Stabilità della massa rocciosa circostante in cunicoli con giacitura fratturata: meccanismi ed effetti dell’ottimizzazione del layout

Perché la roccia fessurata conta in profondità

Molto al di sotto della superficie terrestre, le miniere di carbone dipendono da lunghi tunnel, o cunicoli, scavati nella roccia massiccia. Questi passaggi devono rimanere stabili perché i lavoratori possano muoversi in sicurezza e le macchine possano operare. Ma la roccia è raramente perfetta: è tagliata da crepe e giunti naturali che possono crescere e collegarsi sotto sforzo, talvolta provocando cedimenti. Questo studio pone una domanda pratica dalle conseguenze potenzialmente fatali: come si comportano queste fratture nascoste man mano che le miniere vanno in profondità e come si può ottimizzare il layout dei cunicoli per evitare il collasso della massa circostante?

Come gli scienziati hanno ricreato la roccia fratturata

Per studiare il problema in modo controllato, i ricercatori hanno prima creato campioni simili alla roccia in laboratorio. Invece di usare roccia naturale, difficile da fratturare con precisione, hanno colato blocchi di calcestruzzo con una singola frattura artificiale a diversi angoli, dall’orizzontale al verticale. Hanno verificato la qualità di ogni campione con onde ultrasoniche, confermando che solo la regione centrale conteneva una frattura netta mentre il resto del materiale restava uniforme. Questi campioni sono stati poi compressi in una macchina di prova per osservare come e dove si innescavano nuove fratture, come crescevano e come il campione si rompeva infine.

Dai provini da banco alla roccia virtuale

I test di laboratorio da soli non possono catturare la complessità completa delle miniere reali, così il team ha costruito modelli informatici dettagliati dei campioni fratturati usando un metodo chiamato approccio a elementi discreti. In questa roccia virtuale, il materiale è suddiviso in molti piccoli blocchi poligonali che possono scivolare, separarsi o schiacciarsi l’uno contro l’altro, molto simili ai grani della roccia reale. Mettendo a punto il modello in modo che la sua resistenza e i suoi schemi di rottura corrispondessero ai test fisici, i ricercatori hanno potuto usarlo per esplorare molti più scenari di quanto sarebbe pratico in laboratorio, incluso come diverse intensità di pressione di confinamento, come quelle presenti a maggiori profondità, influenzino la crescita delle fratture.

Cosa succede alle fratture sotto pressione

Le simulazioni e gli esperimenti insieme hanno rivelato che l’angolo della frattura originaria controlla fortemente come si diffonde il danneggiamento, specialmente quando la crepa è inclinata tra circa 30 e 60 gradi. In questo intervallo, nuove fratture tendono a iniziare vicino a quella esistente e a propagarsi in direzioni che si allineano progressivamente con essa. Con l’aumento della pressione esterna — simile a scendere in profondità — l’incidenza delle fratture diventa più confinata al vicinato immediato della frattura invece di diffondersi in tutta la massa rocciosa. La resistenza complessiva dei campioni mostra una chiara tendenza a V in funzione dell’angolo di frattura: la roccia è relativamente resistente quando la frattura è quasi orizzontale o verticale, ma significativamente più debole per angoli intermedi nei quali le fratture si collegano più facilmente.

Progettare layout di cunicoli più sicuri

Con questa comprensione a piccola scala, il team si è rivolto a layout di miniere reali con più cunicoli nelle vicinanze. Utilizzando i loro modelli validati, hanno simulato come gli sforzi dovuti al peso della copertura e all’estrazione del carbone causino la formazione di zone plastiche — regioni in cui la roccia ha ceduto e si è fratturata — attorno a ciascun cunicolo. Hanno scoperto che con l’aumentare del livello di sforzo complessivo, le deformazioni crescono rapidamente e le zone plastiche si approfondiscono. Quando due cunicoli sono troppo vicini, queste zone danneggiate possono fondersi, creando un’ampia regione indebolita che minaccia entrambi i tunnel. Immagini da carotaggi in un sito operativo hanno confermato lo scenario del modello: la copertura rocciosa superficiale sopra cunicoli ravvicinati risultava fortemente fratturata, mentre la roccia più profonda restava comparativamente intatta.

Cosa significa per la sicurezza nelle miniere di carbone

Lo studio conclude che esiste una regola pratica per una progettazione più sicura: mantenere la distanza tra i principali cunicoli maggiore di circa cinque volte il raggio del cunicolo (o approssimativamente più di 15 metri nel caso studiato) aiuta a prevenire la sovrapposizione delle zone fratturate e migliora la stabilità a lungo termine. Sottolinea inoltre che gli elevati sforzi di galleria naturali, combinati con le sollecitazioni aggiuntive generate dall’attività mineraria, sono i principali fattori che guidano la crescita delle fratture e l’approfondimento del danno. In termini concreti, questo lavoro mostra come una pianificazione attenta della posizione dei tunnel — guidata sia da esperimenti sia da simulazioni realistiche — possa ridurre significativamente il rischio di cedimenti della roccia, proteggere i lavoratori e ridurre i costi di manutenzione nelle miniere di carbone profonde e in progetti sotterranei analoghi.

Citazione: Hao, H., Tian, B., Li, G. et al. Stability of surrounding rock in roadways with fractured rock mass: mechanisms and effects of layout optimization. Sci Rep 16, 6999 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38202-6

Parole chiave: cunicoli di miniere di carbone, roccia fratturata, stabilità sotterranea, distanza tra cunicoli, modellazione a elementi discreti