Características de la filtración en arenisca fracturada bajo aguas profundas altamente confinadas y esfuerzo inducido por la minería

Por qué importa el agua que se infiltra por la roca

Las minas de carbón profundas no solo afrontan calor y presión de la roca; también se sitúan sobre potentes reservorios subterráneos de agua. Si ese agua presurizada encuentra una vía rápida hacia los túneles mineros, puede provocar inundaciones súbitas denominadas desastres por entrada de agua. Este estudio examina cómo se filtra el agua a través de areniscas fracturadas a cientos de metros de profundidad, y cómo la geometría de esas fracturas y la fuerza de compresión de la roca circundante determinan si una fisura se convierte en una vía peligrosa o en una barrera natural.

La red oculta bajo los bancos de carbón profundos

La investigación se basa en la mina de carbón Xingdong en China, donde los mantos de carbón yacen a más de un kilómetro bajo la superficie y reposan sobre una capa gruesa de caliza rica en agua. La arenisca entre el carbón y el acuífero está cortada por fracturas naturales e inducidas por la minería que pueden convertirse en canales de alta velocidad para las aguas subterráneas. Los autores se centran en fracturas individuales dentro de la arenisca, tratando cada una como una pequeña tubería cuyo caudal depende de cuán rugosa, ancha y comprimida esté bajo el esfuerzo profundo del subsuelo.

Reproducir fracturas realistas en el laboratorio

Para imitar las condiciones reales de la minería, el equipo perforó muestras de arenisca del suelo de la mina y las dividió cuidadosamente usando cuñas metálicas con forma especial. Esto les permitió crear cinco grupos de muestras con niveles controlados de rugosidad, desde casi lisas hasta superficies muy dentadas. Escanearon las caras de las fracturas en tres dimensiones para cuantificar su irregularidad y luego montaron cada muestra en un dispositivo triaxial que puede comprimir la roca desde todos los lados mientras fuerza el paso de agua a través de la fractura. Al variar tanto la presión circundante como la presión del agua, pudieron observar cómo evolucionaba el flujo a lo largo del tiempo y bajo distintas condiciones.

Cómo compresión y presión de agua compiten

Los experimentos revelan una lucha entre la compresión de la roca y el empuje del agua. Cuando la presión confinante alrededor de la muestra aumenta, se pinza parcialmente la fractura y el flujo cae bruscamente al principio, luego más suavemente y finalmente se estabiliza una vez que la grieta está casi compactada. Los autores describen tres etapas en esta evolución: una etapa elástica temprana en la que las superficies se deforman y cierran rápidamente, una etapa intermedia de transición en la que pequeñas protuberancias se aplastan y se reordenan, y un equilibrio final donde más compresión apenas modifica el flujo. La presión del agua actúa en sentido contrario: mayores presiones de agua incrementan fuertemente el flujo y abren parcialmente la fractura, especialmente cuando las presiones superan aproximadamente los 5 megapascales. En efecto, la presión del agua puede compensar parte del cierre inducido por la roca circundante.

Por qué la rugosidad y la apertura cambian el panorama

No todas las fracturas se comportan igual. Las grietas más lisas y anchas inicialmente transportan mucha más agua, haciéndolas las vías más peligrosas para una entrada súbita. Pero también responden de forma más dramática cuando la presión aumenta, perdiendo permeabilidad rápidamente al ser comprimidas. Las fracturas más rugosas, con superficies dentadas e interbloqueadas, comienzan con un flujo mucho menor porque el camino es más largo y tortuoso. Con el tiempo, granos y pequeños fragmentos de roca se mueven y se asientan dentro de estas vías rugosas, desgastando protuberancias y rellenando cavidades, lo que reduce aún más el flujo. El estudio cuantifica este comportamiento vinculando un índice estándar de rugosidad y la apertura inicial de la grieta con la permeabilidad estabilizada a largo plazo después de que la roca ha estado bajo presión durante muchas horas.

De las curvas de laboratorio a minas más seguras

Combinando todas sus pruebas, los autores derivan relaciones matemáticas sencillas que predicen cuánto agua transportará una fractura una vez que su comportamiento se ha estabilizado bajo condiciones profundas y de alta presión. Estas fórmulas muestran que una mayor rugosidad y aperturas más pequeñas conducen a una filtración a largo plazo menor, mientras que altas presiones de agua y fracturas más lisas y anchas favorecen un flujo persistente. Para planificadores mineros e ingenieros de seguridad, esto implica que las fracturas lisas y abiertas y las zonas de falla bajo los mantos de carbón merecen atención y refuerzo especial, mientras que las fracturas rugosas y fuertemente cerradas pueden limitar naturalmente el movimiento del agua. En conjunto, el trabajo ofrece una imagen más clara de la red oculta bajo las minas profundas y proporciona herramientas prácticas para evaluar y reducir el riesgo de una catastrófica entrada de agua.

Cita: Tu, H., Wu, R., Jia, S. et al. Seepage characteristics of fractured sandstone under deep high-confined water and mining-induced stress. Sci Rep 16, 11507 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42285-6

Palabras clave: minería profunda, flujo de aguas subterráneas, roca fracturada, entrada de agua, permeabilidad de la arenisca