Mecanismo y estrategias de control para el levantamiento asimétrico del suelo en galerías de capas de carbón extra‑gruesas bajo alta tensión

Por qué a veces el suelo de la mina se eleva de forma repentina

A gran profundidad, las minas de carbón dependen de túneles largos para mover personas, aire y carbón. En algunas de las capas de carbón extra‑gruesas de China, el terreno rocoso del piso de estos túneles puede hincharse repentinamente hacia arriba hasta medio metro, apretando equipos y poniendo en peligro a los trabajadores. Este estudio investiga por qué ocurre este “levantamiento del suelo” desigual bajo tensiones muy altas y cómo evitarlo, usando un frente de trabajo real en la mina Caojiatan como laboratorio natural a escala real.

Qué ocurre bajo una capa de carbón gruesa

En la mina estudiada, el banco de carbón supera los diez metros de espesor y se encuentra a varios cientos de metros bajo la superficie. Cuando se extrae una porción tan grande de carbón, queda una amplia zona vacía, o gob, sobre el área explotada. Las rocas delgadas inmediatamente por encima del carbón colapsan, pero no llenan completamente ese vacío. Capas rocosas superiores, más gruesas, se fracturan en losas grandes que se flexionan, giran y apilan de forma desigual. En el lado donde se deja un bloque protector de carbón (el pilar) para sostener el techo, esas losas forman una estructura escalonada e inclinada. En el lado opuesto, donde el carbón se mantiene intacto, la roca superior permanece más regular. Esta estructura desigual del techo se convierte en el origen de fuerzas muy descompensadas en y alrededor del túnel.

Compresión desigual del suelo de la galería

Los autores combinaron mediciones subterráneas, simulaciones por ordenador y modelado mecánico para seguir cómo se deforma la galería a medida que avanza la explotación. Encontraron que el suelo se eleva mucho más de lo que el techo se hunde, y que este levantamiento es marcadamente unilateral: las grietas y abultamientos comienzan en el lado de carbón continuo y se extienden hacia el lado del pilar. Instrumentos colocados en los muros de la galería mostraron que, al pasar el frente minero, la roca junto al pilar se comprime mucho más que la roca en el lado de carbón continuo. A unos 60 metros detrás del frente, la tensión cerca del lado del pilar es más de un 20 % mayor. Al mismo tiempo, el levantamiento máximo del suelo alcanza alrededor de 47 centímetros y el punto más alto se desplaza notablemente hacia el lado de carbón continuo de la vía.

Cómo las fuerzas inclinadas remodelan la roca

Para explicar este comportamiento, los investigadores construyeron una representación mecánica de cómo las vigas rotas del techo presionan sobre el carbón y el suelo. Sobre el pilar, bloques de baja cota forman una viga escalonada que empuja con fuerza hacia abajo, mientras que bloques más altos actúan como un arco articulado que transfiere aún más carga a esa estructura escalonada. Este sistema de “escalonamiento en bajo nivel más articulación en alto nivel” canaliza peso extra hacia el pilar y, desde ahí, hacia el suelo que hay debajo. El centro de la galería, en contraste, se convierte en un bolsillo de baja presión tras la excavación. El resultado es un pronunciado gradiente lateral de tensiones a través del suelo —como una colina energética inclinada con alta presión bajo el pilar y baja presión bajo la galería—.

De la alta presión al levantamiento unilateral del suelo

Bajo este campo de tensiones inclinado, la roca del suelo se comporta algo así como una pasta muy rígida y de movimiento lento. En profundidad, bajo el pilar, la roca se tritura y se corta por cizalla a lo largo de una trayectoria inclinada que corre diagonalmente hacia la galería. Impulsada por la diferencia de presión entre el lado de pilar de alta tensión y el centro aliviado de la galería, esta roca dañada se ve gradualmente exprimida hacia arriba en el espacio libre bajo la vía. Sin embargo, el lado del pilar permanece fuertemente confinado por roca superior pesada, por lo que la mayor parte del levantamiento visible aparece en el lado menos confinado del carbón continuo. El resultado es un patrón característico: subsidencia y fuertes grietas junto al pilar, y una cúpula desplazada de levantamiento del suelo hacia la pared opuesta.

Cómo mantener el suelo bajo control

Basándose en esta comprensión, los autores proponen una estrategia preventiva en tres pasos. Primero, recomiendan cortar y precuartear partes del techo en el lado del pilar antes de que fallen por sí solas, acortando las vigas rocosas y reduciendo las fuerzas que pueden transferir. Segundo, sugieren realizar ranuras en el suelo cerca de los costados de la galería, especialmente en el lado del pilar, para interrumpir la vía principal de tensión desde el pilar hacia el suelo de la galería. Tercero, diseñan un refuerzo del suelo más robusto y deliberadamente asimétrico, usando anclajes más largos y más fuertes en el lado del carbón continuo para ligar las capas superficiales fracturadas con roca más profunda y estable. En conjunto, estas medidas buscan reducir la presión impulsora, bloquear su ruta y reforzar el suelo donde es más propenso a elevarse.

Qué implica esto para una minería más segura

El estudio muestra que el levantamiento extremo y unilateral del suelo en minas de capas gruesas no es sólo cuestión de roca débil, sino de cómo las capas rotas del techo sobre el pilar concentran tensiones en el suelo. Al revelar esta vía de carga oculta y vincularla con mediciones reales, el trabajo ofrece a los ingenieros de minas una receta más clara para mantener abiertas las galerías: tratar la estructura del techo, romper la cadena de tensiones y reforzar asimétricamente el suelo. Aplicar este enfoque de “fuente‑ruta‑estructura” puede ayudar a las minas que trabajan capas extra‑gruesas a conservar túneles más seguros y estables bajo alta tensión.

Cita: Zhang, J., Sun, J., Wang, B. et al. Mechanism and control strategies for asymmetric floor heave in extra-thick coal seam roadways under high stress. Sci Rep 16, 14515 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45203-y

Palabras clave: vía de mina de carbón, levantamiento del suelo, mecánica de rocas, control del terreno, capa de carbón gruesa