Präventivmaßnahmen und Überwachungstechnik der dynamischen Belastung im Bergwerk Tangshan nach einer Kohlenstoß-Katastrophe

Warum Untertagerschütterungen für uns wichtig sind

Tief unter der Erde arbeiten Bergleute in Stollen, die durch Kohle und Gestein geführt werden, das von gewaltigen natürlichen Kräften zusammengedrückt wird. Manchmal wird dieser Druck plötzlich freigesetzt und wirft Kohle und Gesteinsmassen heftig in den Stollen — ein Ereignis, das als Kohlenstoß bezeichnet wird. Solche Stöße können Stollen zum Einsturz bringen und Beschäftigte sofort töten. Diese Studie untersucht, wie ein chinesisches Bergwerk sich nach einem tödlichen Kohlenstoß erholte, indem der Druck im Gestein schrittweise reduziert und gleichzeitig die Bewegungen des Bergdachs genau beobachtet wurden. Daraus ergeben sich Lehren für sicherere Energiegewinnung weltweit.

Ein Bergwerk mit belasteter Vergangenheit

Das Bergwerk Tangshan liegt tief unter einer geologisch komplexen Region, in der Gesteinsschichten gefaltet sind und von zahlreichen Verwerfungen durchschnitten werden. Im August 2019 tötete dort ein schwerer Kohlenstoß sieben Bergleute. Untersuchungen ergaben, dass die Katastrophe aus mehreren überlappenden Bedingungen entstand: starke Kräfteeinwirkungen durch die Erdkruste, Kohle und Gestein, die elastische Energie speichern und plötzlich freisetzen können, konzentrierte Lasten um verbleibende Pfeilerklüfte sowie Erschütterungen durch Bergbaumaschinen. Bevor ein wichtiges Produktionsfeld, bekannt als das 0250-Abbaubauwerk, wieder in Betrieb genommen werden konnte, mussten die Ingenieure nachweisen, dass diese gefährlichen Zustände beherrschbar gemacht werden konnten.

Die Kohle entspannen lassen

Der erste Schritt bestand darin, die aufgestaute Energie innerhalb der Kohleflöz zu reduzieren. Das Team verfolgte zwei Haupttaktiken. Sie sprengten gezielt Abschnitte der Kohle, rissen Bereiche auf und schwächten jene Zonen, in denen die Spannungen am höchsten waren. Anschließend bohrten sie großdurchmessrige Löcher entlang der Seiten des Stollens, um Bereiche zu schaffen, in denen die Kohle kontrolliert brechen und sich verformen konnte. Diese „Druckentlastungs“-Bohrungen fördern ein allmähliches Versagen des Gesteins und lassen Energie abfließen, anstatt dass sie sich ansammelt, bis es zu einer Explosionsartigen Freisetzung kommt. Nach dieser Kampagne aus Sprengungen und Bohrungen wurde das verbleibende Risiko eines gewaltsamen Stoßes am 0250-Schnitt als gering eingeschätzt — allerdings nur, wenn das Bergdach beim Wiederaufnehmen der Abbauarbeiten stabil blieb.

Dem Bergdach beim Bewegen zuhören

Die nächste Herausforderung war, in Echtzeit zu beobachten, wie das Gestein über dem Stollen reagierte, während sich die Abbaugeräte vorarbeiteten. Übliche Methoden maßen überwiegend indirekte Hinweise, wie veränderliche Belastungen der Stützsysteme oder Spannungen in Bohrlöchern, die langsame Hintergrundkräfte und plötzliche Erschütterungen vermischen können. In dieser Studie setzten die Autoren ein Schwingungsinstrument ein, das normalerweise in der Maschinen- und Hangüberwachung verwendet wird. Sie verschraubten Schwingungssensoren an an der Hauptdachmasse verankerten Seilen und kombinierten diese mit mehrpunktigen Verschiebungsmessern, die durch 10-Meter-Bohrlöcher geführt wurden. Diese Anordnung erlaubte es, sowohl die Geschwindigkeit der Dachbewegung bei kurzen Erschütterungen als auch die langsame Durchbiegung über Tage aufzuzeichnen.

Was die Zahlen zur Sicherheit sagen

Innerhalb mehrerer Produktionstage rückte das Abbaugeschehen nur wenige Meter voran, doch die Messinstrumente zeichneten mehr als tausend Schwingungsereignisse auf. Nach Rauschfilterung konzentrierte sich das Team auf die vertikalen Bewegungen des Dachs. Typische Schwingungsgeschwindigkeiten lagen zwischen einigen und etwa 15 Zentimetern pro Sekunde, wobei jeder Impuls nur ein bis zwei Sekunden dauerte — konsistent mit normalen Bergbauaktivitäten wie Kohleschnitt und Stützbewegungen. Die größten schnellen Auf‑und‑Ab‑Verschiebungen von rund 35 Zentimetern traten wenige Meter vor der aktiven Schnittzone auf, einem Bereich, der normalerweise nicht mit Kohlenstößen in Verbindung gebracht wird und wahrscheinlich durch routinemäßige Maschinenaktivitäten verursacht wurde. Wichtiger: In der Hochdruckzone 7 bis 16 Meter vor dem Gesicht — wo gefährliche Stöße am meisten befürchtet werden — blieb die vertikale Bewegung des Dachs bei etwa 10 Zentimetern. Langfristige Senkungsdaten aus den Verschiebungsmessern zeigten nur kleine, allmähliche Verschiebungen, was darauf hindeutet, dass das geschichtete Dachgestein intakt und gut gestützt blieb.

Ein Blick in die Zukunft unter Tage

In der Summe deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Kombination aus druckentlastenden Maßnahmen vor dem Abbau und kontinuierlicher, direkter Überwachung der Dachbewegungen die dynamischen Belastungen am 0250-Abbaubereich in einem sicheren Bereich hielt. Die Kohle hatte bereits einen Großteil ihrer gespeicherten Energie abgegeben, und die verbleibenden Erschütterungen wirkten eher wie das ruhige Atmen eines arbeitenden Bergwerks als wie das plötzliche Keuchen einer Katastrophe. Die Autoren merken an, dass die verwendeten Schwingungsinstrumente längere Aufzeichnungszeiten und intelligentere Datenverarbeitung für den täglichen Einsatz im Bergwerk benötigen. Dennoch weist der Ansatz — riskante Kohlezonen gezielt schwächen und anschließend genau verfolgen, wie sich das Gestein tatsächlich bewegt — auf einen transparenteren, messbaren Weg hin, zu entscheiden, wann der Tiefbergbau weitergeführt werden kann, ohne ein weiteres tödliches Erschütterungsereignis zu riskieren.

Zitation: Ma, S., Su, Y., Jia, D. et al. Prevention measures and monitoring technology of dynamic load in Tangshan coal mine after coal bump disaster. Sci Rep 16, 14593 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45527-9

Schlüsselwörter: Kohlenstoß, Sprengfallprävention, Überwachung des Bergdachs, Schwingungsmessung, Sicherheit beim tiefen Kohlebergbau