Estudo experimental sobre a evolução da deformação por adensamento e as características de dissipação de energia de maciços de rocha fragmentada graduados

Por que a rocha triturada importa no subsolo

Em grandes profundidades nas minas de carvão, galerias frequentemente ficam parcialmente preenchidas por pilhas de rocha fragmentada. A forma como esse entulho se compacta e como libera energia ao se reassentar pode influenciar se o gás escapa de maneira segura ou se acumula até provocar uma explosão perigosa. Este estudo investiga como diferentes misturas de pedaços grandes e pequenos se comprimem, como os espaços vazios entre eles mudam e quanta energia armazenada é liberada quando são comprimidos — conhecimentos que podem tornar a mineração mais segura e eficiente.

Como a rocha foi comprimida e monitorada

Os pesquisadores recolheram arenito de granulação fina de uma mina de carvão chinesa e o fragmentaram em partículas em cinco faixas de tamanho, de alguns milímetros até 25 milímetros. Usando uma receita matemática chamada índice de graduação, criaram cinco misturas diferentes, variando desde aquelas dominadas por partículas pequenas até as com mais pedaços grandes. Cada amostra de 2,4 quilogramas foi vertida em um cilindro de aço resistente e comprimida pela parte superior, enquanto as laterais permaneciam rígidas — semelhante à forma como a rocha fragmentada em um vazio de mineração é comprimida pelo peso das camadas sobrejacentes. Ao mesmo tempo, sensores acústicos sensíveis “escutaram” pequenas ondas elásticas produzidas quando partículas deslizam, esfregam-se ou se quebram, transformando esses sinais em contagens e valores de energia que acompanham como o esqueleto rochoso se rearranja internamente.

Três estágios de compressão

Ao acompanhar tensão e deformação, a equipe constatou que todas as misturas passaram por três estágios claros de adensamento. Primeiro veio um estágio inicial, em que partículas frouxamente empacotadas deslizaram, rotacionaram e se assentaram em novas posições, provocando um encurtamento rápido sob tensões relativamente baixas. Em seguida ocorreu um estágio linear, em que a estrutura se tornou mais estável e o carregamento adicional produziu uma relação quase linear entre tensão e deformação; aqui a fragmentação de partículas e o contato mais próximo superfície-a-superfície entre grãos dominaram. Finalmente apareceu um estágio de consolidação plástica, em que o maciço rochoso se tornou rígido e resistente a novo encurtamento: tensões adicionais causavam apenas pequenas deformações extras, porém com esmagamento local mais intenso. Misturas ricas em partículas finas atingiram esses estágios posteriores mais cedo e permaneceram mais tempo na fase final rígida, enquanto misturas mais grosseiras precisaram de tensões maiores para alcançar o mesmo encurtamento.

Como evoluem os espaços vazios e os tamanhos das partículas

Os vazios entre as partículas diminuíram em um padrão de três passos que refletiu os estágios de deformação: uma queda rápida, um declínio mais lento e então uma quase estabilização conforme o material se aproximava do estado mais denso. Amostras com mais partículas grandes começaram com mais espaço vazio e perderam mais área de vazio no total, mas sua razão de vazios caiu mais rapidamente sob baixas tensões. Após a compressão, a peneiração mostrou que todas as misturas produziram muitos novos fragmentos minúsculos menores que 2,5 milímetros, enquanto a parcela das maiores partículas caiu acentuadamente. Uma medida fractal da complexidade do tamanho das partículas aumentou para todas as amostras, e os valores finais se agruparam em uma faixa estreita, indicando que o adensamento tende a atenuar diferenças iniciais entre misturas. Misturas ricas em partículas grosseiras, contudo, ainda terminaram com distribuições de tamanho ligeiramente mais simples (menos fragmentadas) que as ricas em finos.

Sussurros e explosões de energia dentro do entulho

As medidas acústicas revelaram que os padrões de liberação de energia também seguiram os três estágios. No estágio inicial, os sinais eram frequentes porém fracos, refletindo atrito e pequenos reajustes entre grãos. Durante o estágio linear, tanto o número de eventos quanto sua energia total cresceram fortemente à medida que partículas maiores começaram a rachar e a estrutura interna se reorganizou. No estágio final, o número de eventos caiu, mas explosões individuais de energia tornaram-se muito mais intensas, ligadas à quebra ocasional de fragmentos grandes remanescentes dentro de uma estrutura já rígida. Misturas com mais finos produziram muito mais eventos de baixa energia, enquanto misturas dominadas por grosseiros geraram menos eventos, porém bem mais energéticos, mostrando uma mudança de “muitos sussurros pequenos” para “raros estouros altos” à medida que a composição de partículas variou.

O que isso significa para a segurança das minas

No geral, o estudo mostra que a forma como a rocha fragmentada é graduada — quanto de material fino versus pedaços grosseiros ela contém — controla fortemente como ela se compacta, como seus espaços vazios se fecham, como se desenvolvem as pressões laterais e como a energia acumulada é liberada. Com o tempo, misturas iniciais diferentes tendem a convergir para estados igualmente densos e finamente fragmentados, mas percorrem caminhos mecânicos e energéticos muito diferentes para chegar lá. Para engenheiros de minas, entender esses caminhos ajuda a prever como as zonas de goaf se adensam, como vias de gás se abrem ou se fecham e quando concentrações perigosas de tensão e energia podem surgir, fornecendo uma base científica para melhores layouts de drenagem de gás e controle aprimorado de desastres envolvendo rocha e gás em minas de carvão profundas.

Citação: Peiyun, X., Wuyi, Y., Shugang, L. et al. Experimental study on the compaction deformation evolution and energy dissipation characteristics of graded broken rock mass. Sci Rep 16, 6606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36352-1

Palavras-chave: adensamento de rocha fragmentada, goaf de mina de carvão, materiais granulares, emissão acústica, prevenção de desastres por gás