Estudo experimental e aplicação de engenharia do suporte por parafusos baseado em grande derrame por deslizamento de carvão no maciço

Segurando o Subterrâneo

Em profundidade, as minas de carvão não são lugares tranquilos e estáveis. Camadas de rocha comprimem-se e deslocam-se, e às vezes a face de carvão ao lado de um túnel irrompe para dentro em um choque perigoso conhecido como explosão de carvão. Este estudo analisa um tipo particular de evento em que uma grande placa de carvão desliza para dentro do túnel enquanto o teto e o piso permanecem quase intactos. Os autores mostram que a forma como os parafusos metálicos são instalados na face de carvão — especialmente seu ângulo e espessura — pode fazer a diferença entre um colapso violento e uma galeria estável, e testam um novo projeto de suporte em uma mina real.

Quando o Carvão Desliza Como um Tapete

No tipo de acidente examinado aqui, toda a face de carvão ao lado do túnel pode repentinamente avançar, bloqueando a passagem sem esmagar o teto ou o piso. Os parafusos e a tela instalados no carvão podem até parecer em grande parte sem danos. O problema está na superfície de contato oculta entre o carvão e a rocha circundante: quando a tensão se acumula e é liberada de repente, o carvão pode deslizar ao longo desse plano liso, muito parecido com um tapete escorregando sobre um piso polido. Para proteger os mineiros, o sistema de suporte precisa reforçar essa superfície de contato e dissipar parte da energia liberada em vez de apenas tentar fixar o carvão no lugar.

Testando Parafusos no Laboratório

Para entender como o projeto dos parafusos pode resistir melhor a esse deslizamento, os pesquisadores construíram um molde de aço que imita dois blocos de rocha com uma fenda entre eles representando a interface carvão–rocha. Eles usaram vergalhões metálicos feitos de duas ligas para representar os parafusos, em três espessuras diferentes, e realizaram ensaios de tração controlada. As hastes foram instaladas em quatro ângulos em relação à direção do deslizamento: 30°, 45°, 60° e transversal a 90°. Ao puxar as metades do molde em uma máquina de ensaio, puderam observar como as hastes falhavam e medir quanta força e energia cada configuração suportava antes de romper.

Por que Ângulo e Espessura Importam

Os experimentos revelaram um padrão claro. Quando as hastes eram colocadas a 30° ou 45° em relação à direção do deslizamento, tendiam a alongar-se e finalmente romper por tração, muito parecidas com um fio sendo puxado até partir. Nesse caso, as hastes suportavam cargas maiores e absorviam mais energia antes da falha. Em ângulos mais íngremes, de 60° e 90°, as hastes tendiam a ser cortadas pelo deslizamento, uma falha do tipo cisalhamento que exigia menos força e armazenava menos energia. Em todos os ângulos, hastes mais grossas suportaram consistentemente mais carga e absorveram mais energia do que as mais finas. Entre todas as configurações testadas, as hastes posicionadas em cerca de 45° apresentaram o melhor desempenho global, combinando um modo de falha favorável com alta resistência e absorção de energia.

Do Modelo à Mina

Em seguida, a equipe aplicou esses conhecimentos à frente de trabalho 7305 da Mina de Carvão Kongzhuang, na China, uma operação em grande profundidade com fortes tensões de solo e risco conhecido de explosões de carvão. O duto de retorno — um túnel chave para ventilação e acesso — era originalmente suportado com um padrão padrão de parafusos de teto, parafusos laterais, cabos e tela de aço. Com base em seus testes, os engenheiros redesenharam a disposição dos parafusos de modo que muitos intersectassem o plano de contato carvão–rocha em ângulos não superiores a 45°, e suas seções ancoradas alcançassem rocha sólida do teto ou do piso. Isso criou uma gaiola tridimensional ao redor da face de carvão, aumentando o atrito ao longo do plano de deslizamento, distribuindo tensões concentradas e proporcionando uma maneira inerente para os parafusos alongarem-se e absorverem energia durante um choque em vez de romperem de forma frágil.

Vias Subterrâneas Mais Seguras

O uso em campo do novo esquema de suporte reduziu significativamente os grandes deslizamentos de carvão para dentro do túnel e melhorou a estabilidade da galeria, tudo isso sem adicionar dispositivos exóticos ou custo substancial. Para não especialistas, a mensagem principal é direta: ao escolher cuidadosamente quão grossos os parafusos são e, mais importante, em que ângulo eles cruzam a provável superfície de deslizamento, os engenheiros de minas podem transformar um sistema de suporte rígido e propenso à falha em um que se comporte mais como um amortecedor. Embora a abordagem ainda precise ser testada para outros tipos de explosões de carvão, ela oferece um caminho prático para galerias subterrâneas mais seguras e confiáveis em minas de carvão profundas.

Citação: Wang, C., Ma, S. Experimental study and engineering application of bolt support based on large-scale sliding coal bump in coal body. Sci Rep 16, 9766 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38743-w

Palavras-chave: explosão de carvão, parafusos de rocha, suporte de galerias subterrâneas, segurança de minas, suporte absorvedor de energia