Mechanismus der Ausbreitung von Kohlemassenbrüchen beim Bohren und Druckabbau

Warum sicherer Kohlebergbau intelligentes Bohren braucht

In tiefen Kohlebergwerken kann gespeicherte Energie plötzlich freigesetzt werden, Gestein zerspringt und Bergleute werden gefährdet. Eine gängige Schutzmaßnahme besteht darin, Löcher in die Kohle zu bohren, damit sie „atmen“ und Druck ablassen kann. Diese Studie stellt eine einfache, aber entscheidende Frage: Wie genau verändert das Bohren das Bruch- und Versagensverhalten der Kohle, und wie lassen sich diese Bohrungen so gestalten, dass die Gefahr verringert wird, ohne die Stollen zu sehr zu schwächen?

Der Kohle zuhören, während sie bricht

Um dies zu untersuchen, entnahmen die Forscher Kohleblöcke aus einem chinesischen Bergwerk und setzten sie im Labor kontrollierter Belastung aus. Sie belasteten die Proben, um die untertägigen Spannungen zu simulieren, und bohrten dann Löcher, während Instrumente jede winzige Rissbildung überwachten. Ein zentrales Werkzeug war die akustische Emission, die ein wenig wie ein medizinisches Herzmonitor für Gestein funktioniert: Jedes Mal, wenn die Kohle aufreißt, erzeugt sie einen kurzen Schallimpuls, den Sensoren erfassen können. Durch die Verfolgung von Zeitpunkt, Ort und Stärke dieser Signale konnte das Team die verborgene Rissaktivität innerhalb der Kohle rekonstruieren, während sich die Bedingungen änderten.

Vier Stadien vom stillen Verformen bis zum plötzlichen Bruch

Die Versuche bestanden aus vier Phasen: Anfangsbelastung, Bohren bei konstanter Last, eine ruhende Haltephase und schließlich eine letzte Erhöhung der Belastung bis zum Versagen der Probe. Zunächst verhielt sich die Kohle fast elastisch, speicherte Energie und zeigte nur wenige schwache Emissionssignale, während alte Schwachstellen sich schlossen und winzige Risse entstanden. Während des Bohrens und der Haltephase blieb die Gesamtstruktur größtenteils intakt, doch die lokale Spannung und die innere Textur um den Bohrkanal reorganisierten sich subtil. Das eigentliche Geschehen ereignete sich in der finalen Belastungsphase: Anzahl und Energie der akustischen Ereignisse stiegen stark an, und Risse verknüpften sich rasch zu einer dominanten Bruchzone. Die Kohle wechselte von verstreuter Mikrorissbildung zu einem unkontrollierten Versagen und zeigte, dass das frühere Bohren sie für ein späteres, stärker organisiert ablaufendes Versagen vorbereitet hatte.

Wie sich Risse ausbreiten und Spannungen drehen

Über einfache Zählungen von Bruchereignissen hinaus nutzte das Team fortgeschrittene mathematische Methoden zur Interpretation der Signale. Durch Inversion der aufgezeichneten Wellenmuster klassifizierten sie jedes Ereignis als überwiegend Scher-, Zug- oder Druckversagen. Im gesamten Experiment dominierten Scherrisse, doch Zugereignisse wurden in der finalen Belastungsphase häufiger, als die Kohle dem Zusammenbruch nahe war. Außerdem rekonstruierten sie die Entwicklung des gesamten Spannungsfeldes innerhalb der Kohle. Anfangs waren die Hauptspannungen grob von Südwest nach Nordost ausgerichtet, was Scherbrüche begünstigte. Nach dem Bohren und der Ruhephase entspannte sich der Spannungszustand zeitweise, sodass die Spannungen gleichmäßiger verteilt wirkten. Unter erneuter Belastung rotierten die Spannungsrichtungen in eine neue Orientierung und Schereffekte verstärkten sich wieder, nun begleitet von Zug, der das Verknüpfen und Ausbreiten von Rissen förderte.

Warum Lochgröße und Gebirgsdruck wichtig sind

Um diese Laborerkenntnisse auf das Grubendesign zu übertragen, entwickelten die Autoren ein mechanisches Modell der Kohle um einen Bohrkanal. Sie zeigten, dass Form und Größe der plastischen Zone, in der die Kohle nachgegeben und geschwächt ist, stark von dem seitlichen Gebirgsdruck, dem Gesamtspannungsniveau und dem Bohrlochdurchmesser abhängen. Bei geringem Seitenpressdruck konzentriert sich die Spannung an den Seiten des Lochs; bei hohem Druck verlagert sie sich nach oben und unten. Gleichmäßiger Druck um das Loch herum führt zu einem ausgeglicheneren Ring aus beanspruchter Kohle. Die Änderung des Lochdurchmessers veränderte ebenfalls den Bruchstil in den Experimenten: Kleine Löcher führten zu verstreuten Mikro­rissen, mittlere Löcher erzeugten einige sehr energiereiche lokale Ausbrüche, die weiteres Risswachstum blockieren konnten, und größere Löcher förderten ein verbundenes Rissnetz und eine kaskadenartige Freisetzung gespeicherter Energie.

Unterschiedliche Klänge für verschiedene Brüche

Abschließend untersuchten die Forscher den Frequenzgehalt der akustischen Signale. Scherrisse neigten dazu, kurze, scharfe Impulse bei höheren Frequenzen zu erzeugen; Zugrisse zeigten mittelfrequente Energie, die sich über etwas längere Zeit erstreckte; und Druckprozesse wie die Schließung von Poren produzierten tiefe, gleichmäßige Signale. Diese spektralen „Signaturen“ könnten helfen, in Echtzeit zu unterscheiden, welche Art von Rissbildung stattfindet, und damit empfindlichere Überwachung in aktiven Bergwerken ermöglichen.

Was das für die Sicherheit in Bergwerken bedeutet

Einfach ausgedrückt zeigt die Studie, dass Bohren nicht bloß ein Loch in die Kohle „sticht“. Es formt die verborgene Spannungslandschaft um, legt still und unbemerkt neue Schwachstellen an und verändert, wie und wann gespeicherte Energie später freigesetzt wird. Durch das Verständnis, wie Rissmuster und Spannungsfelder auf unterschiedliche Lochgrößen und Spannungsbedingungen reagieren, können Ingenieure besser zwischen zwei konkurrierenden Zielen abwägen: gefährliche Spannungen zu lindern, um das Risiko plötzlicher Gebirgsschläge zu verringern, und zugleich das Gestein um die Stollen ausreichend stabil zu halten. Dieses Wissen kann zu intelligenteren Bohranordnungen und Echtzeit-Überwachungsstrategien führen, die den Tiefbau im Kohlebergbau sicherer machen.

Zitation: Liu, K., Liu, Y., Lu, CP. et al. Mechanism of coal mass fracture expansion under drilling and pressure relief. Sci Rep 16, 15138 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44731-x

Schlüsselwörter: Kohlespaltung, Druckentlastungsbohrung, Gebirgsschlag-Sicherheit, Akustische Emission, untertage Bergbau