Meccanismo di instabilità del piano di mina sepolto in profondità sotto gli effetti dell’estrazione e ottimizzazione della disposizione della galleria di estrazione

Perché le gallerie minerarie più sicure sono importanti

Le miniere di carbone profonde sotterranee fanno molto più che produrre combustibile; creano inoltre complessi schemi di pressione nella roccia circostante. Se queste pressioni diventano sbilanciate, il piano può incrinarsi, l’acqua può infiltrarsi, il gas può fuoriuscire e i tunnel su cui fanno affidamento i minatori possono deformarsi o collassare. Questo studio analizza come reagisce la roccia al di sotto di una seam di carbone molto profonda quando il carbone viene rimosso, e come i progettisti di miniere possono posizionare le gallerie di drenaggio del gas in punti che mantengano più sicuri sia le persone sia le infrastrutture.

Come l’estrazione comprime la roccia

Quando viene scavato un lungo tratto di carbone, si lascia dietro uno spazio vuoto chiamato goaf e il tetto soprastante alla fine crolla. Il peso della roccia sovrastante non scompare; viene ridistribuito sui pilastri di carbone rimanenti e verso il basso nel piano. Utilizzando un modello fisico semplificato che tratta il piano come un mezzo continuo di roccia semi-infinita, gli autori hanno calcolato come si diffondono gli sforzi verticali, orizzontali e di taglio sotto l’area estratta. Hanno trovato che lo sforzo verticale è massimo appena sotto i pilastri di carbone e diminuisce con la profondità, riducendosi rapidamente nei primi cinque metri e poi più gradualmente. In profondità nel piano, lo sforzo tende a ritornare verso il livello naturale esistente prima dell’inizio dell’estrazione.

Un modello distintivo degli sforzi sotterranei

Per una miniera reale nello Shanxi, Cina, il team ha inserito nelle loro equazioni le proprietà locali della roccia e la profondità—circa 730 metri sotto terra—e ha poi utilizzato simulazioni numeriche per verificare i risultati. Entrambi gli approcci hanno mostrato che lo sforzo verticale sotto la zona estratta forma, se visto in sezione attraverso il piano, un caratteristico profilo a “M”: due picchi elevati sotto i pilastri di carbone e un avvallamento più basso sotto il centro del goaf. Spostandosi più in profondità nel piano, questi picchi si attenuano e il campo di sforzo complessivo diventa più uniforme. I calcoli hanno anche indicato che la caduta più rapida dello sforzo aggiuntivo avviene intorno ai 10 metri sotto il piano. Oltre tale profondità, le perturbazioni legate all’estrazione si affievoliscono e la roccia si comporta più come terreno indisturbato.

Scelta della profondità e della posizione migliori

Poiché le gallerie di drenaggio del gas devono trovarsi nel piano al di sotto della seam di carbone, la loro posizione rispetto a questo campo di sforzi variabile è cruciale. Usando una formula consolidata per il collasso della roccia, gli autori hanno stimato che l’estrazione potrebbe danneggiare il piano per circa 16,5 metri di profondità. Per rimanere al di sotto di questa zona fratturata ma comunque abbastanza vicino per un drenaggio efficace del gas, hanno selezionato una profondità della galleria di 17 metri sotto la seam. Successivamente, hanno testato quattro diverse posizioni orizzontali nei modelli al computer: direttamente sotto il centro dell’area estratta, leggermente all’interno del pilastro di carbone, esattamente sotto il bordo del pilastro e 30 metri all’esterno del pilastro. Per ciascun caso hanno esaminato i picchi di sforzo verticale e orizzontale e la dimensione e la forma delle zone plastiche (roccia permanentemente danneggiata) attorno alla galleria.

Trovare il punto più tranquillo sottoterra

Le simulazioni hanno rivelato che ogni posizione della galleria sperimenta un ambiente di sforzo molto diverso. Una galleria posta direttamente sotto il fronte di lavoro incontra carichi verticali e orizzontali elevati e una grande zona di danno a forma di farfalla nella roccia circostante. Spostare la galleria verso l’interno sotto il pilastro di carbone riduce lo sforzo verticale ma può comunque lasciare danni consistenti sopra e sotto. Posizionare la galleria proprio al bordo del pilastro crea sforzi sbilanciati da un lato all’altro, con rischio di deformazione asimmetrica. Al contrario, la galleria spostata di 30 metri al di fuori del pilastro di carbone si trova in una zona relativamente calma: sia i picchi di sforzo verticale sia quelli orizzontali sono più bassi, e l’involucro di roccia danneggiata è spesso solo circa 2 metri, il più sottile tra tutte le opzioni.

Verifiche sul campo in una miniera operativa

Per verificare se il progetto funziona nella pratica, i ricercatori hanno monitorato una galleria di drenaggio del gas costruita a 17 metri sotto il piano e spostata di 30 metri dal pilastro di carbone nella miniera dello Shanxi. Utilizzando sonde ultrasoniche e telecamere da foro, hanno misurato quanto le fratture si estendessero nella roccia circostante e hanno seguito come si muovevano nel tempo pareti, volta e piano della galleria. La zona fratturata ha raggiunto un massimo di circa 1,9 metri—molto vicino ai 2 metri previsti dalle simulazioni—e le deformazioni della galleria si sono rallentate e stabilizzate dopo alcune settimane, rimanendo entro limiti accettabili. Questa stretta corrispondenza tra teoria, modelli al computer e dati di campo dà fiducia che la disposizione proposta offra un modo robusto per mantenere stabili le gallerie di estrazione profonde pur soddisfacendo le esigenze di drenaggio del gas.

Cosa significa per l’estrazione futura

In termini pratici, lo studio mostra che il punto in cui si colloca una galleria sotto una seam di carbone può fare la differenza tra un passaggio che si assesta lentamente e uno pesantemente danneggiato. Comprendendo come l’estrazione rimodella il “paesaggio di pressioni” nascosto nel piano, gli ingegneri possono posizionare deliberatamente le gallerie appena oltre le zone di maggiore compressione e fratturazione. Per seam di carbone profonde e ad alto sforzo simili a quelle dello Shanxi, collocare le gallerie di estrazione a circa 17 metri sotto il piano e a circa 30 metri di distanza dai pilastri di carbone sembra offrire un compromesso più sicuro e più economico tra controllo del gas e stabilità strutturale.

Citazione: Chen, X., Ma, R., Zhou, Y. et al. Instability mechanism of deeply buried coal seam floor under mining effects and optimization of extraction roadway layout. Sci Rep 16, 8558 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39341-6

Parole chiave: estrazione del carbone in profondità, stabilità del piano roccioso, galleria di drenaggio del gas, ridistribuzione degli sforzi, sicurezza mineraria