Estudio sobre las características de deformación y la tecnología de sostenimiento de galería en un campo de esfuerzos profundo y complejo

Por qué los túneles de minas profundas nos afectan a todos

Gran parte de la electricidad y del combustible industrial en los que nos apoyamos sigue procediendo del carbón extraído a grandes profundidades bajo la superficie de la Tierra. A medida que las minas se profundizan para alcanzar los bancos restantes, los túneles que transportan a los trabajadores, el equipo y el carbón deben soportar presiones enormes del macizo rocoso circundante. Cuando esa roca se deforma o colapsa, el resultado puede ser reparaciones costosas, pérdida de producción o accidentes mortales. Este estudio explora por qué las galerías de minas profundas en disposiciones subterráneas complejas se deforman de forma tan severa y presenta una nueva manera de mantener estas vías vitales estables y seguras.

Un laberinto de túneles bajo presión extrema

Los investigadores se centraron en una mina de carbón donde los túneles principales se encuentran a más de 800 metros de profundidad y forman un laberinto tridimensional. Vías para carros, cintas transportadoras, silos de almacenamiento y pasajes de conexión se cruzan en muchos ángulos y con diferentes tamaños. Estos cruces, especialmente los grandes apodados secciones en “nariz de toro”, alteran el esfuerzo natural en la roca circundante. En lugar de una compresión simple y uniforme sobre un túnel recto, la roca en las intersecciones experimenta empujes y tracciones superpuestos desde varias direcciones, lo que dificulta mucho la predicción y el control.

Cómo y dónde comienza a fallar la roca

Para comprender este comportamiento oculto, el equipo construyó un modelo informático tridimensional detallado de la red de túneles y las capas rocosas de la mina. Simularon el proceso de excavación de cada galería y observaron cómo respondía la roca. El modelo reveló “zonas plásticas”: regiones alrededor de los túneles donde la roca ha sido sometida por encima de su resistencia y comienza a deformarse de forma permanente. En tramos rectos de túnel, estas zonas dañadas tenían unos pocos metros de espesor. Pero en intersecciones complejas, las áreas debilitadas procedentes de distintos túneles se solapaban y se expandían, alcanzando profundidades de hasta 6,6 metros en la roca. Esta “expansión por superposición” significa que el arco de roca que debería soportar la carga se vuelve mucho más grueso, más suelto y más difícil de controlar.

Patrones de esfuerzo que impulsan la deformación de túneles

Más allá de cartografiar el daño, los investigadores examinaron cómo cambia la forma del campo de esfuerzos alrededor de los túneles. Se centraron en una medida llamada esfuerzo desviador, que captura cuánto se está distorsionando la roca en forma, más que simplemente siendo comprimida. En túneles simples y rectos, el esfuerzo desviador alto formaba dos zonas en forma de media luna a ambos lados de la abertura, cerca del muro. Sin embargo, en las intersecciones, estas lunas se ensanchaban, se desplazaban más profundo en la roca y se volvían fuertemente asimétricas de un lado a otro. Donde el esfuerzo desviador alcanzaba su pico, la zona plástica (dañada) también se engrosaba. El estudio cuantificó este vínculo: cuando este esfuerzo superaba aproximadamente 12,6 megapascales, la zona dañada crecía hasta los 6,6 metros completos. En términos prácticos, los puntos donde se cruzan los túneles son exactamente los lugares donde la roca tiene más probabilidades de agrietarse, deformarse y amenazar los sistemas de sostenimiento.

Una estrategia de sostenimiento en tres pasos para túneles más seguros

Reconociendo que los sostenimientos tradicionales de una sola capa no podían hacer frente a tales condiciones, los autores diseñaron un nuevo sistema de sostenimiento “colaborativo” adaptado a redes de túneles profundas y complejas. En primer lugar, la roca recién excavada se sella rápidamente con una capa de hormigón proyectado, seguida de pernos cortos para bloquear la roca superficial y luego más hormigón. En segundo lugar, se instalan cables de anclaje largos en un patrón escalonado que llega más allá de la zona dañada de 6,6 metros hacia roca más estable, creando arcos de presión solapados que ayudan a que roca y sostenimiento actúen como un conjunto. Finalmente, un inyectado a alta presión bombea lechada de cemento en las fisuras, ligando la roca fragmentada y mejorando el contacto entre roca y anclajes. Este enfoque escalonado y multicapa se programa para ajustarse a la forma en que falla la roca —desde las grietas superficiales iniciales hasta el daño por corte más profundo— de modo que cada capa refuerza a la siguiente.

Resultados prácticos en una mina en activo

El nuevo sistema se probó en la misma mina profunda que proporcionó el estudio de caso. El equipo monitorizó cuánto se movieron techos, suelos y paredes de túneles clave durante varios meses y midió las cargas en los cables de anclaje. En comparación con el diseño de sostenimiento previo de la mina, la deformación combinada de techo y suelo se redujo aproximadamente a la mitad, y la convergencia de las paredes laterales disminuyó de forma similar. El tiempo necesario para que los túneles alcanzaran una forma estable se redujo a unos 45 días, y las fuerzas en los cables se mantuvieron muy por debajo de sus límites seguros. Para un lector no especializado, la conclusión es que un sostenimiento multicapa y cuidadosamente diseñado puede convertir una red de túneles profunda y peligrosamente inestable en una estructura manejable y duradera, mejorando la seguridad de los mineros y la fiabilidad de los sistemas energéticos que dependen de estas rutas subterráneas.

Cita: Li, Sj., Lu, Wy., Ma, Xc. et al. Study on deformation characteristics and support technology of roadway in deep complex stress field. Sci Rep 16, 7373 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38267-3

Palabras clave: minería subterránea profunda, estabilidad de túneles, sistemas de sostenimiento de roca, ingeniería de galerías de carbón, campo de esfuerzos subterráneo