Pesquisa sobre análise de estabilidade e tecnologia de controle de vias subterrâneas em frente de trabalho isolada em ilha

Por que as vias subterrâneas são importantes

Nas profundezas do norte da China, os mineiros dependem de vias subterrâneas para transportar pessoas, ar e equipamentos. Se esses túneis se deformarem ou desabarem, a mina terá de reduzir ou interromper as operações, colocando os trabalhadores em risco e ameaçando uma importante fonte de energia. Este artigo examina uma situação particularmente delicada: um painel de carvão que fica como uma “ilha” sob áreas já escavadas e pilares de carvão remanescentes. Os autores mostram como as tensões oriundas desses trabalhos antigos se concentram nas rochas e, em seguida, projetam um sistema de suporte que mantém a via nova estável e segura.

Camadas de trabalhos antigos e novos

O estudo concentra-se na mina de carvão Yanghuopan, na província de Shaanxi, onde um painel de carvão longo e estreito — chamado frente de trabalho 30.119 — situa-se abaixo de outro lençol que já foi minerado. Acima dele há vazios (goafs) e blocos sólidos de carvão deixados como pilares. Essa configuração cria uma frente “ilha isolada” cercada em três lados por zonas escavadas. A via de interesse, que devolve o ar de ventilação da frente, precisa passar abaixo de áreas de goaf com baixa tensão e de pilares residuais com alta tensão. Como o teto e o piso são relativamente resistentes (arenitos e siltitos), mas o campo de tensões é altamente heterogêneo, um esquema único de suporte seria inseguro e ineficiente.

Como os pilares remanescentes pressionam os lençóis inferiores

Os pesquisadores primeiro usam teoria da mecânica das rochas para entender como a força dos pilares de carvão superiores é transmitida para baixo. Eles tratam um pilar como uma faixa de rocha carregada pressionando um piso bem mais espesso e calculam como essa carga concentrada se espalha com a profundidade. A análise mostra que diretamente sob um pilar residual de carvão, o lençol inferior experimenta uma tensão vertical cerca de 1,6 vez maior que o nível de fundo natural, e essa influência se estende por mais de 60 metros lateralmente ao longo do lençol inferior. Em outras palavras, mesmo que o lençol superior já tenha sido minerado, o pilar remanescente continua a concentrar peso sobre as rochas e túneis abaixo, criando zonas distintas de aumento e alívio de tensões.

Simulando tensões, danos e deslocamentos

Para ver como essas forças se manifestam ao redor da via, a equipe constrói um modelo tridimensional das camadas rochosas e da sequência de mineração usando software de simulação numérica. Eles “minam” o lençol superior para criar goafs e pilares, e então simulam a escavação do lençol de carvão 3–1 inferior e o avanço da frente 30.119 em etapas. O modelo revela cinco regiões claras abaixo dos trabalhos superiores: duas zonas de baixa tensão sob os goafs, duas zonas de forte concentração sob o primeiro e o segundo pilares residuais, e uma zona de tensão normal sob o carvão não minerado. À medida que a frente inferior avança, a carga extra máxima à sua frente aparece consistentemente cerca de oito metros adiante da frente, mas sua magnitude varia bastante com a posição: as tensões são maiores sob o primeiro pilar residual e um pouco menores sob o segundo.

Onde a via sofre mais

As simulações também acompanham quanto da rocha ao redor da via cede ou trinca (a “zona plástica”) e quanto o teto e as paredes se deslocam para dentro. Quando a via se encontra sob regiões de alívio de tensão, as faixas de dano ao redor são relativamente rasas e as deformações modestes. Sob o primeiro pilar residual, contudo, a carga concentrada e a pressão do avanço da frente combinam-se para aprofundar a zona fraturada no teto e nas paredes laterais e provocar subsidência do teto e convergência das paredes muito maiores. Sob o segundo pilar, a resposta ainda é séria, mas mais branda: o deslocamento do teto é cerca de metade do observado sob o primeiro pilar, e o deslocamento da parede de carvão sólida diminui em mais de três quartos. Esses contrastes confirmam que o comportamento da via é controlado não apenas pelo tipo de rocha, mas pela complexa história de tensões imposta por explorações anteriores.

Projetando suporte onde realmente é necessário

Guiados por essas descobertas, os autores dividem a via em dois tipos de zonas de controle. Em trechos sob goafs e em situações de tensão próxima do normal, adotam um padrão convencional de suporte usando chumbadores, cabos e telas. Sob os trechos de alta tensão influenciados por pilares residuais, reforçam o projeto: chumbadores de teto mais densos, ancoragens por cabos longos dispostas num padrão de reforço e chumbadores laterais adicionais para “costurar” o pilar de carvão e as bordas. Em seguida, verificam o desempenho no subsolo monitorando o assentamento do teto, a convergência das paredes e as cargas nos chumbadores e cabos em várias frentes durante o avanço. A subsidência medida do teto permanece em torno de um centímetro e o fechamento das paredes dentro de alguns milímetros, enquanto as cargas nos suportes ficam bem abaixo de sua capacidade, indicando uma margem de segurança confortável.

O que isso significa para uma mineração mais segura

Na prática, o estudo mostra que túneis sob painéis em ilha isolada podem ser mantidos estáveis se os engenheiros primeiro mapearem como pilares antigos e goafs redesenham o campo de tensões e depois adaptarem o suporte para cada zona. Em vez de superreforçar por toda parte ou correr o risco de falhas em pontos quentes ocultos, a abordagem concentra suporte pesado onde a tensão é maior e usa sistemas mais leves onde a rocha está naturalmente aliviada. O resultado em Yanghuopan é uma via que permanece aberta e utilizável à medida que a mineração avança, oferecendo um modelo para outras minas que precisam explorar novos lençóis de carvão sob redes complexas de trabalhos antigos.

Citação: Gao, X., Wang, Y. & Li, YM. Research on stability analysis and control technology of roadways in the underlying isolated island working face. Sci Rep 16, 9903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40307-x

Palavras-chave: estabilidade de via de mina de carvão, frente de trabalho em ilha isolada, tensão em pilares residuais de carvão, simulação numérica de mineração, projeto de suporte subterrâneo