Numerische Analyse und ingenieurmäßige Anwendung der Bolzenverankerungstechnik zur Kontrolle des Kohlekörperschubs

Warum Bergwerksicherheit weiterhin wichtig ist

Tiefe untertägige Kohlebergwerke versorgen Haushalte und Industrie mit Energie, bergen aber zugleich heftige Gefahren. Eine der gefährlichsten ist der Kohleschlag, ein plötzlicher Energieschub, der Kohle seitlich wegschieben und Stollen beschädigen kann. Diese Studie untersucht einen praxisnahen Weg, diese Kraft zu brechen, indem die Anordnung der Metallbolzen zwischen Kohle und Gestein so überdacht wird, dass Fahrten stabil bleiben und Bergleute geschützt sind.

Gleitende Kohle und verborgene Schwachstellen

In vielen stark beanspruchten Bergwerken bröckelt die Kohle neben einem Stollen nicht einfach; sie kann sich als massiver Block entlang der Fläche, an der Kohle auf härteres Gestein trifft, verschieben. Dieses Gleiten setzt im Untergrund gespeicherte Energie frei, kann Ausrüstung zerstören und Menschen gefährden. Die Schwachstelle ist genau diese Kohle‑Gesteins‑Grenzfläche, die oft starken seitlichen Kräften nicht widerstehen kann. Konventionelle Bolzenunterstützung war hauptsächlich dafür ausgelegt, das Firstgestein zu stützen, nicht ganze Kohleplatten am Gleiten zu hindern.

Bolzen als stille Wächter

Die Autoren konzentrieren sich darauf, wie Bolzen Kohle und Gestein so verbinden können, dass sie sich gemeinsam bewegen statt sich zu trennen. Ein Bolzen, der die Grenzfläche durchdringt, kann auf zweierlei Weise wirken. Erstens presst er die Flächen zusammen und erhöht die Reibung, sodass ein Abrutschen unwahrscheinlicher wird. Zweitens, wenn die Kohle zu wandern beginnt, biegt und dehnt sich der Bolzen, baut eine zurückhaltende Kraft auf, die dem Gleiten widersteht, und verteilt die Last in das stärkere Gestein um den Stollen. Die entscheidende Frage ist, wie der Winkel der Bolzen steuert, ob sie sicher in Zug belastet werden oder durch Scherkräfte durchtrennt werden.

Virtuelle Tests der Bolzenwinkel

Um das zu untersuchen, erstellte das Team ein detailliertes dreidimensionales Computermodell eines Ausschnitts von Kohle und Gestein, verbunden durch einen einzelnen Bolzen. Mit numerischer Simulationssoftware schoben sie die Kohle seitlich und beobachteten das Verhalten des Bolzens bei vier Winkeln: 30, 45, 60 und 90 Grad zur Kohle‑Gesteins‑Fläche. Bei 30 und 45 Grad dehnte sich der Bolzen entlang seiner Länge, wurde in der Mitte dünner und brach schließlich durch klassische Zugversagensmechanik. Bei 60 und 90 Grad bog sich der Bolzen stark und versagte entlang einer flachen Ebene — ein Hinweis darauf, dass er eher geschnitten (Scherung) als auseinandergezogen wurde.

Den Sweet Spot für Stärke und Energie finden

Die Simulationen zeigten, dass Bolzen sanfter versagen und höhere Lasten aufnehmen, wenn sie überwiegend in Zug beansprucht werden. Bei 30 und insbesondere 45 Grad erreichten die Bolzen größere Spitzkräfte mit größerer sicherer Dehnung vor dem Bruch. Sie nahmen auch mehr Dehnungsenergie auf, was bedeutet, dass sie mehr Aufprallenergie bei plötzlichen Bodenbewegungen absorbieren können. Bei steileren Winkeln trugen die Bolzen weniger Last, verformten sich vor dem Versagen kaum und waren anfälliger für plötzliches Scherverhalten. Das deutete darauf hin, dass 45 Grad den besten Kompromiss aus Geometrie und Festigkeit gegen das Gleiten der Kohle darstellt.

Anwendung des Konzepts in einem realen Bergwerk

Die Forschenden testeten ihr Konzept anschließend in einem tiefen chinesischen Kohlebergwerk. In einem Abschnitt eines Rückförderwegs beließen sie das bestehende Stützsystem. In einem benachbarten Abschnitt mit ähnlicher Geologie änderten sie das Muster an der Seitenwand: Die obere Bolzenreihe wurde auf 45 Grad geneigt und mit längeren Ankern kombiniert, die in festere Lagen ober- und unterhalb verankert waren. Über den gesamten Zyklus von Stollenbau und späterem Kohleabbau verfolgten sie Dachsenkung, Seitenverlagerungen und Trennungen in den Dachlagen, um die Reaktion des Gebirgskörpers zu bewerten.

Sicherere Stollen mit weniger Bewegung

Messungen zeigten, dass die optimierte Unterstützung die Stabilität deutlich verbesserte. Während der Auffahrung war der Schließungsbetrag im Testabschnitt geringer, und die Schichtungstrennungen im Dach blieben gering. Die Seitenverlagerung im verbesserten Abschnitt sank im Vergleich zum alten Entwurf um etwa 28,6 Prozent. Nachdem der Abbau begonnen hatte und die Belastungen weiter stiegen, betrug die Seitenverschiebung im optimierten Stollen etwa die Hälfte derjenigen unter konventioneller Unterstützung, und die Dachtrennung in tieferen Bereichen nahm deutlich langsamer zu. Diese Ergebnisse legen nahe, dass korrekt geneigte Bolzen, unterstützt durch gut platzierte Anker, Kohle und Gestein wirkungsvoll zusammenklemmen und großmaßstäbliche Gleitereignisse begrenzen können.

Was das für die Bergwerksicherheit bedeutet

Für eine interessierte Allgemeinheit ist die Botschaft klar. Durch das Neigen der Bolzen, sodass sie eher ziehen als scheren, können Ingenieure aus derselben Hardware mehr Festigkeit und Energieaufnahme gewinnen und die Kohle‑Gesteins‑Kontaktfläche von einer schwachen Gleitfläche in eine verriegelte Verbindung verwandeln. Die Studie nennt 45 Grad als praktikablen Zielwinkel und zeigt im Feld, dass diese Anordnung die Stollenverformung in einem hochbeanspruchten Bergwerk reduziert. Obwohl für andere Arten von Gesteinsbrüchen weitere Untersuchungen nötig sind, bietet der Ansatz einen klaren Weg zu sichereren untertägigen Fahrwegen, wo gleitende Kohle‑Schläge ein Risiko darstellen.

Zitation: Wang, C., Ma, S. Numerical analysis and engineering application of bolt support technology for controlling coal body sliding. Sci Rep 16, 15566 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46530-w

Schlüsselwörter: Kohleschlag, Felsanker, Stollenverankerung, numerische Simulation, Bergwerksstabilität