Study on Prevention and Control of Instability Disasters at Mining Faces with Hard Roof and High-gas Soft Coal Seams

Tief unter der Erde, wo Kohleflöze verborgen unter Schichten von Gestein liegen, stehen Bergleute in einem ständigen, lautlosen Kampf gegen die Kräfte der Geologie. Zwei spezifische Bedingungen machen diese unterirdische Arbeit besonders gefährlich: ein Dach aus außergewöhnlich hartem Gestein, das sich weigert zu brechen, und Kohle, die so weich ist, dass sie leicht zerbröseltelt, während sie gleichzeitig unter hohem Gasdruck steht. Wenn das Dach hart ist, wirkt es wie ein steifer, unnachgiebiger Balken, der weite Distanzen überspannt, bevor er schließlich bricht. Wenn es dann bricht, setzt es eine massive, plötzliche Schockwelle frei, die die Kohlewand darunter zusammendrückt. Gleichzeitig wirkt das im weichen der Kohle eingeschlossene Gas wie ein unsichtbarer Schnellkochtopf, der die interne Struktur der Kohle schwächt und sie weita viel wahrscheinlicher unter Belastung versagen lässt. Wenn diese beiden Kräfte – der schwere, plötzliche Aufprall des Daches und der schwächende Druck des Gases – gleichzeitig auftreten, kann das Ergebnis ein gewaltsamer Einsturz der Bergwerkswand sein, bekannt als Rib Spalling (Wandausbruch), was Arbeiter gefährdet und die Produktion zum Erliegen bringt.

Forscher des Chongqing Research Institute in China machten sich daran, genau dieses Problem in einem Kohlebergwerk in der Provinz Shaanxi zu lösen. Sie konzentrierten sich auf ein Abbaugebiet, in dem die Kohle extrem weich und das Dach eine dicke Schicht aus hartem Sandstein war. Durch die Kombination von Feldbeobachtungen, Computersimulationen und Labortests deckten sie genau auf, wie diese beiden Gefahren zusammenwirken, um Katastrophen zu verursachen. Ihre Untersuchung ergab, dass die Häufigkeit von Wandinstabilitäten nicht zufällig war; sie stieg dramatisch an, wann immer das harte Dach in seinem natürlichen Zyklus brach, und die Gefahr war in Gebieten, in denen der Gasdruck hoch blieb, sogar noch größer. Die Studie zeigte, dass der Gasdruck allein die Festigkeit der Kohle um fast die Hälfte reduzieren konnte, was bedeutete, dass ein Dachsturz, der unter trockenen Bedingungen handhabbar wäre, unter der Bedingung von hochdruckgesättigter Kohle katastrophal wird.

Um ihre Theorien zu testen, untersuchte das Team zunächst das Verhalten des harten Daches. Mit einem Computermodell, das simuliert, wie Gestein bricht, bestätigten sie, dass das Dach ohne Intervention über 60 Meter weit spannen würde, bevor es zum ersten Mal bricht, und dann etwa alle 26 Meter erneut brechen würde. Diese weiten Abstände bedeuteten, dass das Dach, wenn es schließlich nachgab, mit enormer Kraft geschah, was eine große, instabile Zone erzeugte. Die Forscher führten auch physikalische Tests an Kohleproben im Labor durch, wobei sie diese verschiedenen Gasdrücken aussetzten. Sie fanden heraus, dass die Kohle mit zunehmendem Gasdruck signifikant schwächer und spröder wurde und fast die Hälfte ihrer Tragfähigkeit verlor. Dies bestätigte, dass das Gas nicht nur eine separate Gefahr war, sondern ein kritischer Faktor, der die Fähigkeit der Kohle verschlechterte, dem Druck des Daches standzuhalten.

Bewaffnet mit diesem Verständnis entwickelte das Team eine zweiteilige Strategie, um diese Einstürze zu verhindern. Erstens, um das harte Dach zu behandeln, implementierten sie eine Technik namens „Deep-Hole Pre-Splitting Blasting“ (Tiefbohrungs-Vorzerstäubung mittels Sprengung). Anstatt darauf zu warten, dass das Dach natürlich über eine weite Distanz bricht, bohrten sie tiefe Löcher in das Dachgestein und setzten kontrollierte Explosionen ein, um eine Reihe gezielter, kleinerer Brüche zu erzeugen. Diese Intervention zwang das Dach, viel früher zu brechen, wodurch die Distanz, die es spannen konnte, von über 60 Metern auf nur 20 Meter reduzierte, und den regelmäßigen Bruchzyklus von 26 Metern auf etwa 13 Meter verkürzte. Durch das Aufbrechen des Daches in kleinere, handhabbarere Stücke verhinderten sie den Aufbau massiver Energie, die normalerweise zu gewaltsamen Einstürzen führt.

Zweitens, um das Gas und die weiche Kohle anzugehen, verwendeten sie eine Methode namens hydraulisches Reaming (hydraulisches Ausräumen) in den Tunneln unter dem Kohleflöz. Dieser Prozess beinhaltete das Bohren von Löchern und das anschließende Aufweiten dieser Löcher mit Hochdruckwasser, um die umgebende weiche Kohle zu zertrümmern und eine große, offene Kaverne zu schaffen. Diese Maßnahme erhöhte die Durchlässigkeit der Kohle drastisch, sodass das eingeschlossene Gas viel leichter und schneller abfließen konnte. Das Ergebnis war ein signifikanter Abfall des im Kohleflöz verbleibenden Gasdrucks auf ein sicheres, niedriges Niveau. Dies reduzierte nicht nur das Risiko von Gasexplosionen, sondern stellte auch einen Teil der natürlichen Festigkeit der Kohle wieder her, wodurch sie besser in der Lage war, dem Druck des Daches standzuhalten.

Als das Team beide Methoden gemeinsam an einem neuen Abbaugebiet anwandte, waren die Ergebnisse beeindruckend. Die Kombination aus der Abschwächung des Dachaufpralls und der Stärkung der Kohle durch die Entfernung des Gasdrucks reduzierte die Anzahl der Wandinstabilitäten drastisch. Im behandelten Bereich sank die Häufigkeit von Instabilitätsereignissen während der normalen Abbauperioden auf nahezu Null und blieb selbst dann sehr gering, wenn das Dach brach. Die hydraulischen Stützen, die das Dach halten, erfuhren einen viel geringeren Druck als zuvor, was darauf hindeutete, dass die gefährliche Energie erfolgreich abgeleitet worden war. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass es durch die gleichzeitige Bekämpfung des Daches und des Gases möglich ist, eine hochgradig instabile und gefährliche Bergbauumgebung in eine sichere und handhabbare Umgebung zu verwandeln, was eine zuverlässige Lösung für andere Minen bietet, die vor ähnlichen geologischen Herausforderungen stehen.