Impacto do enchimento pastoso cimentado nas propriedades mecânicas e na estabilidade de pilares de carvão em mineração de alto talude a céu aberto

Transformando resíduos de mina em um sistema de suporte

Minas de carvão a céu aberto frequentemente deixam grandes quantidades de carvão valioso presas sob seus taludes finais, porque removê-lo pode enfraquecer o terreno e desencadear deslizamentos. Este estudo explora como um “enchimento pastoso cimentado” especialmente projetado — feito em grande parte a partir de resíduos de mineração — pode ser usado para suportar com segurança esses taludes, permitindo que muito mais carvão seja extraído. Para leitores interessados em uso mais limpo de recursos, mineração mais segura e reciclagem criativa de resíduos industriais, o trabalho oferece um exemplo concreto de como a engenharia pode transformar um passivo em um ativo estrutural.

Por que os pilares de carvão são importantes para a segurança

Na mineração de alto talude, máquinas escavam túneis horizontais no lençol de carvão exposto ao longo da parede da cava, deixando colunas sólidas de carvão — chamadas pilares — para sustentar a rocha sobrejacente. Esses pilares são cruciais para evitar que o talude se deforme ou colapse, mas deixá-los no lugar significa que grande parte do carvão nunca pode ser recuperada. Em uma mina a céu aberto na China, o uso inicial da mineração de alto talude sem enchimento levou a subsidência do solo em bancadas e vias de transporte, levantando preocupações sobre a estabilidade a longo prazo. A pergunta que os pesquisadores colocaram foi: podemos substituir parcialmente a função desses pilares de carvão preenchendo os vazios minerados com um enchimento pastoso cimentado controlado, de modo que mais carvão possa ser removido com segurança?

Construindo e quebrando pilares em miniatura

Para investigar isso, a equipe recriou o sistema carvão–enchimento em laboratório usando amostras cúbicas de carvão de uma mina real. Eles moldaram o enchimento pastoso cimentado feito de rejeitos de rocha britada, cinzas volantes, cimento e água em ambos os lados do carvão, formando um sanduíche “enchimento–pilar de carvão–enchimento”. Ao variar dois fatores principais — a altura do enchimento em relação ao pilar de carvão (a razão de enchimento) e a resistência da pasta — puderam verificar quanto suporte o enchimento realmente proporcionava. Esses espécimes foram então comprimidos em um forte recipiente de aço que imitava a confinamento rígido de um alto talude real, enquanto instrumentos registravam como o carvão e o enchimento respondiam ao aumento da carga.

Como o enchimento altera a forma de falha do carvão

As curvas tensão–deformação — as impressões digitais de como um material suporta carga — revelaram uma história em cinco etapas: fechamento de poros, o carvão suportando carga elasticamente, formação e juntamento de trincas, a falha principal do carvão e, finalmente, em alguns casos, o carvão ainda suportando carga graças ao enchimento restritivo. Em baixas razões de enchimento e com pasta de baixa resistência, o desempenho do carvão foi pior do que o do carvão sem qualquer enchimento; o enchimento não confinou totalmente o pilar e, em vez disso, deslocou a falha para a parte superior, menos apoiada, que se fragmentou de forma explosiva. À medida que o enchimento foi aumentado em altura e em resistência, o padrão de falha mudou. As fissuras se distribuíram de forma mais uniforme pelo pilar, o grande abaulamento lateral foi reduzido e, com 95% de razão de enchimento e pasta de alta resistência, o carvão apresentou apenas microfissuras superficiais e permaneceu em grande parte intacto.

De enchimento passivo a parceiro ativo

Uma constatação-chave é que o enchimento faz mais do que simplesmente ocupar espaço. Quando é curto demais para tocar a rocha de teto, ele só pode reagir passivamente após o carvão já ter abaulado para fora, oferecendo proteção limitada. Mas quando o enchimento é alto o suficiente para entrar em contato com o teto — essencialmente uma razão de enchimento de 100% — ele se torna um parceiro estrutural ativo. Compartilha parte da carga vertical, expande-se lateralmente sob compressão e pressiona o pilar de carvão antes que ocorram trincas significativas, colocando o carvão em um estado de tensão tridimensional mais favorável. Nos testes, a resistência de ruptura dos pilares de carvão aumentou de maneira constante com a elevação da razão de enchimento e da resistência da pasta, e então disparou quando o contato com o teto foi alcançado, e os pilares mantiveram alguma capacidade mesmo após a falha inicial. Simulações numéricas de toda a encosta da cava confirmaram que enchimentos fortes e em toda a altura reduziram fortemente a deformação dos pilares, encolheram as zonas danificadas do talude e permitiram que todo o carvão entre as aberturas fosse recuperado com segurança.

Implicações para uma mineração mais segura e limpa

Para não especialistas, a mensagem principal é que a forma como reenchermos os vazios minerados pode moldar decisivamente tanto a segurança quanto a eficiência do aproveitamento de recursos. Este estudo mostra que um enchimento pastoso cimentado bem projetado — especialmente quando atinge e contata firmemente o teto — pode se transformar de simples disposição de resíduos em um sistema de suporte engenheirado. Pode permitir que minas a céu aberto extraiam quase todo o carvão sob os taludes, mantendo os movimentos do solo reduzidos e diminuindo o risco de falha do talude. Na prática, observam os autores, os engenheiros ainda precisam superar desafios técnicos, como retração e pequenas lacunas junto ao teto, usando aditivos ou rejuntamento secundário. Mas a conclusão subjacente é clara: o uso inteligente do enchimento pode ajudar as minas a recuperar mais recursos, estabilizar seus taludes e reciclar enormes volumes de rejeitos ao mesmo tempo.

Citação: Han, L., Chen, X., Chen, T. et al. Impact of cemented paste backfill on mechanical properties and stability of coal pillars in open pit highwall mining. Sci Rep 16, 5717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36528-9

Palavras-chave: mineração de alto talude, enchimento pastoso cimentado, estabilidade de pilares de carvão, deformação de talude, reciclagem de resíduos de mineração