Mechanismus und Steuerungsstrategien für asymmetrisches Sohlenaufwölben in außer­dickeren Kohleschichtsasstraßen unter hohem Stress

Warum sich die Bergwerkssohle manchmal plötzlich hebt

Tief unter der Erde dienen lange Stollen in Kohlebergwerken dem Transport von Personal, Luft und Kohle. In einigen von Chinas außerordentlich dicken Kohleschichten kann der Felsboden dieser Stollen plötzlich um bis zu einen halben Meter aufwölben, Geräte einklemmen und Arbeitskräfte gefährden. Diese Studie untersucht, warum dieses ungleichmäßige „Sohlenaufwölben“ unter sehr hohem Spannungszustand auftritt und wie es verhindert werden kann, wobei ein aktives Abbauort im Caojiatan-Kohlenbergwerk als großmaßstäblicher Naturversuch dient.

Was unter einer dicken Kohleschicht passiert

Im untersuchten Bergwerk ist das Kohleflöz mehr als zehn Meter mächtig und liegt mehrere hundert Meter unter der Oberfläche. Wenn ein so großer Kohleschnitt entfernt wird, entsteht über dem abgebauten Bereich eine weite Hohlzone, der sogenannte Ausbruch (Goaf). Die dünneren Gesteinsschichten direkt oberhalb der Kohle stürzen zusammen, füllen den Hohlraum aber nicht vollständig. Höher liegende, dickere Gesteinsschichten brechen in große Platten, die sich ungleichmäßig biegen, rotieren und aufstapeln. Auf der Seite, an der ein schützender Kohleblock (Pfeiler) zum Abstützen des Deckens stehen bleibt, bilden diese Platten eine gestufte, geneigte Struktur. Auf der gegenüberliegenden Seite, wo die Kohle ununterbrochen fortläuft, bleibt die Deckenkonfiguration regelmäßiger. Diese ungleichmäßige Dachstruktur wird zur Quelle stark unausgeglichener Kräfte in und um den Stollen.

Ungleichmäßiges Zusammendrücken der Stollensohle

Die Autoren kombinierten Messungen unter Tage, Computersimulationen und mechanische Modellierung, um die Verformung des Stollens mit dem Vorstoß des Abbaubetriebs zu verfolgen. Sie fanden heraus, dass die Sohle deutlich stärker ansteigt als das Dach absinkt und dass dieser Anstieg stark einseitig ist: Risse und Aufwölbungen beginnen an der Seite mit der durchgehenden Kohle und breiten sich in Richtung des Pfeilers aus. Instrumente in den Stollenwänden zeigten, dass beim Passieren der Flözfront das Gestein neben dem Pfeiler viel stärker beansprucht wird als auf der Seite mit durchgehender Kohle. Etwa 60 Meter hinter der Flözfront ist die Spannung in der Nähe des Pfeilers mehr als 20 Prozent höher. Gleichzeitig erreicht die maximale Sohlenaufwölbung rund 47 Zentimeter und der höchste Punkt verschiebt sich deutlich zur Seite der durchgehenden Kohle im Stollen.

Wie gekippte Kräfte den Fels umformen

Um dieses Verhalten zu erklären, entwickelten die Forscher ein mechanisches Bild davon, wie die gebrochenen Dachbalken Druck auf Kohle und Sohle ausüben. Über dem Pfeiler bilden niedrig liegende Blöcke einen gestuften Balken, der stark nach unten drückt, während höher liegende Blöcke wie ein angelenkter Bogen wirken, der noch mehr Last auf diese gestufte Struktur überträgt. Dieses „niedrigliegende gestufte plus höherliegende gelenkige“ System kanalisiert zusätzliche Last in den Pfeiler und von dort in die Sohle darunter. Das Stollenmittel wird dagegen nach dem Aufbrechen zu einer Niederdruckzone. Das Ergebnis ist ein steiler seitlicher Spannungsgradient über die Sohle hinweg — vergleichbar mit einem geneigten Energiehügel mit hohem Druck unter dem Pfeiler und niedrigem Druck unter dem Stollen.

Vom hohen Druck zur einseitigen Sohlenaufwölbung

Unter diesem geneigten Spannungsfeld verhält sich das Sohlenmaterial ein wenig wie eine sehr steife, langsam fließende Paste. Tief unter dem Pfeiler wird Gestein zerquetscht und entlang einer schrägen Bahn abgeschert, die diagonal auf den Stollen zuläuft. Angetrieben durch den Druckunterschied zwischen der hochbeanspruchten Pfeilerseite und dem entlasteten Stollenmittel, wird dieses beschädigte Gestein allmählich in den freien Raum unter dem Stollen nach oben gedrückt. Da die Pfeilerseite jedoch durch schwere überlagernde Gesteinsschichten stark eingeschlossen bleibt, tritt der sichtbare Aufwölbungseffekt größtenteils auf der weniger eingeengten Seite der durchgehenden Kohle auf. Das Ergebnis ist ein charakteristisches Muster: Setzungen und starke Rissbildung neben dem Pfeiler sowie eine zur gegenüberliegenden Wand verschobene Haube der Sohlenaufwölbung.

Wie man die Sohle in den Griff bekommt

Auf Grundlage dieses Verständnisses schlagen die Autoren eine dreistufige Präventionsstrategie vor. Zunächst empfehlen sie, Teile des Daches an der Pfeilerseite gezielt zu durchtrennen und vorzugerichten, bevor sie von selbst versagen — dadurch werden die Gesteinsbalken verkürzt und die übertragbaren Kräfte reduziert. Zweitens schlagen sie vor, Schlitze in der Sohle nahe den Rändern einzubringen, insbesondere auf der Pfeilerseite, um den Hauptspannungsweg vom Pfeiler in die Stollensohle zu unterbrechen. Drittens empfehlen sie eine stärkere, bewusst asymmetrische Sohlensicherung, mit längeren und kräftigeren Verankerungen auf der Seite der durchgehenden Kohle, um die gebrochenen Deckschichten mit tieferem, stabilerem Gestein zu verbinden. Zusammen sollen diese Maßnahmen die treibende Spannung verringern, ihren Weg blockieren und die Sohle dort verstärken, wo sie am stärksten zum Aufwölben neigt.

Was das für sichereren Bergbau bedeutet

Die Studie zeigt, dass extremes, einseitiges Sohlenaufwölben in Bergwerken mit dicken Flözen nicht nur eine Frage schwachen Gesteins ist, sondern davon abhängt, wie gebrochene Dachschichten über dem Pfeiler die Last in die Sohle konzentrieren. Indem sie diesen verborgenen Lastpfad aufdecken und ihn mit Messdaten aus der Praxis verknüpfen, liefert die Arbeit Bergbauingenieuren ein klareres Rezept, um Stollen offen zu halten: die Dachstruktur behandeln, die Spannungs‑Kette durchtrennen und die Sohle asymmetrisch verstärken. Die Anwendung dieses „Quelle‑Weg‑Struktur“-Ansatzes kann Bergwerken in sehr mächtigen Flözen helfen, unter hohem Stress sicherere und stabilere Stollen zu erhalten.

Zitation: Zhang, J., Sun, J., Wang, B. et al. Mechanism and control strategies for asymmetric floor heave in extra-thick coal seam roadways under high stress. Sci Rep 16, 14515 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45203-y

Schlüsselwörter: Stollen im Kohlebergwerk, Sohlenaufwölbung, Felsmechanik, Gebirgssicherung, dicke Kohleschicht