Studio sperimentale sul meccanismo di diffusione dell'intonaco nel calcare fratturato

Garantire la sicurezza delle cavità sotterranee

Gli spazi profondi sotterranei — come quelli che ospitano pompe nelle miniere di carbone — devono resistere a pressioni intense dovute alla roccia circostante. Se la roccia comincia a fessurarsi e a muoversi, le pareti possono sporgere di decine di centimetri, mettendo a rischio attrezzature, lavoratori e l'intero progetto. Questo studio esamina come “incollare” meglio la roccia frantumata con malta a base di cemento, affinché grandi camerate sotterranee rimangano stabili e sicure per molti anni.

Una sala pompe sotto stress estremo

I ricercatori si sono concentrati su una grande camera pompe nella mina di Wanfu, in Cina, a oltre 800 metri di profondità. Nonostante un robusto sistema di supporto composto da bulloni d'acciaio, cavi e rivestimento in calcestruzzo, le pareti e il soffitto della camera continuavano a deformarsi. In oltre 450 giorni di monitoraggio, la parete destra si è spostata verso l'interno fino a 751 millimetri — quasi la larghezza di una porta — e il pavimento si è sollevato di oltre 30 centimetri. I sondaggi eseguiti nella roccia circostante hanno evidenziato una zona «gravemente danneggiata» molto fessurata che si estende fino a 7 metri di profondità, una zona di transizione intermedia e poi roccia integra. I bulloni e i cavi esistenti erano ancorati principalmente nella zona frantumata, perciò non potevano sviluppare la loro piena capacità resistente.

Come la malta si diffonde nella roccia fratturata

Per capire come rinforzare tale roccia danneggiata, il team ha costruito un grande apparato di laboratorio in grado di ospitare blocchi di roccia fratturata artificiale lunghi 1,2 metri. Hanno pompato malta cementizia in questi blocchi e poi li hanno sezionati per provare la resistenza di ciascuna porzione in funzione della distanza dal punto di iniezione. Sono state esplorate due variabili di uso quotidiano: la dimensione dei frammenti rocciosi e la fluidità della malta (il rapporto acqua‑cemento). In tutti i casi la resistenza a compressione — la capacità del materiale di sopportare forze di schiacciamento — diminuiva man mano che la malta si allontanava dal punto di ingresso.

Tre zone di resistenza attorno a un bullone

I test di resistenza hanno rivelato tre zone distinte attorno all'area iniettata. Più vicino al punto di iniezione, una «zona a declino iniziale» fino a circa 400 millimetri mostrava elevata resistenza che scendeva rapidamente. Da circa 400 a 1000 millimetri si trovava una «zona a declino graduale», dove la resistenza diminuiva più lentamente. Oltre tale distanza si estendeva una «zona di bordo», in cui qualità e resistenza calavano di nuovo. Questo schema riflette il modo in cui la malta scorre e si deposita: vicino all'ingresso è densa e ben compattata; più lontano si muove più lentamente, si separa leggermente per effetto della gravità e intrappola più vuoti, lasciando materiale più debole al margine esterno.

Perché la dimensione dei frammenti conta più della miscela acquosa

La variazione della dimensione dei pezzi di roccia si è rivelata più importante della variazione della fluidità della malta. Frammenti più grandi creavano spazi maggiori che permettevano alla malta di viaggiare più lontano, estendendo la distanza efficace di diffusione da 800 millimetri con pezzi piccoli fino a 1000 millimetri con i più grandi. Tuttavia, frammenti molto grandi introducevano anche più interfacce deboli dove potevano formarsi crepe. Regolare il rapporto acqua‑cemento ha avuto un effetto più modesto sulla distanza di penetrazione — la distanza di diffusione è rimasta vicino al metro — ma ha influenzato fortemente la resistenza complessiva e l'uniformità. Una miscela media (rapporto acqua‑cemento di 0,5) ha prodotto un buon equilibrio: materiale resistente, relativamente uniforme e senza troppi vuoti d'aria.

Dai test di laboratorio alla sicurezza reale in miniera

Usando queste conoscenze, gli ingegneri hanno riprogettato il sostegno della camera pompe. Hanno aggiunto bulloni iniettati disposti sfalsati e hanno fatto in modo che la lunghezza dei bulloni e dei cavi si estendesse almeno per 1 metro oltre la zona gravemente danneggiata nella roccia integra. Hanno inoltre adottato in campo il rapporto acqua‑cemento raccomandato di 0,5 per le iniezioni. Dopo sei mesi di nuovo monitoraggio, gli spostamenti della parete destra sono scesi da oltre 750 millimetri a poco meno di 40 millimetri — una riduzione di circa il 95 percento. In termini semplici, una grouting pianificata con cura ha trasformato una stanza sotterranea fortemente deformante in uno spazio stabile, dimostrando come comprendere la diffusione della malta e la frantumazione della roccia possa tradursi direttamente in ingegneria sotterranea più sicura e affidabile.

Citazione: Zhang, C., Li, D., Zhang, X. et al. Experimental study on grouting diffusion mechanism of fractured rock. Sci Rep 16, 5226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35539-w

Parole chiave: sostegno della roccia sotterranea, iniezione di malta, roccia fratturata, ingegneria delle miniere di carbone, stabilità della roccia