Meccanismo e applicazione dell'ancoraggio con alesatura del fondo forato a cuneo rovesciato in gallerie cementate argillose

Mantenere in sicurezza gallerie fragili nelle miniere

In profondità, molte gallerie di miniere di carbone attraversano rocce argillose e tenere che si gonfiano, fluiscono e si sgretolano nel tempo. I supporti tradizionali in acciaio e persino i moderni bulloni da roccia spesso perdono presa quando questa roccia debole si deforma, aumentando il rischio di distacchi del tetto e di costose riparazioni. Questo studio esplora un nuovo modo per ancorare i bulloni di sostegno in modo più sicuro rimodellando la parte terminale del foro di perforazione, in modo che la roccia e la resina si blocchino letteralmente insieme come un cuneo, mantenendo le gallerie più sicure e stabili più a lungo.

Perché è così difficile sostenere le gallerie in roccia tenera

Molte vie di scorrimento delle miniere cinesi sono scavate in rocce argillose o cementate con argilla che contengono minerali che si indeboliscono a contatto con l'acqua. Queste rocce sono scarsamente legate, a bassa resistenza e tendono a gonfiarsi e impastarsi quando incontrano l'umidità. Sotto la pressione costante dell'estrazione, le pareti e il tetto della galleria fluiscono e si deformano. Le strutture in acciaio che inizialmente sembrano efficaci possono finire per sprofondare nel pavimento morbido quando questo si solleva, mentre il tetto si abbassa e si fessura. I bulloni da roccia, oggi il principale metodo di sostegno, dovrebbero legare insieme gli strati deboli; ma in questo ambiente la resina usata per incollare i bulloni al foro spesso si separa dalla roccia, specialmente sotto vibrazioni e umidità, facendo decadere rapidamente la capacità di ancoraggio.

Modellare la fine del foro a forma di cuneo

I ricercatori si sono concentrati su un'idea semplice ma efficace: invece di lasciare il fondo del foro del bullone cilindrico, lo ingrandiscono in una forma a cuneo rovesciato usando uno speciale utensile per alesare. Il bullone viene quindi incollato in questa cavità svasata con resina. Di fatto, il bullone non fa più affidamento solo sull'adesione lungo una parete liscia; è bloccato meccanicamente in una tasca di roccia più ampia. Il team ha costruito un modello meccanico che divide il bullone in tre zone lungo la sua lunghezza: una sezione libera vicino all'apertura della galleria, una sezione di ancoraggio normale e la sezione di ancoraggio alesata all'estremità. Usando equazioni della meccanica delle rocce, hanno dimostrato che questa tasca a forma di cuneo aumenta notevolmente le forze di taglio e di presa all'interfaccia resina-roccia, incrementando la resistenza assiale del bullone anche quando si innesca uno scorrimento in altre zone.

Dalle equazioni ai modelli di laboratorio e ai test di trazione

Per verificare il concetto, il team ha creato modelli in scala della parete di galleria utilizzando materiali miscelati per imitare rocce tenere a bassa resistenza. Hanno praticato fori per bulloni all'interno di tubi in PVC e poi alesato manualmente il fondo del foro per formare cunei rovesciati di diverse lunghezze, diametri e angoli. Usando una resina comune in miniera (K2335), hanno prima controllato come la resina si miscelava e induriva in queste cavità svasate. Se il cuneo era troppo grande o troppo lungo, parti della resina restavano male miscelate e non polimerizzate. Hanno definito un “rapporto di solidificazione” per quantificare quanto della resina si induriva completamente. La migliore combinazione è risultata una lunghezza alesata di 100 mm, un diametro massimo di 58 mm e un angolo del cuneo di 9°, raggiungendo un tasso di solidificazione del 92,9%, cioè la cavità era riempita in modo denso e uniforme.

Presa più forte prima e dopo il cedimento

Successivamente i ricercatori hanno eseguito test di estrazione in laboratorio, confrontando bulloni normali con bulloni ancorati in queste cavità a cuneo, mantenendo la stessa lunghezza totale di ancoraggio. In entrambi i casi la forza di trazione aumentava con lo spostamento fino a un picco, poi calava quando iniziava lo scorrimento tra resina e roccia. Per i bulloni normali il calo era brusco e la forza residua era bassa, derivante principalmente da debole attrito di scorrimento. Al contrario, i bulloni nella cavità a cuneo rovesciato mantenevano un elevato valore residuo dopo l'inizio dello scorrimento perché la forma svasata ostacolava meccanicamente l'estrazione completa. Le simulazioni numeriche hanno confermato il risultato: sotto lo stesso carico di 160 kN, lo sforzo di taglio medio lungo la zona di ancoraggio è aumentato di circa il 47% con il progetto a cuneo, e la concentrazione di tensione si è spostata in modo vantaggioso verso la sezione alesata anziché concentrarsi solo sul fondo del foro.

Dimostrare l'idea in una miniera di carbone reale

Il team poi ha portato il metodo sottoterra in una galleria di roccia tenera in una miniera di carbone nella provincia di Shanxi. Hanno perforato e alesato i fondi dei fori con un utensile ad ala singola progettato internamente, inserito le cartucce di resina nella tasca alesata e le hanno mescolate con il bullone finché la resina non ha riempito e ancorato sia la roccia fratturata sia quella integra. Il monitoraggio di tre bulloni di copertura ha mostrato che le loro forze assiali aumentavano con la deformazione della roccia circostante e poi si stabilizzavano a livelli elevati, senza la rapida perdita di supporto spesso osservata con gli ancoraggi convenzionali. Le misure di assestamento del tetto hanno confermato che le gallerie supportate con bulloni alesati a cuneo rovesciato avevano subsidenza molto minore rispetto a quelle con bulloni standard, indicando una galleria più sicura e stabile.

Cosa significa per la sicurezza in miniera

Per il lettore non specialista, la conclusione è che rimodellare la parte nascosta del foro di un bullone può fare una grande differenza per la sicurezza della galleria. Scavando una piccola tasca a forma di cuneo nella roccia e riempiendola con resina e acciaio, gli ingegneri creano una sorta di testa d'ancoraggio sotterranea più difficile da estrarre e meno soggetta a indebolirsi nel tempo. Lo studio mostra che, con dimensioni adeguatamente scelte, questo progetto non solo aumenta la resistenza iniziale ma mantiene gran parte di tale resistenza anche dopo l'innesco di qualche scorrimento. Per le miniere di carbone che attraversano rocce fragili e sensibili all'acqua, un ancoraggio migliorato di questo tipo potrebbe ridurre i distacchi del tetto, abbattere i costi di manutenzione e rendere il lavoro sotterraneo più sicuro.

Citazione: Zhang, H., Li, G., Xu, Y. et al. Mechanism and application of reaming anchorage of inverted wedge-shaped hole bottom in argillaceous cemented roadway. Sci Rep 16, 5094 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7

Parole chiave: galleria in roccia tenera, ancoraggio con barra di ancoraggio, galleria di miniera di carbone, foro per barra alesato, sostegno del terreno