Analyse der wasserdurchlässigen Bruchzone im schwach zementierten Überlagerungsgestein unter Berücksichtigung der Gesteinsverformungs‑Schwächung

Warum Risse über Kohlebergwerken wichtig sind

In trockenen Regionen, in denen Wasser knapp ist, entnehmen Kohlebergwerke nicht nur Brennstoff aus dem Untergrund – sie können auch verborgene Risse öffnen, die wertvolles Grundwasser ableiten und plötzliche Wasserzuflüsse in Stollen auslösen. Diese Studie untersucht, wie sich diese Bruchzonen über einem langen Abbaufeld in Westchina ausbreiten, wo das Deckgebirge schwach und leicht beschädigbar ist. Durch die Kombination von Felddaten mit fortschrittlichen Computersimulationen zeigen die Autoren, dass übliche ingenieurwissenschaftliche Methoden die Höhe dieser wasserführenden Risse unterschätzen können, mit ernsten Folgen für sowohl die Sicherheit im Bergwerk als auch die lokalen Ökosysteme.

Die verborgenen Wasserwege

Wenn eine Kohleflöz über eine große Fläche abgebaut wird, sackt das Dach darüber ein, es biegt sich und bricht schließlich. Dieser Prozess schafft eine „wasserdurchlässige Bruchzone“ – eine Säule von miteinander verbundenen Rissen und Hohlräumen, durch die Wasser fließen kann. Im Shendong‑Bergbaugebiet der Inneren Mongolei liegen die Kohleflöze unter lockerem Sand sowie schwach zementiertem Sandstein und Schluffstein. Einmal gestört, können diese Gesteine umfangreich brechen und oberflächennahe wasserführende Schichten mit dem Hohlraum des Bergwerks verbinden. Diese Verbindung kann Grundwasser entleeren, plötzliche Einströmungen von Wasser und Sediment in Stollen verursachen und oberflächenbezogene Probleme wie Bodenerosion, Verlust von Vegetation und Verschmutzung ohnehin knapper Wasserressourcen verschärfen.

Risse von der Oberfläche aus messen

Um herauszufinden, wie hoch die Bruchzone tatsächlich reicht, bohrten die Forschenden zwei vertikale Bohrlöcher: eines über ungestörtem Boden und eines über dem bereits abgebauten Bereich (Goaf). Während des Bohrens beobachteten sie, wie viel Spülflüssigkeit in das umgebende Gestein verlorenging und wie sich der Wasserspiegel in den Löchern veränderte. Im ungestörten Bohrloch blieb der Verlust gering und konstant, was nur spärliche natürliche Klüfte anzeigte. Im Gegensatz dazu stieg beim Bohren im abgebauten Bereich ab etwa 97 Metern Tiefe der Flüssigkeitsverlust um das Tausendfache und der Wasserspiegel sank plötzlich bis auf den Boden des Lochs – ein Hinweis darauf, dass der Bohrer in eine stark zergliederte und wasserleitfähige Zone eingedrungen war. Bohrloch‑Videoaufnahmen bestätigten dieses Bild: intaktes Gestein in flacheren Lagen wich dichten, sich kreuzenden Brüchen in größeren Tiefen. Aus diesen Beobachtungen wurde die Höhe der wasserdurchlässigen Bruchzone auf etwa 142,6 Meter oberhalb der Kohleflözsohle bestimmt.

Warum traditionelle Formeln versagen

Ingenieure in China stützen sich häufig auf eine ältere empirische Formel, die die Höhe der Bruchzone aus der Abbauhöhe und einer groben Einordnung der Dachgesteinshärte abschätzt. Für die untersuchte Abbauflanke ergab diese Faustregel nur etwa 41 Meter Bruchhöhe – deutlich weniger als die Bohrungen zeigten. Ein Grund dafür ist, dass die Formel hauptsächlich auf älteren, härteren Gesteinstypen aus östlichen Kohlenbecken basiert und die schwächeren, variableren Gesteine westlicher Becken nicht widerspiegelt. Folglich kann ihre Anwendung in solchen Gebieten ein trügerisch niedriges Sicherheitsgefühl vermitteln und sowohl den möglichen Grundwasserverlust als auch das Risiko von Wassereinbrüchen ins Bergwerk unterschätzen.

Gesteine, die beim Verformen schwächer werden

Um diese Lücke zu schließen, erstellten die Autoren ein dreidimensionales numerisches Modell des Bergwerks mithilfe der Distinct‑Element‑Methode, die das Deckgebirge als interagierende Blöcke darstellt, getrennt durch Klüfte. Sie verglichen zwei Beschreibungen des Gesteinsverhaltens: das standardmäßige Mohr‑Coulomb‑Modell, das annimmt, dass Gestein nach Erreichen seiner Spitzenfestigkeit gleich stark bleibt, und ein Dehnungs‑Schwächungsmodell, bei dem die Festigkeit mit zunehmender Verformung allmählich abnimmt. Das Schwächungsmodell erfasst, wie Mikrobrüche wachsen und Bindungen in schwach zementierten Gesteinen brechen, wodurch Kohäsion und Reibung mit der Zeit verloren gehen. Die Simulationen zeigten, dass beide Modelle das allgemeine Muster von Dacheinbruch, Abbrandung und Risswachstum reproduzierten, die Details jedoch in wichtigen Punkten auseinanderliefen.

Das volle Ausmaß der Schädigung erkennen

Beim Konstantfestigkeitsmodell blieben die Versagen überwiegend im unteren Dachbereich, und die Bruchzone erreichte nur etwa 128,5 Meter. In den Dehnungs‑Schwächungs‑Simulationen hingegen schwächte sich das Gestein über dem Goaf fortschreitend, sobald es zu versagen begann, sodass Risse höher und weiter reichten. Frühere Ablösungen im Dach schlossen sich unter Subsidenz, während weiter oben neue Brüche entstanden und einen höheren, zusammenhängenderen Wasserweg bildeten. Dieses Modell prognostizierte eine Bruchzonenhöhe von 144,5 Metern – nur ein paar Meter von den Bohrlochmessungen entfernt und deutlich höher als die Mohr‑Coulomb‑Schätzung. Während des gesamten Abbaus erzeugte das Schwächungsmodell konsistent größere, realistischere Schadensbereiche und unterstrich, wie empfindlich das Risswachstum auf die Behandlung des Nach‑Versagens‑Verhaltens des Gesteins reagiert.

Was das für Wasser und Sicherheit bedeutet

Für Nicht‑Fachleute ist die Botschaft klar: In schwachen, wasserführenden Gesteinen können die Risse über einem Kohlebergwerk deutlich höher reichen als einfache Regeln nahelegen, insbesondere wenn das Gestein nach dem ersten Bruch weiter schwächer wird. Modelle, die diese Schwächung außer Acht lassen, neigen dazu, die Eindringtiefe des Wassers in ein Bergwerk zu unterschätzen. Indem das Dehnungs‑Schwächungs‑Modell Feldmessungen eng nachbildet, bietet es eine vertrauenswürdigere Grundlage für die Festlegung sicherer Abbautiefen, die Planung von Grundwasserschutzmaßnahmen und die Bewertung von Umweltauswirkungen in ariden Regionen, in denen Grundwasser sowohl kostbar als auch empfindlich ist.

Zitation: Xue, S., Wang, Q. & Song, Z. Analysis of water-permeable fractured zone in weakly cemented overburden considering rock strain-softening. Sci Rep 16, 10776 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45413-4

Schlüsselwörter: Kohlenbergbau, Grundwasser, Gesteinsbruch, numerische Modellierung, Bergbauwasser‑Gefahren