Estudio sobre la gran deformación del piso y el mecanismo de fallo en galerías de roca blanda húmeda

Por qué los pisos de los túneles mineros pueden elevarse de forma repentina

Los túneles profundos en minas de carbón deben mantenerse estables para proteger a los trabajadores y asegurar el transporte de equipos. En algunas minas, el piso de una galería se hincha lentamente hacia arriba, deformando las vías y agrietando las estructuras de soporte. Este estudio examina uno de esos casos en una mina de carbón china, donde la galería atraviesa roca blanda empapada de agua. Los investigadores buscaron comprender por qué el piso se elevó varios metros y cómo un nuevo método de soporte podría impedir que volviera a ocurrir.

Una galería problemática en profundidad

El equipo se centró en la calzada principal del ala norte de la mina Hongqi en Shandong, China. Este túnel de transporte, de aproximadamente cuatro metros de ancho y altura, está excavado en una capa de lutita blanda y se encuentra sobre una capa de caliza llena de agua subterránea presurizada. Las inspecciones de campo mostraron abundante filtración en los puntos de contacto entre galerías, y el piso cercano a esta fuente de agua se había elevado hasta 2,5 metros. Los rieles de acero se doblaron en forma de S, los revestimientos de hormigón se agrietaron y los pernos en los muros se partieron, lo que indicaba que la roca alrededor del túnel ya no podía mantener su forma.

Roca blanda que se desintegra en agua

Para entender por qué el piso era tan vulnerable, los investigadores ensayaron muestras de lutita tomadas del piso del túnel. Encontraron que contenía una gran cantidad de minerales arcillosos, que atraen el agua y pueden hincharse y debilitarse al mojarse. Al microscopio, la roca mostraba una estructura porosa y poco cohesionada, con granos pequeños y un cemento débil entre ellos. En pruebas simples de inmersión, los trozos de lutita comenzaron a desmoronarse tras sólo un minuto bajo el agua y siguieron deshaciendo mientras absorbían más agua. Estos resultados mostraron que la roca no solo era blanda, sino también fácilmente dañable por el agua, lo que la hacía especialmente propensa a hincharse y perder resistencia.

Modelos por ordenador del agua empujando el piso

A continuación, el equipo construyó un modelo tridimensional por ordenador del túnel y las capas rocosas circundantes. Simularon diferentes presiones de agua en la capa de caliza profunda bajo el piso, desde condiciones secas hasta la presión elevada medida. El modelo siguió el movimiento del techo y del piso del túnel y cuánto se sobrepasaba el límite resistente de la roca circundante. En condiciones secas el levantamiento del piso fue leve y el daño superficial. Cuando la presión del agua se elevó al valor real subterráneo, el levantamiento simulado alcanzó aproximadamente 2,5 metros, y la zona de roca dañada bajo el piso se profundizó a más de seis metros, mientras que el techo se movió apenas. Esto mostró que la presión del agua desde abajo, actuando sobre la lutita ya débil, fue el principal impulsor del fallo del piso.

Una imagen sencilla de cómo falla el piso

Usando ideas de la teoría de presiones del suelo, los investigadores trazaron luego un esquema mecánico de cómo se mueve el piso. Dividieron el piso en una zona poco profunda, donde la roca se ha debilitado por la filtración, y una zona más profunda, fuertemente afectada por el acuífero presurizado. En este esquema, bloques de roca reblandecida a ambos lados de la base de la galería son comprimidos hacia el centro y empujados hacia arriba bajo el peso de la roca suprayacente y el empuje ascendente del agua. Sus cálculos sugirieron que la profundidad crítica de fallo alcanza alrededor de 4,5 metros. En términos sencillos, una gruesa capa de roca reblandecida bajo la base del túnel es empujada hacia arriba y hacia dentro, provocando que el piso abulte en el espacio de la galería.

Un sistema de soporte en capas que mantiene el agua a raya

Con esta comprensión, el equipo diseñó un nuevo sistema de soporte adaptado a las dos zonas de profundidad. En la zona superficial instalaron pernos cortos inyectados con lechada para ligar la roca suelta y sellar las fisuras. En la zona profunda utilizaron cables-pernos largos inyectados para anclar en roca más resistente y limitar el movimiento donde la presión del agua es mayor. Se construyó un arco de hormigón invertido en el piso de la galería y se unió a soportes de acero en forma de U a lo largo de las paredes, transformando todo el revestimiento en un anillo cerrado que resiste mejor el empuje desde abajo. Este diseño pretende cortar el contacto directo entre el agua subterránea y la lutita más débil, a la vez que distribuye las cargas de forma más homogénea.

De un piso en ascenso a un movimiento controlado

El nuevo esquema de soporte se aplicó en una galería conectante próxima que presenta el mismo tipo de roca y condiciones de agua. Durante dos meses de monitorización, el asiento del techo y los movimientos de pared se mantuvieron pequeños, y el piso subió solo 33 milímetros antes de estabilizarse, en lugar de los metros observados anteriormente. Para el público general, el mensaje clave es que entender cómo el agua debilita la roca subterránea y cómo la presión presurizada empuja los pisos de las galerías permite diseñar soportes por capas dirigidos que reducen drásticamente los movimientos peligrosos del terreno en minas profundas.

Cita: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

Palabras clave: levantamiento del piso, roca blanda, agua subterránea, sujeción de túneles, mina de carbón