Meccanismo di cedimento della massa rocciosa circostante e controllo sinergico di forte supporto–forte sollievo della pressione per gallerie in strati di carbone ravvicinati

Perché le gallerie di carbone più sicure sono importanti

In profondità, i minatori si affidano a gallerie strette per raggiungere i giacimenti di carbone. Quando la roccia intorno a queste gallerie si sposta o si rompe improvvisamente, può provocare scoppî pericolosi, crolli e chiusure costose. Questo studio esamina una situazione particolarmente complessa in una miniera cinese, dove due strati di carbone sono ravvicinati e le gallerie del livello inferiore si trovano sotto aree già estratte e blocchi di carbone residui. Gli autori spiegano perché la roccia su un lato di queste gallerie cede più facilmente e testano un approccio combinato che sia rinforza le pareti della galleria sia allevia gradualmente la pressione accumulata nella roccia circostante.

Sforzi nascosti dall’estrazione precedente

Nell’area mineraria di Jiaoping, uno strato di carbone è già stato estratto, lasciando spazi vuoti detti goaf e pilastri di carbone rigidi che sostengono il tetto. Un secondo strato, più profondo, è ora in fase di estrazione sotto di esso. Il peso delle rocce soprastanti e i pilastri rigidi non premono in modo uniforme sulle gallerie inferiori. Lo sforzo si concentra sul lato sottostante il pilastro di carbone, mentre l’altro lato si trova sotto una zona parzialmente rilassata. L’acqua che percola nel vecchio goaf può anche ammorbidire carbone e rocce, aumentando il rischio che pavimenti e pareti perdano resistenza nel tempo. Calcoli e misurazioni geologiche mostrano che il danno dallo strato superiore raggiunge circa 10–15 metri in profondità, sufficiente a influenzare dove e come dovrebbero essere collocate le nuove gallerie.

Scegliere un percorso della galleria migliore

Applicando la teoria della meccanica delle rocce, il team ha stimato quanto in profondità il pavimento sotto lo strato superiore fosse stato incrinato dall’estrazione passata e dal carico concentrato dei pilastri residui. Hanno quindi confrontato diversi modi di allineare la nuova galleria inferiore rispetto ai lavori precedenti. Se la galleria inferiore sovrappone la zona ad alto sforzo sotto il pilastro, subisce carichi forti e disomogenei. Se viene spostata verso l’esterno, può comunque trovarsi all’interno di quella zona. La scelta più favorevole è sfalsare la galleria inferiore verso l’interno, verso lo spazio già estratto, dove la pressione è stata parzialmente alleviata. Questa disposizione interna sfalsata evita le rocce maggiormente caricate e riduce la tendenza naturale a una deformazione più marcata da un lato della galleria rispetto all’altro.

Supporto robusto più sollievo della pressione

Un buon supporto della galleria resta essenziale. La miniera ha adottato uno schema di “forte supporto” usando ancoraggi perni d’acciaio fitti, nastri d’acciaio, rete metallica e tiranti ad alta tensione ancorati al tetto e alle pareti. Questo sistema comprime insieme la roccia fratturata e permette alla roccia superficiale intorno all’apertura di comportarsi come un guscio portante unico. Per andare oltre, i ricercatori hanno aggiunto un passo di “forte sollievo della pressione”: hanno trivellato lunghi fori inclinati dalla galleria verso il carbone e le rocce sovrastanti e pompato acqua ad alta pressione per creare fratture controllate. Un’analisi attenta dell’interazione tra pressione del fluido e campo di sforzo naturale ha guidato la scelta degli angoli di perforazione in modo che le fratture si aprissero e si propagassero con pressioni di pompaggio relativamente basse, creando percorsi perché lo sforzo e l’energia si ridistribuissero lontano dalla galleria.

Osservare la risposta della roccia

Il team ha utilizzato simulazioni al computer e misurazioni in sotterraneo per vedere come la roccia reagisse sia a carichi lenti sia a impatti improvvisi, che imitano eventi sismici minori. In condizioni statiche, la galleria rinforzata si è deformata solo lievemente e i movimenti sono rimasti ben al di sotto dei limiti di sicurezza, anche se gli sforzi e le forze sui perni erano chiaramente più elevati sul lato del pilastro di carbone. Quando nei modelli sono stati aggiunti carichi d’impatto, sono emersi due schemi distinti. Gli impatti che colpivano principalmente sopra il tetto tendevano a causare fessurazioni a trazione nel centro del tetto. Gli impatti vicini all’angolo tetto–parete provocavano un forte schiacciamento laterale della parete e l’abbassamento dell’intero tetto, una modalità di danno più severa. Dopo la fratturazione idraulica, indagini elettriche hanno mostrato ampie zone a bassa resistività dove si erano formate crepe riempite d’acqua, confermando che la roccia era stata indebolita e che gli sforzi si erano spostati. Strumenti di campo hanno registrato che le forze su perni e tiranti sono rimaste nei limiti di sicurezza e che la zona di roccia “allentata”, pur crescendo, è rimasta controllata dal sistema di supporto.

Cosa significa per la sicurezza delle miniere

Per la miniera studiata, il lavoro mostra che il carico non uniforme causato dai pilastri di carbone residui è la ragione principale per cui un lato delle gallerie nello strato inferiore cede più facilmente. Collocando la galleria in una zona a pressione alleviata, ancorando saldamente la roccia vicina e utilizzando fratturazione idraulica mirata per scaricare gli sforzi profondi, gli ingegneri possono mantenere le deformazioni entro limiti sicuri anche quando la roccia subisce piccoli scossoni. Gli autori sostengono che questa strategia abbinata di forte supporto più forte sollievo della pressione, supportata da un monitoraggio accurato, offre una via pratica per un’estrazione del carbone più sicura ed efficiente in altre miniere con strati sovrapposti e condizioni di sforzo complesse.

Citazione: Yu, S., Suo, Y., Cai, C. et al. Failure mechanism of surrounding rock and synergistic control of strong support-strong pressure relief for lower-seam roadways in close-distance coal seam groups. Sci Rep 16, 15843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46700-w

Parole chiave: estrazione del carbone, stabilità delle gallerie, scoppio della roccia, fratturazione idraulica, simulazione numerica