Investigación sobre el análisis de estabilidad y la tecnología de control de los roadways en el frente de trabajo aislado subyacente

Por qué importan las vías subterráneas

En lo profundo del norte de China, los mineros dependen de las galerías subterráneas para el movimiento de personas, ventilación y equipo. Si estos túneles se deforman o colapsan, la mina debe reducir o detener la producción, lo que pone en riesgo a los trabajadores y amenaza una fuente importante de energía. Este trabajo analiza una situación especialmente complicada: un panel de carbón que se sitúa como una “isla” bajo zonas ya excavadas y pilares de carbón residuales. Los autores muestran cómo los esfuerzos procedentes de esas labores antiguas se concentran en la roca y diseñan un sistema de sostenimiento que mantiene la galería nueva estable y segura.

Capas de labores antiguas y nuevas

El estudio se centra en la mina de carbón Yanghuopan en la provincia de Shaanxi, donde un panel largo y estrecho—denominado frente de trabajo 30,119—se encuentra bajo un banco superior ya explotado. Por encima hay huecos (gobas) y bloques sólidos de carbón dejados como pilares. Esta disposición crea un frente “aislado” rodeado por tres lados por zonas agotadas. La galería en cuestión, que devuelve el aire de ventilación desde el frente, debe pasar por debajo de áreas de baja tensión (gobas) y de pilares residuales de alta tensión. Dado que las rocas del techo y del suelo son areniscas y limolitas relativamente resistentes, pero el campo de esfuerzos es muy desigual, un esquema único de sostenimiento sería inseguro y derrochador.

Cómo los pilares residuales transmiten presión hacia abajo

Los investigadores primero utilizan la teoría de mecánica de rocas para entender cómo la fuerza de los pilares de carbón superiores se transmite hacia el estrato inferior. Tratan un pilar como una tira de roca cargada que presiona sobre un piso mucho más grueso y calculan cómo esta carga concentrada se dispersa con la profundidad. Su análisis muestra que, directamente bajo un pilar de carbón residual, el banco inferior experimenta un esfuerzo vertical aproximadamente 1,6 veces mayor que el nivel natural de fondo, y esta influencia se extiende más de 60 metros lateralmente a lo largo del banco inferior. En otras palabras, aunque el banco superior ya haya sido explotado, el pilar remanente continúa concentrando peso sobre las rocas y galerías inferiores, creando zonas distintas de aumento y alivio de esfuerzos.

Simulación de esfuerzos, daños y desplazamientos

Para ver cómo actúan estas fuerzas alrededor de la galería, el equipo construye un modelo tridimensional de las capas rocosas y la secuencia de minería usando software de simulación numérica. “Extraen” el banco superior para crear gobas y pilares, luego simulan la excavación del banco carbonífero inferior 3–1 y el avance por etapas del frente 30,119. El modelo revela cinco regiones claras bajo las labores superiores: dos zonas de baja tensión bajo las gobas, dos zonas de alta concentración bajo el primer y el segundo pilar residual, y una zona de tensión normal bajo carbón sin explotar. A medida que el frente inferior avanza, la carga adicional máxima por delante de él aparece de forma consistente a unos ocho metros frente al frente, pero su magnitud varía mucho según la posición: los esfuerzos son mayores bajo el primer pilar residual y algo menores bajo el segundo.

Dónde la galería sufre más

Las simulaciones también rastrean cuánto de la roca alrededor de la galería cede o se fisura (la “zona plástica”) y cuánto se desplazan hacia adentro el techo y los muros. Cuando la galería se sitúa bajo regiones de alivio de tensión, las bandas de daño a su alrededor son relativamente superficiales y las deformaciones modestas. Bajo el primer pilar residual, sin embargo, la carga concentrada y la presión del frente en avance se combinan para profundizar la zona fracturada del techo y los tajamares y provocar una flecha del techo y una convergencia de muros mucho mayores. Bajo el segundo pilar, la respuesta sigue siendo seria pero más leve: el movimiento del techo es aproximadamente la mitad que bajo el primer pilar, y el movimiento del muro de carbón macizo cae en más de tres cuartas partes. Estos contrastes confirman que el comportamiento de la galería está controlado no solo por el tipo de roca sino por la compleja historia de esfuerzos impuesta por la minería previa.

Diseñar sostenimiento donde realmente hace falta

Guiados por estos hallazgos, los autores dividen la galería en dos tipos de zonas de control. En tramos bajo gobas y con tensiones cercanas a la normal, adoptan un patrón de sostenimiento convencional con bulones, anclajes de cable y malla. Bajo los tramos de alta tensión influidos por pilares residuales, refuerzan el diseño: mayor densidad de bulones de techo, anclajes de cable largos dispuestos en un patrón de refuerzo y bulones adicionales en los tajamares para “coser” el pilar de carbón y las costillas. Luego verifican el desempeño in situ monitoreando el asentamiento del techo, la convergencia de los muros y las cargas soportadas por bulones y cables en varias estaciones conforme avanza el frente. La flecha del techo medida se mantiene en torno a un centímetro y el cierre de muros en unos pocos milímetros, mientras las cargas del sostenimiento quedan muy por debajo de su capacidad, lo que indica un margen de seguridad holgado.

Qué significa esto para una minería más segura

En términos prácticos, el estudio muestra que las galerías bajo paneles tipo isla aislada pueden mantenerse estables si los ingenieros primero cartografían cómo los pilares y las gobas antiguos remodelan el campo de esfuerzos y luego adaptan el sostenimiento a cada zona. En lugar de sobrefortificar por doquier o arriesgar fallos en puntos calientes ocultos, el enfoque concentra sostenimiento pesado donde el esfuerzo es mayor y emplea sistemas más ligeros donde la roca está naturalmente aliviada. El resultado en Yanghuopan es una galería que permanece abierta y operativa a medida que avanza la explotación, ofreciendo un modelo para otras minas que deben trabajar nuevos bancos de carbón bajo redes complejas de labores anteriores.

Cita: Gao, X., Wang, Y. & Li, YM. Research on stability analysis and control technology of roadways in the underlying isolated island working face. Sci Rep 16, 9903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40307-x

Palabras clave: estabilidad de galerías en minas de carbón, frente de trabajo en isla aislada, esfuerzo en pilares de carbón residuales, simulación numérica de minería, diseño de sostenimiento subterráneo