Estudo experimental sobre o mecanismo de difusão de calda em rocha fraturada

Mantendo cavernas subterrâneas seguras

Espaços profundos subterrâneos — como aqueles que abrigam bombas em minas de carvão — precisam resistir a pressões intensas da rocha ao redor. Se a rocha começar a rachar e se deslocar, as paredes podem deformar-se dezenas de centímetros, ameaçando equipamentos, trabalhadores e todo o empreendimento. Este estudo investiga como “colar” novamente rochas quebradas usando calda à base de cimento, para que câmaras subterrâneas longas permaneçam estáveis e seguras ao longo de muitos anos.

Uma casa de bombas sob estresse extremo

Os pesquisadores concentraram-se em uma grande câmara de bombas na Mina Wanfu, na China, a mais de 800 metros de profundidade. Apesar de um pesado sistema de suporte com tirantes de aço, cabos e revestimento de concreto, as paredes e o teto da câmara continuaram a deformar-se. Em mais de 450 dias de monitoramento, a parede direita deslocou-se para dentro em até 751 milímetros — quase a largura de uma porta doméstica — e o piso sofreu levantamentos superiores a 30 centímetros. Sondagens perfuradas na rocha circundante revelaram uma zona fortemente fraturada e “severamente danificada” estendendo-se até 7 metros de profundidade, uma zona de transição intermediária e, em seguida, rocha íntegra. Os tirantes e cabos existentes estavam ancorados principalmente na região rompida, de modo que não podiam desenvolver sua resistência total.

Como a calda se espalha pela rocha fraturada

Para entender como reengrossar (reforçar) essa rocha danificada, a equipe construiu um grande aparato de laboratório capaz de acomodar blocos artificiais de rocha fraturada de 1,2 metros de comprimento. Eles injetaram calda de cimento nesses blocos e então os fatiaram em segmentos para testar quanta resistência cada porção adquiriu em função da distância ao ponto de injeção. Foram exploradas duas variáveis de uso cotidiano: o tamanho dos fragmentos de rocha e quão aguada era a calda (sua relação água‑cimento). Em todos os casos, a resistência à compressão — a força de esmagamento que o material pode suportar — diminuiu à medida que a calda se espalhava mais longe do ponto de entrada.

Três zonas de resistência ao redor de um tirante

Os testes de resistência revelaram três zonas distintas ao redor da área caldada. Mais próxima ao ponto de injeção, uma “zona de declínio inicial” de até cerca de 400 milímetros mostrou alta resistência que caía rapidamente. De aproximadamente 400 a 1000 milímetros, surgiu uma “zona de declínio gradual”, onde a resistência diminuía mais lentamente. Além disso havia uma “zona de borda”, onde a qualidade e a resistência diminuíam novamente. Esse padrão reflete como a calda flui e se assenta: próximo à entrada ela é densa e bem compactada; mais distante, desloca‑se mais lentamente, separa‑se ligeiramente por efeito da gravidade e retém mais vazios, deixando material mais fraco na borda externa.

Por que o tamanho dos fragmentos importa mais que a calda aguada

Alterar o tamanho dos fragmentos de rocha mostrou‑se mais importante do que mudar o quanto a calda era aguada. Fragmentos maiores criaram vãos mais amplos que permitiram à calda viajar mais longe, estendendo a distância efetiva de difusão de 800 milímetros com peças pequenas para 1000 milímetros com as maiores. Entretanto, fragmentos muito grandes também introduziram mais interfaces fracas onde fissuras podem se formar. Ajustar a relação água‑cimento teve um efeito mais modesto na distância que a calda podia alcançar — a distância de difusão permaneceu próxima de 1 metro —, mas influenciou fortemente a resistência e a uniformidade geral. Uma mistura média (relação água‑cimento de 0,5) produziu um bom equilíbrio: material forte e relativamente uniforme, sem excesso de vazios de ar.

Dos testes de laboratório à segurança em mina real

Com essas informações, os engenheiros redesenharam o suporte da câmara de bombas. Inseriram tirantes caldados em um padrão escalonado e garantiram que o comprimento dos tirantes e cabos se estendesse pelo menos 1 metro além da zona severamente danificada, em rocha sólida. Também adotaram a relação água‑cimento recomendada de 0,5 para as injeções em campo. Após seis meses de novo monitoramento, os deslocamentos da parede direita caíram de mais de 750 milímetros para pouco menos de 40 milímetros — uma redução de cerca de 95 por cento. Em termos simples, a calda cuidadosamente planejada transformou uma sala subterrânea com forte deformação em um espaço estável, mostrando como compreender a difusão da calda e a fragmentação da rocha pode se traduzir diretamente em engenharia subterrânea mais segura e confiável.

Citação: Zhang, C., Li, D., Zhang, X. et al. Experimental study on grouting diffusion mechanism of fractured rock. Sci Rep 16, 5226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35539-w

Palavras-chave: suporte de rocha subterrânea, calda de injeção, rocha fraturada, engenharia de minas de carvão, estabilidade da rocha