Mecanismo de falla del macizo rocoso circundante y control sinérgico de soporte fuerte–alivio de presión intenso para galerías en capas de carbón próximas

Por qué importan túneles de carbón más seguros

A gran profundidad, los mineros dependen de túneles estrechos para alcanzar las capas de carbón. Cuando la roca alrededor de estos túneles se desplaza o rompe de forma súbita puede provocar violentos estallidos, derrumbes y cierres costosos. Este estudio analiza una situación especialmente compleja en una mina china, donde dos capas de carbón están muy próximas y las galerías de la capa inferior se sitúan bajo áreas previamente explotadas y bloques de carbón residuales. Los autores explican por qué la roca en un lado de estas galerías falla con más facilidad y prueban un enfoque combinado que tanto refuerza los muros de la galería como alivia de forma controlada la presión acumulada en el macizo rocoso circundante.

Esfuerzos ocultos por la minería previa

En el área minera de Jiaoping, una capa de carbón ya ha sido explotada, dejando espacios vacíos llamados gobas y pilares de carbón rígidos que sostienen el techo. Ahora se extrae una segunda capa, más profunda. El peso de las rocas superpuestas y los pilares rígidos no carga de forma uniforme las galerías inferiores. En su lugar, el esfuerzo se concentra en el lado situado bajo el pilar de carbón, mientras que el lado opuesto queda bajo una zona parcialmente relajada. El agua que se filtra en la goba antigua también puede ablandar carbón y roca, aumentando el riesgo de que pisos y muros pierdan resistencia con el tiempo. Cálculos y mediciones geológicas muestran que el daño proveniente de la capa superior alcanza aproximadamente de 10 a 15 metros hacia abajo, lo que es suficiente para afectar dónde y cómo deben trazarse las nuevas galerías.

Elegir una mejor trayectoria para la galería

Usando teoría de mecánica de rocas, el equipo estimó la profundidad a la que el suelo bajo la capa superior había sido fisurado por la minería previa y por la carga concentrada de los pilares residuales. Luego compararon distintas formas de alinear la nueva galería inferior respecto a las labores antiguas. Si la galería inferior solapa la zona de alto esfuerzo bajo el pilar, queda sometida a una carga fuerte y desigual. Si se desplaza hacia afuera, puede seguir dentro de esa zona. La opción más favorable es escalonar la galería inferior hacia el interior, hacia el espacio previamente explotado, donde la presión se ha aliviado parcialmente. Esta disposición escalonada interna evita la roca más fuertemente cargada y reduce la tendencia natural a que un lado del túnel se deforme más que el otro.

Soporte fuerte más alivio de presión

Un buen sostenimiento de la galería sigue siendo esencial. La mina adoptó un esquema de “soporte fuerte” que usa pernos de acero densos, tiras de acero, malla de alambre y anclajes de cable pretensado fijados en techo y paredes. Este sistema aprieta la roca fracturada y permite que la roca superficial alrededor de la abertura actúe como una cáscara portante única. Para ir más allá, los investigadores añadieron un paso de “alivio de presión intenso”: perforaron largos sondeos inclinados desde la galería hacia el carbón y la roca suprayacentes y bombeaban agua a alta presión para crear fracturas controladas. Un análisis cuidadoso de cómo la presión del fluido interactúa con el campo de esfuerzos natural orientó la elección de los ángulos de sondeo para que las fracturas se iniciasen y propagasen con presiones de bombeo relativamente bajas, abriendo vías para que los esfuerzos y la energía se redistribuyeran alejándose de la galería.

Vigilar la respuesta de la roca

El equipo utilizó simulaciones por ordenador y mediciones en mina para observar cómo reaccionaba la roca tanto bajo cargas lentas como ante impactos súbitos, que imitan pequeños sismos. En condiciones estáticas, la galería reforzada se deformó solo ligeramente y los movimientos se mantuvieron muy por debajo de los límites de seguridad, aunque los esfuerzos y las fuerzas en los pernos fueron claramente mayores en el lado del pilar de carbón. Al añadir cargas de impacto en los modelos surgieron dos patrones. Los impactos que incidían principalmente sobre el techo tendían a provocar fisuración en tracción en el centro del techo. Los impactos cerca de la esquina donde se encuentran techo y costilla causaban un fuerte apriete lateral de la costilla y hundimiento general del techo, un modo de daño más severo. Tras la fracturación hidráulica, levantamientos eléctricos mostraron amplias zonas de baja resistividad donde se habían formado grietas llenas de agua, confirmando que la roca se había debilitado y que el esfuerzo se había desplazado. Los registradores de campo indicaron que las fuerzas en pernos y cables se mantuvieron dentro de rangos seguros y que la zona “aflojada” de roca, aunque creciente, permaneció controlada por el sistema de sostenimiento.

Qué implica para la seguridad minera

Para la mina estudiada, el trabajo demuestra que la carga desigual causada por los pilares de carbón residuales es la razón principal por la que un lado de las galerías de la capa inferior falla con más facilidad. Colocando la galería en una zona de alivio de presión, anclando firmemente la roca cercana y usando fracturación hidráulica dirigida para descargar esfuerzos profundos, los ingenieros pueden mantener la deformación dentro de márgenes seguros incluso cuando la roca sufre pequeños choques. Los autores sostienen que esta estrategia combinada de soporte fuerte más alivio de presión intenso, respaldada por una monitorización cuidadosa, ofrece una vía práctica para una extracción de carbón más segura y eficiente en otras minas con capas apiladas y condiciones de esfuerzo complejas.

Cita: Yu, S., Suo, Y., Cai, C. et al. Failure mechanism of surrounding rock and synergistic control of strong support-strong pressure relief for lower-seam roadways in close-distance coal seam groups. Sci Rep 16, 15843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46700-w

Palabras clave: minería del carbón, estabilidad de galerías, destrozo dinámico de roca, fracturación hidráulica, simulación numérica