Studio sull'influenza dello scarico di tensione nel goaf di una seam di carbone vicina e del disturbo dell'escavazione della galleria sulle rocce circostanti

Perché lo stress sotterraneo è importante

Le miniere moderne devono raggiungere profondità sempre maggiori per sfruttare le rimanenti riserve di carbone, dove il comportamento delle rocce è complesso e talvolta imprevedibile. Quando una grande galleria viene realizzata al di sotto di una seam di carbone precedentemente estratta, la roccia circostante può collassare o rimanere stabile a seconda di come le sollecitazioni si redistribuiscono attraverso gli strati. Questo studio analizza un progetto reale nell'est della Cina per capire come una zona vuota e collassata lasciata dall'estrazione precedente possa in realtà contribuire a proteggere una nuova galleria extra‑larga sottostante, e quali tipi di ancoraggi mantengono il tetto della galleria sicuro per gli operatori.

Strati di roccia sopra una galleria larga

I ricercatori si sono concentrati su una grande galleria nota come open‑off cut, che è circa il doppio della larghezza di una tipica galleria mineraria e si trova a 12–18 metri sotto una seam di carbone precedentemente estratta. Tra gli strati di carbone si trovano banchi di arenaria, siltstone e mudstone, ognuno con resistenze diverse. Attraverso carotaggi e la valutazione della qualità delle carote, il team ha rilevato che alcuni strati di copertura avevano resistenza moderata, mentre altri, specialmente vicino al piano della seam vecchia, erano molto deboli e fortemente fratturati. Conoscere quali strati sono robusti e quali fragili è essenziale, perché questi strati insieme formano la trave di roccia che deve ponteggiare la nuova apertura.

Come una seam estratta modifica il carico

Utilizzando simulazioni numeriche, gli autori hanno ricostruito la sequenza di scavo della seam superiore e successivamente dell'escavazione della galleria inferiore. Una volta estratta la seam superiore, è rimasto un goaf—una zona vuota parzialmente riempita da materiale di copertura collassato. Questo goaf non ha aumentato la pressione sulla galleria inferiore; al contrario, ha funzionato come una zona di scarico delle tensioni. La roccia compresa tra il piano del goaf e il tetto della nuova galleria ha sperimentato sollecitazioni molto più basse, tipicamente solo pochi megapascal, rispetto alla roccia fortemente caricata ai lati. Una fascia di roccia spessa tre metri tra le due aperture è rimasta intatta, e le lunghe funi di ancoraggio del tetto ancorate al di sopra della galleria sono rimaste in roccia compressa e stabile, mentre i bulloni più corti hanno operato in una zona di trazione più vicina all'apertura.

Gallerie modello e collasso lento del tetto

Per verificare fisicamente queste ipotesi, il team ha costruito un modello in scala di circa un metro degli strati di roccia e delle seam usando materiali a base di sabbia. Hanno prima scavato la seam superiore nel modello e poi aumentato lentamente il carico dall'alto per simulare un seppellimento più profondo. All'aumentare del carico, il tetto sopra la seam superiore si è progressivamente disgregato da una trave rigida in blocchi articolati e poi in un arco tipo muratura di roccia caduta. Quando il carico ha superato una certa soglia, il tetto superiore è collassato completamente, formando un cumulo stabile con i fianchi inclinati di circa 60–65 gradi. Sensori posizionati vicino alla futura posizione della galleria hanno mostrato che le sollecitazioni nel piano sotto il goaf sono passate dalla compressione alla trazione per poi stabilizzarsi su valori costanti, confermando che la zona estratta aveva in gran parte scaricato il carico.

Osservare l'accumulo di sollecitazioni durante l'espansione della galleria

I ricercatori hanno quindi simulato l'escavazione della grande galleria stessa a tappe, rispecchiando la sequenza di scavo sotterranea. I rilevatori di sforzo nel modello del tetto hanno mostrato che ogni fase di ampliamento ha generato una nuova ondata di disturbo, con sollecitazioni normali e di trazione che si alternavano prima di stabilizzarsi gradualmente. Il centro del tetto, direttamente sopra la galleria, ha registrato le massime sollecitazioni di trazione, e queste sono aumentate ulteriormente quando è stato applicato un carico supplementare dall'alto. Tuttavia, questa zona ad alta trazione si trovava per lo più nell'ambito d'azione dei bulloni più corti, mentre le funi più lunghe erano ancorate in roccia compressa più profonda che fungeva da spina dorsale solida. Le osservazioni in sito con una telecamera da sondaggio nella miniera reale hanno supportato questo quadro: si sono osservate solo poche fessure circolari nel tetto e la maggior parte della roccia intorno all'apertura è rimasta intatta.

Implicazioni per una estrazione profonda più sicura

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che una seam estratta sopra una nuova galleria non è sempre una minaccia; se compresa correttamente, può effettivamente alleviare la pressione e contribuire a proteggere l'apertura sottostante. In questo caso, il goaf sopra la grande galleria ha creato un buffer a bassa sollecitazione, mentre una progettazione accurata di bulloni e funi ha assicurato che gli strati deboli e fratturati vicino alla galleria fossero collegati a roccia più resistente in alto. Combinando carotaggi, modellazione numerica, modelli di laboratorio in scala e verifiche con telecamera in sito, lo studio dimostra che anche gallerie sotterranee molto larghe possono rimanere stabili in condizioni profonde quando gli strati rocciosi e i percorsi di sollecitazione sono mappati a fondo e il supporto è tarato sulle reali zone di sollecitazione.

Citazione: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

Parole chiave: estrazione del carbone sotterranea, stabilità delle rocce, supporto delle gallerie, scarico di tensione nel goaf, gallerie profonde