Estudio sobre la ley de propagación de grietas en las capas suprayacentes durante la explotación con pilar de carbón pequeño en una veta inclinada extra‑gruesa

Por qué importan las grietas sobre las minas de carbón

La minería moderna del carbón no solo extrae combustible; también remodela las rocas suprayacentes y altera el comportamiento del gas subterráneo. En la región de Xinjiang, al oeste de China, las vetas de carbón son inusualmente gruesas y están muy inclinadas, y con frecuencia los mineros dejan únicamente un estrecho pilar de carbón para sostener el techo. Este estudio plantea una pregunta práctica con grandes implicaciones de seguridad: ¿cómo se forman y propagan exactamente las grietas en la roca sobre estas labores, y cómo puede ese conocimiento emplearse para controlar los niveles de gas y garantizar operaciones mineras seguras?

El desafío de una veta inclinada y extra‑gruesa

La mayoría de investigaciones previas sobre fracturación de la roca suprayacente se centraron en vetas casi horizontales. Pero en Xinjiang, las capas principales de carbón son a la vez muy gruesas y claramente inclinadas. Cuando los mineros extraen el carbón y dejan un pilar pequeño, las rocas superiores se perturban de forma compleja. Las grietas se abren y cierran con el tiempo, creando vías tortuosas por las que el gas puede escapar o acumularse. Si los ingenieros no pueden predecir dónde surgirán estas zonas de alta permeabilidad, los sondajes de extracción de gas pueden fallar en su objetivo, dejando bolsas peligrosas de gas por encima de las labores activas.

Construir la mina en el laboratorio y en el ordenador

Los investigadores emplearon una combinación de modelos físicos a escala y simulaciones numéricas avanzadas para reproducir un frente de laboreo real, el frente 11,002 de la mina Tengda. En el laboratorio construyeron un modelo bidimensional de la veta inclinada y sus capas suprayacentes a escala 1:200. Minaron este modelo paso a paso de un lado al otro, añadiendo y retirando bloques de madera que representaban los apoyos móviles usados en la mina. Al mismo tiempo ejecutaron simulaciones numéricas tridimensionales con el software 3DEC, que trata el macizo rocoso como múltiples bloques interactuantes y puede seguir cómo evolucionan las tensiones y las fracturas conforme avanza la minería.

Cómo se fractura y rompe el techo rocoso

Ambos enfoques mostraron que el techo no se desploma de una sola vez. En su lugar, la roca suprayacente atraviesa un patrón de tres etapas: se inician microgrietas, luego las capas comienzan a separarse y finalmente se forman fracturas grandes y visibles. Conforme progresa la extracción, las capas inferiores colapsan formando una zona de hundimiento rellena de escombros, mientras que las capas superiores desarrollan altas zonas de fractura donde los bloques están rotos pero no han caído por completo. En el caso de Tengda, la zona de hundimiento se estabiliza alrededor de 25 metros por encima de la veta, y la zona de fractura se extiende hasta aproximadamente 80 metros. Debido a la inclinación de la veta, los bloques rotos tienden a deslizarse pendiente abajo, provocando un patrón de colapso claramente asimétrico: el lado inferior del frente queda más compactado, mientras que sobre el pequeño pilar de carbón queda un área en forma de cuña relativamente poco perturbada.

Medir y combinar distintas perspectivas

Para precisar con mayor fiabilidad la altura de las zonas de hundimiento y de fractura, el equipo comparó tres tipos de estimaciones: fórmulas de ingeniería sencillas, el modelo físico y la simulación numérica. Cada método ofrece valores algo distintos, por lo que los autores emplearon un esquema de promedio ponderado que da más influencia a los métodos con errores menores en los resultados globales. Dado que el modelo físico reprodujo el proceso minero real de forma más fiel, recibió el mayor peso. El resultado combinado final situó la altura de la zona de hundimiento en unos 24,98 metros y la de la zona de fractura en 81,67 metros. También mostraron que las tensiones se concentran fuertemente alrededor del pequeño pilar de carbón y que la velocidad de movimiento y de formación de grietas disminuye con la distancia hacia arriba desde la veta.

Convertir las grietas de la roca en un control de gas más seguro

Con una imagen más clara de dónde se localizan las rocas fracturadas y de alta permeabilidad sobre el área excavada, el equipo diseñó un sistema de drenaje de gas dirigido para el frente 11,002. Distribuyeron hileras de sondajes de alta posición y galerías de drenaje de modo que interceptaran las regiones de fractura de alta permeabilidad previstas. Los datos de campo recogidos durante varios meses de operación mostraron que el gas se extraía de forma eficiente, y que las concentraciones de gas en las vías de aire clave de la mina se mantuvieron muy por debajo del límite de seguridad del 1%, incluso mientras se produjeron cientos de miles de toneladas de carbón. En términos sencillos, el trabajo demuestra que, al cartografiar con precisión cómo se rompe el techo sobre una veta inclinada extra‑gruesa con pilares pequeños, los ingenieros pueden ubicar los sistemas de drenaje de gas donde funcionarán mejor —reduciendo los riesgos de accidentes y favoreciendo una minería del carbón más segura y eficiente.

Cita: Lu, W., Zhao, P., Jin, Q. et al. Study on crack propagation law of overlying strata in the process of small coal pillar mining in inclined extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 8536 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32844-8

Palabras clave: minería del carbón, fracturas en rocas, drenaje de gas, simulación numérica, seguridad minera