Ángulo de perforación razonable y aplicación tecnológica para el prefracturamiento de techos gruesos y duros antes de excavar vías laterales al hueco en vetas ultra-gruesas

Hacer la minería profunda de carbón más segura

En algunas de las mayores minas de carbón de China, los túneles subterráneos deben mantenerse abiertos justo al lado de enormes espacios vacíos que quedan tras la extracción del carbón. Estos pasajes, denominados vías laterales al hueco (gob-side roadways), son vitales para la ventilación y el transporte. Pero cuando techos muy gruesos y rígidos se disponen sobre estas aberturas, pueden fracturarse de forma súbita y colapsar, aplastando los sostenimientos y deformando las galerías. Este estudio explora una forma de debilitar ese techo duro por adelantado, mediante perforaciones con ángulos cuidadosamente seleccionados y fracturamiento a base de dióxido de carbono, de modo que la roca se quiebre de forma controlada hacia el hueco en lugar de hacerlo violentamente sobre la galería.

Por qué los techos gruesos son una amenaza oculta

En vetas ultra-gruesas de más de 20 metros, la minería deja atrás grandes cavidades vacías. Encima de ellas, una capa delgada y débil se sitúa bajo una losa mucho más gruesa y muy resistente. Porque la roca fragmentada en la zona excavada (goaf) no rellena por completo el espacio, el techo grueso puede formar un voladizo largo y rígido que se proyecta hacia el carbón dejado para soportar la galería. Cuando esta losa voladiza finalmente se rompe y rota, imprime una carga extra sobre las paredes y el suelo de la vía, doblando vigas de acero, partiendo cables de anclaje, comprimiendo pilares de carbón y, en ocasiones, casi cerrando el túnel. Observaciones de campo en la mina Madaotou documentaron hundimientos extremos del techo, desprendimientos de pared y levantamiento del suelo bajo tales condiciones cuando no se aplicó ningún tratamiento previo del techo.

Hacer que el techo se rompa donde cause menos daño

Los autores proponen dar la vuelta al problema: en lugar de reaccionar después de que el techo falle, fracturar deliberadamente el techo grueso y duro por adelantado, antes de excavar la nueva vía lateral al hueco. Perforando agujeros largos desde una galería adyacente con un ángulo elegido y luego fracturando la roca a lo largo de esos orificios, pueden forzar que los bloques rocosos clave se rompan y colapsen hacia el área ya excavada en lugar de sobre la nueva galería. Usando un modelo estructural que trata la roca suprayacente como una pila de vigas, muestran que el ángulo de estos prefracturamientos controla dónde se rompe el techo, cómo se flexiona y cómo las fuerzas se transfieren lateralmente al carbón. Cuando la dirección de la grieta guía los bloques hacia el goaf, la vía queda principalmente cargada por una flexión más suave de la roca más alejada, en vez de por un rígido voladizo directamente encima.

Encontrar el mejor ángulo de perforación

Para pasar del concepto a reglas de diseño, el equipo construyó un modelo matemático detallado de cómo se doblan los bloques del techo y cómo empujan la pared de carbón para distintos ángulos de fisura. Luego usaron simulaciones por ordenador (FLAC3D) para ver cómo cambian los esfuerzos y las zonas de daño alrededor de la galería al aumentar el ángulo de perforación desde la ausencia de fractura, pasando por 60°, 70° y 80°, hasta 90° y algo más allá. Se examinaron dos indicadores clave: el tamaño de la zona plástica (deformada permanentemente) en el carbón y el techo, y una medida de la energía de distorsión almacenada (J2) que indica cuánta “energía elástica” está a la espera de liberarse. A medida que el ángulo de prefractura aumentó de 60° a 90°, la presión lateral máxima sobre la pared de carbón disminuyó en torno al 18%, la zona de falla plástica se redujo de aproximadamente 32 m a 20 m, y J2 en carbón y techo cayó de forma notable. Sin embargo, cuando el ángulo superó los 90°, los bloques fracturados tendieron a presionar de nuevo de forma más directa sobre la galería, ampliando la zona dañada y triturando el carbón hasta el punto de que ya no podía soportar carga con seguridad.

Fracturar el techo con CO2 supercrítico

Guiados por estos cálculos, los investigadores seleccionaron una altura de fractura que alcanzara la capa clave del techo (unos 45 m por encima de la veta) y un ángulo de perforación casi vertical de 90° como óptimos. En la galería 2209 de la mina Madaotou, perforaron grupos de sondeos profundos a lo largo del lado más cercano al goaf y utilizaron dióxido de carbono supercrítico para fracturar el techo. El CO2 se almacena como un fluido denso en cartuchos sellados; cuando se activa, se expande rápidamente a gas, abriendo fracturas en la roca de forma más controlada y con menor choque que los explosivos. Inspecciones de campo de los sondeos y pruebas de inyección de agua confirmaron que las fracturas conectaban bien entre pozos, formando una banda debilitada continua sobre la galería que fomentó que los bloques del techo se rompieran y cayeran hacia el goaf conforme avanzaba el frente.

De un colapso violento a un desplazamiento controlado

Al comparar dos galerías similares —una sin prefracturamiento y otra con el tratamiento a base de CO2—, la diferencia fue notable. Sin prefractura, el hundimiento del techo alcanzó casi medio metro durante la excavación y más de un metro durante la explotación; paredes y suelo también se desplazaron cientos de milímetros, requiriendo reparaciones repetidas. Con prefracturamiento a 90°, el movimiento del techo durante la excavación se redujo a solo unos centímetros, y durante la explotación las deformaciones del techo, del pilar de carbón, del macizo rocoso y del suelo se redujeron entre un 75 y un 82%. Las paredes de la galería permanecieron relativamente lisas, el techo se mantuvo íntegro y las fallas en los sostenimientos fueron raras. Para los no especialistas, la conclusión es clara: eligiendo el ángulo de perforación adecuado y prefracturando el techo duro con antelación, los ingenieros pueden “decirle” a la roca dónde romperse —hacia el hueco en lugar de por encima del túnel— convirtiendo un colapso peligroso y súbito en un asentamiento del terreno más seguro y controlado.

Cita: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

Palabras clave: estabilidad de galerías en minas de carbón, prefracturamiento del techo, vía lateral al hueco, fracturamiento de roca con CO2, vetas de carbón ultra-gruesas