Influenza della forma dei difetti sul comportamento a fluage e sull’evoluzione del danneggiamento della roccia carbonifera mediante un modello migliorato

Punti deboli nascosti nella roccia sotterranea

In profondità, la roccia che circonda gallerie e miniere di carbone si deforma lentamente sotto pressioni immense. Piccoli difetti come fori e crepe possono sembrare insignificanti, ma nel corso di anni possono crescere e provocare gravi cedimenti o l’instabilità di viadotti e gallerie. Questo studio esplora come la semplice forma di un’apertura nella roccia carbonifera possa modificare il modo in cui la roccia scorre per fluage, si incrina e infine cede — una questione rilevante per la sicurezza a lungo termine di miniere, caverne di stoccaggio e altre strutture sotterranee.

Perché la forma del foro è importante

Gli ingegneri sanno da tempo che i difetti indeboliscono la roccia, ma la maggior parte delle ricerche ha trattato la roccia come priva di difetti o danneggiata in maniera generica. Nella realtà, il carbone e le rocce circostanti contengono una varietà di cavità create da processi naturali o dallo scavo, da fessure a spigoli vivi fino ad aperture lisce e arrotondate. Gli autori hanno riconosciuto che queste forme possono concentrare gli sforzi e indirizzare la crescita delle fratture in modo molto diverso nel tempo, soprattutto sotto il carico lento e costante noto come fluage. Per catturare questo comportamento nei dettagli, hanno combinato dati di laboratorio con avanzate simulazioni al calcolatore che tracciano come si rompono e scivolano i legami microscopici tra i granuli di roccia mentre il materiale si deforma.

Costruire una roccia digitale migliore

Invece di modellare la roccia come un blocco uniforme, i ricercatori hanno rappresentato la roccia carbonifera come un insieme di piccole particelle legate tra loro. Hanno utilizzato un quadro a “legame parallelo” per imitare come i granuli di roccia condividono le forze e resistono alla flessione, quindi lo hanno accoppiato con un modello viscoelastico Kelvin–Voigt — essenzialmente molle e smorzatori che rappresentano la deformazione dipendente dal tempo, tipica del fluage. Questi elementi sono stati tarati per tentativi fino a quando le curve di deformazione in funzione del tempo simulate hanno eguagliato i test di fluage biaxiale su provini di carbone reali. Una volta calibrato, il modello ha potuto riprodurre non solo come la roccia si deforma sotto carichi scalari, ma anche dove e quando compaiono le fratture e come si connettono tra loro per formare fratture maggiori.

Mettere alla prova diverse cavità

Con il materiale digitale pronto, il team ha creato sei campioni virtuali di carbone: uno integro e cinque con cavità di area quasi identica ma di forma diversa — rettangolare, trapezoidale, a U rovesciata, quadrata e circolare. Ogni provino era largo 50 mm e alto 100 mm, e veniva caricato a stadi fino a 15 megapascal mentre le simulazioni registravano sforzo, deformazione e il numero di fratture emergenti. Tutti i difetti hanno indebolito la roccia rispetto al caso integro, ma non in egual misura. I fori rettangolari hanno causato la maggiore diminuzione della tensione di rottura, mentre i fori quadrati hanno provocato la più ampia riduzione della deformazione sostenibile prima del collasso. Le cavità a U rovesciata hanno ridotto più fortemente la rigidità effettiva al momento della rottura. I provini con le cavità più larghe, come le forme rettangolari e a U rovesciata, si sono dimostrati i più comprimibili, evidenziando che per fori di pari area la larghezza controlla fortemente quanto facilmente la roccia viene schiacciata e danneggiata.

Pattern di sforzo e percorsi delle fratture

Le simulazioni hanno inoltre rivelato come si formano i campi di sforzo e come si propagano le fratture attorno a ciascun tipo di cavità. Nei campioni con fori rettangolari, trapezoidali, a U rovesciata e quadrati, le zone ad alto sforzo non iniziavano ai bordi della cavità. Piuttosto, comparivano prima nella roccia circostante e poi crescevano verso il foro, collegandosi infine ad esso e creando bande laterali complesse di elevato sforzo. Le fratture tendevano ad avviarsi in queste zone esterne, correre verso la cavità, quindi estendersi verso i bordi del provino e rientrare, formando reti di fratture miste a trazione e taglio. Al contrario, la cavità circolare ha prodotto un pattern di sforzo simmetrico, con regioni ad alto sforzo che si sviluppavano direttamente ai lati opposti del foro. Le fratture quindi si avvolgevano attorno alla cavità in modo più uniforme, dando origine a una banda di taglio globale che attraversava l’intero provino.

Cosa significa per la sicurezza sotterranea

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che non tutti i fori nella roccia sono uguali. Anche quando hanno la stessa area, le cavità con angoli acuti e lati ampi e piatti — come rettangoli e forme a U rovesciata — concentrano gli sforzi in modo tale da favorire cedimenti locali a taglio precoci e un’elevata comprimibilità. Le cavità più lisce e rotonde distribuiscono lo sforzo in modo più uniforme e tendono a cedere con un meccanismo di taglio più globale a carichi maggiori. Mostrando come la geometria dei difetti controlla la resistenza al fluage, la perdita di rigidezza e l’evoluzione delle fratture, lo studio offre indicazioni pratiche per progettare pilastri di carbone, viadotti e altri supporti di profondità più sicuri: evitare la creazione di aperture ampie e a spigoli vivi e considerare quelle esistenti come zone ad alto rischio per deformazioni e cedimenti a lungo termine.

Citazione: Zhao, T., Cao, Y., Wang, T. et al. Influence of defect shape on the creep behavior and damage evolution of coal rock using an improved model. Sci Rep 16, 5781 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35589-0

Parole chiave: fluage della roccia carbonifera, geometria dei difetti, stabilità sotterranea, evoluzione delle fratture, modellazione numerica delle rocce