Impacto del relleno con pasta cementada en las propiedades mecánicas y la estabilidad de pilares de carbón en la minería de alto talud a cielo abierto

Convertir los residuos mineros en un sistema de soporte

Las minas de carbón a cielo abierto a menudo dejan grandes cantidades de carbón valioso bloqueadas bajo sus pendientes finales, porque extraerlo puede debilitar el terreno y provocar deslizamientos. Este estudio explora cómo un «relleno con pasta cementada» diseñado específicamente —elaborado mayoritariamente con residuos mineros— puede utilizarse para sostener de forma segura estas pendientes mientras permite extraer mucho más carbón. Para quienes se interesan por un uso más limpio de los recursos, una minería más segura y el reciclaje creativo de residuos industriales, el trabajo ofrece un ejemplo concreto de cómo la ingeniería puede convertir una pasivo en un activo estructural.

Por qué importan los pilares de carbón para la seguridad

En la minería de alto talud, las máquinas excavan túneles horizontales en el manto de carbón expuesto a lo largo del muro de la cantera, dejando columnas sólidas de carbón —llamadas pilares— que sostienen la roca suprayacente. Estos pilares son cruciales para evitar que la pendiente se deforme o colapse, pero mantenerlos en su lugar implica que una gran cantidad de carbón nunca puede recuperarse. En una mina a cielo abierto en China, el uso temprano de la minería de alto talud sin relleno provocó hundimientos en bancos y carreteras de acarreo, lo que generó inquietud sobre la estabilidad a largo plazo. La pregunta que se plantearon los investigadores fue: ¿podemos reemplazar parcialmente la función de estos pilares de carbón rellenando las cavidades extraídas con una pasta cementada controlada, de modo que se pueda extraer más carbón con seguridad?

Construcción y rotura de pilares en miniatura

Para abordar esto, el equipo recreó el sistema de carbón y relleno en el laboratorio usando muestras cúbicas de carbón procedentes de una mina real. Moldearon pasta cementada hecha de roca triturada procedente de residuos, cenizas volantes, cemento y agua a ambos lados del carbón, formando un sándwich «relleno–pilar de carbón–relleno». Al cambiar dos factores principales —la altura del relleno en relación con el pilar de carbón (la proporción de relleno) y la resistencia de la pasta— pudieron observar cuánto soporte proporcionaba realmente el relleno. Estos especímenes se comprimieron dentro de un contenedor de acero robusto que imitaba la confinación estrecha en un alto talud real, mientras instrumentos registraban cómo respondían el carbón y el relleno a medida que aumentaba la carga.

Cómo el relleno altera el modo de fallo del carbón

Las curvas tensión–deformación —las huellas digitales de cómo un material soporta carga— revelaron una historia en cinco etapas: compactación de poros, el carbón soportando carga de forma elástica, formación y unión de grietas, la falla principal del carbón y, finalmente, en algunos casos, el carbón todavía soportando carga gracias al restricto del relleno. Con proporciones de relleno bajas y pastas de baja resistencia, el comportamiento del carbón fue peor que el del carbón sin relleno; el relleno no restringía completamente el pilar y, en cambio, desplazaba la falla hacia la zona superior, menos soportada, que se fracturaba de forma explosiva en fragmentos. A medida que el relleno se hizo más alto y más resistente, el patrón de falla cambió. Las grietas se distribuyeron de forma más uniforme a través del pilar, la abultamiento lateral se redujo y, con una proporción de relleno del 95 % y una pasta de alta resistencia, el carbón mostró solo agrietamiento superficial leve y permaneció en gran medida intacto.

De relleno pasivo a socio estructural activo

Un hallazgo clave es que el relleno hace más que ocupar espacio. Cuando es demasiado corto para tocar la roca del techo, solo puede reaccionar de forma pasiva después de que el carbón se haya abultado hacia afuera, ofreciendo protección limitada. Pero cuando el relleno es lo bastante alto como para contactar con el techo —esencialmente una proporción de relleno del 100 %— se convierte en un socio estructural activo. Comparte parte de la carga vertical, se expande lateralmente bajo compresión y presiona contra el pilar de carbón antes de que se produzcan grietas importantes, colocando al carbón en un estado de esfuerzo tridimensional más favorable. En las pruebas, la resistencia de falla de los pilares de carbón aumentó de forma sostenida con el incremento de la proporción de relleno y la resistencia, y luego se disparó una vez logrado el contacto con el techo; los pilares conservaron cierta capacidad incluso después de la falla inicial. Simulaciones numéricas de toda una pendiente de cantera confirmaron que un relleno de altura total y alta resistencia reducía drásticamente la deformación de los pilares, disminuía las zonas dañadas en la pendiente y permitía recuperar de forma segura todo el carbón entre las aberturas.

Implicaciones para una minería más segura y limpia

Para lectores no especializados, el mensaje principal es que la forma en que rellenamos los espacios excavados puede condicionar de manera decisiva tanto la seguridad como la eficiencia en el uso de recursos. Este estudio demuestra que un relleno con pasta cementada bien diseñado —especialmente cuando alcanza y contacta firmemente con el techo— puede transformarse de un simple vertido de residuos en un sistema de soporte ingenieril. Puede permitir que las minas a cielo abierto extraigan casi todo el carbón bajo las pendientes, manteniendo los movimientos del terreno reducidos y disminuyendo el riesgo de fallo del talud. En la práctica, señalan los autores, los ingenieros aún deben superar obstáculos técnicos, como la retracción y pequeños huecos en el techo, mediante aditivos o inyecciones secundarias. Pero la conclusión subyacente es clara: el uso inteligente del relleno puede ayudar a las minas a recuperar más recursos, estabilizar sus pendientes y reciclar al mismo tiempo enormes volúmenes de roca de desecho.

Cita: Han, L., Chen, X., Chen, T. et al. Impact of cemented paste backfill on mechanical properties and stability of coal pillars in open pit highwall mining. Sci Rep 16, 5717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36528-9

Palabras clave: minería de alto talud, relleno con pasta cementada, estabilidad de pilares de carbón, deformación de taludes, reciclaje de residuos mineros