Versagensmechanismus des umgebenden Gebirges und synergetische Steuerung von starker Unterstützung–starker Druckentlastung für Fahrstrecken der unteren Flözschicht in eng gestaffelten Kohleflözgruppen

Warum sichere Kohlentunnel wichtig sind

Tief unter der Erde sind Bergleute auf schmale Stollen angewiesen, um Kohleflöze zu erreichen. Wenn das Gebirge um diese Stollen plötzlich nachgibt oder bricht, kann das gefährliche Schläge, Einstürze und kostspielige Stilllegungen verursachen. Diese Studie untersucht eine besonders heikle Situation in einem chinesischen Bergwerk, in dem zwei Kohleflöze dicht beieinander liegen und die unteren Fahrstrecken unter alten Abbauräumen und verbleibenden Kohleblöcken liegen. Die Autorinnen und Autoren erklären, warum das Gestein auf einer Seite dieser Stollen leichter versagt, und testen einen kombinierten Ansatz, der sowohl die Stollenwände stärkt als auch den aufgebauten Druck im umgebenden Gebirge gezielt abbaut.

Verborgene Spannungen durch alten Abbau

Im Abbaugebiet Jiaoping wurde ein Flöz bereits ausgebeutet, wobei Hohlräume (Bergsenkungszonen, Goafs) und steife Kohlepfeiler zurückgeblieben sind, die das Dach stützen. Ein zweites, tiefer liegendes Flöz wird nun darunter abgebaut. Das Gewicht des Überlagerungsgebirges und die starren Pfeiler lasten nicht gleichmäßig auf den unteren Fahrstrecken. Stattdessen konzentrieren sich die Spannungen auf der Seite unterhalb des Kohlepfeilers, während die andere Seite unter einer teilweise entspannten Zone liegt. In alte Goafs eindringendes Wasser kann zudem Kohle und Gestein aufweichen, wodurch das Risiko steigt, dass Sohlen und Wände mit der Zeit an Festigkeit verlieren. Berechnungen und geologische Messungen zeigen, dass die Schädigung durch das obere Flöz etwa 10 bis 15 Meter nach unten reicht, was ausreicht, um Lage und Ausrichtung neuer Stollen zu beeinflussen.

Wahl eines besseren Stollenverlaufs

Mithilfe der Gebirgsmechanik schätzte das Team, wie tief die Sohle unter dem oberen Flöz durch früheren Abbau und durch die konzentrierte Belastung der verbleibenden Kohlepfeiler gerissen worden war. Sie verglichen dann verschiedene Möglichkeiten, die neue untere Fahrstrecke in Bezug auf die alten Hohlräume auszurichten. Überlappt die untere Strecke die hochbelastete Zone unter dem Pfeiler, ist sie starker, ungleichmäßiger Belastung ausgesetzt. Wird sie weiter nach außen verschoben, kann sie dennoch in dieser Zone liegen. Die günstigste Wahl ist eine nach innen versetzte Anordnung in Richtung des zuvor ausgebeuteten Raums, wo der Druck teilweise entlastet ist. Dieses innere Versetzen vermeidet das am stärksten belastete Gestein und reduziert die natürliche Neigung, dass eine Stollenseite stärker als die andere verformt.

Starke Unterstützung plus Druckentlastung

Gute Stützmaßnahmen bleiben essenziell. Das Bergwerk führte ein "starkes Unterstützung"-Schema mit dicht gesetzten Stahlankern, Stahlbändern, Drahtgewebe und hochgespannten Verankerungsbolzen in Dach und Wänden ein. Dieses System klemmt zerrissenes Gestein zusammen und lässt das flache Gebirge um die Öffnung wie eine zusammenhängende Traghaut wirken. Darüber hinaus ergänzten die Forschenden die Maßnahmen um einen Schritt zur "starken Druckentlastung": Sie bohrten lange, schräg verlaufende Bohrlöcher aus dem Stollen in das überlagernde Kohle- und Gesteinspaket und pumpten Hochdruckwasser ein, um kontrollierte Risse zu erzeugen. Eine sorgfältige Analyse der Wechselwirkung von Fluiddruck mit dem natürlichen Spannungsfeld leitete die Wahl der Bohrlochneigung, sodass Risse bei relativ geringem Pumpdruck beginnen und sich ausbreiten konnten, wodurch Wege für die Umverteilung von Spannung und Energie vom Stollen weg geöffnet wurden.

Beobachtung der Gebirgsreaktion

Das Team verwendete Computersimulationen und Messungen unter Tage, um zu sehen, wie das Gebirge sowohl unter langsamer Belastung als auch unter plötzlichen Impakten reagierte, die kleine seismische Ereignisse nachahmen. Unter statischen Bedingungen verformte sich der verstärkte Stollen nur geringfügig, und die Bewegungen lagen deutlich unter den Sicherheitsgrenzen, obwohl Spannungen und Bolzenkräfte auf der Kohlepfeilerseite deutlich höher waren. Als in den Modellen Impaktbelastungen hinzugefügt wurden, traten zwei Muster auf. Impakte, die hauptsächlich oberhalb des Dachs einwirkten, führten zu Zugrissen in der Dachmitte. Impakte nahe der Ecke von Dach und Wand verursachten starkes seitliches Zusammendrücken der Wand (Rippe) und ein Absinken des Dachs insgesamt — eine schwerwiegendere Schadensform. Nach dem hydraulischen Fracturing zeigten elektrische Messungen breite Zonen niedriger Resistivität, in denen wassergefüllte Risse entstanden waren; das bestätigte, dass das Gestein geschwächt und Spannungen verlagert worden waren. Feldmessungen ergaben, dass Bolzen- und Kabelkräfte in sicheren Bereichen blieben und dass die „gelockerte“ Gebirgszone, obwohl sie wuchs, vom Stützsystem kontrolliert wurde.

Bedeutung für die Bergsicherheit

Für das untersuchte Bergwerk zeigt die Arbeit, dass die ungleichmäßige Belastung durch verbleibende Kohlepfeiler der Hauptgrund ist, warum eine Seite der Fahrstrecken im unteren Flöz leichter versagt. Indem die Fahrstrecke in einer druckentlasteten Zone angeordnet, das angrenzende Gebirge fest verankert und gezielte hydraulische Fracturing-Maßnahmen zur Ableitung tiefer Spannungen eingesetzt werden, können Ingenieure Verformungen in sicheren Grenzen halten, selbst wenn das Gestein kleinen Erschütterungen ausgesetzt ist. Die Autorinnen und Autoren argumentieren, dass diese kombinierte Strategie aus starker Unterstützung und starker Druckentlastung, begleitet von sorgfältiger Überwachung, einen praktischen Weg zu sichererem und effizienterem Kohleabbau in anderen Gruben mit gestapelten Flözen und komplexen Spannungsbedingungen bietet.

Zitation: Yu, S., Suo, Y., Cai, C. et al. Failure mechanism of surrounding rock and synergistic control of strong support-strong pressure relief for lower-seam roadways in close-distance coal seam groups. Sci Rep 16, 15843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46700-w

Schlüsselwörter: Kohlebergbau, Fahrstreckenstabilität, Gebirgsschlag, hydraulisches Fracturing, numerische Simulation