Angolo di perforazione ragionevole e applicazione tecnologica per il pre-fratturamento di coperture spesse e dure prima della costruzione di gallerie laterali al goaf in seam ultra-spessi

Rendere l’estrazione del carbone profondo più sicura

In alcune delle più grandi miniere di carbone della Cina, le gallerie sotterranee devono rimanere aperte proprio accanto ai grandi spazi vuoti lasciati dall’estrazione del carbone. Questi passaggi, detti gallerie laterali al goaf, sono fondamentali per ventilazione e trasporto. Ma quando sopra queste aperture pende una “copertura” di roccia molto spessa e rigida, questa può rompersi improvvisamente e crollare, schiacciando i supporti e deformando le gallerie. Questo studio esplora un modo per indebolire preventivamente quella copertura resistente, impiegando perforazioni con angolazioni calcolate e fratturazione a base di anidride carbonica, in modo che la roccia si rompa in modo controllato verso il goaf invece che violentemente sopra la galleria.

Perché le coperture spesse sono una minaccia nascosta

Nei seam ultra-spessi, superiori a 20 metri, l’estrazione lascia dietro di sé grandi cavità vuote. Sopra di esse, uno strato sottile e debole si trova al di sotto di una copertura rocciosa molto più spessa e resistente. Poiché il materiale frantumato nella zona estratta (il goaf) non riempie completamente lo spazio, la copertura spessa può formare una lunga mensola rigida che si spinge nel carbone rimasto a sostenere la galleria. Quando questa lastra sporgente alla fine si rompe e ruota, imprime carichi aggiuntivi alle pareti e al pavimento della galleria, incurvando travi in acciaio, spezzando tiranti, comprimendo pilastri di carbone e talvolta quasi chiudendo il passaggio. Osservazioni di campo nella miniera di Madaotou hanno documentato un grave abbassamento della volta, distacchi delle pareti e rigonfiamento del pavimento in queste condizioni quando non è stato applicato alcun trattamento preventivo della copertura.

Far rompere la copertura dove causa meno danno

Gli autori propongono di ribaltare il problema: invece di reagire dopo il cedimento della copertura, fratturarla deliberatamente in anticipo, prima di realizzare la nuova galleria laterale al goaf. Perforando lunghe canne da una galleria adiacente con un angolo scelto e poi fratturando la roccia lungo queste sedi, è possibile indurre i blocchi rocciosi chiave a rompersi e collassare nell’area già scavata anziché sopra la nuova galleria. Utilizzando un modello strutturale che tratta la sovrastante massa rocciosa come una pila di travi, gli autori mostrano che l’angolo di questi pre-tagli determina dove si verifica la rottura della copertura, come questa si flette e come le forze si trasferiscono lateralmente nel carbone. Quando la direzione della frattura guida i blocchi verso il goaf, la galleria è caricata principalmente da una flessione più dolce della roccia più lontana, invece che da una rigida mensola direttamente sopra.

Determinare il migliore angolo di perforazione

Per passare dal concetto a regole di progetto, il team ha sviluppato un modello matematico dettagliato di come i blocchi di copertura si flettono e spingono contro il fronte di carbone per diversi angoli di frattura. Hanno quindi usato simulazioni al computer (FLAC3D) per osservare come cambiano gli stati di sforzo e le zone di danno attorno alla galleria al crescere dell’angolo di perforazione, da nessun pre-fratturamento fino a 60°, 70°, 80°, 90° e leggermente oltre. Sono stati esaminati due indicatori chiave: la dimensione della zona plastica (permanentemente deformata) nel carbone e nella copertura, e una misura dell’energia di distorsione immagazzinata (J2) che segnala quanta «energia di molla» è pronta a essere rilasciata. All’aumentare dell’angolo di pre-fratturamento da 60° a 90°, la pressione laterale massima sulla parete di carbone è diminuita di circa il 18%, la zona di rottura plastica si è ridotta da circa 32 m a 20 m e J2 sia nel carbone sia nella copertura è diminuita sensibilmente. Tuttavia, quando l’angolo ha superato i 90°, i blocchi fratturati tendevano a spingere nuovamente più direttamente sulla galleria, allargando la zona danneggiata e comprimendo il carbone così gravemente da comprometterne la capacità portante.

Fratturare la copertura con CO2 supercritica

Guidati da questi calcoli, i ricercatori hanno selezionato un’altezza di frattura che raggiungeva lo strato di copertura chiave (circa 45 m sopra il seam) e un angolo di perforazione quasi verticale di 90° come ottimali. Nella galleria 2209 della miniera di Madaotou, hanno perforato gruppi di pozzi profondi sul lato più vicino al goaf e hanno utilizzato anidride carbonica in stato supercritico per fratturare la copertura. La CO2 viene immagazzinata come fluido denso in cartucce sigillate; quando viene attivata, si espande rapidamente in gas, aprendo le fratture nella roccia in modo più controllato e a basso shock rispetto agli esplosivi. Ispezioni di campo dei fori e test di iniezione d’acqua hanno confermato che le fratture si collegavano bene tra i fori, formando una fascia indebolita continua sopra la galleria che favoriva la caduta dei blocchi di copertura nel goaf man mano che il fronte di scavo avanzava.

Dal cedimento violento al movimento controllato

Confrontando due gallerie altrimenti simili — una senza pre-fratturamento e una con trattamento a base di CO2 — la differenza è stata marcata. Senza pre-fratturamento, l’abbassamento della volta raggiungeva quasi mezzo metro durante lo scavo e oltre un metro durante l’estrazione; pareti e pavimento si muovevano di centinaia di millimetri, richiedendo riparazioni ripetute. Con il pre-fratturamento a 90°, il movimento della volta durante lo scavo è sceso a pochi centimetri e durante l’estrazione le deformazioni di volta, pilastro di carbone, carbone intatto e pavimento sono state ridotte del 75–82%. Le pareti della galleria sono rimaste relativamente lisce, la copertura è rimasta integra e i cedimenti dei supporti sono stati rari. Per i non specialisti, la conclusione è chiara: scegliendo il giusto angolo di perforazione e pre-fratturando in anticipo la copertura dura, gli ingegneri possono «indicare» alla roccia dove rompersi — lontano dalla galleria anziché sopra di essa — trasformando un pericoloso cedimento improvviso in un assestamento del terreno più sicuro e controllato.

Citazione: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

Parole chiave: stabilità delle gallerie di miniere di carbone, pre-fratturamento della copertura, galleria laterale al goaf, fratturazione con CO2, seam di carbone ultra-spessi