Estudio sobre el mecanismo de daño de la estructura de revestimiento de compuertas profundas perturbada por voladuras cíclicas

Por qué los túneles mineros necesitan protección adicional

A medida que las minas de carbón se adentran más en el subsuelo, los túneles que conectan los pozos verticales con las galerías horizontales se convierten en arterias vitales para el aire, las personas y el equipo. Estos cruces, llamados compuertas, se revisten con hormigón espeso para contener la roca circundante. Sin embargo, las mismas voladuras empleadas para abrir túneles cercanos pueden debilitar gradualmente ese revestimiento, aumentando el riesgo de fisuras e inestabilidad a largo plazo. Este estudio explora cómo las voladuras repetidas afectan los revestimientos de compuertas profundas y cómo el uso de hormigón más resistente puede mantener más seguras estas “gargantas” subterráneas con el tiempo.

La encrucijada subterránea en riesgo

Los investigadores se centraron en una mina de carbón profunda en el este de China, donde un nuevo pozo de ventilación se conecta a túneles horizontales a través de una compuerta grande y compleja. Por su tamaño, forma curvada y múltiples aberturas intersectadas, este cruce concentra tensiones y resulta difícil de soportar. Las tuneladoras no son prácticas aquí, por lo que los ingenieros recurren a la perforación y voladura para excavar las galerías circundantes. Una vez construido, el revestimiento de hormigón alrededor de la compuerta debe soportar tanto la presión constante de la roca profunda como las ondas de choque repetidas de las voladuras cercanas. Comprender dónde y cómo se inicia el daño en este revestimiento es crucial para diseñar planes de excavación más seguros y escoger mejores materiales.

Simular voladuras en lugar de romper la roca

En lugar de realizar arriesgadas pruebas a escala real bajo tierra, el equipo construyó un modelo computacional tridimensional detallado de la compuerta, la roca de lutita circundante y las cargas explosivas. Usando el software de simulación LS-DYNA, recrearon tanto la presión constante de la roca profunda como la carga dinámica de una serie de voladuras en las galerías horizontales a ambos lados del pozo. Compararon dos materiales de revestimiento: hormigón convencional de alta resistencia y hormigón reforzado con fibras de acero, similar pero con fibras metálicas cortas que ayudan a puentear y contener las grietas. Aplicando diferentes niveles de presión confinante y variando la carga explosiva, siguieron las tensiones, las velocidades de vibración y la acumulación gradual de daño en el revestimiento.

Dónde se acumulan las tensiones y comienzan las grietas

Las simulaciones mostraron que, bajo la sola presión estática de la roca, los puntos más débiles del revestimiento no están donde se comprime más, sino donde se tensan por tracción, especialmente a lo largo de las esquinas inferiores y las paredes laterales del túnel horizontal. A medida que aumenta la presión confinante, las tensiones compresivas globales permanecen muy por debajo del límite de aplastamiento del hormigón, pero las tensiones por tracción alcanzan una fracción significativa de su capacidad. Al añadirse las voladuras, existe una carga explosiva mínima clara, o umbral, por encima de la cual empieza a aparecer daño en la clave del arco donde se encuentran el pozo y la galería. Ese umbral disminuye conforme aumenta la presión de la roca circundante, y siempre es mayor para el hormigón reforzado con fibras que para el hormigón de alta resistencia simple, lo que demuestra que las fibras hacen que el revestimiento sea menos sensible a los choques por voladura.

Cómo las voladuras repetidas desgastan el revestimiento

Modelando las voladuras cíclicas a medida que el frente de túnel avanza paso a paso, los investigadores siguieron cómo evolucionan las vibraciones y el daño con el tiempo. Las mayores velocidades de partícula se produjeron en las regiones de arco del túnel horizontal, y las primeras voladuras—aproximadamente las cuatro primeras—fueron responsables de las sacudidas más intensas. Los elementos que se fisuraron primero acumularon la mayor parte del daño, especialmente en el lado de la compuerta frente a la voladura inicial más fuerte. Una secuencia de voladuras “primero fuertes, luego débiles” en un lado produjo más daño acumulado que “primero débiles, luego fuertes” en el lado opuesto, porque las fisuras iniciales hicieron que los impactos posteriores fueran más eficaces para extender el daño. Las simulaciones también revelaron una distancia segura: una vez que el frente de voladura avanzado se alejó lo suficiente—unos 26 metros para el revestimiento de hormigón simple y 18,2 metros para el reforzado con fibras—las voladuras adicionales dejaron de aumentar el daño.

Por qué importa un hormigón más resistente y voladuras cuidadosas

En general, el estudio encontró que el revestimiento de hormigón reforzado con fibras de acero sufrió mucho menos daño a largo plazo que el hormigón convencional de alta resistencia. Tras dos ciclos completos de voladura, el daño total en el revestimiento reforzado fue apenas aproximadamente una quinceava parte del del revestimiento simple. Para los diseñadores de minas y los ingenieros de seguridad, esto significa dos cosas. Primero, elegir materiales con mejor resistencia al crecimiento de grietas—especialmente con mayor comportamiento a tracción—puede ampliar considerablemente la vida útil y la fiabilidad de las compuertas profundas. Segundo, prestar especial atención a las primeras voladuras cerca de estas estructuras y limitar su carga puede reducir drásticamente el daño acumulado que se genera a medida que avanza la excavación. En conjunto, materiales más inteligentes y estrategias de voladura más cautelosas ofrecen un camino práctico hacia infraestructuras mineras profundas más seguras.

Cita: Li, X., Yao, Z., Liu, X. et al. Study on the damage mechanism of deep ingate lining structure disturbed by cyclic blasting. Sci Rep 16, 8171 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39273-1

Palabras clave: túneles de minas profundas, vibración por voladuras, daño del revestimiento de hormigón, hormigón reforzado con fibras de acero, seguridad en excavaciones subterráneas