Estabilidad del macizo rocoso circundante en galerías con masa rocosa fracturada: mecanismos y efectos de la optimización del trazado

Por qué importa la roca agrietada en las profundidades

Muy por debajo de la superficie terrestre, las minas de carbón dependen de largos túneles, o galerías, excavados en la roca sólida. Estos pasajes deben permanecer estables para que los trabajadores puedan desplazarse con seguridad y para que el equipo opere correctamente. Pero la roca rara vez es perfecta: está atravesada por grietas y juntas naturales que pueden crecer y conectarse bajo esfuerzos, a veces provocando colapsos. Este estudio plantea una pregunta práctica con implicaciones críticas: ¿cómo se comportan estas fracturas ocultas a medida que las minas se hacen más profundas, y cómo puede optimizarse el diseño de las galerías para evitar el fallo del macizo rocoso circundante?

Cómo recrearon científicamente la roca fracturada

Para estudiar este problema de forma controlada, los investigadores primero fabricaron muestras semejantes a la roca en el laboratorio. En lugar de usar roca natural, que es difícil de fracturar de manera precisa, moldearon bloques de hormigón con una única grieta artificial en distintos ángulos, desde horizontal hasta vertical. Verificaron la calidad de cada muestra con ondas ultrasónicas, confirmando que solo la región central contenía una fractura clara mientras el resto del material permanecía uniforme. Estas muestras se sometieron luego a compresión en una máquina de ensayo para observar cómo y dónde se iniciaban nuevas grietas, cómo crecían y cómo finalmente se fracturaba la muestra.

De especímenes de mesa a roca por ordenador

Las pruebas de laboratorio por sí solas no capturan la complejidad completa de las minas reales, por lo que el equipo construyó modelos informáticos detallados de las muestras fracturadas usando un método llamado enfoque por elementos discretos. En esta roca virtual, el material se divide en muchos pequeños bloques poligonales que pueden deslizarse, separarse o triturarse unos contra otros —muy similar a los granos reales de roca. Ajustando cuidadosamente el modelo para que su resistencia y patrones de fallo coincidieran con las pruebas físicas, los investigadores pudieron confiar en él para explorar muchos más escenarios de los que sería práctico en el laboratorio, incluyendo cómo distintas magnitudes de presión circundante, como la que existe a mayor profundidad, afectan el crecimiento de las grietas.

Qué ocurre con las grietas bajo presión

Las simulaciones y los experimentos revelaron de forma conjunta que el ángulo de la fractura original controla fuertemente cómo se propaga el daño, especialmente cuando la grieta está inclinada entre aproximadamente 30 y 60 grados. En este intervalo, las nuevas grietas tienden a iniciar cerca de la fractura existente y a crecer en direcciones que gradualmente se alinean con ella. A medida que aumenta la presión externa —similar a profundizar—, el agrietamiento se limita más al vecindario inmediato de la fractura en lugar de propagarse por toda la roca. La resistencia global de las muestras muestra una tendencia en V marcada con el ángulo de la fractura: la roca es relativamente resistente cuando la grieta es casi horizontal o vertical, pero notablemente más débil en ángulos intermedios donde las fracturas se conectan con mayor facilidad.

Diseñar trazados de galerías más seguros

Con este conocimiento a pequeña escala, el equipo pasó a trazados reales de minas con múltiples galerías próximas. Usando sus modelos validados, simularon cómo las tensiones por el peso de la roca suprayacente y por la extracción del carbón generan zonas plásticas —regiones donde la roca ha cedido y se ha agrietado— alrededor de cada galería. Encontraron que a medida que aumenta el nivel de esfuerzo general, las deformaciones crecen rápidamente y las zonas plásticas se profundizan. Cuando dos galerías se sitúan demasiado cerca, estas zonas dañadas pueden fusionarse, creando una gran región debilitada que amenaza a ambos túneles. Imágenes de sondeos en una mina de carbón en explotación confirmaron el panorama del modelo: la roca de techos poco profunda sobre galerías próximas estaba fuertemente fracturada, mientras que la roca más profunda permanecía comparativamente intacta.

Qué significa esto para la seguridad en minas de carbón

El estudio concluye que existe una regla práctica para un diseño más seguro: mantener la separación entre galerías principales mayor que aproximadamente cinco veces el radio de la galería (o, de forma aproximada, más de 15 metros en el caso estudiado) ayuda a evitar la superposición de zonas de fractura y mejora la estabilidad a largo plazo. También subraya que los altos esfuerzos geológicos naturales, combinados con los esfuerzos adicionales creados por la minería, son los principales impulsores del crecimiento de fracturas y del agravamiento del daño. En términos cotidianos, este trabajo muestra cómo una planificación cuidadosa de la ubicación de los túneles —guiada por experimentos y simulaciones realistas— puede reducir significativamente el riesgo de fallo rocoso, proteger a los trabajadores y disminuir los costes de mantenimiento en minas profundas de carbón y proyectos subterráneos similares.

Cita: Hao, H., Tian, B., Li, G. et al. Stability of surrounding rock in roadways with fractured rock mass: mechanisms and effects of layout optimization. Sci Rep 16, 6999 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38202-6

Palabras clave: galerías de minas de carbón, roca fracturada, estabilidad subterránea, separación de galerías, modelado por elementos discretos