Studie zum Korrosionsverhalten und zur Vorhersage der Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften von Bolzen in hoch mineralisierter Korrosionsumgebung

Warum Bolzen tief unter Tage still versagen können

Tief unter Tage stützen Stahlbolzen die Decken und Wände von Kohlebergwerken und verhindern das Einstürzen von Strecken, in denen Menschen arbeiten. In einigen Bergwerken ist das umgebende Wasser mit gelösten Salzen gesättigt, wodurch ein aggressives chemisches Bad entsteht, das diese verborgenen Stützen langsam angreift. Diese Studie stellt eine einfache, aber für die Grubensicherheit wichtige Frage: Wie schnell schwächen sich diese Bolzen unter solchen Bedingungen, und kann ein besserer Bolzentyp länger halten?

Verborgene Gefahr in salzhaltigen Felsstrecken

Die Forscher konzentrieren sich auf „hoch mineralisierte“ Bergwerksumgebungen, in denen warme, sehr feuchte Luft und salzreiches Wasser gemeinsam Metall angreifen. In diesen Strecken sitzen Stahlbolzen in einem dünnen Film salziger Feuchtigkeit statt trocken zu bleiben, was die Korrosion deutlich beschleunigt. Das Team stellt fest, dass mit zunehmender Teufe die Temperaturen steigen und das Grundwasser weniger fließt, wodurch sich oft die Gehalte an Chlorid- und Sulfat-Ionen erhöhen. Diese Bedingungen begünstigen lokale Schäden in Form kleiner Angriffsstellen statt gleichmäßiger Korrosion, sodass ein Bolzen äußerlich weitgehend intakt erscheinen, aber an einer geschwächten Stelle plötzlich brechen kann — mit dem Risiko von Dachschlägen und Gesteinsstürzen in der Fahrstrecke.

Prüfung von Standard- und zinkgeschützten Bolzen

Um zu messen, wie groß das Problem werden kann, führten die Autoren einjährige Einlagerungstests an zwei Arten von 20-Millimeter-Stahlbolzen durch: gewöhnliche Bolzen und Bolzen mit einer zinkreichen Diffusionsschicht. Sie tauchten Proben in Lösungen mit unterschiedlichen Anteilen an Chlorid- und Sulfat-Ionen, einzeln und kombiniert, alle bei erhöhter Temperatur. Nach 365 Tagen entfernten sie den Rost, maßen den Massenverlust, um die angenagte Tiefe abzuschätzen, untersuchten die Korrosionsprodukte mittels Röntgendiffraktion und zogen die Bolzen in einer Zugprüfmaschine, um den Festigkeitsverlust zu bestimmen.

Wie salziges Wasser Stahl angreift und wie Zink das Geschehen verändert

Die Oberfläche der gewöhnlichen Stahlbolzen zeigte viele kleine, tiefe Grübchen statt einer gleichmäßigen Rostschicht. Chlorid erwies sich als das aggressivste Ion und verursachte bei gleicher Konzentration mehr und größere Gruben als Sulfat. Wenn beide Ionen vorhanden waren, konkurrierten sie um Stellen auf der Metalloberfläche, sodass eine Erhöhung des Chlorids die Lochkorrosion verschlimmerte, während eine Erhöhung des Sulfats den Schaden leicht zu einem gleichmäßigeren Angriff verschieben konnte. Der Rost an den gewöhnlichen Bolzen war locker und nicht schützend, sodass Ionen und Feuchtigkeit weiter eindringen konnten. Im Gegensatz dazu bildeten zinkbehandelte Bolzen Korrosionsprodukte, die reich an Zinkverbindungen waren und dicht packten, wodurch sie wie ein Schild wirkten. Die Grübchen an diesen Bolzen waren seltener und flacher, und ihr Festigkeitsabfall war über die gleiche Expositionszeit deutlich geringer.

Von Grübchen im Stahl zur Uhr für Festigkeitsverlust

Da Grübchen wie winzige Kerben Spannungen konzentrieren, verband das Team die Grubentiefe direkt mit dem Verlust an Streckgrenze und Zugfestigkeit. Für den Bereich der beobachteten Schäden nahm der Festigkeitsverlust mit der durchschnittlichen Korrosionstiefe nahezu linear zu. Um dies in ein Vorhersagewerkzeug zu überführen, entwickelten sie ein mathematisches Modell dafür, wie Gruben in chloridreichem Wasser zunächst entstehen und anschließend über die Zeit wachsen, wobei die Temperatur einbezogen wurde. Das Modell behandelt Grubengrößen statistisch und verwendet eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, die viele mittelgroße Gruben und wenige sehr kleine oder sehr große repräsentiert. Durch die Kombination dieses Grubenmodells mit ihren Labordaten leiteten sie Formeln ab, die den Festigkeitsverlust von Bolzen als Funktion des Chloridgehalts, der Temperatur und der Einsatzzeit ausdrücken.

Was das Modell zur Lebensdauer von Bolzen aussagt

Mithilfe ihres zeitabhängigen Modells zeigen die Autoren, dass sowohl höhere Chloridkonzentrationen als auch höhere Temperaturen die Bolzenlebensdauer steil und exponentiell verkürzen. Beispielsweise kann eine Verdoppelung des Chloridgehalts im typischen Bereich einiger chinesischer Kohlebergwerke die erwartete Nutzungsdauer gewöhnlicher Bolzen um mehr als die Hälfte reduzieren. Wärmeres Gebirge hat einen ähnlichen, aber etwas geringeren Effekt. Beim Vergleich der Modellvorhersagen mit einer tatsächlichen Fahrstrecke, in der Bolzen etwa ein Jahr lang unter sehr salzigen Bedingungen im Einsatz waren, stimmten die berechnete Korrosionstiefe und der Festigkeitsverlust gut mit Laboruntersuchungen und Feldmessungen überein. Diese Übereinstimmung deutet darauf hin, dass das Modell Ingenieuren helfen kann abzuschätzen, wann Bolzen voraussichtlich gefährlich schwach werden.

Sicherere Stützungen für harte Bergwerksbedingungen

Um das Risiko plötzlicher Bolzenversagen in hoch mineralisierten Bergwerken zu reduzieren, empfiehlt die Studie, gewöhnliche Bolzen durch zinkbehandelte zu ersetzen und verzinkte Platten, Bewehrungsnetze und anderes Beschlagmaterial zu verwenden, damit das gesamte Stützsystem langsamer und gleichmäßiger korrodiert. Eine Vergussabdichtung um die Bolzen mit dichten, alkalischen Materialien und die Verwendung von äußeren Hülsen können außerdem verhindern, dass salzreiches Wasser an den Stahl gelangt. Zusammen mit besserer Temperaturkontrolle im Bergwerk und fortlaufender Überwachung des Zustand der Stützen können diese Maßnahmen die Lebensdauer von Bolzen verlängern und die Sicherheit der Untertagewege erhöhen.

Zitation: Zhang, J., Li, S., Du, Z. et al. Study on corrosion behavior and mechanical performance degradation prediction of bolts in high mineralized corrosion environment. Sci Rep 16, 14885 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45566-2

Schlüsselwörter: Bolzenkorrosion, Tiefkohlenbergbau, verzinkte Bolzen, Lochkorrosion, Lebensdauerprognose