Studie zum Abplatzungsmechanismus der Kohlewand bei großem Abbauhöhen-Schnitt anhand der Faltungskatastrophentheorie

Warum plötzliche Versagen der Kohlewand wichtig sind

In modernen Untertagebergwerken erlauben immer höhere Abbauschnitte, mehr Kohle in einem Durchgang zu gewinnen, was die Förderung steigert, aber auch das Risiko plötzlicher Seitenwandeinbrüche – sogenannter Rippenabplatzungen – erhöht. Solche abrupten Versagen können Kohle in Arbeitsbereiche schleudern, schwere Maschinen beschädigen und die Sicherheit der Bergleute gefährden. Diese Studie untersucht, warum solche Versagen so plötzlich auftreten, und nutzt dabei eine Kombination aus mathematischer Modellierung, Energieanalyse und Computersimulation, um zu zeigen, wie die Kohlewand still Energie speichert, bis ein Kipppunkt erreicht ist und sie ohne Vorwarnung bricht.

Die verborgene Hülle um den Abbaugang

Die Autorinnen und Autoren vertreten die Auffassung, dass die Kohle neben einem großen Abbauschnitt sich nicht wie ein massiver Block verhält, sondern wie eine dünne Hülle, die die Öffnung umgibt. Wenn Dach und Sohle die freistehende Wand zusammendrücken, wölbt sich diese Hülle allmählich in Richtung Strecke, insbesondere in der mittleren Flözhöhe. Feldbeobachtungen in einem chinesischen Bergwerk zeigten, dass Risse und Ausbrüche dazu neigen, sich in diesem Mittelbereich zu konzentrieren, was die Vorstellung stützt, dass die Kohle um den Schnitt eher in einer annähernd kugeligen als in einer flachen Plattenform versagt. Die Betrachtung der Kohle als Hülle erleichtert es, zu beschreiben, wie Spannungen aus allen Richtungen in einer begrenzten Zone zusammenlaufen, die anfällig für Instabilität ist.

Energieaufbau vor dem Bruch

Statt nur zu betrachten, wie stark die Kohle gedrückt wird, verfolgt die Studie, wie verschiedene Energieformen in der Kohlehülle akkumulieren. Ein Teil der Kohle verformt sich elastisch, wie eine zusammengedrückte Feder, die Energie freisetzen kann, während andere Bereiche sich plastisch verformen, dauerhafte Formänderungen erfahren und Energie aufnehmen. Wenn sich kleine Risse bilden und ausbreiten, wird ein größerer Teil der Hülle zur plastischen Zone, die Energie absorbiert, während die umliegende elastische Zone einen wachsenden Vorrat an Dehnungsenergie speichert. Die Forschenden zeigen mathematisch, dass, sobald die in der elastischen Zone gespeicherte Energie einen bestimmten Schwellenwert erreicht, sie plötzlich in die gerissene Zone überfließen kann. In diesem Moment kann die Hülle ihre Gestalt nicht mehr halten und es kommt in einem schnellen Ausbruch zur Rippenabplatzung.

Ein Kipppunkt beschrieben durch ein Faltungsmodell

Um diesen plötzlichen Übergang zu erfassen, verwendet das Team einen mathematischen Rahmen, der als Faltungs-Katastrophenmodell bezeichnet wird. Einfach gesagt wird das Verhalten der Kohlewand als ein System beschrieben, das zwei unterschiedliche Wege verfolgen kann: einen stabilen, bei dem sich die Verformung langsam erhöht, und einen instabilen, bei dem ein kleiner zusätzlicher Impuls zu einem Sprung in einen stark verformten Zustand führt. Der entscheidende Steuerfaktor ist die Rate, mit der Energie durch Abbauspannungen und Gasdruck in die Kohle eingespeist wird. Solange äußere Kräfte weiterhin zusätzliche Energie zuführen müssen, verformt sich die Wand allmählich. Sobald jedoch die aus den elastischen Teilen der Kohle freigesetzte Energie ausreicht, um weiteres Aufreißen eigenständig voranzutreiben, erreicht das System ein kritisches Gleichgewicht. An diesem Kipppunkt kann selbst eine geringe Störung, etwa ein neuer Schnitt durch den Schrapper, den Sprung von Stabilität zu plötzlichem Versagen auslösen.

Unterstützung durch numerische Experimente

Die Forschenden prüften ihre Ideen mit detaillierten Computersimulationen eines Longwall-Schnitts in einem dicken Flöz, das eine schwächere Einschaltung enthält. Mithilfe eines Diskret-Elemente-Modells simulierten sie schrittweises Abbauen und verfolgten, wie sich die Kohle vor dem Schnitt bewegte und wo sich Spannungen konzentrierten. Die Ergebnisse zeigten, dass sich horizontale Bewegungen und Schäden um die Mitte des Flözes konzentrieren und eine wölbende Zone bilden, die sich in einer annähernd halbkugelförmigen Struktur nach außen ausdehnt. Dieses Muster stimmt mit dem Hüllen- und Kugelversagenskonzept der Theorie überein und deutet darauf hin, dass die Kohlewand tatsächlich Deformation und Energie in der zentralen Region anhäuft, bis sie instabil wird. Das Vorhandensein der schwächeren Einschaltung verschiebt und verstärkt diese Versagenszone und zeigt, wie dünne schwache Lagen Schäden bündeln können.

Folgerungen für sichereren Abbau

Indem die Studie Rippenabplatzungen mit einem Energieschwellenwert verknüpft, geht sie über die bloße Beschreibung sichtbarer Schäden nach dem Ereignis hinaus und ermöglicht Vorhersagen, wann sich die Kohlewand einem gefährlichen Zustand nähert. Das Modell legt nahe, dass das Überwachen von Indikatoren für Energieaufbau, wie abbaubedingte Spannungen und Gasdruck, helfen kann, zu identifizieren, wann das System nahe am Kipppunkt ist. In der Praxis können Ingenieurinnen und Ingenieure die Stützsteifigkeit anpassen, die Abbauhöhe ändern oder druckentlastende Maßnahmen einsetzen, um die Energiezufuhr zu verringern und die Kohlewand aus dem kritischen Bereich herauszubewegen. Einfach ausgedrückt zeigt die Arbeit, dass plötzliche Kohlewandkollapsen keine zufälligen Ereignisse sind, sondern das Ergebnis einer stillen Energieanhäufung in einer fragilen Hülle, die beobachtet und gesteuert werden kann und sollte.

Zitation: Li, G., Zhang, H., Li, M. et al. Study on coal wall spalling mechanism of large mining height working face based on folding mutation theory. Sci Rep 16, 15277 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46075-y

Schlüsselwörter: Abplatzung der Kohlewand, Rippenabplatzung, Energieabgabe, Flözbau (Longwall), Grubensicherheit