Estudo sobre a lei de distribuição do campo de tensões de mineração sob pilar de carvão isolado em camada de carvão adjacente e posicionamento racional da via de trabalho

Por que a forma do campo de tensões subterrâneo importa

Em profundidade, minas de carvão dependem de túneis estreitos, ou vias de trabalho, para movimentar pessoas, equipamentos e ventilação. Em muitos campos carboníferos chineses, várias camadas de carvão ficam próximas umas das outras, de modo que, quando uma camada é lavrada, as rochas acima e abaixo são perturbadas. Este estudo investiga o que ocorre abaixo de um “ilha” residual de carvão numa camada superior e faz uma pergunta prática com consequências de vida ou morte: onde os engenheiros devem posicionar a próxima via de trabalho na camada inferior para que ela permaneça estável e segura ao longo do tempo?

Estratos rochosos e carvão residual

Os pesquisadores concentraram-se em uma mina na província de Guizhou, China, onde uma camada superior (chamada No. 1) já foi lavrada, deixando um pilar de carvão espesso e isolado entre dois vazios colapsados e compactados (goafs). Cerca de 12 metros abaixo situa-se uma camada inferior mais fina (No. 3), onde precisa ser aberta uma nova via de trabalho. Como as camadas são próximas e a mina é profunda, as tensões causadas pela lavra anterior não desaparecem simplesmente — elas se concentram ao redor do pilar de carvão isolado e se propagam para baixo através da rocha, alterando o comportamento da camada inferior. Compreender esse padrão é crucial para decidir onde colocar a via de trabalho para que a rocha circundante se deforme de forma gradual em vez de falhar violentamente.

Mapeando forças invisíveis na rocha

Para rastrear como a tensão se move pela rocha sob o pilar, a equipe combinou três abordagens. Primeiro, construíram um modelo mecânico analítico que trata a rocha abaixo da camada superior como um meio elástico carregado pelo peso das camadas sobrejacentes, pelo pilar de carvão e pelos entulhos compactados nas áreas lavradas. Esse modelo fornece fórmulas de como as tensões horizontais, verticais e de cisalhamento variam com a profundidade. Em seguida, usaram o FLAC3D, um programa de simulação numérica amplamente utilizado, para criar uma mina digital tridimensional, completa com o pilar superior, os goafs e a camada inferior. Por fim, compararam esses resultados teóricos e numéricos com observações de campo e dados de medição da mina real. Os dois métodos concordaram bem, mostrando forte concentração de tensões nas bordas do pilar isolado e um padrão característico em sela nas tensões do maciço de piso.

Encontrando a zona calma sob o pilar

As simulações revelaram que a tensão proveniente do pilar de carvão isolado não simplesmente pressiona para baixo. Em vez disso, ela se espalha pelo maciço de piso de forma inclinada e enfraquece gradualmente com a profundidade. Perto da camada superior, as diferenças entre as tensões principais compressivas são grandes e mostram um padrão de picos duplos em cada lado da linha central do pilar. Mais abaixo, esse duplo pico evolui para um pico único e mais achatado. Notavelmente, ao nível da camada inferior No. 3 diretamente sob o meio do pilar, a diferença entre as tensões principais é relativamente pequena — bastante inferior ao observado sob as bordas do pilar ou próximo às fronteiras do goaf. Isso significa que a rocha ali é menos propensa a cisalhamento intenso e fraturas, sugerindo uma zona natural “silenciosa” para a colocação da via de trabalho.

Como a posição da via altera o dano da rocha

Para testar como a posição da via afeta o dano, os autores simularam túneis escavados em vários deslocamentos laterais sob o pilar. Examinaram duas grandezas relacionadas: a tensão desviadora (que impulsiona deformação que altera a forma) e a zona plástica (onde a rocha cedeu e sofreu dano permanente). Quando a via foi posicionada diretamente sob a linha central do pilar, o padrão de tensão desviadora ao redor era quase simétrico, e a zona plástica formou um halo compacto, aproximadamente elíptico, concentrado no teto e nas laterais. À medida que a via foi movida passo a passo em direção a qualquer um dos lados, o padrão de tensões girou e alongou, e a zona plástica evoluiu dessa elipse ordenada para uma forma distorcida, em “borboleta”, que se estendia em direção ao piso do goaf próximo. Nessas posições descentralizadas, zonas danificadas conectaram-se com regiões enfraquecidas acima, aumentando bastante o risco de grandes deformações irregulares e tornando o escoramento muito mais difícil.

Escolhendo a zona mais segura para a via

Com base nessa percepção, os pesquisadores usaram uma estrutura de “falha em forma de borboleta” para dividir a região potencial da via em três zonas com base em dois indicadores: a razão entre as tensões principais e sua diferença. Uma zona é dominada por alta razão de tensões e propensa a falhas instáveis do tipo borboleta; outra é fortemente afetada por ambos os indicadores e é a pior escolha para o traçado da via. A terceira, chamada R-III, corresponde a locais onde tanto a razão de tensões quanto a diferença de tensões são relativamente pequenas. No estudo de caso, essa zona ideal encontra-se diretamente sob o pilar de carvão isolado. Uma via escavada ali, apoiada com cabos de teto de grande comprimento e chumbadores, mostrou deformação administrável no monitoramento de campo: fechamento teto-piso e convergência lateral permaneceram dentro de limites aceitáveis durante um período de observação de 40 dias. Para leitores gerais, a mensagem-chave é que, ao “esconder” a via na parte mais calma de um campo de tensões complexo — bem sob o pilar em vez de ao lado dele — os engenheiros podem melhorar significativamente a segurança e reduzir problemas de manutenção em camadas de carvão profundas e próximas entre si.

Citação: Shu, S., Wang, W., Liu, C. et al. Study on the mining stress field distribution law beneath isolated coal pillar in close coal seam and reasonable location of the roadway. Sci Rep 16, 12281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40452-3

Palavras-chave: pilar de carvão, via subterrânea, tensão em rocha, estabilidade da mina, simulação numérica