Estudio experimental sobre la evolución de la deformación por compactación y las características de disipación de energía de macizos rocosos fragmentados graduados

Por qué importan las rocas trituradas bajo tierra

En las profundidades de las minas de carbón, los espacios excavados a menudo quedan parcialmente llenos de pilas de roca fragmentada. El grado de compactación de estos escombros y la forma en que liberan energía al moverse pueden influir en si el gas se desplaza de forma segura o se acumula hasta provocar una explosión peligrosa. Este estudio explora cómo se comprimen diferentes mezclas de fragmentos grandes y pequeños, cómo cambian los espacios vacíos entre ellos y cuánta energía almacenada liberan al ser apretados —conocimientos que pueden hacer la minería más segura y eficiente.

Cómo se apretó la roca y cómo se la «escuchó»

Los investigadores recogieron arenisca de grano fino de una mina de carbón china y la trituraron en partículas de cinco intervalos de tamaño, desde unos pocos milímetros hasta 25 milímetros. Usando una receta matemática llamada índice de gradación, crearon cinco mezclas diferentes, que van desde aquellas dominadas por piezas pequeñas hasta las que contienen más fragmentos grandes. Cada muestra de 2,4 kilogramos se vertió en un cilindro de acero resistente y se comprimió desde arriba, mientras los laterales se mantenían rígidos —similar a cómo el peso de la roca suprayacente aprieta la roca fragmentada en un vacío de extracción. Al mismo tiempo, sensores acústicos sensibles «escucharon» las pequeñas ondas elásticas producidas cuando las partículas se deslizan, frotan o fracturan, convirtiendo esas señales en recuentos y valores energéticos que siguen cómo se reordena internamente el esqueleto rocoso.

Tres etapas de compresión

Al seguir el esfuerzo y la deformación, el equipo encontró que todas las mezclas pasaron por tres etapas claras de compactación. Primero apareció una etapa inicial, donde las partículas poco compactadas se deslizaron, giraron y se asentaron en nuevas posiciones, causando un acortamiento rápido bajo esfuerzos relativamente bajos. A continuación vino una etapa lineal, en la que la estructura se volvió más estable y la carga adicional produjo una relación casi lineal entre esfuerzo y deformación; aquí predominaban la rotura de partículas y un contacto más estrecho superficie a superficie entre los granos. Finalmente surgió una etapa de consolidación plástica, donde el macizo rocoso se volvió rígido y resistente a un mayor acortamiento: el esfuerzo adicional provocó solo pequeñas deformaciones adicionales pero un aplastamiento local más intenso. Las mezclas ricas en finos alcanzaron estas etapas posteriores antes y permanecieron más tiempo en la fase final rígida, mientras que las ricas en grueso necesitaron esfuerzos mayores para lograr el mismo acortamiento.

Cómo evolucionan los espacios vacíos y los tamaños de partícula

Los huecos entre partículas se redujeron siguiendo un patrón de tres pasos que reflejó las etapas de deformación: una caída rápida, un descenso más lento y luego una meseta casi estable a medida que el material se acercaba a su estado más denso. Las muestras con más partículas grandes empezaron con más espacio vacío y perdieron más volumen de vacíos en conjunto, pero su relación de vacíos disminuyó más rápido a bajos esfuerzos. Tras la compresión, un tamizado mostró que todas las mezclas habían generado muchos nuevos fragmentos diminutos menores de 2,5 milímetros, mientras que la proporción de las partículas más grandes se redujo bruscamente. Una medida fractal de la complejidad del tamaño de partícula aumentó en todas las muestras, y los valores finales se agruparon en un rango estrecho, lo que indica que la compactación tendió a suavizar las diferencias iniciales entre mezclas. Las mezclas ricas en grueso, sin embargo, acabaron con distribuciones de tamaño ligeramente más simples (menos fragmentadas) que las ricas en finos.

Susurros y estallidos de energía dentro del escombro

Las mediciones acústicas revelaron que los patrones de liberación de energía también siguieron las tres etapas. En la etapa inicial, las señales fueron frecuentes pero débiles, reflejando fricción y pequeños reajustes entre granos. Durante la etapa lineal, tanto el número de eventos como su energía total crecieron con fuerza a medida que las partículas más grandes empezaron a agrietarse y la estructura interna se reorganizó. En la etapa final, el número de eventos disminuyó, pero los estallidos energéticos individuales se hicieron mucho más intensos, vinculados a la fractura ocasional de los grandes fragmentos remanentes dentro de un entramado ya rígido. Las mezclas con más finos produjeron muchos más eventos de baja energía, mientras que las dominadas por grueso generaron menos pero mucho más energéticos estallidos, mostrando un cambio de “muchos susurros pequeños” a “raros estallidos fuertes” según variaba la mezcla de partículas.

Qué significa esto para la seguridad minera

En conjunto, el estudio muestra que la gradación de la roca fragmentada —la proporción de material fino frente a fragmentos gruesos— controla de forma decisiva cómo se compacta, cómo se cierran sus espacios vacíos, cómo se desarrollan las presiones laterales y cómo se libera la energía almacenada. Con el tiempo, las distintas mezclas iniciales tienden a converger hacia estados igualmente densos y finamente fragmentados, pero recorren caminos mecánicos y energéticos muy distintos para llegar ahí. Para los ingenieros de minas, comprender estas trayectorias ayuda a predecir cómo se afinan las zonas de gob, cómo se abren o cierran las vías de gas y cuándo pueden surgir concentraciones peligrosas de esfuerzo y energía, aportando una base científica para mejores diseños de drenaje de gas y un control más eficaz de los riesgos de roca y gas en minas de carbón en profundidad.

Cita: Peiyun, X., Wuyi, Y., Shugang, L. et al. Experimental study on the compaction deformation evolution and energy dissipation characteristics of graded broken rock mass. Sci Rep 16, 6606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36352-1

Palabras clave: compactación de rocas fragmentadas, gobierno de mina de carbón, materiales granulares, emisión acústica, prevención de desastres por gas