Investigación de los factores que influyen en la tensión vertical delante de la línea de descolmamiento en block caving

Por qué excavar en profundidad puede ser arriesgado

Las minas de cobre modernas suelen alcanzar grandes profundidades bajo la superficie, excavando enormes cámaras subterráneas para extraer mineral de bajo grado a bajo coste. Un método popular, llamado block caving, aprovecha la gravedad para hacer gran parte del trabajo: los ingenieros socavan un gran bloque de mineral para que se fracture y caiga hacia las galerías inferiores. Pero al retirar roca, las fuerzas dentro de la montaña se redistribuyen. Si esas fuerzas concentradas se sitúan en lugares inapropiados, las galerías pueden agrietarse, hundirse o incluso colapsar, poniendo en riesgo a trabajadores y equipos. Este estudio examina con detalle qué controla esas acumulaciones peligrosas de esfuerzo para que las minas profundas puedan diseñarse y mantenerse seguras durante décadas.

Grietas, hundimientos y una montaña sometida a esfuerzo

La investigación se centra en la mina de cobre Pulang, en China, donde los ingenieros ya han observado daños graves bajo tierra. Delante del frente de explotación —la “línea de descolmamiento” donde la roca se está retirando activamente— las galerías han sufrido desprendimientos de techo, roturas en los taludes laterales y fisuración de pilares de hormigón de sostenimiento. Estos problemas obligaron a construir nuevas vías y perturbaban la producción. Observaciones como estas dejaron claro que la presión de la roca se acumulaba frente a la excavación avanzada, pero no era evidente por qué exactamente, hasta qué distancia se extendía esta zona estresada, ni qué decisiones de diseño de la mina la agravaban o la mitigaban.

Una imagen sencilla de fuerzas invisibles

Para entender lo ocurrido, los autores partieron de una idea clásica en ingeniería de rocas: cuando se vacía un espacio bajo tierra, la roca remanente tiende a formar una especie de arco natural que soporta el peso superior. Alrededor de ese arco, algunas zonas se comprimen más mientras otras se alivian. Usando mecánica básica, el equipo trató el área socavada como una apertura rectangular y calculó cómo debería crecer la compresión, o tensión vertical, alrededor de ella. Su análisis mostró que tres características importan sobre todo: el claro del socavado, la profundidad a la que se encuentra y la resistencia y fricción de la masa rocosa. Se predijo que aperturas más anchas y más profundas crearían puntos calientes de esfuerzo más intensos delante del frente de explotación, y que rocas más débiles y resbaladizas desarrollarían una zona dañada de mayor tamaño.

Probar la montaña en un laboratorio virtual

Las ecuaciones por sí solas no capturan la complejidad completa de un yacimiento real, por lo que los investigadores construyeron un modelo informático tridimensional detallado de la mina Pulang. Reprodujeron la disposición del socavado y los niveles de producción, las propiedades de la roca medidas y el campo de esfuerzos in situ dominado por un fuerte apretamiento tectónico lateral. A continuación simularon el socavado paso a paso y observaron cómo cambiaba la tensión vertical en la roca. La mina virtual mostró un claro pico de esfuerzo que se formaba a algunos metros delante de la línea de socavado avanzada, con la ubicación y la magnitud de ese pico desplazándose a medida que el socavado crecía y cambiaba la profundidad de la excavación.

Qué controla dónde falla la roca

Las simulaciones confirmaron que el claro de socavado y la profundidad son las palancas principales que controlan la acumulación peligrosa de esfuerzo. Al aumentar el claro, el pico de tensión vertical delante del frente de explotación se elevó inicialmente pero acabó estabilizándose, lo que sugiere que la roca suprayacente había formado un nuevo arco estable y ya no podía transmitir mucha más carga. La mayor profundidad, sin embargo, produjo de forma consistente tanto picos de esfuerzo más altos como una zona más larga de roca deformada y dañada que se extendía delante de la excavación. Cuando el equipo varió el ángulo de fricción interna —una medida de la facilidad con que los fragmentos de roca se deslizan entre sí— encontraron que las rocas con menor fricción desarrollaban una zona de falla más larga, mientras que las rocas de mayor fricción confinaban el daño a una región más corta, aunque la tensión máxima en sí cambiaba solo modestamente.

De los números a diseños más seguros

Las medidas de campo en Pulang, incluidas las deformaciones del terreno y las fisuras observadas, concordaron bien con las predicciones del modelo: las secciones más profundas de la mina presentaron deformaciones de galería mayores y una transferencia de esfuerzo más intensa desde el nivel de socavado hasta el nivel de producción. Al integrar teoría, simulación y datos de campo, los autores concluyen que la concentración de tensión vertical delante de la línea de socavado —y el tamaño de la zona dañada que genera— están gobernadas principalmente por la profundidad del socavado, el claro y la fricción de la roca. Para los planificadores de minas, esto significa que elegir cuidadosamente hasta qué profundidad y qué anchura socavar, y adaptar los sistemas de sostenimiento a la calidad local de la roca, puede reducir considerablemente la probabilidad de fallos súbitos, ayudando a que las grandes minas por block caving sean a la vez productivas y seguras.

Cita: Cao, Y., Hua, X., Zhai, S. et al. Investigating the factors influencing vertical stress ahead of the undercutting line in block caving. Sci Rep 16, 11505 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39231-x

Palabras clave: block caving, minería subterránea, esfuerzo en la roca, estabilidad de la mina, modelado numérico