Mecanismo de inestabilidad del piso de capas de carbón profundamente enterradas bajo los efectos de la minería y optimización de la disposición de la galería de extracción

Por qué importan túneles mineros más seguros

Las minas de carbón profundas hacen mucho más que producir combustible; también generan patrones complejos de presión en la roca circundante. Si esas presiones se desequilibran, el piso puede agrietarse, puede entrar agua, el gas puede escapar y los túneles de los que dependen los mineros pueden deformarse o colapsar. Este estudio examina cómo responde la roca bajo una capa de carbón muy profunda cuando se extrae el carbón, y cómo los diseñadores de minas pueden colocar galerías de desgasificación en posiciones que protejan tanto a las personas como a la infraestructura.

Cómo la minería comprime la roca

Cuando se extrae un tramo largo de carbón, queda un hueco llamado gob (o goaf) y el techo anterior acaba cediendo. El peso de la roca suprayacente no desaparece; se redistribuye sobre los pilares de carbón restantes y hacia el piso. Usando un modelo físico simplificado que trata el piso como un semiespacio continuo de roca, los autores calcularon cómo se propagan los esfuerzos verticales, horizontales y de corte bajo la zona explotada. Encontraron que el esfuerzo vertical es más alto justo debajo de los pilares de carbón y disminuye con la profundidad, debilitándose de forma pronunciada en los primeros cinco metros y luego más lentamente. En las profundidades del piso, el esfuerzo vuelve a aproximarse al nivel natural existente antes de comenzar la minería.

Un patrón de esfuerzos subterráneos distintivo

Para una mina real en Shanxi, China, el equipo introdujo las propiedades locales de la roca y la profundidad—unos 730 metros bajo tierra—en sus ecuaciones y luego utilizó simulaciones numéricas para comprobar los resultados. Ambos enfoques mostraron que el esfuerzo vertical bajo la zona explotada forma un patrón característico en “M” cuando se observa a través del piso: dos picos altos bajo los pilares de carbón y una depresión más baja bajo el centro del goaf. A medida que se avanza en profundidad en el piso, estos picos se atenúan y el campo de esfuerzos se vuelve más uniforme. Los cálculos también indicaron que la caída más rápida del sobreesfuerzo ocurre alrededor de los 10 metros bajo el piso. Más allá de esa profundidad, las perturbaciones relacionadas con la minería se difuminan y la roca se comporta de forma más semejante al terreno no perturbado.

Elegir la mejor profundidad y posición

Como las galerías de desgasificación deben situarse en el piso por debajo de la capa de carbón, su ubicación respecto de este campo de esfuerzos cambiante es crucial. Usando una fórmula establecida de falla de la roca, los autores estimaron que la minería podría dañar el piso hasta unos 16,5 metros de profundidad. Para mantenerse por debajo de esta zona fracturada pero lo suficientemente cerca para una desgasificación eficaz, seleccionaron una profundidad de galería de 17 metros por debajo de la capa de carbón. A continuación, probaron cuatro posiciones horizontales diferentes en modelos informáticos: directamente bajo el centro de la zona explotada, ligeramente dentro del pilar de carbón, exactamente bajo el borde del pilar y 30 metros fuera del pilar. Para cada caso examinaron los esfuerzos verticales y horizontales máximos y el tamaño y la forma de las zonas plásticas (roca dañada permanentemente) alrededor de la galería.

Encontrar el lugar más tranquilo bajo tierra

Las simulaciones revelaron que cada posición de galería experimenta un entorno de esfuerzos muy distinto. Una galería situada directamente bajo el frente de trabajo encuentra cargas verticales y horizontales altas y una gran zona de daño en forma de mariposa en la roca circundante. Desplazar la galería hacia el interior, bajo el pilar de carbón, reduce el esfuerzo vertical pero puede dejar daños considerables por encima y por debajo. Colocar la galería justo en el borde del pilar genera esfuerzos desiguales de un lado a otro, lo que implica riesgo de deformación asimétrica. En contraste, la galería desplazada 30 metros fuera del pilar de carbón se ubica en una zona relativamente tranquila: tanto los esfuerzos máximos verticales como horizontales son menores, y la envoltura de roca dañada tiene solo unos 2 metros de espesor, la menor entre todas las opciones.

Comprobaciones en una mina en funcionamiento

Para comprobar si el diseño funciona en la práctica, los investigadores monitorearon una galería de desgasificación construida 17 metros bajo el piso y desplazada 30 metros respecto al pilar de carbón en la mina de Shanxi. Usando sondas ultrasónicas y cámaras de pozo, midieron hasta qué distancia se extendían las fracturas en la roca circundante y registraron cómo se movían con el tiempo las paredes, el techo y el piso de la galería. La zona fracturada alcanzó un máximo de aproximadamente 1,9 metros—muy cercana a la profundidad de 2 metros prevista por las simulaciones—y las deformaciones de la galería disminuyeron y se estabilizaron tras varias semanas, permaneciendo dentro de límites aceptables. Esta concordancia estrecha entre teoría, modelos por ordenador y datos de campo da confianza en que la disposición propuesta ofrece una forma sólida de mantener estables las galerías de extracción profundas sin renunciar a las necesidades de desgasificación.

Qué significa esto para la minería futura

En términos cotidianos, el estudio muestra que la ubicación de una galería bajo una capa de carbón puede marcar la diferencia entre un paso que se asienta lentamente y otro gravemente dañado. Al comprender cómo la minería remodela el “paisaje de presiones” oculto en el piso, los ingenieros pueden situar deliberadamente las galerías justo fuera de las zonas de mayor compresión y agrietamiento. Para capas de carbón profundas y sometidas a altos esfuerzos, similares a las de Shanxi, ubicar las galerías de extracción a unos 17 metros bajo el piso y a aproximadamente 30 metros de distancia de los pilares de carbón parece ofrecer un compromiso más seguro y económico entre el control del gas y la estabilidad estructural.

Cita: Chen, X., Ma, R., Zhou, Y. et al. Instability mechanism of deeply buried coal seam floor under mining effects and optimization of extraction roadway layout. Sci Rep 16, 8558 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39341-6

Palabras clave: minería profunda de carbón, estabilidad del piso rocoso, galería de desgasificación, redistribución de esfuerzos, seguridad minera