Ricerca sulla tecnologia integrata di ricostruzione della struttura portante e controllo di supporto in aree ad alto rischio della galleria di carbone di testa in giacimento spesso

Perché le gallerie del carbone più sicure sono importanti

In profondità, all’interno di giacimenti di carbone spessi, gli operatori percorrono e trasportano carbone attraverso lunghe gallerie sotterranee. In alcune aree queste gallerie sono soggette ad abbassamenti del tetto, sfaldamento delle pareti e cadute improvvise di carbone e rocce, mettendo a rischio i minatori e rallentando la produzione. Questo studio analizza perché questi problemi sono particolarmente gravi in determinati tratti ad alto rischio e testa un nuovo approccio per rinforzare il materiale circostante in modo che le gallerie rimangano più sicure e stabili nel tempo.

Dove ha origine il problema

La ricerca si concentra su una larga galleria in una miniera di carbone cinese che attraversa un giacimento molto spesso. In questo contesto la galleria passa attraverso carbone invece che attraverso roccia resistente, e il carbone sopra e ai lati dell’apertura è debole e fratturato. Faglie naturali nella roccia e l’elevato carico degli strati sovrastanti concentrano gli sforzi attorno alla galleria, causando separazione del tetto, distacchi, rigonfiamento delle pareti laterali e la necessità di riparazioni continue. I metodi di supporto precedenti, come semplici iniezioni di malta e barriere con tubi, spesso fallivano perché la malta non riusciva a penetrare il carbone compatto e non poteva creare una struttura di supporto forte e unificata.

Come la galleria si muove e si deforma

Per comprendere questo comportamento, il team ha combinato misurazioni sul campo, prove di laboratorio e modellazione meccanica. Hanno trattato il carbone sopra il tetto della galleria come una trave caricata e dimostrato che l’abbassamento del tetto aumenta molto rapidamente con l’aumento della larghezza della galleria e con l’indebolimento del carbone. Hanno inoltre riscontrato che tetto e pareti non si deformano in modo isolato. Quando il carbone laterale si ammorbidisce e si spinge verso l’interno, amplia di fatto l’apertura, il che a sua volta aumenta l’abbassamento del tetto. A loro volta, ulteriori movimenti del tetto comprimono ancora di più le pareti laterali. Questo movimento connesso di sopra e lateralmente aiuta a spiegare perché il supporto locale, pezzo per pezzo, spesso fallisce nei giacimenti di carbone spessi.

Prove con gallerie virtuali

Utilizzando simulazioni tridimensionali al computer, i ricercatori hanno variato due fattori chiave: lo spessore del carbone lasciato sopra la galleria e la resistenza di quel carbone. Aumentare lo spessore dello strato di carbone sopra il tetto ha incrementato l’abbassamento del tetto ma ridotto il sollevamento del piano; il movimento delle pareti è cambiato poco. Aumentare la resistenza del carbone soprastante ha ridotto drasticamente sia l’abbassamento del tetto sia lo spostamento verso l’interno delle pareti, sebbene il modello di sforzo complessivo sia cambiato solo leggermente. I calcoli hanno mostrato che le fratture e le zone plastiche nella roccia si formano inizialmente vicino al tetto e poi si estendono in profondità, con danni caratteristici a forma di “farfalla” vicino alle pareti laterali, evidenziando la necessità di rinforzare una zona ampia piuttosto che solo un sottile strato superficiale.

Un nuovo modo per puntellare le aree deboli

Guidati da questa comprensione, gli autori hanno progettato un sistema di supporto combinato che usa tubi di scavo con iniezione preventiva di malta e una rete di bulloni e trefoli. Prima di avanzare la galleria in un’area a rischio, gli operatori perforano file di tubi d’acciaio nel carbone davanti al fronte e pompano una malta a presa rapida. Questa malta indurisce rapidamente dentro e attorno ai tubi, ricucendo le fratture e trasformando il carbone frammentato in un blocco più solido. Man mano che l’escavazione procede, bulloni e trefoli collegano il tetto e le pareti rinforzate in un unico telaio portante. I modelli al computer di varie configurazioni hanno mostrato che uno spaziamento moderato dei tubi forniva una riduzione del movimento quasi equivalente a una disposizione molto densa, ma con costi minori.

Prove nella miniera operativa

Il team ha quindi applicato lo schema scelto nella galleria reale. Hanno monitorato l’abbassamento del tetto, la convergenza delle pareti laterali, il sollevamento del piano, la separazione degli strati rocciosi e le forze nei bulloni e nei trefoli. Dopo l’escavazione e il supporto con il nuovo metodo, l’abbassamento del tetto è rimasto intorno a 110 mm, il movimento delle pareti laterali intorno a 80 mm e il sollevamento del piano è stato molto contenuto. La separazione degli strati sopra il tetto è rimasta molto al di sotto dei livelli di allarme e i carichi nei bulloni e nei trefoli sono diventati stabili e inferiori rispetto al vecchio progetto. Poiché la malta acquisiva resistenza in pochi minuti, le squadre potevano avanzare più volte più rapidamente rispetto a prima mantenendo una distanza di sicurezza tra il fronte di scavo e la zona rinforzata.

Cosa significa per i minatori

In termini semplici, lo studio mostra che rendere il carbone debole intorno a una galleria comportarsi come un arco e pareti ben vincolati può ridurre notevolmente le cadute e i crolli pericolosi. Rinforzando in anticipo il carbone con tubi iniettati e poi collegando tetto e lati con bulloni e trefoli, la galleria può sostenere il carico sovrastante con movimenti minori e forze di supporto inferiori. Gli autori sostengono che questo approccio integrato offre una guida pratica per scavi più sicuri ed efficienti in giacimenti di carbone spessi con condizioni geologiche simili, riducendo sia i rischi per la sicurezza sia le esigenze di manutenzione nell’estrazione sotterranea di carbone.

Citazione: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

Parole chiave: stabilità gallerie carbonifere, supporto del tetto, rinforzo per iniezione, bulloni e trefoli, sicurezza nell’estrazione sotterranea