Studie zur druckentlastenden Wirkung und Schutzreichweite beim langfristigen Abbau einer tiefer liegenden Schutzkohlebank basierend auf physikalischer Modellnachbildung und PFC3D

Warum sicherer Kohleabbau wichtig ist

Kohle liefert noch immer einen Großteil der chinesischen Elektrizität, doch das Ausgraben kann plötzliche Gas‑ und Gesteinsausbrüche auslösen, die Bergleute gefährden. Diese Studie untersucht, wie der Abbau eines tiefer liegenden Flözes den Druck in einem darüberliegenden Flöz schonend reduzieren kann, wodurch Gas leichter abzuleiten ist und der anschließende Abbau sicherer wird. Durch die Kombination physikalischer Labor‑Modelle mit fortgeschrittenen Computersimulationen kartieren die Forschenden, wie das Gestein zwischen den Flözen beim Abbau reißt, sich biegt und setzt.

Zwei Kohlelagen im Zusammenspiel

Die Arbeit konzentriert sich auf das Kohlebergwerk Nr. 6 in der Provinz Henan, wo ein tieferes Flöz namens Wu 8 etwa 72 Meter unter einem oberen Flöz namens Ding 5.6 liegt. Die Idee ist, zunächst das tiefere Flöz als „Schutzsohle“ abzubauen. Wird dieses Flöz entfernt, verlagert sich die Last des überlagernden Gesteins, der Druck im oberen Flöz ändert sich und es öffnen sich winzige Wege für eingeschlossenes Gas. Können Ingenieure vorhersagen, wo und wie weit diese Druckentlastung reicht, lassen sich Gasabsaugbohrungen platzieren und der künftige Abbau in der oberen Sohle sicherer und effizienter planen.

Maßstabsgetreues Bergwerk im Labor

Um das Geschehen unter Tage sichtbar zu machen, baute das Team ein großes physikalisches Modell von etwa drei Metern Länge und anderthalb Metern Höhe, das die realen Gesteinsschichten über dem Wu‑8‑Flöz nachbildet. Mit Sand, Gips, Calciumcarbonat und Glimmer als Stellvertreter für verschiedene Gesteinsarten rekonstruierten sie die geschichteten Lagen und „abbauten“ dann die untere Sohle schrittweise. Während das Modellfortschritt vorgab, beobachteten sie, wie das Überlagerungsgestein einstürzte und wo Risse entstanden. Die Brüche bildeten ein breites Trapez, das nach oben und außen wuchs, Phasen der Initiierung und Ausbreitung durchlief und sich dann teilweise wieder schloss, als das gebrochene Gestein verdichtete.

Virtuelle Gesteine und unsichtbare Kräfte

Labor‑Modelle können nicht alle Details erfassen, deshalb nutzten die Forschenden zusätzlich dreidimensionale, teilchenbasierte Computersimulationen (PFC3D), um Spannungs‑ und Bruchmuster im gesamten Gesteinskörper zu verfolgen. In diesem virtuellen Bergwerk werden Gestein und Kohle durch Tausende kleiner, miteinander verbundener Teilchen dargestellt, deren Wechselwirkungen den Bewegungsgesetzen folgen. Während die simulierte Abbaufront vorrückt, zeichnet das Programm auf, wie sich vertikale und horizontale Spannungen in verschiedenen Höhen verändern, wie Risse zu Netzwerken verbinden und wie sich das obere Kohleflöz bewegt. Die Ergebnisse zeigen, dass die vertikalen Spannungen nahe dem aufgefahrenen Bereich auf etwa das Vierfache der horizontalen Spannungen ansteigen und dann abfallen, wodurch eine druckentlastende Zone entsteht, die mit der Höhe schmaler wird und oberhalb der Abbaulücke eine trapezförmige Plattform bildet.

Wie sich das obere Flöz biegt und dehnt

Die Simulationen zeigen auch, wie sich die geschützte Ding‑5.6‑Sohle verformt. Ihr Verschiebungsmuster verwandelt sich allmählich in eine schüsselartige Senkung über dem abgebaute­nen unteren Flöz. Anfangs, wenn die Abbaufront weniger als halb so weit vorgedrungen ist, ist die Setzung klein und elliptisch geformt. Mit fortschreitendem Abbau vertieft und verbreitert sich die Senkung, wobei der größte Einsenkungspunkt direkt über dem Zentrum der Abbaulücke liegt. Schließlich flacht der Boden der „Schüssel“ ab, wenn das überlagernde Gestein verdichtet und die zusätzliche Setzungsrate abnimmt. Durch die Verfolgung der Änderung der Mächtigkeit der geschützten Sohle berechnet das Team eine Expansions‑Deformationsrate; überschreitet diese Rate einen Schwellenwert, gilt die Kohle als vollständig druckentlastet und damit deutlich weniger anfällig für gewaltsames Versagen.

Ziehen einer sicheren Zone unter Tage

Kombiniert man Verformungs‑ und Spannungsergebnisse, skizzieren die Autorinnen und Autoren die dreidimensionale Form der wirksamen druckentlastenden Schutzzone. Sie stellen fest, dass sich die entspannte Region in der oberen Sohle nicht exakt über dem abgebauten Bereich erstreckt, sondern entlang Länge und Breite der Abbaufront nach innen verschoben ist. Entlang der Länge beginnt und endet die geschützte Zone etwa 35–40 Meter innerhalb der tatsächlichen Abbaubegrenzung; entlang der Breite ist sie um etwa 11–14 Meter zurückgesetzt. Innerhalb dieses versetzten Bereichs fällt die vertikale Spannung unter einen kritischen Wert von etwa 16,9 Megapascal und die Expansions‑Deformationsrate überschreitet den in chinesischen Sicherheitsvorschriften verwendeten Standard. In praktischer Hinsicht liefert die Studie Bergwerksplanern klare Winkel und Entfernungen, die markieren, wo Gasabsaugung und künftiger Abbau der oberen Sohle mit reduziertem Risiko von Kohle‑ und Gasausbrüchen erfolgen können.

Zitation: Zhan, K., Liu, Z., Wei, D. et al. Study on pressure-relief effect and protection scope of long-distance lower protective seam mining based on similar physical simulation and PFC^3D. Sci Rep 16, 15927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47414-9

Schlüsselwörter: Kohlesohlenabbau, Gasabsaugung, Gesteinsbrüche, Bergwerksicherheit, numerische Simulation