Caratteristiche di deformazione e controllo della stabilità per il rilascio di pressione mediante fratture prefabbricate in un piccolo pilastro di carbone sotto sovrapposizione di sollecitazioni

Perché le gallerie carbonifere sotterranee sono importanti

Gran parte del carbone mondiale viene estratta mediante lunghi cunicoli scavati in profondità. Tra questi cunicoli, vengono deliberatamente lasciati in posto sottili «pilastri» di carbone per sostenere la roccia soprastante. Con l’intensificarsi delle attività e il tentativo degli ingegneri di lasciare pilastri sempre più piccoli per recuperare più carbone, questi blocchi residui possono diventare pericolosamente sovraccarichi, provocando schiacciamento, fessurazione o persino cedimenti del tunnel. Questo articolo esplora come e perché tali piccoli pilastri si sovraccarichino e presenta un metodo per provocare volontariamente la fratturazione del tetto sopra di essi in modo che le sollecitazioni vengano scaricate in sicurezza prima che si verifichino danni gravi.

Forze nascoste che si accumulano sottoterra

Gli autori si concentrano su una via di transito — il cunicolo principale — che corre accanto a un piccolo pilastro di carbone racchiuso tra due pannelli di estrazione. Man mano che ogni pannello viene scavato e il fronte di coltivazione avanza, la roccia attorno al pilastro non subisce un unico spostamento, ma una serie di onde di sollecitazione ripetute. Con modelli numerici il team ha simulato quattro fasi chiave: la realizzazione del primo cunicolo, lo scavo del cunicolo opposto, il ritiro (scavo retrogrado) del primo pannello e infine il ritiro del secondo. A ogni passo il carico verticale sul pilastro è aumentato, raggiungendo infine più di tre volte lo sforzo iniziale della roccia e avvicinandosi o superando la resistenza misurata del carbone. Soggetti a questi carichi compositi, il pilastro e il cunicolo adiacente risultano predisposti a schiacciamenti e deformazioni gravi.

Energia immagazzinata come una molla compressa

Per comprendere il cedimento in termini più fisici, lo studio segue non solo le sollecitazioni ma anche l’energia elastica immagazzinata nel carbone — l’«energia della molla» che si accumula quando il pilastro viene compresso. Le simulazioni numeriche mostrano che ad ogni fase di scavo questa energia si accumula al centro del piccolo pilastro. Durante il ritiro dei pannelli la densità di energia più che raddoppia rispetto alla fase di scavo del cunicolo, superando infine il livello a cui i campioni di carbone testati in laboratorio cedono. Quando il secondo pannello avanza, l’energia immagazzinata nel pilastro è sufficientemente alta da avvicinarsi a condizioni associate a violenti rimbombi di roccia. In altri termini, il pilastro non è solo sovrasollecitato; è pronto a rilasciare energia bruscamente, minacciando la stabilità del cunicolo e la sicurezza dei minatori.

Far rompersi il tetto dove e quando vogliamo

Invece di limitarsi ad aggiungere altri supporti nel cunicolo — soluzione che diventa rapidamente ingombrante e potrebbe non bastare — gli autori sperimentano un’idea diversa: indebolire deliberatamente il tetto a una breve distanza sopra il piccolo pilastro in modo che esso collassi in modo controllato. Tramite modelli fisici in scala confrontano due casi: uno con un tetto forte e integro e uno in cui una stretta zona verticale di fratture prefabbricate è introdotta sopra il cunicolo mediante una tecnica simile a una micidiale innescata direzionata. Nel caso integro, una lunga e rigida trave di copertura sporge sul vuoto scavato, formando una mensola che trasferisce carichi significativi di nuovo nel pilastro. Nel caso con fratture, il tetto principale si rompe prima lungo le fratture prefabbricate, l’angolo di collasso diventa più ripido e la mensola sporgente si accorcia di quasi la metà. La roccia frantumata cade e si compatta nel vuoto, contribuendo a sostenere il resto del tetto e riducendo il carico trasmesso al piccolo pilastro.

Osservare il movimento degli strati rocciosi

Il team utilizza fotografie accurate e misure di spostamento nei propri modelli per seguire come gli strati rocciosi si muovono con l’avanzare dell’escavazione. Riscontrano che le fratture prefabbricate causano un cedimento maggiore e più precoce negli strati superiori direttamente sopra la zona di frattura, accelerando la compattazione della roccia frantumata nell’area scavata. Contemporaneamente, i movimenti negli strati inferiori e nel gob del pannello adiacente cambiano solo leggermente, il che significa che la perturbazione è in gran parte confinata dove è prevista. Sensori di sollecitazione inglobati nel tetto del modello mostrano che entro poche altezze di frattura sopra la seam di carbone la sollecitazione verticale diminuisce di oltre il 10 percento rispetto a un tetto integro. Oltre tale altezza, la roccia «dimentica» la frattura e i livelli di sollecitazione si uniformano, indicando una zona d’influenza ben delimitata.

Prova in una miniera di carbone operativa

Per verificare il metodo, gli autori applicano il pre-squartellamento direzionale mediante fori profondi nel tetto di un cunicolo reale nella miniera di carbone di Wangzhuang in Cina. Vengono perforati lunghi fori dal cunicolo nel tetto, quindi caricati con cariche esplosive sagomate per tagliare una zona di frattura verticale sopra il piccolo pilastro. Con l’avanzare del ritiro del pannello, gli estensimetri installati in fori nel pilastro registrano le variazioni di carico. Nella sezione senza fessurazione del tetto la sollecitazione aumenta di circa 5,5 megapascal a 3 metri di profondità. Nella sezione con fratture, l’aumento è meno della metà, intorno a 2,5 megapascal. Riduzioni analoghe si osservano in profondità nel pilastro, dimostrando che le fratture ingegnerizzate alleviano sostanzialmente la pressione sul cunicolo e sul pilastro.

Cosa significa per un’estrazione del carbone più sicura e pulita

Per i non specialisti, l’idea centrale è che i piccoli pilastri di carbone possono diventare pericolosamente sovraccarichi man mano che i pannelli vicini vengono estratti, e non solo una volta ma ripetutamente. Introducendo intenzionalmente fratture nel tetto roccioso sopra questi pilastri, gli ingegneri possono indurre il cedimento del tetto con un modello più favorevole: esso crolla prima, con un angolo più ripido e su una luce minore, permettendo alla roccia frantumata di funzionare come cuscinetto e supporto naturale. Le simulazioni, i modelli di laboratorio su scala e i test in campo su scala reale convergono tutti sulla stessa conclusione: questo approccio di fratturazione controllata riduce la concentrazione di sollecitazioni e le deformazioni attorno alle vie di transito dei piccoli pilastri di carbone, contribuendo a mantenere più stabili i cunicoli pur consentendo un elevato recupero del carbone.

Citazione: Cheng, S., Ma, Z., Li, Y. et al. The deformation characteristics and the prefabricated crack pressure relief stability control of a small coal pillar roadway under stress superposition. Sci Rep 16, 10850 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44430-7

Parole chiave: stabilità del pilastro di carbone, sostegno di gallerie sotterranee, fessurazione del tetto, controllo dei rimbombi di roccia, estrazione a fronte di lavoro continuo