Características de deformación y control de estabilidad por alivio de presión mediante grietas prefabricadas en un túnel junto a un pequeño pilar de carbón bajo superposición de esfuerzos

Por qué importan los túneles de carbón subterráneos

Gran parte del carbón del mundo se extrae mediante largos túneles excavados en profundidad. Entre esos túneles se dejan deliberadamente finos “pilares” de carbón para sostener la roca superior. A medida que las operaciones se intensifican y los ingenieros intentan dejar pilares más pequeños para recuperar más carbón, esos bloques restantes pueden quedarse peligrosamente sobresaturados, provocando que el túnel se comprima, se agriete o incluso colapse. Este artículo explora cómo y por qué esos pequeños pilares de carbón se sobrecargan, e introduce una forma de fracturar deliberadamente el techo rocoso encima de ellos para que los esfuerzos se alivien de manera segura antes de que ocurra un daño grave.

Fuerzas ocultas que se acumulan bajo tierra

Los autores se centran en una galería —el túnel de acceso principal— que discurre junto a un pequeño pilar de carbón encajado entre dos paneles de minería. A medida que cada panel se excava y la frente de minería avanza, la roca alrededor del pilar no recibe un solo empuje, sino una serie de ondas de esfuerzo repetidas. Mediante modelos por ordenador, el equipo simuló cuatro etapas clave: excavar la primera galería, excavar la galería opuesta, retroceder (minar hacia atrás) el primer panel y luego retroceder el segundo. En cada paso, la carga vertical sobre el pilar aumentó, llegando finalmente a más de tres veces el esfuerzo original de la roca y aproximándose o superando la resistencia medida del carbón. Bajo estas cargas compuestas, el pilar y la galería adyacente son propensos al aplastamiento y a una deformación grave.

Energía almacenada como un muelle comprimido

Para comprender la falla de manera más física, el estudio sigue no solo el esfuerzo sino también la energía elástica almacenada en el carbón: la “energía del muelle” que se acumula conforme el pilar se comprime. Las simulaciones numéricas muestran que con cada paso de excavación, esta energía se concentra en el centro del pequeño pilar. Durante el retroceso del panel, la densidad de energía se más que duplica en comparación con la etapa de excavación de la galería, finalmente superando el umbral al que fallan las muestras de carbón probadas en laboratorio. Cuando el segundo panel avanza, la energía almacenada en el pilar es lo suficientemente alta como para acercarse a condiciones asociadas con emisiones violentas de roca. En otras palabras, el pilar no solo está sobreesforzado; está predispuesto a liberar energía de forma súbita, poniendo en riesgo la estabilidad de la galería y la seguridad de los mineros.

Hacer que el techo rompa dónde y cuándo queremos

En vez de limitarse a añadir más elementos de sostén en la galería —lo que rápidamente la saturaría y aun así podría no ser suficiente—, los autores prueban una idea diferente: debilitar deliberadamente el techo a una corta distancia por encima del pequeño pilar para que se desplome de manera controlada. Mediante modelos físicos a escala, comparan dos casos: uno con un techo fuerte e intacto y otro en el que se introduce una estrecha zona vertical de grietas prefabricadas sobre la galería mediante una técnica similar a la voladura direccional. En el caso intacto, una viga de techo larga y rígida queda suspendida sobre el vacío minado, formando una ménsula que transfiere grandes cargas de nuevo al pilar. En el caso con grietas, el techo principal se rompe antes a lo largo de las fracturas prefabricadas, el ángulo de desplome se vuelve más pronunciado y la viga voladiza se acorta casi a la mitad. La roca rota cae y se compacta en el hueco, ayudando a sostener el techo remanente y reduciendo la carga transmitida al pequeño pilar.

Observando el movimiento de las capas rocosas

El equipo utiliza fotografía cuidadosa y mediciones de desplazamiento en sus maquetas para seguir cómo se mueven las capas rocosas a medida que avanza la minería. Encuentran que las grietas prefabricadas provocan un asentamiento mayor y más temprano en las capas superiores directamente sobre la zona de fractura, lo que acelera la compactación del material roto en el área excavada. Al mismo tiempo, el movimiento en las capas inferiores y en el gob del panel adyacente cambia solo ligeramente, lo que indica que la perturbación queda en gran medida confinada donde se pretende. Los sensores de esfuerzo incrustados en el techo modelo muestran que dentro de unas pocas alturas de grieta por encima de la veta de carbón, el esfuerzo vertical disminuye en más del 10 por ciento en comparación con un techo intacto. Más allá de esa altura, la roca “olvida” la grieta y los niveles de esfuerzo se igualan, lo que indica una zona de influencia bien acotada.

Prueba en una mina de carbón en explotación

Para verificar el método, los autores aplican predivisión direccional mediante perforaciones profundas en el techo de una galería real en la mina de Wangzhuang en China. Desde la galería se perforan sondeos largos hacia el techo, que luego se cargan con cargas explosivas conformadas para cortar una zona de fractura vertical sobre el pequeño pilar. A medida que el panel de minería retrocede, los medidores de esfuerzo instalados en sondeos dentro del pilar registran las cargas cambiantes. En la sección sin fracturación del techo, el esfuerzo aumenta aproximadamente 5,5 megapascales a 3 metros de profundidad. En la sección fracturada, el aumento es menos de la mitad de ese valor, alrededor de 2,5 megapascales. Reducciones similares se observan a mayor profundidad en el pilar, demostrando que las fracturas diseñadas alivian sustancialmente la presión sobre la galería y el pilar.

Qué significa esto para una extracción de carbón más segura y eficiente

Para los no especialistas, la idea clave es que los pequeños pilares de carbón pueden llegar a sobrecargarse peligrosamente a medida que se minan los paneles cercanos, y ello no ocurre una sola vez sino de forma repetida. Al introducir intencionadamente grietas en el techo rocoso sobre esos pilares, los ingenieros pueden hacer que el techo se rompa siguiendo un patrón más favorable: se desploma antes, con un ángulo más pronunciado y sobre un tramo más corto, permitiendo que la roca fragmentada actúe como un cojín y soporte natural. Las simulaciones del estudio, las maquetas a escala de laboratorio y las pruebas a escala real en campo apuntan todas a la misma conclusión: este enfoque de fracturación controlada reduce la concentración de esfuerzos y la deformación alrededor de las galerías junto a pequeños pilares de carbón, ayudando a mantener los túneles más estables mientras se permite una alta recuperación del carbón.

Cita: Cheng, S., Ma, Z., Li, Y. et al. The deformation characteristics and the prefabricated crack pressure relief stability control of a small coal pillar roadway under stress superposition. Sci Rep 16, 10850 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44430-7

Palabras clave: estabilidad de pilares de carbón, sostén de túneles subterráneos, grietas en el techo, control de emisiones de roca, minería en huecos largos