Estudio sobre la influencia del alivio de esfuerzos en el cajón de extracción de capa de carbón cercana y la perturbación por excavación de galerías en la roca circundante

Por qué importan los esfuerzos subterráneos

Las minas modernas deben alcanzar cotas cada vez más profundas para explotar las reservas de carbón restantes, donde el comportamiento de la roca es complejo y a veces impredecible. Cuando se excava un túnel grande bajo una capa de carbón previamente explotada, la roca circundante puede colapsar o permanecer estable según cómo se redistribuyan los esfuerzos entre los estratos. Este estudio analiza un proyecto real en el este de China para comprender cómo una zona vacía y colapsada dejada por una minería anterior puede, en realidad, ayudar a proteger una nueva galería extra‑ancha situada por debajo, y qué tipos de sostenimiento mantienen el techo del túnel seguro para los trabajadores.

Capas de roca sobre un túnel ancho

Los investigadores se centraron en una galería de gran tamaño conocida como abierta‑corte, que tiene aproximadamente el doble de ancho que un túnel minero típico y se encuentra entre 12 y 18 metros por debajo de una capa de carbón previamente explotada. Entre las capas de carbón hay bancos de arenisca, lutita y margas, cada uno con distintas resistencias. Mediante sondeos y la clasificación de núcleos, el equipo encontró que algunas rocas del techo eran de resistencia moderada, mientras que otras, especialmente cerca del piso de la capa antigua, eran muy débiles y muy fracturadas. Conocer qué estratos son fuertes y cuáles frágiles es esencial, porque esas capas forman conjuntamente la viga de roca que debe salvar el nuevo hueco.

Cómo una capa explotada altera la carga

Con simulaciones numéricas, los autores recrearon la secuencia de explotar la capa superior y luego excavar la galería inferior. Una vez explotada la capa superior, quedó un cajón (goaf): una zona vacía parcialmente rellena por roca del techo caída. Este cajón no incrementó la presión sobre la galería inferior; en cambio, actuó como una zona de alivio de esfuerzos. La roca entre el piso del cajón y el techo de la nueva galería experimentó esfuerzos mucho más bajos, típicamente de solo unos pocos megapascales, en comparación con la roca fuertemente cargada a ambos lados. Una franja de roca de tres metros de espesor entre las dos aberturas permaneció sin fracturar, y los cables largos del techo anclados por encima de la galería se mantuvieron en roca comprimida y estable, mientras que los pernos más cortos actuaron en una zona de tracción más próxima a la apertura.

Túneles modelo y colapso lento del techo

Para probar estas ideas físicamente, el equipo construyó un modelo a escala reducida, de tamaño métrico, de las capas de roca y las capas de carbón usando materiales a base de arena. Primero extrajeron la capa superior en el modelo y luego aumentaron lentamente la carga aplicada desde arriba para imitar un enterramiento más profundo. A medida que crecía la carga, el techo sobre la capa superior se fue rompiendo gradualmente, pasando de una viga rota fija a bloques articulados y luego a un arco de tipo mampostería formado por la roca caída. Cuando la carga superó cierto umbral, el techo superior colapsó por completo, formando un montón estable cuyas caras se inclinaban en torno a 60–65 grados. Sensores embebidos cerca de la posición de la futura galería mostraron que los esfuerzos en el piso debajo del cajón cambiaron finalmente de compresión a tracción y luego se estabilizaron en valores constantes, confirmando que la zona previamente explotada había descargado en gran medida su carga.

Vigilando la acumulación de esfuerzos a medida que crece la galería

Los investigadores simularon después la excavación de la gran galería por etapas, reflejando cómo se cortaría en el subsuelo. Medidores de esfuerzo en el techo del modelo mostraron que cada paso de ampliación del túnel generó una nueva oleada de perturbación, con esfuerzos compresivos y tensiles alternando antes de estabilizarse gradualmente. El centro del techo, directamente sobre la galería, soportó las mayores tensiones de tracción, y estas tensiones aumentaron aún más cuando se aplicó carga adicional desde arriba. Sin embargo, esta zona de alta tracción quedó mayormente dentro del alcance de los pernos más cortos, mientras que los cables más largos quedaban anclados en roca comprimida que actuaba como una columna vertebral firme. Observaciones de campo con una cámara en sondeo en la mina real respaldaron este panorama: solo se observaron unas pocas grietas circulares en el techo y la mayor parte de la roca alrededor de la apertura permaneció intacta.

Qué significa esto para una minería profunda más segura

Para no especialistas, el mensaje clave es que una capa explotada por encima de un nuevo túnel no siempre es una amenaza; si se comprende correctamente, puede aliviar la presión y ayudar a proteger la apertura inferior. En este caso, el cajón sobre la gran galería creó un amortiguador de bajo esfuerzo, mientras que un diseño cuidadoso de pernos y cables aseguró que los estratos débiles y fracturados próximos al túnel quedaran vinculados a roca más fuerte en profundidad. Combinando sondeos de núcleo, modelado numérico, modelos de laboratorio a escala y comprobaciones con cámara en el lugar, el estudio demuestra que incluso galerías subterráneas muy anchas pueden mantenerse estables en condiciones profundas cuando las capas de roca y las rutas de esfuerzo se cartografían a fondo y el sostenimiento se adapta a las zonas reales de esfuerzo.

Cita: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

Palabras clave: minería subterránea de carbón, estabilidad de la roca, sujeción de galerías, alivio de esfuerzos en el cajón, túneles profundos