Criterio de inestabilidad catastrófica para la masa rocosa del techo y los paños laterales de una galería bajo voladura en agujeros profundos en la mina de carbón de Songshan

Por qué la voladura puede sacudir un túnel minero

Las minas de carbón modernas suelen utilizar explosiones controladas para aliviar la presión en la roca que cubre sus galerías y prevenir violentos reventones de roca. Pero cada voladura también genera potentes ondas de choque que se propagan por el espacio subterráneo. Este estudio plantea una cuestión práctica y de vida o muerte: ¿cuánta carga explosiva puede emplearse con seguridad antes de que el techo o los paños laterales de una galería colapsen de forma repentina, y cómo pueden los ingenieros predecir ese punto de inflexión con antelación?

Imagen de un túnel subterráneo sometido a esfuerzo

Los investigadores se centraron en una mina de carbón profunda en Songshan, China, donde el techo de la galería está formado por arenisca estratificada y gruesa, y los paños laterales de carbón son relativamente blandos y frágiles. Para reducir los esfuerzos extremos provocados por la extracción, los ingenieros perforan agujeros profundos en el techo por delante del frente de trabajo y los rellenan con explosivos. Al detonar, estas cargas fisuran y debilitan intencionadamente el techo fuerte para que falle de forma controlada, en lugar de estallar violentamente sin aviso. Sin embargo, las mismas voladuras también sacuden la propia galería. Las fuertes vibraciones pueden empujar a la roca ya tensada alrededor del túnel más allá de un punto crítico, desencadenando una deformación súbita, “catastrófica”, en lugar de un movimiento gradual y manejable.

Convertir el movimiento de la roca en un balance de energía

Para entender cuándo puede producirse este fallo súbito, los autores trataron el techo estratificado sobre la galería como una viga simple apoyada en sus soportes. Escribieron una ecuación para la energía total almacenada y liberada en esta viga, incluyendo la flexión de la roca, el peso de las capas sobreyacentes, la resistencia de los sistemas de soporte como los bulones y el empuje adicional de las vibraciones de la voladura. Usando una rama matemática llamada teoría de catástrofes, convirtieron esa expresión de energía en un modelo estándar de “cúspide” que describe sistemas que permanecen tranquilos y luego saltan abruptamente a un nuevo estado una vez que las condiciones cruzan un umbral. En este marco, la cantidad de explosivo y la resistencia del soporte actúan como mandos de control, mientras que la deflexión del techo es la respuesta del sistema.

¿Cuánta carga explosiva es demasiada?

A partir del modelo de cúspide, el equipo derivó fórmulas para una carga de voladura crítica y, a partir de ella, una carga explosiva crítica para el techo. Si la carga real está por debajo de ese valor, el techo puede absorber la perturbación y mantenerse estable; si lo supera, el modelo predice una pérdida súbita de estabilidad. Se utilizó un enfoque similar para los paños laterales, que pueden fallar mediante una combinación de fisuración vertical y deslizamiento a lo largo de una zona debilitada. Aquí los autores desarrollaron un modelo mecánico de un posible bloque deslizante de carbón y roca, volvieron a escribir una expresión de energía total y aplicaron la teoría de catástrofes para obtener un segundo límite crítico de carga para la estabilidad de los paños laterales. En ambos casos, los resultados indican que cargas mayores, distancias más cortas desde la fuente de la voladura y rocas o soportes más débiles reducen el límite seguro.

Lo que la mina Songshan enseñó al modelo

Con medidas de laboratorio de la resistencia de la roca, medidas de campo de las vibraciones de voladura y la geometría de la galería del frente de trabajo 2205 en la mina Songshan, los investigadores calcularon valores específicos de carga crítica. Teóricamente, el techo estratificado podría tolerar casi 100 kilogramos de explosivo por ciclo de voladura, mientras que los paños laterales más frágiles limitaron la carga segura a aproximadamente 93 kilogramos. Inicialmente, la mina usaba solo 26 kilogramos por ciclo para evitar daños, lo que ralentizaba el trabajo. Guiados por los nuevos criterios, los ingenieros aumentaron la carga a unos 79 kilogramos—muy por debajo del límite calculado pero lo bastante alto como para mejorar la eficiencia. El monitoreo mostró solo un pequeño hundimiento adicional del techo (5 milímetros) y un movimiento moderado de los paños laterales (11 milímetros) en los días posteriores a la voladura, confirmando que la galería se mantuvo estable.

Reglas prácticas para voladuras más seguras

Para no especialistas, el mensaje principal es que los fallos peligrosos de túneles bajo voladura no son aleatorios: surgen cuando la energía de vibración empuja al sistema rocoso más allá de un punto de inflexión matemáticamente definible. Combinando mediciones de las propiedades de la roca, la geometría del túnel, la resistencia de los soportes y las vibraciones de la voladura, este estudio ofrece fórmulas para la carga explosiva máxima segura tanto para el techo como para los paños laterales. También destaca palancas claras para la seguridad: aumentar el soporte, alejar las voladuras de la galería, consolidar roca débil con técnicas como el inyectado de lechada, y limitar la carga por voladura. Aplicadas en conjunto, estas ideas ayudan a que las minas usen voladuras en agujeros profundos para controlar la presión del techo manteniendo las galerías subterráneas—y a las personas que trabajan en ellas—seguras e íntegras.

Cita: Guo, D., Chen, J., Wang, H. et al. Catastrophic instability criterion for roadway roof and sidewall rock mass under deep-hole roof blasting in Songshan coal mine. Sci Rep 16, 6448 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36794-7

Palabras clave: voladura en agujeros profundos, galería de mina de carbón, estabilidad de la masa rocosa, soporte de techo y paños laterales, teoría de catástrofes