Investigación sobre la tecnología integrada de reconstrucción de la estructura portante y control de sostenimiento en zonas de alto riesgo de galerías de tope en capas de carbón gruesas

Por qué importan galerías de carbón más seguras

En zonas profundas de capas gruesas de carbón, los trabajadores se desplazan y transportan carbón a través de largas galerías subterráneas. En algunos tramos estas galerías sufren hundimiento del techo, desmoronamiento de paredes y desprendimientos súbitos de carbón y roca, lo que pone en riesgo a los mineros y ralentiza la producción. Este estudio examina por qué estos problemas son tan severos en secciones de alto riesgo concretas y prueba una forma nueva de reforzar la roca para que las galerías sigan siendo más seguras y estables a lo largo del tiempo.

Dónde empieza el problema

La investigación se centra en una galería de gran tamaño en una mina de carbón china que atraviesa una veta muy gruesa. En este contexto el túnel pasa por carbón en vez de roca dura, y el carbón por encima y a los lados del hueco es débil y fragmentado. Fallas naturales en la roca y el gran peso de las capas superiores concentran esfuerzos alrededor de la galería, provocando separación del techo, caídas del mismo, abultamiento de los muros laterales y la necesidad de reparaciones constantes. Métodos de sostenimiento anteriores, como la simple lechada y coberturas con tubos, a menudo fallaban porque la lechada no podía penetrar el carbón compacto ni crear una estructura de soporte fuerte y unificada.

Cómo se mueve y deforma la galería

Para comprender este comportamiento, el equipo combinó mediciones de campo, ensayos de laboratorio y modelado mecánico. Trataron el carbón por encima del techo de la galería como una viga cargada y demostraron que la flecha del techo aumenta muy rápido a medida que crece la anchura del túnel y el carbón se debilita. También hallaron que el techo y las paredes no se deforman de forma aislada. Cuando el carbón lateral se ablanda y empuja hacia dentro, ensancha eficazmente la apertura, lo que a su vez aumenta la flecha del techo. A su vez, el movimiento adicional del techo comprime más las paredes laterales. Este movimiento acoplado de arriba y los lados ayuda a explicar por qué el sostenimiento local y por tramos suele fallar en capas de carbón gruesas.

Pruebas con túneles virtuales

Usando simulaciones por ordenador en tres dimensiones, los investigadores variaron dos factores clave: el espesor del carbón que queda por encima del túnel y la resistencia de ese carbón. Hacer más gruesa la capa de carbón sobre el techo aumentó la flecha del techo pero redujo el vuelco del suelo, mientras que el movimiento de las paredes laterales cambió poco. Incrementar la resistencia del carbón superior redujo drásticamente tanto la flecha del techo como el empuje de las paredes hacia el interior, aunque el patrón global de esfuerzos cambió solo de forma leve. Los cálculos mostraron que las grietas y las zonas plásticas en la roca se formaban primero cerca del techo y luego se propagaban más en profundidad, con un daño en forma de “mariposa” característico cerca de los muros laterales, lo que subraya la necesidad de reforzar una zona amplia y no solo una capa delgada.

Una nueva forma de apuntalar las zonas débiles

Guiados por este entendimiento, los autores diseñaron un sistema de sostenimiento combinado que emplea tubos de avance con lechada y una red de pernos y cables. Antes de abrir la galería en una zona de riesgo, los operarios taladran hileras de tubos de acero en el carbón por delante del frente y bombean una lechada de fraguado rápido. Esta lechada endurece rápidamente dentro y alrededor de los tubos, cosiendo las grietas y convirtiendo el carbón fragmentado en un bloque más sólido. A medida que continúa la excavación, pernos y cables conectan el techo y los muros reforzados en un único marco portante. Los modelos informáticos de distintos diseños mostraron que un espaciado moderado de tubos proporcionaba casi la misma reducción de movimiento que un diseño muy denso, pero con menor coste.

Prueba en la mina operativa

El equipo aplicó entonces el esquema elegido en la galería real. Monitorizaron la flecha del techo, la convergencia de las paredes laterales, el vuelco del suelo, la separación entre capas rocosas y las fuerzas en pernos y cables. Tras la excavación y el sostenimiento con el nuevo método, la flecha del techo se mantuvo alrededor de 110 mm, el movimiento de las paredes cerca de 80 mm y el vuelco del suelo fue muy pequeño. La separación de capas por encima del techo permaneció muy por debajo de los niveles de alarma, y las cargas en los pernos y cables se estabilizaron y resultaron inferiores a las del diseño anterior. Debido a que la lechada adquiría resistencia en cuestión de minutos, las cuadrillas pudieron avanzar varias veces más rápido que antes mientras mantenían una distancia segura entre el frente de la galería y la zona reforzada.

Qué significa esto para los mineros

En términos sencillos, el estudio demuestra que hacer que el carbón débil alrededor de una galería actúe como un arco y muros bien vinculados puede reducir en gran medida las caídas peligrosas del techo y los derrumbes. Reforzando el carbón por adelantado con tubos enlechados y luego atando techo y costados con pernos y cables, la galería puede soportar la carga superior con movimientos más pequeños y fuerzas de sostenimiento menores. Los autores sostienen que este enfoque integrado ofrece una guía práctica para una excavación más segura y eficiente en capas de carbón gruesas con condiciones geológicas semejantes, reduciendo tanto los riesgos de seguridad como las demandas de mantenimiento en la minería subterránea de carbón.

Cita: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

Palabras clave: estabilidad de galerías de carbón, sostenimiento del techo, refuerzo mediante lechada, pernos y cables de anclaje, seguridad en minería subterránea