Studie über starke Verformung und Versagensmechanismus des Sohlenbereichs in wasserreichen weichgesteinigen Strecken

Warum Stollenböden plötzlich aufwölben können

Tiefe unterirdische Stollen in Kohlebergwerken müssen stabil bleiben, damit Arbeiter sicher sind und Geräte funktionieren. In manchen Bergwerken wölbt sich der Stollenboden allmählich nach oben, verzieht Schienen und risselt Stützrahmen. Diese Studie untersucht ein solches Problem in einem chinesischen Kohlebergwerk, dessen Strecke durch schwaches, wassergesättigtes Gestein führt. Die Forscher wollten verstehen, warum sich die Sohle um mehrere Meter hob und wie eine neue Stützmaßnahme dies künftig verhindern könnte.

Ein Problemstollen weit unter der Oberfläche

Das Team konzentrierte sich auf die nordseitige Hauptstrecke des Hongqi‑Kohlebergwerks in der Provinz Shandong, China. Diese Transportstrecke, etwa vier Meter breit und hoch, verläuft durch eine Schicht weichen Tone oder Schluffsteins und liegt über einer Kalksteinschicht mit unter Druck stehendem Grundwasser. Felduntersuchungen zeigten starke Wasserzutritte an den Stollenschnittstellen, und der Stollenboden in der Nähe dieser Wasserquelle war bis zu 2,5 Meter aufgewölbt. Stahlschienen bogen sich in S‑Form, Betonauskleidungen rissen und Bolzen in den Wänden brachen – Hinweise darauf, dass das umliegende Gestein seine Form nicht mehr halten konnte.

Weiches Gestein, das in Wasser zerfällt

Um zu verstehen, warum die Sohle so verwundbar war, untersuchten die Forscher Proben des Schluffsteins vom Stollenboden. Sie fanden einen hohen Anteil an Tonmineralen, die Wasser anziehen, quellen und bei Nässe an Stärke verlieren können. Unter dem Mikroskop erschien das Gestein porös und locker gebunden, mit vielen feinen Körnern und schwacher Zementation dazwischen. In einfachen Wassertauchtests begannen Schluffsteinklumpen bereits nach einer Minute unter Wasser zu zerfallen und zerfielen weiter, während sie mehr Wasser aufnahmen. Diese Ergebnisse zeigten, dass das Gestein nicht nur weich, sondern auch leicht durch Wasser geschädigt ist, wodurch es besonders anfällig für Aufquellen und Festigkeitsverlust wird.

Computermodelle des vom Wasser nach oben gedrückten Bodens

Als Nächstes erstellte das Team ein dreidimensionales Computermodell des Stollens und der umgebenden Gesteinsschichten. Sie simulierten unterschiedliche Wasserdruckverhältnisse in der tiefen Kalksteinschicht unter der Sohle – von trockenen Bedingungen bis zum gemessenen hohen Druck. Das Modell verfolgte, wie stark Dach und Sohle sich verschoben und wie weit das umgebende Gestein seine Festigkeitsgrenze überschritt. Unter trockenen Bedingungen hob sich die Sohle nur wenig und Schäden blieben flach. Als der Wasserdruck auf den realen unterirdischen Wert erhöht wurde, wuchs die simulierte Aufwölbung auf etwa 2,5 Meter, und die Zone des beschädigten Gesteins unter der Sohle vertiefte sich auf mehr als sechs Meter, während das Dach sich kaum bewegte. Das zeigte, dass der von unten wirkende Wasserdruck auf bereits schwachen Schluffstein der Haupttreiber des Sohlenausfalls war.

Ein einfaches Bild vom Versagen der Sohle

Mit Ideen aus der Bodendrucktheorie zeichneten die Forscher ein mechanisches Bild davon, wie sich die Sohle bewegt. Sie unterteilten die Sohle in eine flache Zone, in der das Gestein durch Versickerung geschwächt ist, und eine tiefere Zone, die stark vom unter Druck stehenden Aquifer beeinflusst wird. In diesem Modell werden Blöcke des aufgeweichten Gesteins beidseits der Stollenbasis unter der kombinierten Last des darüberliegenden Gebirges und dem Auftrieb des Wassers nach innen und oben gedrückt. Ihre Berechnungen legen nahe, dass die kritische Versagungstiefe bei etwa 4,5 Metern liegt. Einfach gesagt: Ein dicker Abschnitt aufgeweichten Gesteins unter der Stollenbasis wird nach oben und in Richtung Tunnelraum gedrückt, was zur Aufwölbung der Sohle führt.

Ein geschichtetes Stützsystem, das Wasser fernhält

Auf dieser Grundlage entwarfen die Forscher ein neues Stützsystem, abgestimmt auf die beiden Tiefenzonen. In der flachen Zone setzten sie kürzere injizierte Bolzen ein, um lose Gesteinsmassen zusammenzubinden und Risse abzudichten. In der tieferen Zone verwendeten sie lange injizierte Verankerungsseile (Kabelbolzen), die in tragenderem Gestein verankern und Bewegungen dort begrenzen, wo der Wasserdruck am größten ist. Eine umgekehrte Betonschale wurde in die Stollensohle eingebaut und mit U‑förmigen Stahlstützen an den Wänden verbunden, wodurch die gesamte Auskleidung zu einem geschlossenen Ring wurde, der dem von unten wirkenden Quetschdruck besser widersteht. Dieses Design zielt darauf ab, den direkten Kontakt zwischen Grundwasser und dem schwächsten Schluffstein zu unterbinden und die Lasten gleichmäßiger zu verteilen.

Von aufsteigender Sohle zu kontrollierter Bewegung

Das neue Stützkonzept wurde in einer nahegelegenen Verbindungssohle mit denselben Gesteins‑ und Wasserverhältnissen umgesetzt. Während zwei Monaten Überwachung blieben Dachabsenkungen und Wandverschiebungen gering, und die Sohle hob sich nur um 33 Millimeter, bevor sie sich stabilisierte – statt der zuvor beobachteten Meter. Für Nichtfachleute lautet die Kernbotschaft: Das Verständnis, wie Wasser unterirdisches Gestein schwächt und wie unter Druck stehendes Wasser auf Stollenböden wirkt, ermöglicht gezielte, geschichtete Stützmaßnahmen, die gefährliche Bodenbewegungen in tiefen Bergwerken erheblich reduzieren können.

Zitation: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

Schlüsselwörter: Sohlenaufwölbung, weichgestein, Grundwasser, Stollenstützung, Kohlebergwerk