Análisis de la zona fracturada permeable al agua en el sobreyacente débilmente cementado teniendo en cuenta el ablandamiento por deformación de la roca

Por qué importan las grietas sobre las minas de carbón

En regiones secas donde el agua escasea, las minas de carbón no solo extraen combustible del subsuelo: también pueden abrir grietas ocultas que drenan aguas subterráneas valiosas y provocar entradas súbitas de agua en los túneles mineros. Este estudio examina cómo crecen estas zonas fracturadas porosas al agua sobre una mina de panel en el oeste de China, donde las rocas suprayacentes son débiles y se dañan con facilidad. Al combinar mediciones de campo con simulaciones numéricas avanzadas, los autores muestran que los métodos de ingeniería habituales pueden subestimar la altura alcanzada por estas grietas conductoras de agua, con serias implicaciones para la seguridad de la mina y los ecosistemas locales.

Los conductos ocultos del agua

Cuando un manto de carbón se extrae en una amplia área, el techo rocoso por encima del vacío se hunde, se dobla y finalmente se rompe. Este proceso crea una «zona fracturada permeable al agua»: una columna de grietas y huecos interconectados por los que puede fluir el agua. En el área minera de Shendong, en Mongolia Interior, los mantos de carbón se encuentran bajo arenas sueltas y areniscas y lutitas débilmente cementadas. Una vez perturbadas, estas rocas pueden fracturarse extensamente, conectando estratos someros portadores de agua con el hueco minero. Esa conexión puede drenar las aguas subterráneas, causar entradas súbitas de agua y sedimentos a los túneles y agravar problemas superficiales como la erosión del suelo, la pérdida de vegetación y la contaminación de recursos hídricos ya limitados.

Medir las grietas desde la superficie

Para determinar hasta qué altura se extiende realmente la zona fracturada, los investigadores perforaron dos sondeos verticales: uno sobre terreno no perturbado y otro sobre el área extraída, o goaf. Durante la perforación, observaron cuánto fluido de limpieza se filtraba hacia la roca circundante y cómo cambiaba el nivel de agua en cada pozo. En el pozo no perturbado, las pérdidas se mantuvieron bajas y constantes, lo que indica fracturas naturales escasas. En contraste, cuando la perforación en el área extraída alcanzó aproximadamente 97 metros de profundidad, la pérdida de fluido se incrementó miles de veces y el nivel de agua descendió repentinamente hasta el fondo del pozo, mostrando que la broca había entrado en una zona muy fisurada y conductora de agua. Imágenes de video del sondeo confirmaron este panorama: roca intacta en cotas someras dio paso a fracturas densas y cruzadas a mayores profundidades. A partir de estas observaciones, la altura de la zona fracturada permeable al agua se determinó en unos 142,6 metros por encima del manto de carbón.

Por qué las fórmulas tradicionales se quedan cortas

Los ingenieros en China a menudo confían en una fórmula empírica antigua que estima la altura de la zona fracturada a partir del espesor de la capa minada y una descripción general de la dureza del techo rocoso. Para el frente de extracción estudiado, esta regla práctica predijo solo unos 41 metros de fracturación, muy por debajo de lo que revelaron los sondeos. Una razón es que la fórmula se desarrolló principalmente a partir de rocas más antiguas y duras en los yacimientos orientales y no refleja las rocas más débiles y variables de las cuencas occidentales. Como resultado, usarla en estos entornos puede dar una falsa sensación de seguridad, subestimando tanto la potencial pérdida de aguas subterráneas como el riesgo de entradas de agua a las labores mineras.

Rocas que se debilitan al deformarse

Para abordar esta laguna, los autores construyeron un modelo numérico tridimensional de la mina usando el método de elementos discretos, que representa el sobreyacente como bloques interactuantes separados por juntas. Compararon dos formas de describir el comportamiento de la roca: el modelo estándar de Mohr–Coulomb, que supone que una vez que la roca alcanza su resistencia máxima se mantiene igualmente resistente después, y un modelo de ablandamiento por deformación (strain‑softening), en el que la resistencia disminuye gradualmente a medida que se acumula la deformación. El modelo de ablandamiento captura cómo crecen las microgrietas y se rompen los enlaces dentro de rocas débilmente cementadas, provocando la pérdida de cohesión y fricción con el tiempo. Las simulaciones mostraron que ambos modelos reproducían el patrón general de hundimiento del techo, derrumbe y crecimiento de grietas, pero los detalles diferían en aspectos importantes.

Ver la extensión completa del daño

Con el modelo de resistencia constante, las fallas permanecieron mayormente en el techo inferior y la zona fracturada alcanzó solo unos 128,5 metros. En las simulaciones con ablandamiento por deformación, sin embargo, una vez que la roca sobre el goaf comenzó a fallar se debilitó progresivamente, permitiendo que las grietas se extendieran más alto y más ancho. Separaciones tempranas en el techo se cerraron bajo subsidencia, mientras que se formaron nuevas fracturas más arriba, creando una vía de agua más alta y continua. Este modelo predijo una altura de la zona fracturada de 144,5 metros, a pocos metros de las mediciones de los sondeos y significativamente superior a la estimación de Mohr–Coulomb. A lo largo de la extracción, el modelo de ablandamiento produjo sistemáticamente áreas dañadas mayores y más realistas, subrayando cuán sensible es el crecimiento de fracturas a la manera en que se modela el comportamiento de la roca después de la falla.

Qué implica esto para el agua y la seguridad

Para el público general, el mensaje es sencillo: en rocas débiles y portadoras de agua, las grietas sobre una mina de carbón pueden alcanzar mucho más alto de lo que sugieren las reglas simples, especialmente cuando la roca continúa debilitándose tras la primera rotura. Los modelos que ignoran este ablandamiento tienden a predecir a la baja hasta dónde puede llegar el agua hacia el interior de la mina. Al ajustarse estrechamente a los datos de campo, el enfoque de ablandamiento por deformación ofrece una base más fiable para diseñar profundidades de explotación seguras, planificar medidas de protección del agua y evaluar impactos ambientales en regiones áridas donde el agua subterránea es a la vez preciosa y frágil.

Cita: Xue, S., Wang, Q. & Song, Z. Analysis of water-permeable fractured zone in weakly cemented overburden considering rock strain-softening. Sci Rep 16, 10776 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45413-4

Palabras clave: minería del carbón, aguas subterráneas, fracturación de rocas, modelado numérico, peligros hídricos en minas