Theoretische Untersuchung zum Druckentlastungsbereich der oberen geschützten Kohleschicht beim Schutzschichtabbau

Warum sicherer Kohleabbau wichtig ist

Tiefe Kohlebergwerke tragen zur modernen Energieversorgung bei, können aber gefährliche Orte sein. Hoher Gebirgsdruck und eingeschlossenes Gas können plötzliche Ausbrüche auslösen, die Bergleute und Ausrüstung bedrohen. Diese Studie untersucht ein Verfahren, um den Tiefbau sicherer zu machen, indem eine Kohleschicht zur Entlastung einer anderen genutzt wird. Durch den gezielten Vorabbau einer unteren Schicht zeigen die Autoren, wie Druck und Gas in einer darüber liegenden, gefährlicheren Schicht kontrolliert abgebaut werden können.

Eine Kohleschicht als Schutz für eine andere nutzen

Das Prinzip einer Schutzschicht ist konzeptionell einfach: Eine weniger gefährliche Schicht abbauen, um in der darüber oder darunter liegenden riskanteren Schicht sanft „Dampf abzulassen“. Wenn die untere Schutzschicht abgebaut wird, biegt sich das überlagernde Gestein, es reißen und verschieben sich Bereiche in Richtung der ausgeräumten Zone. Diese Bewegung verändert die Spannungsverteilung und öffnet neue Wege, durch die Gas entweichen kann. In dieser Untersuchung dient die Wu9−10-Kohleschicht der Pingmei Nr.6-Grube in China als untere Schutzschicht, während die darüber liegende Ding5−6-Schicht von Gasausbrüchen bedroht ist.

Die richtige Schutzschicht auswählen

Nicht jede Kohleschicht eignet sich als Schutzschicht. Die Autoren prüften zunächst, ob Wu9−10 geeignet ist. Sie stellten sicher, dass die Schicht ausreichend mächtig und kontinuierlich abbaubar ist, dass der Abstand zur Ding5−6-Schicht nicht zu groß ist und dass das Zwischengebirge nicht so steif ist, dass es die Druckentlastung verhindert. Ein wichtiges Maß ist das Verhältnis zwischen dem Abstand der beiden Schichten und der Mächtigkeit der Schutzschicht. Für dieses Bergwerk lag dieses Verhältnis deutlich unter dem von chinesischen technischen Normen gesetzten Grenzwert, was darauf hinweist, dass der Abbau von Wu9−10 den Druck in Ding5−6 entlasten kann, ohne die künftigen Abbaubedingungen zu beeinträchtigen.

Den Schutzbereich kartieren

Das Team verwendete dann etablierte Regeln und Formeln, um vorherzusagen, wie weit der Schutzeffekt um das Abbaufrontfeld herum reichen sollte. Sie berechneten Druckentlastungswinkel, die zeigen, wie sich die geschützte Zone über der abgebauten Schicht in verschiedene Richtungen auffächert: entlang der Flözneigung, in Längsrichtung und nach oben. Aus diesen Winkeln schätzten sie, wie weit die sichere Zone von Stollen und Begrenzungslinien nach innen verschoben sein sollte und wie hoch über der Schutzschicht die Druckentlastung reichen sollte. Ihre Ergebnisse zeigten, dass der reale Abstand zwischen den beiden Schichten weit innerhalb des erwarteten vertikalen Schutzbereichs lag.

Die Theorie unter Tage prüfen

Um diese Vorhersagen zu überprüfen, führten die Forscher ein umfangreiches Feldexperiment während des Abbaus der Wu9−10-Schicht durch. Sie bohrten Dutzende Messbohrungen in die obere Ding5−6-Schicht, um Gasdruck und Gasgehalt vor und nach dem Abbau zu messen. Außerdem installierten sie Instrumente, um zu verfolgen, wie sehr sich die geschützte Schicht beim Spannungsabbau ausdehnte, und protokollierten detailliert das über Bohrungen und Leitungen abgeförderte Gas. Die Daten zeigten, dass innerhalb der berechneten Schutzzone der Gasdruck in Ding5−6 um bis zu etwa vier Fünftel sank, der Gasgehalt sich ungefähr halbierte und die Kohleschicht um ein Vielfaches der für eine wirksame Druckentlastung relevanten Schwelle aufschwoll. Das insgesamt abgeförderte Gasvolumen entsprach dem, was bei einer so starken Reduktion zu erwarten wäre.

Was das für die Bergwerksicherheit bedeutet

Einfach gesagt bestätigt die Studie, dass ein sorgfältig geplanter Abbau der unteren Wu9−10-Schicht die darüber liegende Ding5−6-Schicht sicher „entschärfen“ kann, indem Spannung reduziert und Gas über ein klar definiertes Gebiet abgeführt wird. Die gemessene sichere Zone im realen Bergwerk stimmte gut mit der theoretischen überein, und alle Sicherheitskriterien für Gasdruck und -gehalt wurden erfüllt. Für tiefe, sanft geneigte Kohlefelder mit ähnlichen Gesteinsschichten bietet diese Arbeit eine praxisnahe Vorlage, wie Schutzschichten eingesetzt werden können, um das Risiko gefährlicher Gasausbrüche zu verringern und gleichzeitig zukünftige Abbaumöglichkeiten offen zu halten.

Zitation: Zhan, K., Zhang, B. & Wang, M. Theoretical study on the pressure relief range of the upper protected coal seam in protective layer mining. Sci Rep 16, 15688 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47249-4

Schlüsselwörter: Schutzschichtabbau, Kohleschichtgas, Druckentlastung, tiefer Kohleabbau, Bergwerksicherheit