Estabilidade da rocha circundante em galerias com maciço rochoso fraturado: mecanismos e efeitos da otimização do arranjo

Por que a rocha fraturada importa em grandes profundidades

Bem abaixo da superfície da Terra, minas de carvão dependem de longos túneis, ou galerias, escavados através da rocha sólida. Essas passagens precisam permanecer estáveis para que os trabalhadores circulem com segurança e para o funcionamento dos equipamentos. Mas a rocha raramente é perfeita: ela é cortada por fissuras e juntas naturais que podem crescer e se conectar sob tensão, às vezes causando desabamentos. Este estudo faz uma pergunta prática com consequências de vida ou morte: como essas fraturas ocultas se comportam à medida que as minas se aprofundam e como o arranjo das galerias pode ser otimizado para evitar o colapso da rocha circundante?

Como os cientistas recriaram a rocha quebrada

Para estudar esse problema de forma controlada, os pesquisadores primeiro criaram amostras semelhantes à rocha em laboratório. Em vez de usar rocha natural, que é difícil de fraturar de modo preciso, eles moldaram blocos de concreto com uma única fissura artificial em diferentes ângulos, do horizontal ao vertical. Verificaram a qualidade de cada amostra usando ondas ultrassônicas, confirmando que apenas a região central continha uma fratura clara enquanto o restante do material permanecia uniforme. Essas amostras foram então comprimidas em uma máquina de ensaio para observar como e onde novas trincas começavam, como cresciam e como a amostra finalmente se rompia.

De espécimes de bancada para a rocha virtual

Testes laboratoriais sozinhos não capturam a complexidade completa de minas reais, então a equipe construiu modelos computacionais detalhados das amostras fraturadas usando um método chamado abordagem por elementos discretos. Nessa rocha virtual, o material é dividido em muitos pequenos blocos poligonais que podem deslizar, separar-se ou esmagar uns aos outros — muito parecido com grãos reais de rocha. Ao ajustar cuidadosamente o modelo para que sua resistência e padrões de ruptura corressem aos dos testes físicos, os pesquisadores puderam confiar nele para explorar muitos cenários adicionais que seriam impraticáveis no laboratório, incluindo como diferentes níveis de pressão de entorno, como os encontrados em maiores profundidades, afetam o crescimento de fraturas.

O que acontece com as fissuras sob pressão

As simulações e os experimentos em conjunto revelaram que o ângulo da fratura original controla fortemente como o dano se espalha, especialmente quando a fissura está inclinada entre cerca de 30 e 60 graus. Nessa faixa, novas trincas tendem a começar perto da fratura existente e a crescer em direções que gradualmente se alinham a ela. À medida que a pressão externa aumenta — semelhante ao avanço em profundidade — o fraturamento torna-se mais confinado à vizinhança imediata da fratura em vez de se espalhar por toda a rocha. A resistência geral das amostras apresenta uma tendência em V distinta com o ângulo da fratura: a rocha é relativamente forte quando a fissura é quase horizontal ou vertical, mas notavelmente mais fraca em ângulos intermediários onde as fraturas se conectam com mais facilidade.

Projetando arranjos de galerias mais seguros

Munidos desse entendimento em pequena escala, a equipe voltou-se para arranjos reais de minas com múltiplas galerias próximas. Usando seus modelos validados, simularam como as tensões do peso da rocha sobrejacente e da extração do carvão causam zonas plásticas — regiões onde a rocha cedeu e fraturou — ao redor de cada galeria. Constatou-se que, conforme o nível de tensão geral aumenta, as deformações crescem rapidamente e as zonas plásticas se aprofundam. Quando duas galerias são posicionadas muito próximas, essas zonas danificadas podem se fundir, criando uma grande região enfraquecida que ameaça ambos os túneis. Imagens de sondagens de campo em uma mina de carvão em operação confirmaram a imagem do modelo: a rocha de teto rasa acima de galerias próximas estava fortemente fraturada, enquanto a rocha mais profunda permanecia relativamente intacta.

O que isso significa para a segurança em minas de carvão

O estudo conclui que existe uma regra prática para um projeto mais seguro: manter o espaçamento entre galerias principais maior que cerca de cinco vezes o raio da galeria (ou aproximadamente mais de 15 metros no caso estudado) ajuda a evitar a superposição das zonas de fratura e melhora a estabilidade em longo prazo. Também destaca que tensões naturais elevadas no maciço, combinadas com as tensões adicionais geradas pela mineração, são os principais motores do crescimento das fraturas e do aprofundamento dos danos. Em termos práticos, este trabalho mostra como o planejamento cuidadoso das posições dos túneis — orientado tanto por experimentos quanto por simulações realistas — pode reduzir significativamente o risco de falha rochosa, proteger trabalhadores e diminuir custos de manutenção em minas de carvão profundas e em projetos subterrâneos semelhantes.

Citação: Hao, H., Tian, B., Li, G. et al. Stability of surrounding rock in roadways with fractured rock mass: mechanisms and effects of layout optimization. Sci Rep 16, 6999 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38202-6

Palavras-chave: galerias de minas de carvão, rocha fraturada, estabilidade subterrânea, espaçamento de galerias, modelagem por elementos discretos