Meccanismo e strategie di controllo per il sollevamento asimmetrico del pavimento in gallerie di giacimenti di carbone extra-spessi in condizioni di elevato stato di sforzo

Perché il pavimento della miniera a volte si solleva improvvisamente

In profondità, le miniere di carbone usano lunghi cunicoli per muovere persone, aria e carbone. In alcuni dei giacimenti cinesi extra‑spessi, il piano roccioso di questi cunicoli può gonfiarsi improvvisamente verso l’alto di mezzo metro, schiacciando le attrezzature e mettendo in pericolo i lavoratori. Questo studio indaga perché questo «sollevamento del pavimento» asimmetrico avviene sotto sforzi molto elevati e come prevenirlo, utilizzando un fronte di scavo reale nella miniera di Caojiatan come laboratorio naturale a scala reale.

Cosa accade sotto un giacimento spesso

Nella miniera studiata, lo strato di carbone supera i dieci metri di spessore e si trova a diverse centinaia di metri di profondità. Quando viene rimosso un volume così ampio di carbone si crea una vasta zona vuota, o goaf, sopra l’area scavata. Le rocce sottili immediatamente sopra il carbone collassano, ma non riempiono completamente questo vuoto. Strati rocciosi superiori, più spessi, si fratturano in grandi lastre che si piegano, ruotano e si sovrappongono in modo irregolare. Sul lato dove viene lasciato un blocco di carbone a protezione (il pilastro) per sostenere il tetto, queste lastre formano una struttura a gradoni inclinata. Sul lato opposto, dove il carbone resta continuo, la massa rocciosa sovrastante rimane più regolare. Questa struttura del tetto disomogenea diventa l’origine di forze fortemente sbilanciate dentro e intorno alla galleria.

Schermatura irregolare del pavimento della galleria

Gli autori hanno combinato misure in sotterraneo, simulazioni al computer e modellazione meccanica per seguire come la galleria si deforma con l’avanzamento dello scavo. Hanno riscontrato che il pavimento si solleva molto più di quanto il tetto si abbassi, e che questo sollevamento è fortemente unilaterale: fessurazioni e rigonfiamenti iniziano dal lato del carbone continuo e si propagano verso il lato del pilastro. Strumenti installati nelle pareti della galleria hanno mostrato che, quando il fronte di scavo passa, la roccia accanto al pilastro è soggetta a compressione molto maggiore rispetto alla roccia sul lato del carbone continuo. A circa 60 metri dietro il fronte, lo sforzo vicino al lato del pilastro supera il 20 percento. Contemporaneamente, il sollevamento massimo del pavimento raggiunge circa 47 centimetri e il punto più alto si sposta visibilmente verso il lato del carbone continuo della galleria.

Come forze inclinate rimodellano la roccia

Per spiegare questo comportamento i ricercatori hanno costruito un quadro meccanico di come le travi del tetto fratturate premono sul carbone e sul pavimento. Sopra il pilastro, blocchi bassi formano una trave a gradoni che esercita una forte pressione verso il basso, mentre blocchi più alti funzionano come un arco incernierato che trasferisce ancora più carico su questa struttura a gradoni. Questo sistema «a gradoni a bassa quota più arco incernierato ad alta quota» convoglia peso aggiuntivo nel pilastro e quindi nel pavimento sottostante. Il centro della galleria, al contrario, diventa una zona a bassa pressione dopo lo scavo. Il risultato è un forte gradiente laterale di sforzo attraverso il pavimento — come una collina di energia inclinata con alta pressione sotto il pilastro e bassa pressione sotto la galleria.

Da alta pressione a sollevamento unilaterale del pavimento

Sotto questo campo di sforzo inclinato, la roccia del pavimento si comporta un po’ come una pasta molto rigida e a lento movimento. In profondità sotto il pilastro la roccia viene schiacciata e tagliata lungo un percorso inclinato che corre diagonalmente verso la galleria. Spinta dalla differenza di pressione tra il lato ad alto sforzo del pilastro e il centro della galleria a pressione ridotta, questa roccia danneggiata viene gradualmente spremuta verso l’alto nello spazio libero sotto la carreggiata. Tuttavia, il lato del pilastro resta fortemente confinato dalla massa sovrastante, perciò la maggior parte del rigonfiamento visibile si manifesta sul meno confinato lato del carbone continuo. Il risultato è uno schema caratteristico: subsidenza e fessurazione intensa accanto al pilastro, e una cupola di sollevamento del pavimento spostata verso la parete opposta.

Come mantenere il pavimento sotto controllo

Sulla base di questa comprensione, gli autori propongono una strategia preventiva in tre fasi. Primo, raccomandano di tagliare e pre‑fessurare porzioni del tetto sul lato del pilastro prima che cedano spontaneamente, accorciando le travi rocciose e riducendo le forze che possono trasferire. Secondo, suggeriscono di praticare scanalature nel pavimento vicino ai margini della galleria, specialmente sul lato del pilastro, per interrompere la principale via di trasferimento dello sforzo dal pilastro al pavimento della galleria. Terzo, progettano un rinforzo del pavimento più robusto e deliberatamente asimmetrico, utilizzando ancoraggi più lunghi e più resistenti sul lato del carbone continuo per collegare gli strati superficiali fratturati a rocce più profonde e stabili. Insieme, queste misure mirano a ridurre la pressione agente, bloccarne la traiettoria e rafforzare il pavimento dove è più soggetto a sollevarsi.

Cosa significa per una miniera più sicura

Lo studio dimostra che il sollevamento estremo e unilaterale del pavimento nelle miniere a giacitura spessa non è solo una questione di roccia debole, ma dipende da come gli strati del tetto fratturati sopra il pilastro concentrino lo sforzo nel pavimento. Rivelando questa via di carico nascosta e collegandola a misure reali, il lavoro offre agli ingegneri di miniera una ricetta più chiara per mantenere le gallerie aperte: intervenire sulla struttura del tetto, spezzare la catena di sforzo e rinforzare il pavimento in modo asimmetrico. Applicare questo approccio «sorgente‑via‑struttura» può aiutare le miniere che sfruttano giacimenti extra‑spessi a mantenere cunicoli più sicuri e stabili sotto elevata sollecitazione.

Citazione: Zhang, J., Sun, J., Wang, B. et al. Mechanism and control strategies for asymmetric floor heave in extra-thick coal seam roadways under high stress. Sci Rep 16, 14515 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45203-y

Parole chiave: galleria di miniera di carbone, sollevamento del pavimento, meccanica delle rocce, controllo del terreno, giacimento di carbone spesso