Studio sulla grande deformazione del pavimento e sul meccanismo di cedimento di una galleria in roccia tenera ricca d’acqua

Perché i pavimenti delle gallerie minerarie possono sollevarsi improvvisamente

Le gallerie profonde nelle miniere di carbone devono rimanere stabili per mantenere al sicuro i lavoratori e il movimento delle attrezzature. In alcune miniere, il pavimento di una galleria si gonfia lentamente verso l’alto, deformando i binari e incrinando le strutture di sostegno. Questo studio analizza uno di questi casi in una miniera di carbone cinese, dove la galleria attraversa rocce tenere imbevute d’acqua. I ricercatori hanno cercato di capire perché il pavimento sia salito di diversi metri e come un nuovo metodo di sostegno potesse impedirne il ripetersi.

Una galleria problematica nelle profondità

Il team si è concentrato sulla via principale dell’ala nord della miniera Hongqi nello Shandong, Cina. Questa galleria di transito, larga e alta circa quattro metri, è scavata in uno strato di diaspro/mudstone (argillite) e si trova sopra uno strato di calcare saturo di acque sotterranee pressurizzate. Le ispezioni in sito hanno mostrato forte infiltrazione d’acqua nei punti di incontro delle gallerie, e il pavimento vicino a questa sorgente idrica si era sollevato fino a 2,5 metri. I binari d’acciaio si sono piegati a S, le rivestiture in calcestruzzo si sono incrinate e i bulloni nelle pareti si sono spezzati, indicando che la roccia attorno alla galleria non riusciva più a mantenere la sua forma.

Roccia tenera che si disintegra in presenza d’acqua

Per capire perché il pavimento fosse così vulnerabile, i ricercatori hanno testato campioni di mudstone prelevati dal fondo della galleria. Hanno riscontrato un’alta quantità di minerali argillosi, che assorbono acqua e possono rigonfiarsi e indebolirsi quando bagnati. Al microscopio la roccia appariva porosa e poco coesa, con molti granuli piccoli e un tenue cemento fra di essi. In semplici prove di immersione, blocchi di mudstone cominciavano a sfaldarsi dopo solo un minuto sott’acqua e continuavano a disgregarsi assorbendo ulteriore acqua. Questi risultati dimostravano che la roccia non era solo tenace, ma anche facilmente danneggiabile dall’acqua, rendendola particolarmente soggetta a rigonfiamento e perdita di resistenza.

Modelli al computer di acqua che spinge il pavimento verso l’alto

Successivamente il team ha costruito un modello tridimensionale al computer della galleria e degli strati rocciosi circostanti. Hanno simulato diverse pressioni dell’acqua nello strato calcareo profondo sotto il pavimento, da condizioni asciutte fino alla pressione elevata misurata. Il modello ha monitorato quanto si muovevano volta e pavimento della galleria e quanto la roccia circostante veniva spinta oltre i suoi limiti di resistenza. In condizioni asciutte il pavimento si alzava solo leggermente e i danni restavano superficiali. Quando la pressione dell’acqua è stata portata al valore reale sotterraneo, il rigonfiamento simulato del pavimento è cresciuto fino a circa 2,5 metri e la zona di roccia danneggiata sotto il pavimento si è approfondita oltre i sei metri, mentre la volta si muoveva appena. Questo ha dimostrato che la pressione dell’acqua dal basso, agendo su un mudstone già debole, era il fattore principale del cedimento del pavimento.

Un’immagine semplice di come si verifica il cedimento del pavimento

Usando concetti dalla teoria delle pressioni del terreno, i ricercatori hanno quindi tracciato un quadro meccanico di come si muove il pavimento. Hanno diviso il pavimento in una zona superficiale, dove la roccia è stata indebolita dall’infiltrazione, e una zona più profonda, fortemente influenzata dall’acquifero pressurizzato. In questo schema, blocchi di roccia ammorbidita ai lati del pavimento della galleria vengono compressi verso l’interno e verso l’alto sotto il peso delle rocce sovrastanti e la spinta dal basso dell’acqua. I loro calcoli suggerivano che la profondità critica di cedimento raggiunge circa 4,5 metri. In termini semplici, una fetta spessa di roccia ammorbidita sotto la base della galleria viene spinta verso l’alto e verso l’interno, causando il rigonfiamento del pavimento nello spazio della galleria.

Un sistema di sostegno a strati che tiene lontana l’acqua

Sulla base di questa comprensione, il team ha progettato un nuovo sistema di sostegno tarato sulle due zone di profondità. Nella zona superficiale hanno installato bulloni iniettati più corti per collegare la roccia friabile e sigillare le fessure. Nella zona profonda hanno impiegato lunghi tiranti-cavo iniettati per ancorarsi in roccia più forte e limitare il movimento dove la pressione idrica è maggiore. Nel pavimento della galleria è stato costruito un arco rovesciato in calcestruzzo e collegato a sostegni in acciaio a U lungo le pareti, trasformando l’intero rivestimento in un anello chiuso che resiste meglio alla compressione dal basso. Questo progetto mira a interrompere il contatto diretto tra le acque sotterranee e il mudstone più debole condividendo i carichi in modo più omogeneo.

Da un pavimento che si solleva a un movimento controllato

Il nuovo schema di sostegno è stato applicato in una galleria di collegamento vicina che presenta lo stesso tipo di roccia e condizioni idriche. In due mesi di monitoraggio, l’assestamento della volta e lo spostamento delle pareti sono rimasti contenuti, e il pavimento è salito di soli 33 millimetri prima di stabilizzarsi, invece dei metri osservati in precedenza. Per i non specialisti, il messaggio chiave è che comprendere come l’acqua indebolisce la roccia sotterranea e come l’acqua pressurizzata spinge sui pavimenti delle gallerie può portare a sostegni mirati e stratificati che riducono notevolmente i movimenti pericolosi del terreno nelle miniere profonde.

Citazione: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

Parole chiave: rigonfiamento del pavimento, roccia tenera, acque sotterranee, sostegno della galleria, miniera di carbone