Uso de ensayos en modelo físico y simulación numérica para revelar el mecanismo del colapso de una cámara: un estudio de caso

Por qué los derrumbes subterráneos nos importan a todos

Profundamente bajo tierra, los minerales metálicos que alimentan nuestros teléfonos, coches y tecnologías de energía limpia se extraen en vastas cavidades artificiales. Si los techos de roca sobre esos espacios vacíos se desploman de repente, el resultado puede ser mortal para los mineros y dañino para el medio ambiente y las comunidades cercanas. Este estudio examina cómo y por qué ocurren esos colapsos en una mina subterránea moderna rellena con material de desecho, y cómo experimentos controlados y simulaciones por ordenador pueden usarse juntos para predecir y prevenir tales desastres.

Habitaciones ocultas bajo la superficie

Cuando los mineros extraen mineral, dejan espacios huecos llamados cámaras o bocamina. En muchas minas metalíferas, esos huecos se rellenan posteriormente con estériles y cemento para ayudar a soportar la roca suprayacente. Pero cuando el relleno no es lo bastante resistente, grandes secciones del techo y la roca circundante pueden ceder. Los autores se centraron en una mina metalífera china donde ya se habían rellenado grandes áreas, sin embargo el techo sobre una zona explotada se derrumbó. Su objetivo fue entender la cadena de sucesos que convirtió una cámara subterránea aparentemente estable en una amplia zona de colapso en forma de U que amenazaba las labores cercanas.

Construir una mini mina en el laboratorio

Para investigar el problema con seguridad, los investigadores construyeron un gran modelo físico de la mina usando mezclas de arena, barita, cemento y yeso para imitar el mineral, el relleno y la roca circundante. Incluso idearon un nuevo molde para inyecciones y un método de colado por etapas para poder verter diferentes tipos de “roca” y “relleno” en bloques estratificados y ordenados, algo sorprendentemente difícil con morteros pesados y de flujo lento. Una vez que el modelo endureció, simularon la explotación para crear una bocamina y luego cargaron gradualmente la parte superior para imitar el peso de la roca suprayacente. Cámaras de alta velocidad, galgas extensiométricas y sismómetros registraron cómo se deformó el modelo y cómo se propagaron las ondas de choque cuando se produjo la falla.

Observar un colapso en directo

En el laboratorio, en el momento en que se creó el gran espacio vacío, la losa del techo no se hundió suavemente; falló casi al instante. El grueso techo de mineral descendió como un bloque relativamente intacto, golpeando el suelo y enviando fuertes ondas vibratorias a través del material circundante. Poco después, las paredes laterales se deslizaron hacia el centro, comprimiendo el relleno y la roca fragmentada. Cuando el sistema alcanzó un nuevo estado estable, la zona colapsada había crecido hasta unos 72 metros de longitud y presentaba un contorno claro en forma de U. Los instrumentos situados cerca de las galerías subterráneas en el modelo registraron velocidades de vibración mayores en un lado que en el otro, mostrando que las propiedades locales de la roca influyen en cómo se distribuye la energía del colapso por la mina.

Simular la falla de la roca en tres dimensiones

Para comprobar si su modelo a escala realmente capturaba lo que sucede bajo tierra, el equipo recurrió a una avanzada simulación numérica usando el software 3DEC. Construyeron una versión digital tridimensional de la mina con propiedades realistas de roca y relleno y aplicaron gravedad y esfuerzos in situ. La mina virtual se comportó de forma muy similar a la física: el mayor movimiento se produjo en el techo, las paredes laterales se desplazaron hacia la abertura y se desarrolló una zona de fallo en forma de U alrededor de la bocamina. Las simulaciones también mostraron transiciones abruptas de roca estable a roca que se desliza rápidamente, y señalaron dónde la deformación por corte —un indicador de deslizamiento inminente— se disparó justo antes del colapso. Esta coincidencia cercana entre laboratorio y ordenador dio a los investigadores confianza en su comprensión del proceso de falla.

De la teoría a prácticas mineras más seguras

Más allá de describir lo observado, los autores usaron la mecánica clásica de rocas para derivar una fórmula que vincula la resistencia de la roca, la fricción y la geometría del túnel con el espesor de un “arco de presión” sobre una abertura subterránea. Este arco es la zona de roca que soporta la carga tras la excavación; a medida que crece y luego se rompe, guía cómo se desarrolla un colapso en forma de U. Combinando esta teoría con sus experimentos y simulaciones, trazaron las probables líneas de deslizamiento y las zonas peligrosas alrededor de la cámara colapsada de la mina real. Después diseñaron un esquema de inyección focalizado: perforar desde áreas estables hacia la zona dañada e inyectar una lechada a base de cemento para adherir los bloques sueltos. Las pruebas de campo mostraron que este refuerzo mejoró la calidad de la roca y permitió explotar de forma más segura cinco cámaras próximas.

Qué significa esto para las personas y las minas

Para el público no especializado, el mensaje es claro: las cavidades subterráneas no fallan al azar. Su colapso sigue patrones reconocibles que pueden medirse, modelarse y controlarse. Combinando modelos físicos a escala, simulaciones tridimensionales por ordenador y una fórmula simple del espesor del arco, este estudio proporciona a los explotadores mineros un conjunto de herramientas práctico para identificar áreas de alto riesgo y reforzarlas antes de que ocurra un desastre. El enfoque ayuda a proteger la vida de los mineros, reduce la probabilidad de subsidencia superficial y facilita un acceso más fiable a los metales de los que depende la sociedad moderna.

Cita: Zhang, R., Xie, C. & Chen, J. Using physical model test and numerical simulation for revealing the mechanism of stope collapse: a case study. Sci Rep 16, 6596 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37753-y

Palabras clave: minería subterránea, colapso de roca, relleno, simulación numérica, refuerzo por inyección