Mecanismos de evolución de la energía y prevención de peligros en granito profundo bajo carga cíclica: un estudio de caso de la mina de oro Sanshandao

Por qué la roca profunda importa para la seguridad subterránea

A medida que se agotan los yacimientos de oro más accesibles, las empresas deben buscar mineral a kilómetros bajo la superficie, donde la roca está comprimida por fuerzas enormes. En estas condiciones extremas, los túneles pueden agrietarse de repente, desprender bloques de roca o incluso estallar violentamente, poniendo a los mineros en serio riesgo. Este estudio explora cómo el granito duro en profundidad almacena y libera energía a medida que se excavan las minas con el tiempo, y cómo sostenimientos más inteligentes y que absorben energía pueden convertir fallos potencialmente violentos en movimientos manejables y controlados.

Fuerzas ocultas en una mina de oro profunda

La investigación se centra en la mina de oro Sanshandao en China, donde los túneles se sitúan a más de un kilómetro bajo la superficie. Los autores primero midieron el esfuerzo natural en la roca circundante perforando sondeos y liberando cuidadosamente la presión in situ. Encontraron que la roca está más comprimida lateralmente que verticalmente, con fuerzas horizontales mucho más fuertes que la carga vertical debida al peso de la roca suprayacente. Estos esfuerzos crecen aproximadamente de forma lineal con la profundidad, creando un campo de esfuerzos dominado horizontalmente que determina cómo se deforman y fallan los túneles a medida que avanza la minería.

Recrear las condiciones profundas de la Tierra en el laboratorio

Para entender cómo se comporta esta roca sometida a esfuerzos cuando la minería la carga y descarga repetidamente, el equipo cortó bloques de granito de la mina y los probó en una máquina de carga personalizada con tres direcciones. Este dispositivo puede controlar de forma independiente la presión en tres direcciones, imitando el estado de esfuerzos real subterráneo en lugar de uno simplificado. Simularon condiciones equivalentes a profundidades de 500 a 2000 metros y empujaron y relajaron repetidamente las muestras a lo largo de un eje mientras mantenían constantes las otras dos direcciones, registrando cómo el granito se deformaba, agrietaba y finalmente fallaba a lo largo de múltiples ciclos de carga.

Cómo la roca almacena y disipa energía

Los experimentos muestran que el granito sometido a cargas repetidas no simplemente recupera su forma como una banda elástica. En cambio, la deformación permanente se acumula principalmente a lo largo de las direcciones de máxima compresión y expansión, creciendo aproximadamente de forma exponencial con cada ciclo, mientras que la dirección intermedia cambia de forma más suave. Desde el punto de vista energético, parte del trabajo aplicado a la roca se almacena como energía elástica recuperable y parte se pierde de forma irreversible en procesos como microfisuración y fricción cuando los granos se deslizan entre sí. Al principio de la carga, el granito almacena mayoritariamente energía elástica; conforme los esfuerzos se aproximan a su punto de fluencia, más de la energía de entrada se desvía hacia el daño, con formación y conexión de fisuras. Cerca y por encima de la resistencia máxima, gran parte de la energía adicional se consume en daño adicional en lugar de liberarse súbitamente, revelando un mecanismo de “conversión de energía inducida por daño” que puede amortiguar o impulsar la falla según cómo esté sostenida la roca.

Convertir los conocimientos energéticos en mejores sostenimientos

Con base en estos hallazgos, los autores proponen diseñar sostenimientos de túnel atendiendo a la energía y no solo a la resistencia. Estiman cuánta energía adicional se acumula en la zona dañada de roca alrededor de un túnel cuando se excava bajo esfuerzo profundo. Los sistemas de sostenimiento —especialmente los bulones— se seleccionan de modo que su capacidad total de absorción de energía supere este valor con un margen de seguridad. En Sanshandao optimizaron bulones tipo “split‑set” basados en fricción ajustando su diámetro y longitud e inyectando una lechada química activada por agua dentro de los tubos, que se expande y endurece para prensar los bulones con mayor firmeza contra la roca. Ensayos de arranque en campo mostraron que estos bulones mejorados podían absorber mucha más energía antes de fallar que los diseños estándar.

Túneles más seguros en profundidad mediante un control energético más inteligente

Cuando el sistema de sostenimiento mejorado y absorbente de energía se instaló en una galería de acarreo a 1.050 metros de profundidad, el monitoreo durante 12 días mostró que tanto las cargas en los bulones como los niveles de vibración disminuyeron y se estabilizaron, y problemas como el desprendimiento de paredes y colapsos localizados se redujeron significativamente. En términos sencillos, el granito alrededor del túnel sigue acumulando energía bajo esfuerzo profundo, pero los sostenimientos reforzados y más dúctiles ahora absorben y disipan una gran parte de esa energía mediante deformación controlada en lugar de permitir que impulse fallos súbitos y violentos. Este enfoque de diseño basado en la energía ofrece una vía práctica hacia una minería profunda más segura y fiable dondequiera que los ingenieros deban abrir huecos en roca dura y muy sometida a esfuerzos.

Cita: Yin, Y., Ye, H., Peng, C. et al. Energy evolution mechanisms and hazard prevention in deep granite under cyclic loading: a case study from Sanshandao gold mine. Sci Rep 16, 8775 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40308-w

Palabras clave: minería profunda, prevención de dinamitas de roca, túneles en granito, sistemas de sostenimiento absorbentes de energía, carga cíclica