Ricerca sull’analisi di stabilità e sulla tecnologia di controllo delle gallerie nel fronte di lavoro sottostante a “isola” isolata

Perché le vie sotterranee sono importanti

In profondità nel nord della Cina, i minatori di carbone dipendono dalle vie sotterranee per spostare persone, aria e attrezzature. Se questi tunnel si deformano o collassano, la miniera deve rallentare o fermarsi, mettendo a rischio i lavoratori e minacciando una fonte energetica importante. Questo articolo esamina una situazione particolarmente complessa: un pannello di carbone che si trova come un “isolotto” sotto aree già minerate e pilastri di carbone residui. Gli autori mostrano come gli sforzi provenienti da questi vecchi lavori si concentrino nella roccia e quindi progettano un sistema di sostegno che mantiene la nuova galleria stabile e sicura.

Strati di vecchi e nuovi lavori

Lo studio si concentra sulla miniera di carbone di Yanghuopan nella provincia di Shaanxi, dove un lungo e stretto pannello di carbone — chiamato fronte di lavoro 30.119 — giace sotto un altro strato già estratto. Sopra vi sono vuoti (goaf) e blocchi solidi di carbone lasciati come pilastri. Questa disposizione crea un fronte “a isola” circondato su tre lati da zone già estratte. La galleria in esame, che convoglia l’aria di ventilazione di ritorno dal fronte, deve passare sotto sia aree a basso stress (goaf) sia sotto pilastri residui ad alto stress. Poiché le rocce di volta e di pavimento sono arenarie e siltiti relativamente robuste, ma il campo di sollecitazione è altamente disomogeneo, uno schema di sostegno unico sarebbe pericoloso e inefficiente.

Come i pilastri residui spingono sugli strati inferiori

I ricercatori utilizzano innanzitutto la teoria della meccanica delle rocce per capire come la forza dai pilastri di carbone superiori venga trasmessa verso il basso. Considerano un pilastro come una striscia di roccia caricata che preme su un pavimento molto più spesso e calcolano come questo carico concentrato si disperda con la profondità. La loro analisi mostra che direttamente sotto un pilastro residuo il giacimento inferiore subisce uno sforzo verticale circa 1,6 volte superiore al livello naturale di fondo, e questa influenza si estende per oltre 60 metri lateralmente lungo il giacimento inferiore. In altre parole, benché lo strato superiore sia già stato estratto, il pilastro residuo continua a concentrare peso sulle rocce e sui tunnel sottostanti, creando zone distinte di incremento e di sollievo dello stress.

Simulare stress, danni e spostamenti

Per vedere come queste forze si manifestano intorno alla galleria, il team costruisce un modello tridimensionale degli strati rocciosi e della sequenza di scavo usando software di simulazione numerica. Essi “estraggono” lo strato superiore per creare goaf e pilastri, quindi simulano lo scavo dello strato carbonifero inferiore 3–1 e l’avanzamento a tappe del fronte 30.119. Il modello rivela cinque chiare regioni sotto i lavori superiori: due zone a basso stress sotto i goaf, due zone di forte concentrazione sotto il primo e il secondo pilastro residuo, e una zona a stress normale sotto il carbone non estratto. Man mano che il fronte inferiore avanza, il picco di carico aggiuntivo davanti ad esso compare costantemente a circa otto metri davanti al fronte, ma la sua entità varia fortemente in funzione della posizione: gli sforzi sono maggiori sotto il primo pilastro residuo e leggermente inferiori sotto il secondo.

Dove la galleria soffre di più

Le simulazioni tracciano anche quanto la roccia intorno alla galleria ceda o si fessuri (la “zona plastica”) e quanto la volta e le pareti si muovano verso l’interno. Quando la galleria si trova sotto aree di sollievo dello stress, le fasce danneggiate intorno ad essa sono relativamente superficiali e le deformazioni sono modeste. Sotto il primo pilastro residuo, tuttavia, il carico concentrato e la pressione dell’avanzamento del fronte si combinano per approfondire la zona fratturata nella volta e nelle pareti laterali e per provocare cedimenti della volta e convergenze delle pareti molto maggiori. Sotto il secondo pilastro la risposta è ancora seria ma più attenuata: il movimento della volta è circa la metà rispetto a quello sotto il primo pilastro, e lo spostamento della parete di carbone solido diminuisce di oltre tre quarti. Questi contrasti confermano che il comportamento della galleria è controllato non solo dal tipo di roccia ma dalla complessa storia di sollecitazioni imposta dalle estrazioni passate.

Progettare il sostegno dove serve davvero

Guidati da questi risultati, gli autori suddividono la galleria in due tipi di zone di controllo. Nei tratti sotto i goaf e a stress quasi normale adottano uno schema di sostegno convenzionale con tiranti per roccia, ancoraggi con cable e reti. Nelle porzioni ad alto stress influenzate dai pilastri residui rafforzano il progetto: tiranti di volta più ravvicinati, ancoraggi a cable lunghi disposti con uno schema di rinforzo e aggiunta di tiranti alle pareti laterali per “cucire” insieme il pilastro di carbone e i bordi della galleria. Verificano quindi le prestazioni in sotterraneo monitorando l’assestamento della volta, la convergenza delle pareti e i carichi supportati da tiranti e cable in diverse stazioni durante l’avanzamento del fronte. Il cedimento misurato della volta rimane nell’ordine di circa un centimetro e la chiusura delle pareti entro pochi millimetri, mentre i carichi sui sistemi di sostegno restano ben al di sotto della loro capacità, indicando un margine di sicurezza confortevole.

Cosa significa per una miniera più sicura

In termini pratici, lo studio dimostra che le gallerie sotto pannelli a isola isolata possono essere mantenute stabili se gli ingegneri mappano prima come i pilastri e i goaf vecchi rimodellano il campo di sollecitazioni e poi adattano il sostegno a ciascuna zona. Piuttosto che sovra-rinforzare ovunque o rischiare il cedimento in punti caldi nascosti, l’approccio concentra sostegni pesanti dove lo stress è massimo e utilizza sistemi più leggeri dove la roccia è naturalmente alleggerita. Il risultato a Yanghuopan è una galleria che resta aperta e utilizzabile durante l’avanzamento delle estrazioni, offrendo un modello per altre miniere che devono lavorare nuovi strati di carbone sotto reti complesse di lavori precedenti.

Citazione: Gao, X., Wang, Y. & Li, YM. Research on stability analysis and control technology of roadways in the underlying isolated island working face. Sci Rep 16, 9903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40307-x

Parole chiave: stabilità delle gallerie delle miniere di carbone, fronte di lavoro a isola isolata, stress dei pilastri di carbone residui, simulazione numerica dell’estrazione, progettazione del sostegno sotterraneo