Meccanismi di evoluzione dell’energia e prevenzione dei rischi nel granito profondo soggetto a carico ciclico: uno studio di caso dalla miniera d’oro di Sanshandao

Perché la roccia profonda è importante per la sicurezza sotterranea

Con l’esaurirsi dei giacimenti auriferi più facili da sfruttare, le aziende sono costrette a seguire il minerale a chilometri di profondità, dove la roccia è compressa da forze enormi. In queste condizioni estreme, i tunnel possono incrinarsi improvvisamente, perdere blocchi di roccia o addirittura esplodere violentemente, mettendo i minatori a serio rischio. Questo studio esamina come il granito duro in profondità immagazzina e rilascia energia durante lo scavo e come supporti più intelligenti e in grado di assorbire energia possano trasformare guasti potenzialmente violenti in movimenti gestibili e controllati.

Forze nascoste in una miniera d’oro profonda

La ricerca si concentra sulla miniera d’oro di Sanshandao in Cina, dove i tunnel si trovano oltre un chilometro sotto la superficie. Gli autori hanno prima misurato lo stato di sforzo naturale nella roccia circostante perforando fori e rilasciando con cura la pressione in sito. Hanno scoperto che la roccia è compressa più dai lati che dall’alto, con forze orizzontali molto più forti del carico verticale dovuto al peso delle rocce soprastanti. Questi sforzi aumentano approssimativamente in modo lineare con la profondità, creando un campo di sforzo a dominio orizzontale che determina come i tunnel si deformano e collassano man mano che l’attività mineraria avanza.

Ricreare le condizioni profonde della Terra in laboratorio

Per comprendere come questa roccia sollecitata si comporti quando viene caricata e scaricata ripetutamente dal ciclo di scavo, il team ha ricavato blocchi di granito dalla miniera e li ha testati in una macchina di caricamento a tre direzioni costruita ad hoc. Questo dispositivo può controllare indipendentemente la pressione in tre direzioni, riproducendo il vero stato di sforzo sotterraneo invece di una versione semplificata. Hanno simulato condizioni equivalenti a profondità da 500 a 2000 metri e hanno ripetutamente compresso e rilasciato i campioni lungo un asse mantenendo costanti le altre due direzioni, monitorando come il granito si deformava, incrinava e infine falliva attraverso numerosi cicli di carico.

Come la roccia immagazzina e dissipa energia

Gli esperimenti mostrano che il granito sottoposto a carico ripetuto non si comporta semplicemente come una banda elastica che ritorna alla forma originaria. Piuttosto, la deformazione permanente si accumula principalmente lungo le direzioni di massima compressione ed espansione, crescendo approssimativamente in modo esponenziale a ogni ciclo, mentre la direzione intermedia cambia più gradualmente. Dal punto di vista energetico, una parte del lavoro applicato alla roccia viene immagazzinata come energia elastica recuperabile e una parte viene irrecuperabilmente dissipata in processi quali microfratturazione e attrito dovuto allo scorrimento dei grani. Nelle fasi iniziali di carico, il granito accumula principalmente energia in modo elastico; man mano che gli sforzi si avvicinano al punto di snervamento, una quota maggiore dell’energia in input viene deviata verso il danneggiamento, con formazione e connessione delle fratture. Vicino e oltre la resistenza di picco, gran parte dell’energia addizionale è consumata da ulteriori danni anziché rilasciata improvvisamente, rivelando un meccanismo di “conversione dell’energia indotta da danno” che può sia attenuare sia favorire il collasso a seconda del tipo di supporto presente.

Trasformare le informazioni energetiche in supporti migliori

Sulla base di questi risultati, gli autori propongono di progettare i sostegni dei tunnel considerando l’energia più che la sola resistenza. Stimano quanta energia addizionale si accumula nella zona danneggiata della roccia attorno a un tunnel quando viene scavato sotto elevato sforzo. I sistemi di supporto—in particolare i bulloni di ancoraggio—vengono quindi scelti in modo che la loro capacità totale di assorbimento energetico superi questo valore con un margine di sicurezza. A Sanshandao hanno ottimizzato bulloni a frizione del tipo “split‑set” regolando dimensioni e lunghezza e iniettando all’interno dei tubi una malta chimica attivata dall’acqua, che si espande e indurisce per premere i bulloni più saldamente contro la roccia. Prove di trazione sul campo hanno mostrato che questi bulloni migliorati possono assorbire molta più energia prima del cedimento rispetto ai progetti standard.

Tunnel profondi più sicuri grazie a un controllo energetico più intelligente

Quando il sistema di supporto migliorato e assorbente di energia è stato installato in una galleria di trasporto a 1050 metri di profondità, il monitoraggio condotto per 12 giorni ha mostrato che sia i carichi sui bulloni sia i livelli di vibrazione sono diminuiti e si sono stabilizzati, e problemi come distacchi dalle pareti e collassi localizzati si sono ridotti sensibilmente. In termini semplici, il granito intorno al tunnel continua a immagazzinare energia sotto elevato sforzo, ma i supporti rinforzati e più duttili ora assorbono e dissipano una larga parte di quell’energia mediante deformazione controllata invece di permettere che alimenti rotture improvvise e violente. Questo approccio progettuale basato sull’energia offre una strada pratica verso un’estrazione profonda più sicura e affidabile ovunque gli ingegneri debbano creare aperture in rocce dure e fortemente sollecitate.

Citazione: Yin, Y., Ye, H., Peng, C. et al. Energy evolution mechanisms and hazard prevention in deep granite under cyclic loading: a case study from Sanshandao gold mine. Sci Rep 16, 8775 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40308-w

Parole chiave: estrazione in profondità, prevenzione del rockburst, scavo nel granito, strutture assorbienti di energia, carico ciclico