Ley de distribución y control del segundo invariante del esfuerzo desviador en el sostenimiento de galerías junto al hueco de extracción

Por qué importa esta historia subterránea

A grandes profundidades, las minas modernas de carbón deben excavar túneles que se mantengan seguros incluso cuando se extrae carbón en las cercanías. Un método cada vez más usado, denominado sostenimiento de galería junto al hueco (gob-side entry retaining), permite reutilizar una galería en lugar de abandonarla tras dejar una pared de carbón intacta. Esto ahorra recursos valiosos pero hace que la galería restante quede vulnerable a aplastamientos y colapsos conforme se desplazan las rocas del techo. Este estudio, realizado en una mina de carbón profunda en China, muestra cómo una nueva forma de seguir las tensiones en la roca puede predecir dónde es más probable que ocurra la falla y cómo soportes mejor diseñados pueden mantener estas vías estables desde el inicio hasta el fin de la explotación.

Mantener viva una galería junto a un hueco colapsado

En el sostenimiento de galería junto al hueco, los mineros extraen carbón a lo largo de un frente de extracción (longwall) mientras preservan una vía directamente al lado del hueco minado, o “gob”. En lugar de dejar una gruesa columna de carbón como barrera, construyen una pared artificial conocida como cuerpo de relleno lateral entre la galería y el gob. Este cuerpo de relleno debe cumplir varias funciones a la vez: soportar cargas rápidamente conforme el techo se desploma, tolerar grandes compresiones sin romperse y sellar la galería frente a gases y rocas sueltas. El equipo analizó un panel a 690 metros de profundidad en la mina Xinzhuang, donde se retuvo una galería rectangular junto al gob y se apoyó con un cuerpo de relleno a base de cemento de un metro de ancho, además de pernos y cables en la roca circundante.

Observando cómo se acumulan y desplazan las tensiones en la roca

En lugar de centrarse solo en niveles simples de presión, los autores se fijaron en cómo cambia la forma de la roca bajo carga, usando una magnitud denominada segundo invariante del esfuerzo desviador —aquí tratada de forma sencilla como una medida global de cuánto se deforma la roca y cuán cerca está de la falla. Con detallados modelos computacionales, simularon la vida completa de la galería: desde la excavación inicial, pasando por la intensa extracción cercana al frente, hasta el periodo posterior cuando el gob se ha compactado mayormente. Rastrearon cómo esta medida de esfuerzo formó zonas anulares alrededor del túnel, cómo sus picos se desplazaron más profundamente hacia el techo y la costilla de carbón conforme avanzaba la explotación, y cómo las regiones plásticas (deformadas permanentemente) crecieron y luego se estabilizaron.

Tres etapas de peligro alrededor de la galería

En la etapa temprana, mucho antes de que el frente de extracción llegara a la galería, la tensión alrededor del hueco formó un anillo desigual con picos modestos a unos 2,5 metros tanto en el techo como en el lado de carbón sólido. En la capa superficial, las tensiones eran relativamente bajas, correspondiendo a una zona ya relajada por la excavación. Cuando el frente se acercó y lo sobrepasó (etapa intermedia), la roca experimentó perturbaciones mucho más fuertes: los picos crecieron y se desplazaron más profundo, hasta unos 4,5 metros en el techo y 3,5 metros en la costilla de carbón, y se formaron bandas estrechas de alta tensión cerca de la esquina del techo en el lado del carbón. En la etapa tardía, después de que el frente se alejó decenas de metros y las rocas colapsadas en el gob se compactaron, las tensiones en las capas someras del lado del gob se aliviaron, pero la zona de pico profundo en la esquina del techo del lado del carbón siguió ensanchándose e intensificándose antes de estabilizarse.

Cómo comparte la carga la pared artificial

El cuerpo de relleno se comportó de forma distinta a la roca natural. La tensión dentro de él aumentó casi linealmente desde el lado del gob hacia el lado de la galería, reflejando cómo fue asumiendo gradualmente la carga en sustitución del carbón removido. A medida que la distancia tras el frente de trabajo aumentó y el gob se compactó, la tendencia a concentrar tensiones dentro del cuerpo de relleno se debilitó, lo que significa que las rocas fragmentadas circundantes comenzaron a ayudar a sostener el techo. Cálculos mecánicos mostraron que, dadas las propiedades de la roca y el comportamiento del techo, un cuerpo de relleno de un metro de ancho con una resistencia del orden de 20 megapascales podría ofrecer suficiente resistencia para fomentar una fractura controlada del techo en lugar de formar una losa colgante larga y pesada.

Diseñar soportes que alcancen los puntos calientes ocultos

Al cartografiar dónde aparecían los picos de tensión y cómo se desplazaban, los investigadores identificaron zonas “de control obligatorio” en el techo y en la costilla de carbón sólida varios metros más allá del muro de la galería. Los pernos cortos convencionales refuerzan principalmente la roca somera ya fracturada, pero hacen poco por estas zonas de peligro más profundas. El equipo diseñó por tanto un sistema de sostenimiento combinado: pernos y malla densos en el techo y las costillas superficiales; una pared flexible de losas de cemento y pernos internos para rigidizar el cuerpo de relleno; y cables anclados largos y angulados de modo que atraviesen directamente las bandas de alta tensión reveladas por el invariante de esfuerzo. El monitoreo de campo mostró que, en condiciones reales de extracción, la deformación de la galería se mantuvo por debajo de aproximadamente 30 centímetros y el cuerpo de relleno se comprimió menos de 10 centímetros, confirmando que la galería permaneció en servicio durante todo el ciclo de extracción.

Qué implica esto para una minería más segura y eficiente

El estudio demuestra que observar cómo la roca es cortada y distorsionada —en lugar de fijarse solo en cuánto se comprime— puede señalar dónde es probable que se inicien fallas profundas alrededor de una galería reutilizada. Alineando anclajes largos con estos picos de tensión ocultos y dotando a la pared lateral de la anchura y resistencia adecuadas, los ingenieros pueden mantener abiertas las galerías junto a huecos minados sin desperdiciar carbón en pilares gruesos. En términos prácticos, eso se traduce en mejor recuperación de recursos, menos nuevas excavaciones y condiciones de trabajo más seguras, todo guiado por una comprensión más matizada de cómo responde realmente la roca subterránea conforme avanza la explotación.

Cita: Jiang, D., Guo, J., Sun, G. et al. Distribution law and control of the second invariant of deviatoric stress in gob-side entry retaining. Sci Rep 16, 12803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37680-y

Palabras clave: sostenimiento de galería junto al hueco, estabilidad de galerías en minas de carbón, esfuerzo y falla de roca, soporte de llenado junto a la galería, simulación numérica en minería