Studio sulla legge di distribuzione del campo di sollecitazione sotto un pilastro di carbone isolato in una barra di carbone ravvicinata e sulla posizione ragionevole della galleria

Perché conta la forma del campo di sollecitazione sotterraneo

In profondità, le miniere di carbone si affidano a gallerie strette per spostare persone, attrezzature e aria. In molti giacimenti cinesi più strati di carbone sono molto vicini tra loro, quindi quando uno strato viene sfruttato la roccia sovrastante e sottostante viene disturbata. Questo studio analizza cosa accade sotto un “isolotto” residuo di carbone in uno strato superiore e pone una domanda pratica dalle conseguenze critiche: dove dovrebbero collocare gli ingegneri la galleria nel livello inferiore affinché rimanga stabile e sicura nel tempo?

Stratificazione della roccia e pilastri residui

I ricercatori si sono concentrati su una miniera nella provincia di Guizhou, in Cina, dove uno strato superiore (denominato No. 1) è già stato estratto, lasciando un pilastro di carbone spesso e isolato tra due cavità collassate e compattate (goaf). Circa 12 metri più in basso si trova un sottile strato inferiore (No. 3), dove deve essere scavata una nuova galleria di coltivazione. Poiché gli strati sono ravvicinati e la miniera è profonda, le sollecitazioni causate dall’estrazione precedente non scompaiono semplicemente: si concentrano attorno al pilastro isolato e si trasmettono verso il basso attraverso la roccia, modificando il comportamento dello strato inferiore. Comprendere questo schema è cruciale per decidere la posizione della galleria in modo che la roccia circostante si deformi gradualmente anziché collassare violentemente.

Mappare forze invisibili nella roccia

Per seguire come la sollecitazione si propaga nella roccia sotto il pilastro, il team ha combinato tre approcci. In primo luogo hanno costruito un modello meccanico analitico che considera la roccia sotto lo strato superiore come un mezzo elastico caricato dal peso delle sovrastanti formazioni, dal pilastro di carbone e dal materiale compattato nei vuoti di estrazione. Questo modello fornisce formule per come variano con la profondità le tensioni orizzontali, verticali e di taglio. Poi hanno utilizzato FLAC3D, un noto programma di simulazione numerica, per creare una miniera digitale tridimensionale completa del pilastro superiore, dei goaf e dello strato inferiore. Infine hanno confrontato i risultati teorici e numerici con osservazioni di campo e dati misurati nella miniera reale. I due metodi concordano bene, mostrando una forte concentrazione di sollecitazioni ai bordi del pilastro isolato e un caratteristico schema a sella nelle tensioni della roccia del piano di fondo.

Trovare la zona calma sotto il pilastro

Le simulazioni hanno rivelato che la sollecitazione dal pilastro isolato non si imprime semplicemente verso il basso. Si dispiega invece nel piano di fondo in modo inclinato e si attenua progressivamente con la profondità. Vicino allo strato superiore le differenze tra le principali tensioni di compressione sono ampie e mostrano un doppio picco ai lati della linea centrale del pilastro. Più in profondità questo doppio picco si evolve in un singolo picco più piatto. È significativo che, al livello dello strato No. 3 inferiore direttamente sotto il centro del pilastro, la differenza tra le tensioni principali sia relativamente piccola — nettamente inferiore rispetto a sotto i bordi del pilastro o vicino ai confini dei goaf. Ciò indica che la roccia lì è meno incline a intensi slittamenti e fessurazioni, suggerendo una naturale “zona calma” per collocare la galleria.

Come la posizione della galleria cambia il danno alla roccia

Per testare l’effetto della posizione della galleria sui danni, gli autori hanno simulato tunnel scavati a diversi spostamenti laterali rispetto al pilastro. Hanno esaminato due quantità correlate: la sollecitazione deviatoria (che guida le deformazioni di forma) e la zona plastica (dove la roccia ha ceduto e ha subito danno permanente). Quando la galleria era posizionata direttamente sotto la linea centrale del pilastro, il campo di sollecitazione deviatoria intorno a essa era quasi simmetrico e la zona plastica assumeva un alone compatto, approssimativamente ellittico, focalizzato su volta e lati. Spostando la galleria passo dopo passo verso uno dei lati, il campo di sollecitazione ruotava e si allungava e la zona plastica si trasformava da quell’ellisse ordinata in una forma distorta a “farfalla” che si estendeva verso il piano del goaf vicino. In queste posizioni decentrate, le zone danneggiate si collegavano con regioni indebolite sopra, aumentando notevolmente il rischio di deformazioni ampie e irregolari e rendendo il supporto molto più difficile.

Scegliere la zona più sicura per la galleria

Sulla base di questa intuizione, i ricercatori hanno usato un quadro concettuale di “cedimento a forma di farfalla” per dividere la regione potenziale della galleria in tre zone basate su due indicatori: il rapporto tra le tensioni principali e la loro differenza. Una zona è dominata da un alto rapporto di tensione ed è soggetta a cedimenti instabili di tipo farfalla; un’altra è fortemente influenzata da entrambi gli indicatori ed è la peggiore per la disposizione della galleria. La terza, chiamata R-III, corrisponde a posizioni in cui sia il rapporto di tensione sia la differenza di tensione sono relativamente piccoli. Nel caso studio, questa zona ottimale si trova direttamente sotto il pilastro di carbone isolato. Una galleria scavata lì, sostenuta con lunghe cable di ancoraggio per la volta e bulloni, ha mostrato deformazioni gestibili nel monitoraggio di campo: chiusura volta-piano e convergenza laterale sono rimaste entro limiti accettabili in un periodo di osservazione di 40 giorni. Per il lettore non specialistico, il messaggio chiave è che “nascostando” la galleria nella parte più calma di un complesso campo di sollecitazione — proprio sotto il pilastro anziché al suo lato — gli ingegneri possono migliorare significativamente la sicurezza e ridurre i problemi di manutenzione in giacimenti profondi con strati ravvicinati.

Citazione: Shu, S., Wang, W., Liu, C. et al. Study on the mining stress field distribution law beneath isolated coal pillar in close coal seam and reasonable location of the roadway. Sci Rep 16, 12281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40452-3

Parole chiave: pilastro di carbone, galleria sotterranea, tensioni nella roccia, stabilità della miniera, simulazione numerica