Estudio sobre el efecto de alivio de presión y el alcance de protección de la minería a distancia de una capa protectora inferior basado en simulación física análoga y PFC3D

Por qué importa una minería de carbón más segura

El carbón sigue alimentando gran parte de la electricidad en China, pero extraerlo puede desencadenar liberaciones repentinas de gas y fragmentos de roca que ponen en peligro a los mineros. Este estudio analiza cómo la explotación de una capa de carbón profunda puede aliviar de forma gradual la presión en otra capa superior, facilitando la evacuación del gas y haciendo más segura la siguiente fase de extracción. Al combinar modelos físicos de laboratorio con simulaciones informáticas avanzadas, los investigadores trazan cómo la roca entre las capas se fisura, se dobla y se asienta conforme avanza la minería.

Dos capas de carbón que actúan conjuntamente

El trabajo se centra en la mina n.º 6 de la provincia de Henan, donde una capa más profunda conocida como Wu 8 se sitúa unos 72 metros por debajo de una capa superior llamada Ding 5.6. La idea es explotar primero la capa inferior como una “capa protectora”. Cuando se retira esta capa, el peso de las rocas suprayacentes se redistribuye, cambiando la presión en la capa superior y abriendo pequeñas vías por las que el gas atrapado puede escapar. Si los ingenieros pueden predecir dónde y hasta qué distancia alcanza este efecto de alivio de presión, pueden ubicar perforaciones de desgasificación y planificar la futura explotación de la capa superior de forma más segura y eficiente.

Mina a escala reducida en el laboratorio

Para observar lo que ocurre fuera de la vista bajo tierra, el equipo construyó un gran modelo físico de aproximadamente tres metros de longitud y un metro y medio de altura que imita las capas reales de roca sobre la veta Wu 8. Usando arena, yeso, carbonato de calcio y mica para representar distintos tipos de roca, recrearon las capas estratificadas y luego “extrajeron” la capa inferior paso a paso. A medida que avanzaba el frente de trabajo del modelo, observaron cómo se derrumbaba la roca suprayacente y dónde se abrían las grietas. Las fracturas formaron un trapecio amplio que se abrió hacia arriba y hacia afuera, atravesó fases de iniciación y crecimiento y luego se cerró parcialmente conforme el material fragmentado se compactó.

Rocas virtuales y fuerzas invisibles

Los modelos de laboratorio no pueden capturar todos los detalles, por lo que los investigadores también emplearon simulaciones informáticas tridimensionales basadas en partículas, conocidas como PFC3D, para seguir los patrones de esfuerzo y fracturación en todo el macizo rocoso. En esta mina virtual, la roca y el carbón están representados por miles de pequeñas partículas unidas cuyas interacciones siguen las leyes del movimiento. Conforme avanza el frente de trabajo simulado, el programa registra cómo cambian los esfuerzos verticales y horizontales a distintas alturas, cómo las fracturas se conectan en redes y cómo se desplaza la capa superior de carbón. Los resultados muestran que los esfuerzos verticales cerca del área excavada aumentan hasta aproximadamente cuatro veces los esfuerzos horizontales y luego disminuyen, esculpiendo una zona de alivio de presión que se estrecha con la altura y adopta una forma de plataforma trapezoidal sobre el hueco.

Cómo se dobla y se estira la capa superior

Las simulaciones también revelan cómo se deforma la capa protegida Ding 5.6. Su patrón de desplazamiento se transforma gradualmente en un hundimiento en forma de cuenco sobre la capa inferior excavada. Al principio, cuando el frente de trabajo ha avanzado menos de la mitad de su longitud, la subsidencia es pequeña y con forma elíptica. A medida que continúa la minería, el hundimiento se hace más profundo y ancho, con la mayor caída directamente sobre el centro del hueco. Finalmente, el fondo del “cuenco” se aplana conforme la roca suprayacente se compacta y la tasa de subsidencia adicional disminuye. Al seguir el cambio en el espesor de la capa protegida, el equipo calcula una tasa de deformación por expansión; cuando esta tasa supera un umbral, se considera que el carbón está totalmente aliviado de presión y es mucho menos probable que falle de forma violenta.

Trazando una zona segura bajo tierra

Combinando los resultados de deformación y esfuerzo, los autores delinean la forma tridimensional de la zona efectiva de protección por alivio de presión. Encuentran que la región relajada en la capa superior no se extiende exactamente sobre el área excavada, sino que está desplazada hacia el interior tanto a lo largo como a lo ancho del frente de trabajo. En dirección longitudinal, la zona protegida comienza y termina unos 35–40 metros dentro de los límites reales de la explotación; en sentido transversal, se retrasa unos 11–14 metros. Dentro de esta región desplazada, el esfuerzo vertical cae por debajo de un valor crítico de aproximadamente 16,9 megapascales y la tasa de deformación por expansión supera la norma empleada en las reglas de seguridad chinas. En términos prácticos, el estudio proporciona a los planificadores de minas ángulos y distancias claras que señalan dónde la desgasificación y la extracción futura de la capa superior pueden realizarse con menor riesgo de emisiones violentas de carbón y gas.

Cita: Zhan, K., Liu, Z., Wei, D. et al. Study on pressure-relief effect and protection scope of long-distance lower protective seam mining based on similar physical simulation and PFC^3D. Sci Rep 16, 15927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47414-9

Palabras clave: minería de capas de carbón, desgasificación, fracturas en la roca, seguridad minera, simulación numérica