Estudio experimental sobre el mecanismo de difusión de lechada en roca fracturada

Mantener seguras las cavernas subterráneas

Los espacios profundos bajo tierra —como los que alojan bombas en minas de carbón— deben soportar una intensa presión del macizo rocoso que los rodea. Si la roca empieza a agrietarse y desplazarse, las paredes pueden abultarse decenas de centímetros, amenazando el equipo, los trabajadores y todo el proyecto. Este estudio examina cómo "pegar" mejor la roca fracturada con lechada cementicia, de modo que las cámaras subterráneas largas permanezcan estables y seguras durante muchos años.

Una sala de bombas bajo esfuerzo extremo

Los investigadores se centraron en una gran cámara de bombas de la mina Wanfu en China, a más de 800 metros de profundidad. A pesar de un sistema de sostenimiento pesado con pernos de acero, cables y revestimiento de hormigón, las paredes y el techo de la cámara continuaron deformándose. Durante más de 450 días de monitorización, la pared derecha se movió hacia el interior hasta 751 milímetros —casi el ancho de una puerta doméstica— y el suelo se levantó más de 30 centímetros. Los sondeos perforados en la roca circundante mostraron una zona «gravemente dañada» con numerosas fracturas que se extendía hasta 7 metros de profundidad, seguida de una zona de transición y luego roca intacta. Los pernos y cables existentes estaban anclados mayoritariamente en la zona fracturada, por lo que no podían desarrollar su plena capacidad.

Cómo se difunde la lechada en la roca fracturada

Para entender cómo reforzar esa roca dañada, el equipo construyó un montaje de laboratorio de gran tamaño que podía alojar bloques de roca artificial fracturada de 1,2 metros de longitud. Bombeaban lechada cementicia a través de estos bloques y luego los seccionaban en segmentos para ensayar la resistencia de cada porción según la distancia al punto de inyección. Se exploraron dos variables de tipo práctico: el tamaño de los fragmentos de roca y la fluidez de la lechada (su relación agua‑cemento). En todos los casos, la resistencia a compresión —la fuerza de compresión que el material puede soportar— disminuía a medida que la lechada se difundía más lejos del punto de entrada.

Tres zonas de resistencia alrededor de un perno

Las pruebas de resistencia revelaron tres zonas distintas alrededor del área lechada. Más cerca del punto de inyección, una «zona de declive inicial» de hasta unos 400 milímetros mostró alta resistencia que caía rápidamente. Desde aproximadamente 400 hasta 1000 milímetros apareció una «zona de declive gradual», donde la resistencia disminuía más despacio. Más allá se encontraba una «zona de borde», donde la calidad y la resistencia volvieron a bajar. Este patrón refleja cómo fluye y asienta la lechada: cerca de la entrada es densa y está bien compactada; más lejos se desplaza más lentamente, se separa ligeramente por la gravedad y atrapa más vacíos, dejando material más débil en el borde exterior.

Por qué el tamaño de los fragmentos importa más que la mezcla líquida

Variar el tamaño de los fragmentos de roca resultó ser más importante que cambiar la fluidez de la lechada. Los fragmentos más grandes generaron huecos más anchos que permitieron a la lechada desplazarse más lejos, ampliando la distancia efectiva de difusión de 800 milímetros con piezas pequeñas hasta 1000 milímetros con las más grandes. Sin embargo, los fragmentos muy grandes también introdujeron más interfases débiles donde podían formarse grietas. ajustar la relación agua‑cemento tuvo un efecto más modesto sobre la distancia de alcance —la distancia de difusión se mantuvo cerca de 1 metro— pero influyó mucho en la resistencia y la homogeneidad global. Una mezcla intermedia (relación agua‑cemento de 0,5) produjo un buen equilibrio: material resistente y relativamente uniforme sin demasiados vacíos de aire.

De las pruebas de laboratorio a la seguridad real de la mina

Con estos conocimientos, los ingenieros rediseñaron el sostenimiento de la cámara de bombas. Añadieron pernos lechados en patrón escalonado y aseguraron que las longitudes de pernos y cables se extendieran al menos 1 metro más allá de la zona gravemente dañada hacia roca sólida. También adoptaron la relación agua‑cemento recomendada de 0,5 para el lechado en obra. Tras seis meses de nueva monitorización, los movimientos de la pared derecha se redujeron de más de 750 milímetros a poco menos de 40 milímetros —una reducción de aproximadamente el 95 por ciento. En términos sencillos, un lechado cuidadosamente planificado convirtió una sala subterránea con grandes deformaciones en un espacio estable, demostrando cómo comprender la difusión de la lechada y la fragmentación de la roca puede traducirse directamente en una ingeniería subterránea más segura y fiable.

Cita: Zhang, C., Li, D., Zhang, X. et al. Experimental study on grouting diffusion mechanism of fractured rock. Sci Rep 16, 5226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35539-w

Palabras clave: sostén de roca subterránea, lechado, roca fracturada, ingeniería de minas de carbón, estabilidad de la roca