Mecanismo y aplicación del anclaje por reamado de fondo de taladro en forma de cuña invertida en galerías cementadas arcillosas

Mantener en su sitio túneles mineros frágiles

A gran profundidad, muchas galerías de minas de carbón atraviesan roca blanda rica en arcilla que se hincha, fluye por deformación y se desmorona con el tiempo. Los soportes de acero tradicionales e incluso los bulones modernos suelen perder su agarre a medida que esta roca debil se deforma, aumentando el riesgo de desplomes del techo y reparaciones costosas. Este estudio explora una nueva forma de «anclar» los pernos de apoyo con más seguridad al remodelar el extremo mismo del orificio de perforación, de modo que la roca y la resina se traben literalmente como una cuña, manteniendo las galerías más seguras y estables por más tiempo.

Por qué es tan difícil sostener túneles en roca blanda

Muchas galerías de carbón en China están excavadas en roca arcillosa o cementada con arcilla que contiene minerales que se debilitan al mojarse. Estas rocas están mal consolidadas, tienen baja resistencia y tienden a hincharse y volverse fangosas cuando entran en contacto con el agua. Bajo la presión constante de la explotación minera, los muros y el techo de la galería fluyen y se deforman. Los bastidores de acero que parecen eficaces inicialmente pueden terminar hundiéndose en el suelo blando conforme este se levanta, mientras el techo se hunde y fisura. Los bulones, que son hoy el método de sostenimiento principal, están pensados para ligar las capas de roca débil. Pero en este entorno, la resina usada para pegar los bulones a la pared del taladro a menudo se separa de la roca, sobre todo con vibraciones y humedad, provocando que la fuerza de anclaje disminuya rápidamente.

Modelar el extremo del orificio como una cuña

Los investigadores se centraron en una idea simple pero potente: en lugar de dejar el fondo del orificio cilíndrico, lo agrandan hasta formar una forma de cuña invertida mediante una herramienta especial de reamado. El bulón se vincula entonces en esta cavidad ensanchada con resina. En efecto, el bulón deja de depender solo de la adhesión a una pared lisa; queda bloqueado mecánicamente en un bolsillo más ancho de roca. El equipo construyó un modelo mecánico que divide el bulón en tres zonas a lo largo de su longitud: una sección libre cerca de la boca de la galería, una sección de anclaje normal y la sección de anclaje reamificada en el extremo. Usando ecuaciones de mecánica de rocas, demostraron que este bolsillo en forma de cuña incrementa notablemente las fuerzas cortantes y de agarre en la interfaz entre resina y roca, aumentando la resistencia axial del bulón incluso cuando se inicia deslizamiento en otras zonas.

De las ecuaciones a modelos de laboratorio y ensayos de tracción

Para probar el concepto, el equipo construyó modelos a escala de muros de galería usando materiales formulados para imitar roca blanda de baja resistencia. Perforaron orificios para bulones dentro de tubos de PVC y luego enmendaron manualmente el fondo del orificio para formar cuñas invertidas de distintas longitudes, diámetros y ángulos. Usando una resina común en minas (K2335), comprobaron primero cómo se mezclaba y curaba la resina en estas cavidades ensanchadas. Si la cuña era demasiado grande o larga, partes de la resina quedaban mal mezcladas y sin fraguar. Definieron una "tasa de solidificación" para cuantificar cuánto de la resina se endurecía completamente. La mejor combinación resultó ser una longitud reamificada de 100 mm, un diámetro máximo de 58 mm y un ángulo de cuña de 9°, alcanzando una tasa de solidificación del 92,9 %, lo que significa que la cavidad quedó densamente y uniformemente rellenada.

Agarre más fuerte antes y después de la falla

A continuación, los investigadores llevaron a cabo ensayos de extracción en laboratorio, comparando bulones normales con bulones anclados en estos bolsillos en forma de cuña invertida, todos con la misma longitud total de anclaje. En ambos casos, la fuerza de tracción aumentó con el desplazamiento hasta un pico, y luego cayó a medida que comenzaba el deslizamiento entre resina y roca. Para los bulones normales, la caída fue brusca y la fuerza remanente fue baja, proveniente principalmente de fricción de deslizamiento débil. En contraste, los bulones en la cavidad de cuña invertida mantenían una alta fuerza residual después del inicio del deslizamiento porque la forma ensanchada impedía mecánicamente la extracción completa. Simulaciones numéricas respaldaron estos resultados: bajo la misma carga de 160 kN, la tensión cortante media a lo largo de la zona de anclaje aumentó alrededor de un 47 % con el diseño de cuña, y el esfuerzo se concentró de forma beneficiosa cerca de la sección reamificada en lugar de únicamente en el fondo del orificio.

Demostrar la idea en una mina de carbón real

El equipo llevó luego el método al subsuelo en una galería de roca blanda de una mina de carbón en la provincia de Shanxi. Perforaron y reamaron los fondos de los orificios con una herramienta de ala única de diseño propio, introdujeron los cartuchos de resina en el bolsillo reamificado y los mezclaron con el bulón hasta que la resina llenó y agarró tanto la roca fracturada como la intacta. El monitoreo de tres bulones de techo mostró que sus fuerzas axiales aumentaron a medida que la roca circundante se deformaba, pero luego se estabilizaron en niveles elevados, sin la pérdida rápida de soporte que suele observarse con el anclaje convencional. Las mediciones de asentamiento del techo confirmaron que las galerías sostenidas con los bulones reamificados en cuña invertida presentaron hundimientos mucho menores que las que utilizaban bulones estándar, indicando una galería más segura y estable.

Qué significa esto para la seguridad en las minas

Para un lector no especializado, la conclusión es que remodelar el extremo oculto de un orificio de bulón puede marcar una gran diferencia para la seguridad de las galerías. Al tallar un pequeño bolsillo en forma de cuña en la roca y rellenarlo con resina y acero, los ingenieros crean una especie de cabeza de anclaje subterránea que resulta más difícil de extraer y menos propensa a debilitarse con el tiempo. El estudio muestra que, con dimensiones cuidadosamente elegidas, este diseño no solo incrementa la resistencia inicial de agarre sino que también conserva gran parte de esa resistencia incluso después de que se produzca cierto deslizamiento. Para las minas de carbón que perforan rocas frágiles y sensibles al agua, un anclaje mejorado de este tipo podría reducir los desplomes del techo, disminuir los costes de mantenimiento y hacer el trabajo subterráneo más seguro.

Cita: Zhang, H., Li, G., Xu, Y. et al. Mechanism and application of reaming anchorage of inverted wedge-shaped hole bottom in argillaceous cemented roadway. Sci Rep 16, 5094 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7

Palabras clave: galería en roca blanda, anclaje con bulón, túnel de mina de carbón, perforación reamificada, sujeción del terreno