Ricerca sulla tecnologia di controllo della roccia circostante per il taglio del tetto e il sollievo della pressione nel mantenimento di gallerie laterali di riempimento in pannelli a grande altezza di estrazione

Mantenere i tunnel sotterranei aperti e sicuri

Le miniere di carbone in profondità dipendono da lunghi tunnel per spostare persone, macchine e carbone. Ma una volta rimosso il carbone, la roccia sovrastante può muoversi e comprimere questi passaggi, creando rischi significativi per la sicurezza e perdite economiche. Questo studio si concentra su una miniera cinese e pone una domanda pratica: come possono gli ingegneri progettare l’area scavata e i sistemi di supporto in modo che una galleria chiave possa rimanere aperta in sicurezza per il ciclo di estrazione successivo, anziché essere abbandonata e ricostruita da zero?

Perché mantenere una galleria è importante

Le miniere moderne spesso utilizzano pannelli di estrazione molto alti che rimuovono spessi strati di carbone in un’unica passata, aumentando la produzione ma disturbando notevolmente la roccia circostante. Tradizionalmente, i minatori lasciano un ampio blocco di carbone intatto come pilastro per proteggere i tunnel vicini. Quel pilastro, però, blocca carbone prezioso sottoterra e richiede scavi aggiuntivi. Una tecnica chiamata mantenimento della galleria al lato del gob offre un’opzione più intelligente: conservare una galleria proprio accanto alla zona collapsata (il “gob”) e sostituire il pilastro di carbone con una parete stradale appositamente costruita. Se questa galleria può restare stabile, la miniera recupera più carbone, riduce i costi di sviluppo e migliora l’efficienza complessiva.

Quando la roccia e la parete non reggono

Gli autori analizzano cosa va storto quando gli ingegneri si affidano solo alla parete stradale. In pannelli alti e ampi, gli strati di roccia sovrastanti si flettono e si fratturano su una campata più estesa, generando pressioni potenti e variabili. La parete stretta deve assorbire gran parte di questo carico. Se la parete è forte ma troppo rigida, si possono accumulare tensioni estreme al suo interno, causando cricche o spaccature. Se è più debole, può rigonfiarsi e comprimere lo spazio della galleria, stringendo tetto e pareti verso l’interno. In altri casi, una parete robusta combinata con un tetto debole provoca lo scorrimento e il cedimento della roccia sopra la galleria, portando a crolli locali del tetto. In breve, costruire semplicemente una parete accanto al gob non è sufficiente per contrastare i movimenti violenti della roccia sopra un giacimento estratto in spessore.

Tagliare il tetto per domare il carico

Per affrontare questo problema, i ricercatori promuovono un approccio combinato che chiamano “sostegni rinforzati più taglio del tetto per sollievo della pressione”. L’idea è di praticare proattivamente una fessura inclinata attraverso la roccia dura sopra la galleria, sul lato del gob. Questo taglio indebolisce il collegamento tra il tetto della galleria e gli strati chiave di roccia, guidando la frattura e il cedimento della sovrastante verso il lato già scavato anziché pendere sulla carreggiata come una grande trave rigida. Contemporaneamente, la galleria viene rinforzata con un disegno denso di ancoraggi, cavi d’acciaio, supporti idraulici e una parete stradale in calcestruzzo in grado di sopportare carico ma permettere un certo movimento controllato.

Trovare il punto ottimale con test virtuali

Usando simulazioni tridimensionali calibrate sulla miniera reale (il fronte di lavoro 2507), il team ha variato tre parametri di progetto: l’altezza del taglio del tetto, l’angolo del taglio e la larghezza della parete stradale. Hanno seguito una grandezza chiamata sforzo deviatorico—una misura composita di quanto intensamente la roccia viene deformata—per individuare dove la roccia era più soggetta a cedimento. Le simulazioni hanno mostrato che un taglio del tetto di circa 15 metri, che raggiunge all’incirca il 70 percento dello strato principale di copertura, riduceva significativamente lo sforzo attorno alla galleria. Un angolo di taglio di 15 gradi produceva una ripartizione equilibrata del carico tra il lato di carbone solido e la parete stradale, favorendo un cedimento ordinato della roccia nel gob invece di pericolosi blocchi sospesi. Per la parete, larghezze di 0,5–1,0 metri la rendevano troppo debole, causando deformazioni severe, mentre una larghezza di circa 1,5 metri offriva il miglior equilibrio tra resistenza e adattabilità.

Prove da monitoraggio reale

Il progetto ottimizzato è stato poi testato in miniera. Gli strumenti hanno misurato il movimento del tetto, le forze nei cavi di ancoraggio e la pressione sulla parete in calcestruzzo mentre il fronte di scavo avanzava e la galleria lato gob veniva lasciata alle spalle. L’abbassamento del tetto sul lato del taglio è rimasto sotto circa 120 millimetri, e i carichi sui cavi e le pressioni sulla parete sono saliti fino a picchi per poi stabilizzarsi al di sotto dei limiti di progetto. Questo comportamento ha dimostrato che il taglio del tetto ha ridotto con successo il carico portato direttamente dalla galleria e che i sostegni rinforzati funzionavano in sinergia, senza sovraccarichi o cedimenti improvvisi.

Cosa significa per un’estrazione più sicura e intelligente

Per i non specialisti, la conclusione è che un’attenta «pre-fratturazione» della roccia dura sopra una galleria, combinata con un sostegno robusto ma flessibile, può mantenere aperte gallerie sotterranee essenziali anche quando grandi porzioni di carbone vengono rimosse nelle vicinanze. Scegliendo la giusta altezza del taglio, l’angolo di taglio e la larghezza della parete, gli ingegneri possono indirizzare il modo in cui la roccia si rompe e come il carico viene distribuito. In questo caso, un taglio del tetto alto 15 metri, inclinato di 15 gradi, e una parete stradale di 1,5 metri hanno creato una galleria stabile e riutilizzabile accanto al gob. Ciò significa più carbone recuperato, meno nuove gallerie da scavare e un ambiente di lavoro più sicuro per i minatori in profondità.

Citazione: Weiyong, L., Shengjun, L., Yaohui, S. et al. Research on surrounding rock control technology of roof cutting and pressure relieving for roadside filling in gob-side entry retaining of large mining height panel. Sci Rep 16, 6698 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37916-x

Parole chiave: estrazione del carbone, sostegno della roccia, taglio del tetto, galleria lato gob, stabilità sotterranea