Optimización de la ubicación y sección transversal de vías subterráneas bajo la superposición de pilares residuales de carbón y goafs adyacentes en capas de carbón próximas

Por qué importan las vías subterráneas en la vida cotidiana

Gran parte de la electricidad que alimenta hogares, fábricas y ciudades aún proviene del carbón extraído en galerías profundas. Para alcanzar con seguridad esos bancos de carbón, los ingenieros deben excavar largos túneles, o galerías, a través de la roca. Si esos túneles se sitúan en el lugar equivocado o tienen una forma inadecuada, la roca circundante puede colapsar, poniendo en peligro a los mineros y cortando el acceso a recursos valiosos. Este estudio, realizado en una mina de carbón china, analiza cómo elegir tanto la ubicación más segura como la geometría de sección transversal más adecuada para esas galerías cuando varios bancos de carbón están próximos y parte del banco superior ya ha sido explotada.

Estratos de roca y carbón dejado atrás

En muchos yacimientos, el carbón no aparece en una única capa gruesa, sino en varios bancos apilados como un pastel de capas. En la mina Meihuajing, los bancos principales, denominados núm. 2 y núm. 3, están separados por solo 12 metros. El banco superior núm. 2 ya ha sido explotado en dos paneles grandes, pero se dejó un bloque de carbón sin tocar de 60 metros de ancho como pilar de apoyo. A ambos lados de ese pilar hay huecos explotados, llamados goafs, que se han derrumbado y ahora están rellenos de roca fracturada. En conjunto, el pilar sólido y los goafs más blandos modifican la forma en que la carga del macizo rocoso superior se transmite hacia el banco inferior núm. 3, donde se planean nuevas galerías.

Midiendo cómo se comporta la roca con el tiempo

Los investigadores primero verificaron si el pilar de carbón superior cumplía su función. Monitorizaron una galería existente en el banco núm. 2 durante aproximadamente dos años, después de que cesara la explotación en esa zona. Los instrumentos registraron la separación del techo y los desplazamientos de paredes y bancada hacia el interior. Las medidas mostraron movimientos pequeños: separación del techo de alrededor de uno a dos centímetros como máximo, y convergencia lateral y del piso típicamente de cinco a diez centímetros. Dado que no se realizaba nueva extracción en las proximidades, estas deformaciones lentas y modestas reflejaron un estado estable a largo plazo bajo una carga estática. Esto sugiere que el pilar de 60 metros de ancho era lo bastante fuerte para soportar la sobrecarga y mantener en gran medida intacta la estructura rocosa superior.

Rastreando cómo viajan las fuerzas a través de la roca

A continuación, el equipo utilizó una teoría clásica de la mecánica de rocas que trata el macizo bajo el banco como un semiespacio elástico—un medio profundo y continuo—y aplica cargas en la superficie para calcular esfuerzos en profundidad. Representaron el pilar de carbón y los goafs vecinos como una serie de segmentos de carga simplificados, cada uno con intensidades distintas que reflejan la concentración de esfuerzos bajo el pilar y el alivio de esfuerzos en las zonas colapsadas. Usando expresiones matemáticas y herramientas informáticas, cartografiaron los esfuerzos verticales, horizontales y cortantes en la roca inferior. Los resultados mostraron un patrón claro: directamente bajo el pilar sólido, los esfuerzos se concentraban, mientras que bajo los goafs disminuían, formando una zona de reducción de esfuerzos. En el banco inferior núm. 3, el esfuerzo vertical fue máximo justo bajo el pilar y mínimo aproximadamente a 13 metros del borde del mismo, bajo el área correspondiente al goaf. Los esfuerzos horizontales variaron menos drásticamente pero también indicaron un entorno más benigno alejado del pilar, mientras que los esfuerzos cortantes fueron más intensos cerca de los bordes del pilar.

Elegir dónde excavar la nueva galería

Desde un punto de vista práctico, los ingenieros desean situar la galería donde la roca esté sometida a tensiones relativamente bajas y equilibradas, para que sea menos probable que se comprima o fracture. Basándose en las curvas de esfuerzos calculadas, los autores concluyeron que la franja ideal para la nueva galería del banco núm. 3 se encuentra dentro de la zona de reducción vertical de esfuerzos, ligeramente bajo el goaf y no directamente bajo el pilar. El mínimo absoluto de esfuerzo vertical ocurre a unos 13 metros del borde del pilar, pero esa posición dejaría más carbón sin extraer. Equilibrando seguridad y recuperación de recursos, recomiendan ubicar la galería a 10 metros del borde del pilar, aún dentro de la región de bajo esfuerzo pero más cercana al carbón remanente, reduciendo desperdicio mientras se mantiene un entorno tensional favorable.

Por qué la forma del túnel altera la estabilidad de la roca

La posición es solo parte de la cuestión; la forma de la abertura del túnel también controla cómo responde la roca. Utilizando un modelo numérico tridimensional (FLAC3D), los investigadores construyeron una sección virtual de la mina, incluyendo los dos bancos, el pilar, los goafs colapsados y una galería inferior en la ubicación preferida. Probaron cuatro formas de sección transversal manteniendo la misma anchura y altura: un arco semicircular con paredes rectas, un arco de tres centros (un arco más complejo formado por tres curvas), un trapecio y un rectángulo. Tras simular la excavación de cada túnel, examinaron cómo se redistribuyeron los esfuerzos alrededor de la abertura y cuán profunda fue la zona deformada plásticamente o fallada. En todos los casos, el techo y la bancada por encima y por debajo de la apertura experimentaron alivio de presión, mientras que las paredes laterales mostraron cierta re‑acumulación de esfuerzos.

Encontrar el diseño más seguro y sencillo

La comparación reveló que las formas arqueadas soportan mejor la carga que las de coronamiento recto. El arco semicircular con paredes rectas presentó la menor concentración de esfuerzos en su lado más cargado y las menores profundidades de fallo en techo, bancada y paredes laterales. El arco de tres centros rindió casi tan bien en términos de estabilidad, mientras que la galería trapezoidal y, especialmente, la rectangular mostraron picos de esfuerzo más altos y zonas de fallo mucho más profundas, lo que significa mayor rotura y debilitamiento de la roca circundante. Dado que el arco de tres centros es geométricamente más complejo de excavar y sostener en el subsuelo, requiriendo un control cuidadoso de múltiples radios y puntos de conexión, los autores lo consideran menos práctico para la construcción rutinaria. Por ello recomiendan el arco semicircular con paredes rectas como sección transversal preferida: ofrece buena estabilidad bajo la influencia combinada del pilar y los goafs y, al mismo tiempo, resulta relativamente sencillo de construir y sostener en el terreno.

Conclusión: minería de carbón más segura y eficiente

Para lectores no especializados, el mensaje clave es que pequeñas decisiones de diseño en el subsuelo—la posición exacta de un túnel y su contorno—pueden marcar una gran diferencia en seguridad y eficiencia. En esta mina concreta, el estudio muestra que dejar un pilar de carbón robusto en el banco superior y situar la galería inferior ligeramente bajo la zona colapsada en lugar de bajo el pilar crea un entorno de esfuerzos más suave. Dar forma al túnel con paredes arqueadas y coronamiento redondeado ayuda además a que la roca circundante “fluya” con mayor suavidad alrededor de la abertura, limitando los daños. Aunque las distancias y dimensiones precisas variarán según el yacimiento, el enfoque combinado de cartografiar la transferencia de esfuerzos entre bancos y comparar formas de túnel ofrece una hoja de ruta para diseñar galerías subterráneas que sean más seguras para los mineros y más eficientes en la conservación del carbón.

Cita: Ren, Y., Li, J., Li, Y. et al. Optimizing roadway location and cross section under superposition of residual coal pillars and adjacent goafs in close distance coal seams. Sci Rep 16, 13983 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44345-3

Palabras clave: diseño de galerías en minas de carbón, <keyword>estabilidad de túneles subterráneos, mecánica numérica de rocas, minería multi‑banco