Estudio sobre la ley de distribución del campo de esfuerzos bajo un pilar de carbón aislado en corte de capa cercana y la ubicación razonable de la galería

Por qué importa la forma del campo de esfuerzos subterráneo

En las profundidades, las minas de carbón dependen de túneles estrechos, o galerías, para trasladar personas, equipos y aire. En muchos yacimientos chinos, varias capas de carbón están muy próximas, por lo que cuando se extrae una capa, la roca por encima y por debajo se perturba. Este estudio analiza lo que ocurre bajo un «islote» remanente de carbón en una capa superior y plantea una pregunta práctica con consecuencias de vida o muerte: ¿dónde deben colocar los ingenieros la siguiente galería en la capa inferior para que se mantenga estable y segura con el tiempo?

Estratos de roca y carbón remanente

Los investigadores se centraron en una mina de la provincia de Guizhou, China, donde una capa superior (denominada No. 1) ya ha sido explotada, dejando un pilar de carbón aislado y grueso entre dos huecos colapsados y compactados (goafs). Unos 12 metros por debajo se encuentra una capa inferior más delgada (No. 3), donde debe abrirse una nueva galería. Dado que las capas están próximas y la mina es profunda, los esfuerzos generados por la extracción anterior no desaparecen sencillamente: se concentran alrededor del pilar aislado y se transmiten hacia abajo a través de la roca, alterando el comportamiento de la capa inferior. Comprender este patrón es crucial para decidir dónde situar la galería para que la roca circundante se deforme de forma gradual en lugar de fallar violentamente.

Mapear fuerzas invisibles en la roca

Para seguir cómo se propagan los esfuerzos por la roca bajo el pilar, el equipo combinó tres enfoques. Primero, construyeron un modelo mecánico analítico que trata la roca bajo la capa superior como un medio elástico cargado por el peso de los estratos superiores, el pilar de carbón y los residuos compactados en las áreas explotadas. Este modelo proporciona fórmulas sobre cómo varían con la profundidad los esfuerzos horizontales, verticales y de corte. A continuación, utilizaron FLAC3D, un programa de simulación numérica ampliamente usado, para crear una mina digital tridimensional, completa con el pilar superior, los goafs y la capa inferior. Finalmente, compararon estos resultados teóricos y numéricos con observaciones de campo y datos de medición de la mina real. Ambos métodos coincidieron bien, mostrando una fuerte concentración de esfuerzos en los bordes del pilar aislado y un característico patrón en silla de montar en la roca del piso.

Encontrar la zona tranquila bajo el pilar

Las simulaciones revelaron que el esfuerzo procedente del pilar de carbón aislado no se limita a presionar verticalmente hacia abajo. En su lugar, se propaga en abanico por la roca del piso con una inclinación y se debilita gradualmente con la profundidad. Cerca de la capa superior, las diferencias entre los esfuerzos principales compresivos son grandes y muestran un patrón de doble pico a ambos lados de la línea central del pilar. Más abajo, este doble pico evoluciona hacia un único pico más plano. Cabe destacar que, al nivel de la capa inferior No. 3 directamente bajo el centro del pilar, la diferencia entre los esfuerzos principales es relativamente pequeña—significativamente menor que bajo los bordes del pilar o cerca de los límites del goaf. Esto significa que la roca allí es menos propensa a esfuerzos intensos de cizallamiento y a fisuración, lo que sugiere una «zona tranquila» natural para ubicar la galería.

Cómo la posición de la galería cambia el daño en la roca

Para evaluar cómo la posición de la galería afecta el daño, los autores simularon túneles excavados con diversos desplazamientos laterales bajo el pilar. Examinaron dos magnitudes relacionadas: el esfuerzo desviador (que impulsa las deformaciones que cambian la forma) y la zona plástica (donde la roca ha cedido y sufrido daño permanente). Cuando la galería se colocó directamente bajo la línea central del pilar, el patrón de esfuerzo desviador alrededor era casi simétrico, y la zona plástica formó un halo compacto, aproximadamente elíptico, concentrado en el techo y los lados. A medida que la galería se desplazaba paso a paso hacia cualquiera de los lados, el patrón de esfuerzos giró y se estiró, y la zona plástica evolucionó de esa elipse ordenada a una forma distorsionada, en forma de mariposa, que se extendía hacia el piso del goaf cercano. En estas posiciones excéntricas, las zonas dañadas se conectaron con regiones debilitadas por encima, incrementando mucho el riesgo de deformaciones grandes y desiguales y dificultando considerablemente el sostenimiento.

Elegir la zona de galería más segura

Partiendo de esta idea, los investigadores emplearon un marco de «fallo en forma de mariposa» para dividir la región potencial de la galería en tres zonas basadas en dos indicadores: la relación entre los esfuerzos principales y su diferencia. Una zona está dominada por una alta razón de esfuerzos y es propensa a fallos inestables de tipo mariposa; otra está fuertemente afectada por ambos indicadores y es la peor elección para situar la galería. La tercera, llamada R-III, corresponde a ubicaciones donde tanto la razón de esfuerzos como la diferencia de esfuerzos son relativamente pequeñas. En su estudio de caso, esta zona óptima se encuentra directamente bajo el pilar de carbón aislado. Una galería excavada allí, sostenida con anclajes de techo de cable largo y pernos, mostró deformaciones manejables en el monitoreo de campo: el cierre techo-piso y la convergencia de los laterales se mantuvieron dentro de límites aceptables durante un periodo de observación de 40 días. Para el lector general, el mensaje clave es que al «ocultar» la galería en la parte más tranquila de un campo de esfuerzos complejo—justo bajo el pilar en lugar de a su lado—los ingenieros pueden mejorar significativamente la seguridad y reducir los problemas de mantenimiento en capas profundas y cercanas entre sí.

Cita: Shu, S., Wang, W., Liu, C. et al. Study on the mining stress field distribution law beneath isolated coal pillar in close coal seam and reasonable location of the roadway. Sci Rep 16, 12281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40452-3

Palabras clave: pilar de carbón, galería subterránea, esfuerzo en roca, estabilidad de la mina, simulación numérica