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Numerical study on roadway stress control of surrounding rock through hydraulic fracturing-induced cracks in gob-side roof based on phase-field theory

Diese Studie verwendet ein Phasenfeldmodell, um zu zeigen, dass die Optimierung der hydraulischen Bruchparameter zur Maximierung der Konnektivität des Bruchnetzwerks entscheidend ist, um die Straßenbau-Spannungen effektiv zu kontrollieren und Spannungskonzentrationen in den Strecken des Abbaufeldes bei Seitenstreckenbergwerken zu mildern.

Ursprüngliche Autoren: Xin Yu, Huaidong Liu, Changyou Liu, Fengfeng Wu, Yiqi Chen, Zhenhua Chen, Haolie Li, Shibao Liu, Hanrui Zhang

Veröffentlicht 2026-08-18

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Xin Yu, Huaidong Liu, Changyou Liu, Fengfeng Wu, Yiqi Chen, Zhenhua Chen, Haolie Li, Shibao Liu, Hanrui Zhang

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Tief unter der Erdoberfläche, wo Kohle abgebaut wird, um Städte mit Energie zu versorgen, ist das Gestein, das die Tunnel umgibt, einem ständigen, erdrückenden Druck ausgesetzt. Wenn Bergleute eine Kohleschicht entfernen, verlagert sich das Gewicht der Berge darüber, wodurch der enorme Druck auf die schmalen Gesteinsstreifen konzentriert wird, die das Tunneldach stützen. Dieser Druck führt dazu, dass das Gestein sich verformt, reißt und manchmal einstürzt, was die Tunnel gefährlich und schwierig zu instand halten macht. Um diese Wege offen zu halten, nutzen Ingenieure seit langem eine Technik namens hydraulische Frakturierung. Dabei wird Flüssigkeit in das Gestein gepumpt, um Risse zu erzeugen, die wie Druckventile wirken, wodurch das Gestein entspannen und die Spannung vom Tunnel weg umverteilt werden kann. Es ist jedoch unglaublich schwierig vorherzusagen, wie genau diese Risse wachsen werden und wie viel sie den Druck entlasten werden, insbesondere in der komplexen, sich ständig verändernden Umgebung eines Bergwerks.

Ein Forschungsteam der China University of Mining and Technology hat einen neuen Weg entwickelt, diesen Prozess mit hoher Präzision zu simulieren. Anstatt zu raten, wo Risse entstehen könnten, haben sie ein hochentwickeltes Computermodell gebaut, das das Brechen des Gesteins in Echtzeit und Schritt für Schritt beobachtet. Ihre Arbeit konzentriert sich auf ein spezifisches und herausforderndes Szenario: den „Gob-Seite“-Streckenbereich (Abraumseite), also den Tunnel, der direkt neben dem Bereich verläuft, in dem bereits Kohle entfernt wurde. In dieser Zone ist das Gestein einer einzigartigen und heftigen Mischung aus Kräften ausgesetzt. Die Forscher verwendeten eine Methode namens Phasenfeldtheorie, die das Gestein nicht als einen soliden Block betrachtet, der plötzlich bricht, sondern als ein Material, das allmählich schwächer wird und bricht, was es dem Computer ermöglicht, die Entstehung und das Wachstum jedes winzigen Risses zu verfolgen, ohne vorher genau wissen zu müssen, wo der Bruch stattfinden wird.

Um ihr Modell zu testen, rekonstruierte das Team die Bedingungen der 15108 Arbeitsfront eines echten Kohlebergwerks, in dem das Gestein etwa 400 Meter tief liegt. Sie simulierten ein Szenario, bei dem das Gestein über dem Tunnel dick und stark ist und dazu neigt, eine schwere, keilförmige Struktur zu bilden, die über den leeren Raum ragt und auf den Tunnel drückt. Die Forscher programmierten ihr Modell, um einen gestuften Prozess der hydraulischen Frakturierung nachzubilden. Dies beinhaltet das Bohren einer Reihe von Löchern und das Injizieren von Wasser in drei separaten Phasen, wobei man sich rückwärts entlang des Tunnels bewegt. Das Ziel war es, das hängende Gestein auf einer Seite durchzuschneiden, damit es sicher herabstürzen kann, während gleichzeitig auf der anderen Seite ein Netzwerk von Rissen erzeugt wird, um den Druck auf die Tunnelwände abzumildern.

Die Simulationen zeigten, dass das Verhalten der Risse ein empfindlicher Tanz zwischen dem natürlichen Druck der Erde und den neu durch das Wasser erzeugten Rissen ist. Wenn der Druck des umliegenden Gesteins moderat war, neigten die Risse dazu, sich horizontal auszubreiten und sich zu verbinden, um ein breites, zusammenhängendes Netz zu bilden. Dieses Netz konnte die schwere Last erfolgreich vom Tunnel weg übertragen und den Stress auf die Gesteinswände um fast 20 Prozent reduzieren. Als die Forscher jedoch den simulierten Druck auf extremere Werte erhöhten, änderten die Risse ihr Verhalten. Anstatt sich auszubreiten, begannen sie, senkrecht nach oben und unten zu schießen. Dieses vertikale Wachstum verhinderte, dass sich die Risse miteinander verbanden, wodurch Lücken entstanden, in denen der hohe Druck weiterhin aufgebaut werden konnte. Unter diesen Hochdruckbedingungen war die Spannungsentlastung viel weniger effektiv, wobei die Gesteinswände nur eine minimale Druckreduzierung erfuhren.

Die Studie führte auch eine neue Methode zur Messung der Qualität des Rissnetzwerks ein. Die Forscher fanden heraus, dass eine große Anzahl von Rissen oder ein sehr komplexes, verworrenes Muster nicht zwangsläufig bessere Ergebnisse bedeutete. Tatsächlich war der wichtigste Faktor einfach die Frage, wie gut die Risse miteinander verbunden waren. Wenn die Risse einen kontinuierlichen Pfad bildeten, konnte der Druck leicht abfließen. Wenn sie isoliert waren oder durch den intensiven Stress des umliegenden Gesteins blockiert wurden, schlug die Druckentlastung fehl. Das Team entdeckte, dass die besten Ergebnisse erzielt wurden, wenn die Risse unter moderaten Stressbedingungen ein gut vernetztes Netzwerk bildeten, anstatt unter extremem Stress ein chaotisches Durcheinander darzustellen.

Indem sie genau kartierten, wie diese Risse wachsen und interagieren, haben die Forscher einen klaren Leitfaden für Ingenieure beim Entwurf dieser Sicherheitsmaßnahmen erstellt. Sie zeigten, dass der Erfolg der hydraulischen Frakturierung stark von den spezifischen Spannungsbedingungen des Bergwerks abhängt. Wenn der Druck zu hoch ist, werden sich die Risse nicht richtig verbinden können, und die Technik wird Schwierigkeiten haben, den Tunnel zu schützen. Die Ergebnisse legen nahe, dass Ingenieure die Bohrwinkel und den Zeitpunkt der Injektion sorgfältig anpassen müssen, um die Bildung verbundener Risse zu fördern und sicherzustellen, dass das Gestein seine aufgestaute Energie sicher freisetzen kann. Diese Arbeit bietet einen zuverlässigeren Weg, das Verhalten des Bodens vorherzusagen, was den Untertagebau sicherer und stabiler macht.

Technische Zusammenfassung: Numerische Studie zur Straßenweg-Spannungskontrolle mittels hydraulischer Frakturierung in Gebirgsschutzzonen

Problemstellung
Kohlebergwerk-Straßenwege im Bereich von Gebirgsschutzzonen (Gob-side Roadways) sind aufgrund anhaltender Hochspannungsbedingungen, die durch seitliche Dachbelastungen aus benachbarten Abbaufeldern und bergbaulich induzierte Störungen verursacht werden, schweren Deformationen und Stützproblemen ausgesetzt. Während die hydraulische Frakturierung (HF) eine anerkannte Technik zur aktiven Spannungsentlastung ist, bleibt der Kopplungsmechanismus zwischen der Entwicklung des Bruchnetzwerks und der Spannungsentlastung des umgebenden Gesteins unklar, insbesondere unter den komplexen, heterogenen und asymmetrischen Spannungsbedingungen in Gebirgsschutzzonen. Bestehende numerische Ansätze stützen sich oft auf vordefinierte Frakturgeometrien oder geschwächte Regionen, was deren Fähigkeit einschränkt, das dynamische Ausbreitungsverhalten von hydraulischen Frakturen und die daraus resultierenden Spannungsentlastungsmechanismen in solch komplexen Umgebungen genau zu erfassen.

Methodik
Diese Studie entwickelt ein Phase-Field-Numerikmodell zur Simulation der segmentierten Dach-Hydraulikfrakturierung in Gebirgsschutzzonen. Die Methodik integriert die folgenden Komponenten:

Phase-Field-Framework: Es wird ein gekoppeltes poroelastisches Modell erstellt, bei dem die Frakturgrenzflächen implizit durch eine kontinuierliche Phase-Field-Variable ( $\phi$ ) dargestellt werden. Dieser Ansatz vermeidet die explizite Verfolgung von Rissen und ermöglicht die Simulation von Rissinitiierung, -ausbreitung, -verzweigung und -koaleszenz ohne Netzabhängigkeit. Das Modell berücksichtigt die Gesteinsdeformation, Frakturschädigung und Fluidströmung.
Implementierung der Spannungsumgebung: Um die bergbaulich induzierte Spannungsneuverteilung eines Gebirgsschutzzone-Straßenwegs zu replizieren, wird eine stückweise lineare Spannungsfunktion an den Modellgrenzen vorgegeben. Diese Funktion leitet sich aus der Grenzzustandslehre ab, um die charakteristische Verteilung des Stützdrucks, einschließlich der plastischen und elastischen Zonen neben dem Hohlraum (Goaf), nachzubilden.
Simulationsaufbau: Die Studie nutzt COMSOL Multiphysics, um die Module Solid Mechanics, Darcy’s Law und Phase-Field zu koppeln. Eine Fallstudie wird am Arbeitsfeld 15108 durchgeführt, welches einen 15 m breiten Kohlekörper und eine 4,6 m dicke Kohleschicht aufweist. Die Simulation verwendet ein segmentiertes rückwärtsgerichtetes Hydraulikfrakturierungsschema mit zwei Bohrungen (geneigt mit 60° und 75°) und drei Frakturierungsstadien pro Bohrung.
Quantitative Evaluierung: Vier quantitative Indizes wurden eingeführt, um die Frakturnetzwerke zu charakterisieren und die Druckentlastungsleistung zu bewerten:
1. Frakturierungsbereich ( $X_1$ ): Die gesamte räumliche Ausdehnung des Frakturnetzwerks.
2. Frakturdichte ( $X_2$ ): Das Verhältnis der frakturierten Zellen zur gesamten Referenzdomäne.
3. Fraktale Dimension ( $X_3$ ): Ein Maß für die geometrische Komplexität des Netzwerks.
4. Frakturkonnektivität ( $X_4$ ): Der horizontale Abstand zwischen nicht verbundenen Frakturspitzen gegenüberliegender Bohrungen.

Wesentliche Ergebnisse
Die numerischen Simulationen zeigen mehrere kritische Erkenntnisse bezüglich der Frakturentwicklung und Spannungskontrolle auf:

Frakturausbreitungsmechanismen: Die Frakturausbreitung wird gemeinsam durch das In-situ-Spannungsfeld, bestehende Brüche und Spannungsinterferenzen benachbarter Bohrungen gesteuert. Die Frakturen der ersten Stufe werden primär durch das bergbaulich induzierte Spannungsfeld getrieben, während die nachfolgenden Stadien durch Interaktionen zwischen benachbarten Frakturen dominiert werden.
Spannungsentwicklung: Während des Frakturierungsprozesses steigt die Spannungskonzentration auf die Straßenwege-Rippen zunächst an (um bis zu 30 % im dritten Stadium), bevor sie sich bei der Kompaktion der Frakturen in eine großflächige Niedrigspannungszone verwandelt. Die endgültige Spannungsreduktion an den Straßenwege-Rippen erreicht bzw. liegt bei 19 % und 34 %.
Einfluss des Spannungskonzentrationsfaktors (SCF):
- Niedriger SCF (1,2–1,4): Die Frakturen breiten sich vorwiegend horizontal aus und bilden ein gut vernetztes Netzwerk, das superponierte Niedrigspannungszonen erzeugt. Während die durchschnittliche Spannung im umgebenden Gestein (RSR) in diesem Bereich Reduktionen von etwa 20 % aufweist, folgt die Spitzenwert-Spannungsreduktion im Kohlekörper einem anderen Trend und erreicht einen Minimalwert von -0,5 % bei einem SCF von 1,4.
- Hoher SCF (≥1,5): Die Frakturausbreitung auf der Seite des Kohlekörpers verschiebt sich von horizontal zu vertikal. Es tritt eine starke Hemmung zwischen den Stadien auf, und die Frakturen des dritten Stadiums können keine Verbindung herstellen. Dies führt zu einer Verschlechterung der Druckentlastungsleistung. Insbesondere wenn der SCF 1,6 beträgt, ist die Druckentlastung am geringsten, wobei die Spitzenwert-Spannungsreduktionen an den beiden Straßenwege-Rippen auf 6,66 % und 5,64 % begrenzt sind.
Korrelation mit der Leistung: Eine multivariate lineare Regressionsanalyse ( $R^2 = 0,976$ ) stellt fest, dass Frakturreichweite, -dichte und die fraktale Dimension negativ mit der Effektivität der Spannungsreduktion korrelieren. Umgekehrt zeigt die Frakturkonnektivität eine positive Korrelation. Dies deutet darauf hin, dass ein hochkomplexes Netzwerk nicht zwangsläufig eine bessere Leistung garantiert; vielmehr ist ein gut vernetztes Netzwerk entscheidend für eine effektive Spannungsentlastung.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit beansprucht, einen robusten numerischen Rahmen zur Untersuchung der druckentlastenden Wirkung der hydraulischen Frakturierung unter komplexen Bergbaubedingungen bereitzustellen. Durch die Einbeziehung einer Randspannungsfunktion und die Nutzung der Phase-Field-Methode bietet die Studie eine genauere Darstellung der Frakturentwicklung im Vergleich zu Methoden, die vordefinierte Geometrien erfordern.

Die primäre Bedeutung liegt in der Etablierung einer quantitativen Beziehung zwischen den Merkmalen des Frakturnetzwerks und der Spannungsentlastungsleistung. Die Autoren behaupten, dass diese Erkenntnisse eine praktische Orientierung für das Design der hydraulischen Frakturierung bieten, indem sie nahelegen, dass Ingenieure vorrangig die Bildung gut vernetzter Frakturnetzwerke unter standortspezifischen Spannungsbedingungen anstreben sollten. Insbesondere raten die Autoren dazu, die Prozessparameter (wie Bohrlochorientierung, Dauer und Abstand) anzupassen, um die Konnektivität zu maximieren und die negativen Auswirkungen hoher Spannungskonzentrationen zu vermeiden, welche die Koaleszenz der Frakturen behindern. Das Ziel der Arbeit ist es, die Stabilität von Gebirgsschutzzonen-Straßenwegen durch die Optimierung des Spannungszustands des umgebenden Gesteins mittels gezielter hydraulischer Frakturierung zu verbessern.

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