Estudo sobre a lei de propagação de fraturas nas camadas superiores no processo de mineração com pilares de carvão pequenos em um lençol de carvão inclinado e extra‑espesso

Por que as Fissuras Acima das Minas de Carvão Importam

A mineração moderna de carvão não se limita a remover o carvão; ela remodela as rochas acima e altera a dinâmica do gás subterrâneo. Na região de Xinjiang, no oeste da China, os lençóis de carvão são incomumente espessos e apresentam forte inclinação, e os mineiros frequentemente deixam apenas um estreito pilar de carvão para sustentar o teto. Este estudo faz uma pergunta prática com grandes implicações de segurança: como exatamente as fissuras se formam e se propagam nas rochas acima dessas escavações, e como esse conhecimento pode ser usado para controlar os níveis de gás e manter as operações de mineração seguras?

O Desafio do Carvão Íngreme e Extra‑Espesso

A maior parte das pesquisas anteriores sobre fraturamento das rochas acima de minas de carvão focou em camadas quase planas. Mas em Xinjiang, as camadas principais de carvão são ao mesmo tempo muito espessas e marcadamente inclinadas. Quando os mineiros extraem o carvão e deixam um pequeno pilar, as rochas superiores são perturbadas de formas complexas. Fissuras abrem e fecham ao longo do tempo, criando caminhos sinuosos para o gás escapar ou se acumular. Se os engenheiros não conseguirem prever onde estarão essas zonas de alta permeabilidade, os furos de drenagem de gás podem perder o alvo, deixando bolsões perigosos de gás sobre áreas de trabalho ativas.

Construindo a Mina em Laboratório e no Computador

Os pesquisadores usaram uma combinação de modelos físicos em escala e simulações numéricas avançadas para imitar um painel de mineração real, a frente de trabalho 11.002 da Mina Tengda. No laboratório, construíram um modelo bidimensional do lençol de carvão inclinado e das camadas rochosas sobrejacentes na escala de 1:200. Mineraram esse modelo passo a passo de um lado ao outro, adicionando e removendo blocos de madeira para representar os suportes móveis usados no subsolo. Ao mesmo tempo, executaram simulações numéricas 3D com o software 3DEC, que trata o maciço rochoso como muitos blocos interagentes e pode rastrear como as tensões e fraturas evoluem conforme a mineração avança.

Como o Teto Rochoso Se Rompe e Fratura

Ambas as abordagens demonstraram que o teto não desaba simplesmente de uma vez. Em vez disso, a rocha sobrejacente passa por um padrão em três estágios: pequenas fissuras surgem, depois camadas começam a separar‑se, e finalmente formam‑se fraturas grandes e visíveis. À medida que a mineração progride, as rochas mais baixas colapsam formando uma zona de abatimento preenchida por entulho, enquanto as camadas superiores desenvolvem altas zonas de fratura onde os blocos são quebrados, mas não totalmente caídos. No caso da Tengda, a zona de abatimento se estabiliza em cerca de 25 metros acima do lençol de carvão, e a zona de fratura se estende até aproximadamente 80 metros. Como o lençol é inclinado, os blocos rompidos tendem a deslizar morrendo a favor da ladeira, fazendo com que o padrão de colapso seja nitidamente assimétrico: o lado inferior do painel fica mais compactado, enquanto uma área em forma de cunha, relativamente menos perturbada, permanece acima do pequeno pilar de carvão.

Medindo e Combinando Perspectivas Diferentes

Para determinar com maior confiabilidade a altura das zonas de abatimento e de fratura, a equipe comparou três tipos de estimativas: fórmulas de engenharia simples, o modelo físico e a simulação numérica. Cada método fornece valores ligeiramente diferentes, então os autores usaram um esquema de média ponderada que dá mais influência aos métodos com erros menores ao longo de todos os resultados. Como o modelo físico reproduziu o processo de mineração real com maior fidelidade, recebeu o maior peso. O resultado combinado final colocou a altura da zona de abatimento em cerca de 24,98 metros e a altura da zona de fratura em 81,67 metros. Eles também mostraram que as tensões se concentram fortemente em torno do pequeno pilar de carvão e que a taxa de movimento e fraturamento das rochas diminui com a distância para cima a partir do lençol.

Transformando Fissuras Rochosas em Controle de Gás Mais Seguro

Munida de um retrato mais claro de onde se situam as rochas quebradas e altamente permeáveis acima da área lavrada, a equipe projetou um sistema de drenagem de gás direcionado para a frente de trabalho 11.002. Disporam fileiras de furos de alta posição e vias de drenagem de modo que intersectassem as regiões de fratura de alta permeabilidade previstas. Dados de campo de vários meses de operação mostraram que o gás foi extraído de forma eficiente, enquanto as concentrações de gás nas principais vias de ventilação da mina permaneceram bem abaixo do limite de segurança de 1%, mesmo com a produção de centenas de milhares de toneladas de carvão. Em termos simples, o trabalho demonstra que, ao mapear cuidadosamente como o teto se rompe acima de um lençol inclinado e extra‑espesso com pequenos pilares de carvão, os engenheiros podem posicionar sistemas de drenagem de gás onde serão mais eficazes—reduzindo riscos de acidentes e promovendo uma mineração de carvão mais segura e eficiente.

Citação: Lu, W., Zhao, P., Jin, Q. et al. Study on crack propagation law of overlying strata in the process of small coal pillar mining in inclined extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 8536 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32844-8

Palavras-chave: mineração de carvão, fraturas em rochas, drenagem de gás, simulação numérica, segurança de mina