Ottimizzazione della posizione e della sezione trasversale delle gallerie stradali sotto la sovrapposizione di pilastri residui di carbone e goaf adiacenti in filoni vicini

Perché le vie sotterranee sono importanti nella vita di tutti i giorni

Gran parte dell’elettricità che alimenta case, fabbriche e città proviene ancora dal carbone estratto in profondità. Per raggiungere in sicurezza quei filoni, gli ingegneri scavano lunghi cunicoli, o gallerie, nella roccia. Se questi cunicoli sono posizionati nel punto sbagliato o hanno una forma inadeguata, la roccia circostante può cedere, mettendo a rischio i minatori e interrompendo l’accesso a risorse preziose. Questo studio condotto in una miniera di carbone cinese esamina come scegliere sia la posizione più sicura sia la sezione trasversale più adeguata per tali gallerie quando più filoni si trovano vicini e una parte del filone superiore è già stata estratta.

Strati di roccia e carbone lasciato in sito

In molti giacimenti il carbone non si presenta in un unico strato spesso ma in più filoni impilati come una torta a strati. Nella miniera di Meihuajing, i filoni principali, chiamati No.2 e No.3, sono separati da appena 12 metri. Il filone superiore No.2 è già stato estratto in due grandi pannelli, ma tra essi è stato lasciato un blocco di carbone intatto largo 60 metri come pilastro di supporto. Ai lati di questo pilastro ci sono cavità scavate, chiamate goaf, crollate e ora riempite da materiale roccioso fratturato. Insieme, il pilastro solido e i goaf più deboli modificano il modo in cui il peso delle rocce soprastanti viene trasmesso al filone inferiore No.3, dove sono previste nuove gallerie.

Misurare il comportamento della roccia nel tempo

Gli autori hanno prima verificato se il pilastro di carbone superiore svolgeva il suo compito. Hanno monitorato una galleria esistente nel filone No.2 per circa due anni, dopo la fine delle attività di estrazione. Gli strumenti hanno registrato l’apertura del tetto e gli spostamenti di pareti e pavimento. Le misure hanno mostrato solo piccoli movimenti: aperture del tetto di circa uno‑due centimetri al massimo e convergenze laterali e del pavimento tipicamente intorno ai cinque‑dieci centimetri. Poiché nelle vicinanze non si svolgevano nuove attività di scavo, queste deformazioni lente e modeste riflettevano uno stato stazionario a lungo termine sotto carico statico. Ciò suggeriva che il pilastro largo 60 metri era sufficientemente resistente da sopportare il peso soprastante e mantenere in gran parte integra la struttura rocciosa sovrastante.

Tracciare il percorso delle forze nella roccia

Successivamente il team ha usato una teoria classica della meccanica delle rocce che tratta il materiale sotto il filone come uno spazio semispaziale elastico—un mezzo continuo profondo—e applica carichi in superficie per calcolare gli sforzi in profondità. Hanno rappresentato il pilastro di carbone e i goaf vicini come una serie di segmenti di carico semplificati, ciascuno con intensità diverse per riflettere la concentrazione di sforzo sotto il pilastro e l’alleggerimento di sforzo nelle zone crollate. Attraverso espressioni matematiche e strumenti informatici, hanno mappato gli sforzi verticali, orizzontali e di taglio nella roccia sottostante. I risultati hanno mostrato uno schema chiaro: direttamente sotto il pilastro solido gli sforzi si concentravano, mentre sotto i goaf diminuivano, formando una zona di riduzione dello sforzo. Nel filone inferiore No.3 lo sforzo verticale era massimo proprio sotto il pilastro e minimo a circa 13 metri dal suo margine, sotto l’area corrispondente al goaf. Gli sforzi orizzontali cambiavano meno drasticamente ma indicavano anch’essi un ambiente più favorevole lontano dal pilastro, mentre gli sforzi di taglio erano più forti vicino ai bordi del pilastro.

Scelta della posizione della nuova galleria

Dal punto di vista pratico, gli ingegneri vogliono collocare la galleria dove la roccia è sottoposta a sforzi relativamente bassi e bilanciati, così da ridurre il rischio di schiacciamento o rottura. Sulla base delle curve di sforzo calcolate, gli autori hanno concluso che la fascia ideale per la nuova galleria nel filone No.3 si trova nella zona di diminuzione dello sforzo verticale, leggermente sotto il goaf piuttosto che direttamente sotto il pilastro. Il minimo assoluto dello sforzo verticale si verifica circa 13 metri dal bordo del pilastro, ma quella posizione comporterebbe la perdita di più carbone non estratto. Bilanciando sicurezza e recupero delle risorse, raccomandano di posizionare la galleria a 10 metri dal bordo del pilastro, ancora all’interno della regione a basso sforzo ma più vicina al carbone residuo, riducendo gli sprechi mantenendo un ambiente di sforzo favorevole.

Perché la forma della galleria altera la stabilità della roccia

La posizione è solo una parte della questione; anche la forma dell’apertura controlla la risposta della roccia. Usando un modello numerico tridimensionale (FLAC3D), i ricercatori hanno costruito una fetta virtuale della miniera, includendo i due filoni, il pilastro, i goaf crollati e una galleria inferiore nella posizione preferita. Hanno testato quattro sezioni trasversali mantenendo però larghezza e altezza costanti: un arco semicircolare a pareti verticali, un arco a tre centri (un arco più complesso composto da tre curve), un trapezio e un rettangolo. Dopo aver simulato lo scavo di ciascuna galleria, hanno esaminato come gli sforzi si redistribuivano attorno all’apertura e quale fosse la profondità della zona di snervamento plastico o di collasso. In tutti i casi il tetto e il pavimento sopra e sotto l’apertura hanno sperimentato un alleggerimento di pressione, mentre le pareti laterali hanno mostrato un certo riaccumulo di sforzo.

Trovare il progetto più sicuro e semplice

Il confronto ha rivelato che le forme ad arco sopportano meglio il carico rispetto a quelle con la sommità piatta. L’arco semicircolare a pareti verticali ha mostrato la minore concentrazione di sforzo sul lato più sollecitato e le minori profondità di collasso nel tetto, nel pavimento e nelle pareti laterali. L’arco a tre centri si è comportato quasi altrettanto bene in termini di stabilità, mentre la sezione trapezoidale e, soprattutto, quella rettangolare hanno mostrato picchi di sforzo più elevati e zone di collasso molto più profonde, quindi più roccia danneggiata e indebolita intorno a esse. Poiché l’arco a tre centri è geometricamente più complesso da scavare e sostenere in sotterraneo, richiedendo un controllo accurato di più raggi e punti di connessione, gli autori lo considerano meno pratico per la costruzione ordinaria. Raccomandano quindi l’arco semicircolare a pareti verticali come sezione preferita: offre una buona stabilità sotto l’influenza combinata del pilastro e dei goaf e rimane relativamente semplice da realizzare e sostenere in campo.

Conclusione per miniere di carbone più sicure ed efficienti

Per i lettori non specialisti, il messaggio chiave è che piccole scelte progettuali sottoterra—dove esattamente si colloca una galleria e quale profilo ha—possono fare una grande differenza per sicurezza ed efficienza. In questa miniera lo studio mostra che lasciare un pilastro di carbone robusto nel filone superiore, quindi posizionare la galleria inferiore leggermente sotto l’area crollata invece che sotto il pilastro, crea un ambiente di sforzo più favorevole. Modellare l’apertura con pareti ad arco e una sommità arrotondata aiuta inoltre la roccia circostante a «scorrere» più uniformemente attorno all’apertura, limitandone il danneggiamento. Sebbene distanze e dimensioni precise varino da sito a sito, l’approccio combinato di mappare il trasferimento di sforzo tra filoni e confrontare le forme delle gallerie offre una guida per progettare vie sotterranee che siano al contempo più sicure per i minatori e più efficienti nel conservare le risorse di carbone.

Citazione: Ren, Y., Li, J., Li, Y. et al. Optimizing roadway location and cross section under superposition of residual coal pillars and adjacent goafs in close distance coal seams. Sci Rep 16, 13983 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44345-3

Parole chiave: progettazione di gallerie in miniere di carbone, pilastro residuo di carbone, stabilità di cunicoli sotterranei, meccanica delle rocce numerica, estrazione multi‑venatura