichen sie zwei Fälle: einen mit einem starken, intakten Dach und einen, bei dem eine schmale vertikale Zone von vorgefertigten Rissen oberhalb der Strecke eingeführt wird, ähnlich der Technik des Richtungs-Sprengens. Im intakten Fall spannt sich ein langer, steifer Dachbalken über die ausgeräumte Leere und bildet einen langen Kragträger, der große Lasten zurück in die Säule leitet. Im gerissenen Fall bricht das Hauptdach früher entlang der vorgefertigten Bruchzonen, der Einsturzwinkel wird steiler und der überhängende Balken verkürzt sich nahezu um die Hälfte. Gebrochene Gesteinsmassen fallen und verpacken sich dicht in der Ausräumung, unterstützen so das verbleibende Dach und verringern die auf die kleine Säule übertragene Last.

Beobachtung der Bewegung der Gesteinsschichten

Das Team verwendet sorgfältige Fotografie und Verschiebungsmessungen in ihren Modellen, um nachzuverfolgen, wie sich Gesteinsschichten während des Abbaus bewegen. Sie stellen fest, dass vorgefertigte Risse in den oberen Schichten direkt über der Risszone zu größeren und früheren Setzungen führen, was die Verdichtung des gebrochenen Gesteins im abgebauten Bereich beschleunigt. Gleichzeitig ändern sich die Bewegungen in den unteren Schichten und im Flözbereich des benachbarten Panels nur geringfügig, sodass die Störung weitgehend auf den beabsichtigten Bereich beschränkt bleibt. Spannungsensoren im Modell-Dach zeigen, dass innerhalb weniger Risshöhen oberhalb des Flözes die vertikale Spannung im Vergleich zu einem intakten Dach um mehr als 10 Prozent abnimmt. Darüber hinaus „vergisst“ das Gestein den Riss und die Spannungsniveaus gleichen sich aus, was auf eine gut begrenzte Wirkzone hindeutet.

Nachweis aus einem aktiven Kohlebergwerk

Um die Methode zu verifizieren, wenden die Autoren eine tiefenbohrungsbasierte Richtungs-Vorspaltung im Dach einer realen Strecke im Wangzhuang-Kohlebergwerk in China an. Lange Bohrlöcher werden von der Strecke in das Dach getrieben und mit geformten Sprengladungen bestückt, um eine vertikale Bruchzone über der kleinen Säule zu schneiden. Während das Abbaupanel zurückweicht, zeichnen Spannungsmessgeräte in Bohrlöchern innerhalb der Säule die sich ändernden Lasten auf. Im Abschnitt ohne Dachriss steigt die Spannung in 3 m Tiefe um etwa 5,5 Megapascal. Im gerissenen Abschnitt ist der Anstieg weniger als halb so groß, rund 2,5 Megapascal. Ähnliche Reduktionen werden tiefer in der Säule beobachtet, was zeigt, dass die konstruierten Brüche den Druck auf Strecke und Säule deutlich mindern.

Was das für sicherere, effizientere Kohlegewinnung bedeutet

Für Nichtfachleute ist die zentrale Erkenntnis, dass kleine Kohlesäulen durch das Abteufen benachbarter Panels gefährlich überlastet werden können, und zwar nicht nur einmal, sondern wiederholt. Durch das gezielte Einführen von Rissen im Dach oberhalb dieser Säulen können Ingenieure das Dach dazu bringen, in einem günstigeren Muster zu brechen: es stürzt früher ein, in steilerem Winkel und über eine kürzere Spannweite, sodass gebrochenes Gestein als natürlicher Puffer und Stütze wirkt. Die Simulationen, Labormodelle im kleinen Maßstab und Vollmaß-Feldversuche der Studie kommen alle zu derselben Schlussfolgerung: Dieser kontrollierte Rissansatz reduziert Spannungs-konzentrationen und Verformungen um Strecken neben kleinen Kohlesäulen und trägt dazu bei, Stollen stabiler zu halten, während dennoch eine hohe Kohlerückgewinnung möglich ist.

Zitation: Cheng, S., Ma, Z., Li, Y. et al. The deformation characteristics and the prefabricated crack pressure relief stability control of a small coal pillar roadway under stress superposition. Sci Rep 16, 10850 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44430-7

Schlüsselwörter: Stabilität von Kohlesäulen, Untertage-Streckenstützung, Dachverwitterung / Dachrissbildung, Felsenstoßkontrolle, Schildausbau (Longwall-Bergbau)