Analyse der Verformung von Gesteinsschichten und Minderungsmaßnahmen an störungsüberschreitenden Abbaustellen bei RCRM-Betrieben

Warum sich unterirdische Gesteinsbewegungen auswirken

Tief unter unseren Füßen durchziehen Kohlebergwerke geschichtete Gesteinspakete, die alles andere als starr und unbeweglich sind. Brüche in der Erdkruste, sogenannte Störungen, können sich verschieben, wenn der Bergbau das Gleichgewicht der Kräfte unter Tage verändert. Solche Bewegungen können Stollen zusammendrücken, Ausrüstung beschädigen und die Belegschaft gefährden. Diese Studie untersucht ein modernes Abbaumodell, das versucht, Strecken offen zu halten, indem gebrochenes Gestein das Dach trägt, und stellt eine schwierige Frage: Was passiert, wenn diese Methode eine bedeutende Störung kreuzen muss? Durch die Verbindung von Theorie, Computermodellen und Feldversuchen im Bergwerk zeigen die Autoren, wie sich gefährliche Gesteinsbewegungen in solchen komplexen Bereichen beherrschen lassen.

Eine neue Methode, Strecken offen zu halten

Beim traditionellen Kohleabbau bleiben oft dicke Kohlepfeiler stehen, um das Dach zu stützen; das opfert wertvolle Vorräte und birgt dennoch das Risiko plötzlicher Gesteinsbrüche. Das Verfahren „Roof Cutting and Retaining by Mining“ (RCRM) kehrt diese Logik um. Statt Pfeilern schneiden die Bergleute das Dach vor und lassen Abraum, den sogenannten Bruchkohle- bzw. Bongestein, einfallen und natürlicherweise aufquellen; so entsteht eine selbsttragende Wand, die die für das nächste Abbaubetriebsfeld benötigte Fahrtrichtung formt und schützt. Die einfache Idee – das gebrochene Material des Bergwerks als Stütze zu nutzen – kann die Gewinnung verbessern, die Spannungen im umgebenden Gestein verteilen und die Kosten sowie Risiken bei der Unterhaltung langer Strecken verringern.

Wenn Störungen den Weg versperren

Störungen verkomplizieren dieses ansonsten elegante System. Weil die Gesteinsschichten auf beiden Seiten einer Störung unterschiedlich reagieren, konzentrieren sich die Spannungen ungleichmäßig, und der Boden kann sich verformen oder plötzlich abrutschen. Die Autoren konzentrieren sich auf das Abbaufeld 11.101 des Kohlebergwerks Qipanjing in China, wo eine steile Störung quer zur Abbaurichtung verläuft. Mit etablierten Konzepten der Felsbaulehre entwickeln sie ein Dreiphasenbild dessen, was geschieht, wenn das Abbaufeld sich der Störung von oben nähert, sie durchfährt und dann darunter weiterzieht. Ihr Modell zeigt, dass die Spannung vor der Abbaufront nicht einfach gleichmäßig ansteigt und wieder abfällt. Stattdessen wirkt die Störung, wenn die Kohle oberhalb der Störung entfernt wird, wie eine Barriere: Es kommt zu einem scharfen Abfall der Vorwärtsspannung, gefolgt von einem allmählichen Wiederaufbau, wenn die Front auf den tieferen Gesteinsblock übergeht und darüber hinaus weiterläuft.

Ins Gestein blicken mit Simulationen

Um über die Theorie hinauszukommen, erstellen die Forscher ein detailliertes dreidimensionales Computermodell des Bergwerksabschnitts, das die Störung und den Abbauhohlraum (Goaf) nachbildet. Besonderes Augenmerk legen sie auf das Verdichtungsverhalten des eingestürzten Abraums. Gebrochenes Gestein verhält sich nicht wie ein massiver Block: Es beginnt locker, mit vielen Hohlräumen, und versteift sich, wenn Körner brechen und sich neu anordnen. Die Forschenden simulieren dieses Verhalten mit einem spezialisierten „Doppel-Fließ“-Numerikmodell und prüfen mehrere Szenarien, die die Schnitt­höhe des Daches über dem Flöz variieren. Einfach gesagt: Höhere Schnitte erzeugen mehr herabfallendes Material, das den Raum besser ausfüllen und fester verdichtet werden kann.

Das richtige Maß im gebrochenen Gestein finden

Das Team bewertet jedes Szenario, indem es das Durchhängen des Überlagerungsgebirges, die Verschiebung der Störung selbst und die Verzerrung sowie Zusammendrückung des umgebenden Gesteins verfolgt. Sie stellen fest, dass eine Erhöhung der Schnitt­höhe sowohl die in der Kohle vor der Abbaufront gespeicherte „Verdrehungs“-Energie als auch die Zerstörungsdehnung in der Nähe der Störung reduziert. Eine Schnitt­höhe von etwa 10 Metern erweist sich als praktisches Optimum: Sie senkt die Intensität von Spannung und Bewegung deutlich – wichtige Spannungskennwerte werden merklich reduziert und Dach- sowie Störungsverschiebungen verringert – und vermeidet gleichzeitig die höheren Kosten und den begrenzten Zusatznutzen noch größerer Schnitte. Darauf aufbauend entwerfen sie eine kombinierte Maßnahme aus höheren Schlitzschnitten im Dach und zusätzlichem „lockerem Sprengen“, um den Abraumbrocken weiter aufzubrechen und zu verdichten, sodass er als stärkere Stütze wirkt.

Vom Computer zur Kohlefront

Diese Ideen blieben nicht auf dem Papier. Im Qipanjing-Bergwerk setzten die Forschenden das 10‑Meter‑Schnitt‑ und Locker‑Sprengschema um, als das RCRM-Feld die Störung kreuzte. Feldmessungen zeigten, dass die hydraulischen Stützen an der Abbaufront deutlich weniger Last tragen mussten und der gebrochene Abraum hinter der Front enger verdichtete, was sich in einem geringeren Aufquellungsfaktor zeigte. Praktisch bedeutete das: Die Störung verrutschte weniger, das Dach sackte weniger ein und die beibehaltene Fahrstrecke neben dem Goaf blieb stabil, während die Abbaufront sich mehr als 200 Meter entfernte. Die beobachteten Verbesserungen stimmten größtenteils mit den prognostizierten Zielen überein und stärkten das Vertrauen in den kombinierten theoretischen und numerischen Ansatz.

Sicherer Bergbau durch klügere Gesteinskontrolle

Für Nichtfachleute ist die zentrale Botschaft: Gestein in und um Störungen ist nicht nur eine passive Kulisse für den Bergbau – es ist ein aktives, veränderliches System, das sich innerhalb gewisser Grenzen durch überlegte Gestaltung lenken lässt. Indem Ingenieure verstehen, wie Spannungen blockiert, umgelenkt und freigesetzt werden, wenn eine Abbaufront eine Störung kreuzt, und indem sie bewusst steuern, wie gebrochenes Gestein verdichtet wird, um das Dach zu stützen, können sie mehr Kohle gewinnen und gleichzeitig unterirdische Strecken sicher halten. Die vorgeschlagene Strategie „höher schneiden und feiner zerkleinern“ für den Abraumbereich hinter der Front bietet eine praxisnahe Vorgehensweise für Bergwerke in gestörten Gebieten, die RCRM einsetzen wollen, und verwandelt ein geologisches Risiko in eine beherrschbare ingenieurtechnische Aufgabe.

Zitation: Dongshan, Y., Bo, L., Xiaohui, K. et al. Rock layer deformation analysis and mitigation at fault-crossing mining sites in RCRM operations. Sci Rep 16, 11723 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45552-8

Schlüsselwörter: störungsüberschreitender Abbau, Dachvorbereitung und -erhaltung, Sicherheit im Kohlebergwerk, Verformung des Felskörpers, Teerückfüllung