Studio sulla posizione ragionevole della galleria mineraria sotto una sovrastruttura di copertura ripetutamente estratta in un giacimento poco profondo e a distanza ravvicinata: uno studio di caso

Mantenere sicure le vie sotterranee

Nel profondo delle steppe della Mongolia Interna, i minatori lavorano in un labirinto di gallerie che devono rimanere stabili mentre milioni di tonnellate di roccia premono dall’alto. Questo studio pone una domanda apparentemente semplice ma dalle conseguenze vitali: dove, esattamente, dovrebbe essere collocata una nuova galleria in una miniera già intensamente sfruttata perché resti il più possibile sicura e stabile?

Perché i lavori precedenti contano ancora

In molti bacini carboniferi della Cina settentrionale, gli strati di carbone sono vicini tra loro, a volte separati da meno di 40 metri. Le miniere vengono generalmente sviluppate dall’alto verso il basso, quindi quando uno strato inferiore è pronto per essere estratto, gli strati sovrastanti possono già essere percorsi da cavità vuote (chiamate gobbe) e blocchi solidi di carbone residuo (pilastri). Questi pilastri finiscono per sopportare gran parte del peso delle rocce sovrastanti. Questo carico aggiuntivo crea zone di pressione molto elevata nella roccia circostante. Se una nuova galleria — un tunnel orizzontale usato per ventilazione, trasporto e accesso dei lavoratori — viene scavata nel punto sbagliato sotto questa struttura complessa, il tetto e il pavimento possono deformarsi gravemente, i sostegni possono cedere e possono verificarsi incidenti gravi.

Come il tetto roccioso si rompe e affonda

I ricercatori si sono concentrati sulla miniera di carbone di Shigetai nella Mongolia Interna, dove un nuovo giacimento chiamato 3‑2‑2 si trova appena sotto un giacimento precedentemente estratto, 3‑2‑1. Hanno prima dovuto capire come gli strati rocciosi sopra i vecchi lavori si fossero rotti e consolidati. Usando teorie consolidate su come gli strati rigidi si piegano, si incrinano e ruotano quando uno strato viene estratto, hanno costruito un modello passo dopo passo della sovrastruttura rocciosa. Alcuni strati si comportano come archi incernierati, altri come travi a sbalzo, e alcuni diventano strati “critici” che segnano dove si verificano grandi fratture. Il team ha combinato questo quadro teorico con dati di campo sui tipi di roccia e spessori per mappare come la sovracopertura — tutto ciò che si trova sopra il carbone — si era fratturata dopo l’estrazione ripetuta di più strati vicini.

Simulare un paesaggio di tensioni nascosto

Per verificare e perfezionare il loro modello strutturale, gli autori hanno usato potenti simulazioni numeriche tridimensionali. In una serie di modelli hanno riprodotto la sequenza di estrazione dell’area e osservato come i blocchi rocciosi sopra le gobbe si piegassero e collassassero. Le simulazioni hanno mostrato che la roccia fratturata sopra gli strati e i pilastri di carbone intatti formavano un complesso schema a gradini, confermando l’immagine teorica. Successivamente hanno calcolato come questa struttura concentri lo sforzo nei pilastri di carbone residui dello strato 3‑2‑1 e come tale stress si propaghi nel pavimento roccioso sottostante. Hanno riscontrato che il carico verticale lungo la larghezza di un pilastro forma un profilo a forma di “M” proprio al livello del pavimento, con due picchi di alta pressione vicino ai lati e un nucleo elastico più piccolo al centro. Scendendo più in profondità sotto il pilastro, quel profilo si attenua gradualmente in una U invertita, e poi in una V invertita più accentuata. Contemporaneamente, la pressione direttamente sotto il pilastro diminuisce, mentre la pressione sotto l’area già estratta aumenta lentamente.

Trovare il luogo più sicuro per una nuova galleria

Con questa mappa dettagliata delle tensioni nascoste, il team ha valutato dove collocare la nuova galleria dello strato 3‑2‑2. Hanno confrontato due opzioni principali sotto il pilastro sovrastante: una direttamente sotto il suo bordo, dove il pilastro è già parzialmente danneggiato e alleggerito, e l’altra sotto il “nucleo” centrale relativamente intatto del pilastro. Usando un altro set di simulazioni numeriche, hanno esaminato come la roccia intorno alla galleria si deformerà prima durante lo scavo e poi dopo che la nuova parete di taglio a fronte lunga sarà stata estratta. I risultati hanno mostrato che quando la galleria si trova sotto il nucleo elastico del pilastro, entrambe le pareti laterali sperimentano forte concentrazione di sforzi e grandi spostamenti laterali. Al contrario, quando la galleria è posizionata sotto il bordo del pilastro, il lato sotto la gobba sopporta molto meno stress e la deformazione complessiva della roccia circostante è notevolmente più piccola, soprattutto dopo che il carbone sovrastante è stato completamente rimosso e il pilastro si è in gran parte ceduto.

Dal modello al sito reale

Sulla base di questi risultati, gli ingegneri di Shigetai hanno disposto la galleria 3‑2‑2 direttamente sotto il bordo del pilastro di carbone 3‑2‑1 soprastante e hanno progettato un robusto schema di bulloni per roccia, cavi d’acciaio e rete per sostenere tetto e pareti. Le misure in sito hanno quindi monitorato quanto il pavimento e il tetto della galleria si siano avvicinati e come le fratture si siano sviluppate nella roccia circostante. La chiusura massima tra tetto e pavimento è stata di circa 48 centimetri, e le nuove crepe sono rimaste per lo più confinate entro tre metri dalla superficie della galleria — livelli che corrispondevano alle simulazioni e sono stati considerati accettabili per un’operazione sicura.

Cosa significa per le future escavazioni

Per i non specialisti, il messaggio centrale è chiaro: nelle miniere in cui molti strati sottili di carbone sono impilati a breve distanza, i “fantasmi” dei lavori precedenti modellano fortemente la sicurezza delle nuove gallerie. Questo studio dimostra che modellando con cura come gli strati rocciosi si fratturano e come gli sforzi si concentrano nei pilastri residui, gli ingegneri possono scegliere posizioni per le gallerie che evitino le zone di pressione più pericolose. In questo caso, collocare la nuova galleria sotto il bordo, piuttosto che al centro, di un vecchio pilastro di carbone ha fornito una soluzione pratica e provata per un accesso sotterraneo più sicuro e più affidabile.

Citazione: Miao, K., Tu, S., Tu, H. et al. Study on reasonable position of mining roadway under repeated mining overburden structure in shallow buried close distance coal seam: A case study. Sci Rep 16, 6440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37768-5

Parole chiave: estrazione del carbone, meccanica delle rocce, stabilità delle gallerie, stress dei pilastri di carbone, simulazione numerica