Mecanismo e aplicação da ancoragem por alargamento do fundo de furo em forma de cunha invertida em túneis cimentados argilosos

Segurando Túneis Fragilizados no Lugar

Em grandes profundidades, muitos túneis de minas de carvão atravessam rochas moles ricas em argila que incham, fluem (creep) e se esfarelam com o tempo. Suportes tradicionais de aço e até mesmo barras de ancoragem modernas frequentemente perdem aderência à medida que essa rocha fraca se deforma, aumentando o risco de desabamentos e reparos dispendiosos. Este estudo explora uma nova forma de "ancorar" as barras de suporte de maneira mais segura, remodelando a extremidade do furo de perfuração para que a rocha e a resina se travem literalmente como uma cunha, mantendo os túneis mais seguros e estáveis por mais tempo.

Por que é Tão Difícil Sustentar Túneis em Rocha Mole

Muitos acessos de minas de carvão na China são escavados em rochas argilosas ou cimentadas por argila que contêm minerais que enfraquecem quando molhados. Essas rochas têm fraca coesão, baixa resistência e tendem a inchar e virar lama ao contato com água. Sob a pressão constante da mineração, as paredes e o teto do túnel fluem e se deformam. Estruturas metálicas que parecem eficazes inicialmente podem acabar penetrando no piso macio à medida que ele se projeta, enquanto o teto afunda e trinca. As barras de ancoragem, hoje o principal método de suporte, destinam-se a ligar as camadas rochosas fracas. Mas nesse ambiente, a resina usada para colar as barras à parede do furo frequentemente se separa da rocha, especialmente sob vibração e umidade, fazendo com que a força de ancoragem decaia rapidamente.

Modelando a Extremidade do Furo como uma Cunha

Os pesquisadores concentraram-se em uma ideia simples, porém potente: em vez de deixar o fundo do furo da barra cilíndrico, ampliá-lo em uma forma de cunha invertida usando uma ferramenta especial de alargamento. A barra é então ligada nessa cavidade alargada com resina. Na prática, a barra deixa de depender apenas da cola ao longo de uma parede lisa; ela fica mecanicamente travada em um bolsão de rocha mais largo. A equipe construiu um modelo mecânico que divide a barra em três zonas ao longo do comprimento: uma seção livre próxima à abertura do túnel, uma seção de ancoragem normal e a seção de ancoragem alargada na extremidade. Usando equações da mecânica das rochas, demonstraram que esse bolsão em forma de cunha aumenta muito as forças de cisalhamento e de aderência na interface entre resina e rocha, elevando a resistência axial da barra mesmo quando ocorrem deslizamentos em outras regiões.

Das Equações para Modelos de Laboratório e Testes de Tração

Para testar o conceito, a equipe criou modelos em escala das paredes do túnel usando materiais misturados para imitar rocha mole de baixa resistência. Perfuraram furos para barras dentro de tubos de PVC e depois alargaram manualmente o fundo do furo para formar cunhas invertidas de diferentes comprimentos, diâmetros e ângulos. Usando uma resina comum de mina (K2335), verificaram primeiro como a resina se misturava e endurecia nessas cavidades alargadas. Se a cunha era muito grande ou muito longa, partes da resina permaneciam mal misturadas e não curavam. Definiram uma "taxa de solidificação" para quantificar quanto da resina endurecia totalmente. A melhor combinação revelou-se um comprimento de alargamento de 100 mm, um diâmetro máximo de 58 mm e um ângulo de cunha de 9°, atingindo uma taxa de solidificação de 92,9%, o que significa que a cavidade foi preenchida de forma densa e uniforme.

Maior Aderência Antes e Depois da Falha

Em seguida, os pesquisadores realizaram testes de arrancamento em laboratório, comparando barras normais com barras ancoradas nesses bolsões em forma de cunha invertida, todas com o mesmo comprimento total de ancoragem. Em ambos os casos, a força de tração aumentava com o deslocamento até um pico, depois caía à medida que começava o deslizamento entre resina e rocha. Para barras normais, a queda foi acentuada e a força remanescente era baixa, proveniente principalmente de fricção de deslizamento fraca. Em contraste, as barras na cavidade em cunha invertida mantiveram alta força residual após o início do deslizamento porque a forma alargada bloqueava mecanicamente a extração total. Simulações numéricas corroboraram esses achados: sob a mesma carga de 160 kN, a tensão média de cisalhamento ao longo da zona de ancoragem aumentou cerca de 47% com o projeto da cunha, e a tensão se concentrou de forma benéfica próxima à seção alargada em vez de apenas no fundo do furo.

Comprovando a Ideia numa Mina de Carvão Real

A equipe então aplicou o método em um acesso de rocha mole numa mina de carvão na província de Shanxi. Eles perfuraram e alargaram os fundos dos furos com uma ferramenta de uma única hélice projetada pela própria equipe, empurraram os cartuchos de resina para a cavidade alargada e os misturaram com a barra até que a resina preenchesse e aderisse tanto à rocha fraturada quanto à íntegra. O monitoramento de três barras de teto mostrou que suas forças axiais aumentaram à medida que a rocha circundante se deformava, mas depois se estabilizaram em níveis elevados, sem a perda rápida de suporte frequentemente observada em ancoragens convencionais. Medições de assentamento do teto confirmaram que túneis suportados com as barras alargadas em cunha invertida tiveram subsidência muito menor do que os que usavam barras padrão, indicando um acesso mais seguro e estável.

O Que Isso Significa para a Segurança de Minas

Para o leitor leigo, a conclusão é que remodelar a parte escondida do furo de uma barra pode fazer grande diferença na segurança de um túnel. Ao esculpir um pequeno bolsão em forma de cunha na rocha e preenchê-lo com resina e aço, os engenheiros criam uma espécie de cabeça de ancoragem subterrânea mais difícil de puxar para fora e menos suscetível a enfraquecer com o tempo. O estudo mostra que, com dimensões escolhidas cuidadosamente, esse projeto não apenas aumenta a resistência inicial de fixação, mas também conserva boa parte dessa resistência mesmo após algum deslizamento. Para minas de carvão que escavam em rochas frágeis e sensíveis à água, essa ancoragem aprimorada pode reduzir desabamentos, cortar custos de manutenção e tornar o trabalho subterrâneo mais seguro.

Citação: Zhang, H., Li, G., Xu, Y. et al. Mechanism and application of reaming anchorage of inverted wedge-shaped hole bottom in argillaceous cemented roadway. Sci Rep 16, 5094 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7

Palavras-chave: túneis em rocha mole, ancoragem por barra de rocha, túnel de mina de carvão, furo de barra alargado, suporte de solo