Aplicación de campo y ley de difusión del lechada de inyección en el acuífero del piso de una mina de carbón

Por qué importa detener las inundaciones mineras

Las minas de carbón en profundidad no solo perforan la roca: también atraviesan ríos ocultos atrapados bajo presión. Si esa agua entra súbitamente en los túneles, puede inundar equipos, poner en riesgo vidas y paralizar el abastecimiento energético. Este estudio explora cómo taponar mejor las grietas bajo un banco de carbón usando mezclas de cemento diseñadas con cuidado, de modo que el agua subterránea presurizada permanezca contenida y los mineros puedan trabajar con seguridad.

Tapar grietas ocultas con roca líquida

Para controlar la entrada de agua desde acuíferos del piso, los ingenieros suelen inyectar una “lechada” bombeable hecha de cemento o de cemento mezclado con arcilla en la roca. Este líquido se infiltra en grietas y poros finos y luego se endurece formando una barrera sólida. Los autores se centraron en dos cuestiones prácticas: cómo elegir la mejor receta para la lechada y cómo se dispersa esa lechada a través de la roca fracturada bajo fuerte presión hidráulica. Ensayaron en laboratorio mezclas de cemento puras y mezclas cemento–arcilla, y luego usaron simulaciones por ordenador y una mina real para ver cómo se comportan estas mezclas en el subsuelo.

Encontrar la receta adecuada

En el laboratorio, el equipo preparó docenas de pequeñas tandas que variaban en densidad y en la proporción de agua, cemento y arcilla. Midieron cinco propiedades clave que importan en campo: la facilidad de flujo de la lechada, la cantidad de agua libre que se filtra, la porción sólida que queda tras el fraguado, el tiempo de fraguado y la resistencia de los bloques endurecidos. Las mezclas más densas generalmente fluían más despacio pero formaban una piedra más continua y resistente, mientras que las mezclas más ligeras liberaban más agua y tardaban más en fraguar. Equilibrando esos compromisos, los investigadores seleccionaron una mezcla de cemento puro y una mezcla cemento–arcilla como óptimas: ambas mantuvieron baja la filtración de agua, rellenaron bien las grietas y alcanzaron suficiente resistencia sin fraguar tan rápido que los operarios se quedaran sin tiempo para inyectarlas.

Cómo se dispersa la lechada en roca fracturada

A continuación, el equipo construyó un modelo informático detallado de un macizo rocoso que contenía tanto una zona triturada llena de muchas fracturas pequeñas como una fisura principal mayor que puede transportar agua. Simularon el bombeo de la lechada cemento–arcilla seleccionada en este sistema teniendo en cuenta el flujo de fluido y la deformación de la roca. Las simulaciones mostraron que una presión de bombeo mayor impulsa la lechada más lejos y más rápido, pero su presión disminuye de forma constante con la distancia hasta acercarse a la presión del agua natural. Las grietas más amplias y la roca más porosa permiten que la lechada avance con mayor rapidez y ocupe una región mayor; en algunos casos, una vez que se acumula suficiente lechada, ésta de pronto «revienta» hacia la fisura principal, extendiendo rápidamente la zona sellada antes de que el flujo se desacelere y se estabilice.

Poner el método en práctica en el subsuelo

Los investigadores aplicaron luego su lechada optimizada en una mina de carbón china donde el piso se apoya sobre una capa de caliza rica en agua a unos 140 metros de profundidad. Perforaron tres grupos de orificios de inyección y bombeaton más de 100.000 toneladas de la mezcla cemento–arcilla bajo presiones cuidadosamente controladas. Al rastrear cuánto absorbió cada orificio y cómo la roca respondió en ensayos de presión posteriores, confirmaron que las grietas y canales en las zonas más peligrosas habían sido rellenados eficazmente. Los orificios perforados más tarde necesitaron menos lechada, lo que indica que las inyecciones anteriores ya habían reforzado y sellado gran parte de la red de fracturas.

Qué significa esto para una minería más segura

Para el público general, el mensaje clave es que las inundaciones en minas por aguas subterráneas presurizadas no son solo mala suerte: dependen en gran medida de cómo puede moverse el agua a través de grietas invisibles bajo las labores. Este estudio demuestra que afinando la mezcla de la «roca líquida» y comprendiendo cómo fluye bajo presión, los ingenieros pueden diseñar planes de inyección que sellen esas grietas con mayor fiabilidad y menor riesgo. La combinación de ensayos de laboratorio, simulaciones basadas en la física y pruebas a escala real en mina apunta a métodos más previsibles y guiados por la ciencia para mantener la minería profunda del carbón seca y segura.

Cita: Zhengzheng, C., Fangxu, G., Tao, R. et al. Field application and diffusion law of grouting slurry in floor aquifer of a coal mine. Sci Rep 16, 8329 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-28535-z

Palabras clave: control de agua en minas de carbón, lechada de inyección, acuífero del piso, sellado de roca fracturada, simulación numérica