Influencia de la forma del defecto en el comportamiento viscoplástico y la evolución del daño de la roca carbonífera mediante un modelo mejorado

Puntos débiles ocultos en la roca subterránea

En las profundidades, la roca que rodea túneles y minas de carbón se deforma lentamente bajo presiones enormes. Pequeñas imperfecciones como huecos y fisuras pueden parecer insignificantes, pero con el paso de los años pueden crecer y provocar derrumbes o fallos en las galerías. Este estudio explora cómo la forma simple de un hueco dentro de la roca carbonífera puede alterar la manera en que la roca se comporta por fluencia, cómo aparecen las grietas y cómo finalmente falla—una cuestión relevante para la seguridad a largo plazo de minas, cavernas de almacenamiento y otras estructuras subterráneas.

Por qué importa la forma del hueco

Los ingenieros saben desde hace tiempo que los defectos debilitan la roca, pero la mayoría de las investigaciones han tratado la roca como impecable o dañada de forma genérica. En realidad, el carbón y las rocas circundantes contienen una variedad de cavidades creadas por procesos naturales o excavación, desde ranuras con esquinas afiladas hasta aberturas lisas y redondeadas. Los autores advirtieron que estas formas pueden concentrar el esfuerzo y guiar el crecimiento de grietas de manera muy distinta con el tiempo, sobre todo bajo la carga lenta y sostenida conocida como fluencia. Para capturar este comportamiento en detalle, combinaron datos de laboratorio con simulaciones informáticas avanzadas que siguen cómo pequeñas uniones entre granos de roca se rompen y deslizan a medida que la roca se deforma.

Construyendo una roca digital mejorada

En lugar de modelar la roca como un bloque uniforme, los investigadores representaron la roca carbonífera como un ensamblaje de pequeñas partículas unidas entre sí. Usaron un marco de “unión paralela” para imitar cómo los granos de roca comparten fuerzas y resisten la flexión, y lo acoplaron a un modelo viscoelástico Kelvin–Voigt—esencialmente, muelles y amortiguadores que representan la deformación dependiente del tiempo por fluencia. Estos elementos se ajustaron por ensayo y error hasta que las curvas simuladas de deformación en función del tiempo coincidieron con ensayos de fluencia biaxial reales en probetas de carbón. Una vez calibrado, el modelo pudo reproducir no solo cómo se deformaba la roca bajo cargas escalonadas, sino también dónde y cuándo aparecían las grietas y cómo se conectaban hasta formar fracturas mayores.

Poniendo a prueba diferentes cavidades

Con el material digital listo, el equipo creó seis muestras virtuales de carbón: una íntegra y cinco con cavidades de área casi idéntica pero de distintas formas—rectangular, trapezoidal, en forma de U invertida, cuadrada y circular. Cada espécimen medía 50 mm de ancho y 100 mm de alto, y se cargó por etapas hasta 15 megapascales mientras las simulaciones registraban esfuerzo, deformación y el número de grietas emergentes. Todos los defectos debilitaron la roca respecto al caso íntegro, pero no por igual. Los huecos rectangulares provocaron la mayor caída en la resistencia a la falla, mientras que los huecos cuadrados causaron la mayor reducción en la deformación antes de romperse. Las cavidades en U invertida redujeron con más fuerza la rigidez efectiva al fallo. Las probetas con las cavidades más anchas, como las rectangulares y las en U invertida, resultaron ser las más compresibles, lo que subraya que para huecos de igual área, la anchura controla en gran medida qué tan fácilmente se comprime y daña la roca.

Patrones de esfuerzo y trayectorias de grietas

Las simulaciones también revelaron cómo se forman los campos de esfuerzo y cómo se propagan las grietas alrededor de cada tipo de cavidad. En las muestras con huecos rectangulares, trapezoidales, en U invertida y cuadrados, las zonas de alto esfuerzo no se iniciaron en los bordes de la cavidad. En su lugar, surgieron primero en la roca circundante y luego crecieron hacia el hueco, acabando por conectarse a él y creando bandas laterales complejas de alto esfuerzo. Las grietas tendían a iniciarse en estas zonas exteriores, correr hacia la cavidad, extenderse hasta los límites de la probeta y volver a entrar, formando redes de fractura mixtas por tensión y corte. Por contraste, la cavidad circular produjo un patrón de esfuerzo simétrico, con regiones de alto esfuerzo desarrollándose directamente en los lados opuestos del hueco. Las grietas entonces rodearon la cavidad de manera más uniforme, dando lugar a una banda de corte global que atravesó toda la probeta.

Implicaciones para la seguridad subterránea

Para quienes no son especialistas, el mensaje clave es que no todos los huecos en la roca son iguales. Incluso cuando tienen el mismo tamaño, las cavidades con esquinas afiladas y lados anchos y planos—como los rectángulos y las U invertidas—concentran el esfuerzo de formas que favorecen fallos por corte localizados y tempranos y una alta compresibilidad. Las cavidades más lisas y redondeadas distribuyen el esfuerzo de manera más homogénea y tienden a fallar por un corte más global a cargas mayores. Al mostrar cómo la geometría del defecto controla la resistencia a la fluencia, la pérdida de rigidez y la evolución de grietas, el estudio ofrece orientación práctica para diseñar pilares de carbón, galerías y otros sostenes mineros profundos más seguros: evitar crear aberturas anchas y de bordes afilados, y tratar las existentes como zonas de alto riesgo para deformación y fallo a largo plazo.

Cita: Zhao, T., Cao, Y., Wang, T. et al. Influence of defect shape on the creep behavior and damage evolution of coal rock using an improved model. Sci Rep 16, 5781 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35589-0

Palabras clave: fluencia de la roca carbonífera, geometría del defecto, estabilidad subterránea, evolución de grietas, modelado numérico de rocas