Studio sulle caratteristiche di deformazione e sulle tecnologie di supporto delle gallerie in campo di sollecitazione profondo e complesso

Perché le gallerie delle miniere profonde ci riguardano tutti

Gran parte dell’elettricità e del combustibile industriale su cui facciamo affidamento proviene ancora dal carbone estratto a grande profondità sotto la superficie terrestre. Man mano che le miniere si approfondiscono per raggiungere i giacimenti rimanenti, le gallerie che trasportano lavoratori, attrezzature e carbone devono sopportare pressioni enormi dalle rocce circostanti. Quando quelle rocce si deformano o crollano, il risultato può essere riparazioni costose, perdita di produzione o incidenti mortali. Questo studio analizza perché le vie di accesso nelle miniere profonde con configurazioni sotterranee complesse si deformano così gravemente e propone un nuovo approccio per mantenere questi collegamenti stabili e sicuri.

Un labirinto di gallerie sotto pressione estrema

I ricercatori si sono concentrati su una miniera di carbone dove i tunnell principali giacciono a oltre 800 metri di profondità e formano un intricato labirinto tridimensionale. Vie ferroviarie, corridoi per nastri trasportatori, bunker di stoccaggio e passaggi di collegamento si intersecano con molti angoli e in diverse dimensioni. Queste intersezioni, in particolare quelle ampie soprannominate sezioni a “naso di toro”, perturbano la distribuzione naturale degli sforzi nelle rocce circostanti. Anziché una pressione semplice e uniforme su un tunnel dritto, la roccia alle intersezioni subisce spinte e trazioni sovrapposte provenienti da più direzioni, rendendo molto più difficile prevedere e controllare il comportamento.

Come e dove la roccia inizia a cedere

Per comprendere questo comportamento nascosto, il team ha costruito un modello numerico tridimensionale dettagliato della rete di gallerie e degli strati rocciosi della miniera. Hanno simulato il processo di scavo di ogni via e osservato la risposta della roccia. Il modello ha rivelato le “zone plastiche” — regioni attorno alle gallerie dove la roccia è stata sollecitata oltre la sua resistenza e inizia a deformarsi in modo permanente. Nelle sezioni rettilinee delle gallerie queste zone danneggiate avevano uno spessore di alcuni metri. Ma alle intersezioni complesse, le aree indebolite provenienti da tunnel diversi si sovrapponevano ed espandevano, raggiungendo profondità fino a 6,6 metri nella roccia. Questa “espansione per sovrapposizione” significa che l’arco di roccia che dovrebbe sostenere il carico diventa molto più spesso, più friabile e più difficile da controllare.

Gli schemi di sollecitazione che guidano la deformazione

Oltre a mappare il danno, i ricercatori hanno esaminato come cambia la forma del campo di sollecitazione attorno alle gallerie. Si sono concentrati su una misura chiamata sollecitazione deviatorica, che coglie quanto la roccia viene deformata nella forma più che semplicemente compressa. In gallerie semplici e rettilinee, alte sollecitazioni deviatoriche formavano due zone a forma di mezzaluna su entrambi i lati dell’apertura, vicino alla parete. Alle intersezioni, tuttavia, queste mezzalune si aprivano, si spostavano più in profondità nella roccia e diventavano fortemente asimmetriche da un lato all’altro. Dove la sollecitazione deviatorica raggiungeva picchi, anche la zona plastica si ampliava. Lo studio ha quantificato questo legame: quando questa sollecitazione superava circa 12,6 megapascal, la zona danneggiata cresceva fino all’intero spessore di 6,6 metri. In termini pratici, i punti di attraversamento delle gallerie sono esattamente i luoghi in cui la roccia è più suscettibile a fratturarsi, deformarsi e mettere in crisi i sistemi di sostegno.

Una strategia di sostegno in tre fasi per gallerie più sicure

Riconoscendo che i tradizionali sistemi di sostegno a singolo strato non potevano affrontare tali condizioni, gli autori hanno progettato un nuovo sistema di sostegno “collaborativo” su misura per reti di gallerie profonde e complesse. Innanzitutto, la roccia appena scavata viene rapidamente sigillata con uno strato di calcestruzzo proiettato, seguito da ancoraggi corti per bloccare gli strati superficiali di roccia, quindi altro calcestruzzo. In secondo luogo, vengono installati cavi di ancoraggio lunghi in uno schema sfalsato che raggiunge oltre la zona danneggiata di 6,6 metri fino a rocce più stabili, creando archi di pressione sovrapposti che aiutano roccia e sostegno ad agire come un unico corpo. Infine, mediante iniezioni ad alta pressione si introduce una miscela cementizia nelle fratture, consolidando la roccia rotta e migliorando il contatto tra roccia e ancoraggi. Questo approccio graduale e multilivello è temporizzato per seguire il modo in cui la roccia cede — dalle prime fessurazioni superficiali ai danni per taglio più profondi — in modo che ogni strato rinforzi il successivo.

Risultati reali in una miniera operativa

Il nuovo sistema è stato sperimentato nella stessa miniera profonda che ha fornito il caso di studio. Il team ha monitorato quanto si muovevano tetti, pavimenti e pareti delle gallerie chiave per diversi mesi e ha misurato i carichi nei cavi di ancoraggio. Rispetto al precedente progetto di sostegno della miniera, la deformazione combinata di tetto e pavimento è diminuita di circa la metà, e la convergenza delle pareti laterali si è ridotta in misura simile. Il tempo necessario affinché le gallerie raggiungessero una forma stabile è stato ridotto a circa 45 giorni, e le forze nei cavi sono rimaste ben al di sotto dei limiti di sicurezza. Per un lettore non specialista, la conclusione è che un sostegno multilivello e ben progettato può trasformare una rete di gallerie profonde pericolosamente instabile in una struttura gestibile e duratura — migliorando la sicurezza dei minatori e l’affidabilità dei sistemi energetici che dipendono da queste vie sotterranee.

Citazione: Li, Sj., Lu, Wy., Ma, Xc. et al. Study on deformation characteristics and support technology of roadway in deep complex stress field. Sci Rep 16, 7373 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38267-3

Parole chiave: estrazione sotterranea profonda, stabilità delle gallerie, sistemi di sostegno della roccia, ingegneria di gallerie del carbone, campo di sollecitazione sotterraneo