Estudio experimental y aplicación de ingeniería del sostenimiento con pernos basado en grandes deslizamientos por bump de carbón en el macizo

Conteniendo lo Subterráneo

En lo profundo del subsuelo, las minas de carbón no son lugares quietos ni estables. Estratos de roca se comprimen y desplazan, y a veces la pared de carbón junto a un túnel se desplaza de golpe hacia el interior en una sacudida peligrosa conocida como bump de carbón. Este estudio analiza un tipo particular de episodio en el que una gran losa de carbón se desliza hacia el túnel mientras el techado y el suelo permanecen casi intactos. Los autores muestran que la forma en que se instalan los pernos metálicos en la pared de carbón—especialmente su ángulo y grosor—puede marcar la diferencia entre un colapso violento y una galería estable, y prueban un nuevo diseño de sostenimiento en una mina real.

Cuando el Carbón Se Desliza Como una Alfombra

En el tipo de accidente examinado aquí, toda la pared de carbón junto al túnel puede precipitarse de repente hacia adelante, obstruyendo el paso sin aplastar el techo ni el suelo. Los pernos y la malla instalados en el carbón pueden incluso parecer, en gran medida, indemnes. El problema está en la superficie de contacto oculta entre el carbón y la roca circundante: cuando la tensión se acumula y se libera de pronto, el carbón puede deslizarse a lo largo de esa superficie lisa, similar a una alfombra que se resbala sobre un suelo pulido. Para proteger a los mineros, el sistema de sostenimiento debe reforzar esa superficie de contacto y disipar parte de la energía liberada en lugar de intentar únicamente fijar el carbón en su lugar.

Ensayando Pernos en el Laboratorio

Para entender mejor cómo el diseño de los pernos puede resistir mejor este deslizamiento, los investigadores construyeron un molde de acero que imita dos bloques de roca con una separación entre ellos que representa la interfaz carbón–roca. Utilizaron varillas metálicas fabricadas con dos aleaciones para representar los pernos, en tres diferentes grosores, y realizaron ensayos controlados de tracción. Las varillas se instalaron con cuatro ángulos respecto a la dirección del deslizamiento: 30°, 45°, 60° y perpendiculares a 90°. Al separar las mitades del molde con una máquina de ensayo, pudieron observar cómo fracasaban las varillas y medir la fuerza y la energía que cada configuración podía soportar antes de romperse.

Por Qué Importan el Ángulo y el Grosor

Los experimentos revelaron un patrón claro. Cuando las varillas se colocaron a 30° o 45° respecto a la dirección del deslizamiento, tendieron a estirarse y finalmente romperse a tracción, similar a un alambre tensado hasta que se parte. En ese caso, las varillas soportaron cargas mayores y absorbieron más energía antes de fallar. En ángulos más empinados de 60° y 90°, las varillas tendieron a ser cortadas por el deslizamiento, un modo de fallo por corte que requirió menos fuerza y almacenó menos energía. A través de todos los ángulos, las varillas más gruesas consistentemente soportaron más carga y absorbieron más energía que las más delgadas. Entre todas las configuraciones probadas, las colocadas alrededor de 45° ofrecieron el mejor rendimiento global, combinando un modo de fallo favorable con alta resistencia y absorción de energía.

Del Modelo a la Mina

El equipo aplicó entonces estos hallazgos al frente de trabajo 7305 en la mina Kongzhuang en China, una explotación profunda con altos esfuerzos de terreno y un riesgo conocido de bumps de carbón. La ventilación de retorno—una galería clave para ventilación y acceso—estaba originalmente sostenida con un patrón estándar de pernos de techo, pernos laterales, cables y malla de acero. Basándose en sus ensayos, los ingenieros rediseñaron la disposición de los pernos de modo que muchos intersectaran el plano de contacto carbón–roca con ángulos no superiores a 45°, y sus secciones ancladas alcanzaran roca competente del techo o del suelo. Esto creó una jaula tridimensional alrededor de la pared de carbón, aumentando la fricción a lo largo del plano de deslizamiento, repartiendo las tensiones concentradas y proporcionando una forma integrada para que los pernos se estiren y absorban energía durante una sacudida en lugar de romperse de forma frágil.

Galerías Subterráneas Más Seguras

El uso en campo del nuevo esquema de sostenimiento redujo significativamente los grandes deslizamientos de carbón hacia el túnel y mejoró la estabilidad de la galería, todo ello sin añadir dispositivos exóticos ni un coste considerable. Para el público no especializado, el mensaje principal es sencillo: al elegir con cuidado el grosor de los pernos y, más importante, el ángulo con que cruzan la probable superficie de deslizamiento, los ingenieros de minas pueden transformar un sistema de sostenimiento rígido y propenso a fallos en otro que se comporte más como un amortiguador. Aunque el enfoque aún debe probarse para otros tipos de bumps de carbón, ofrece un camino práctico hacia galerías subterráneas más seguras y fiables en minas de carbón profundas.

Cita: Wang, C., Ma, S. Experimental study and engineering application of bolt support based on large-scale sliding coal bump in coal body. Sci Rep 16, 9766 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38743-w

Palabras clave: bump de carbón, pernos de anclaje, sostenimiento de galerías subterráneas, seguridad minera, sostenimiento absorbente de energía