Estudo sobre a influência do alívio de tensão em uma câmara de extração de carvão próxima e da escavação de uma via subterrânea na rocha circundante

Por que a tensão subterrânea importa

Minas modernas precisam alcançar camadas cada vez mais profundas para explorar os depósitos remanescentes, onde o comportamento da rocha é complexo e às vezes imprevisível. Quando um grande túnel é escavado abaixo de um veio de carvão antigo já minerado, a rocha ao redor pode desabar ou permanecer estável dependendo de como as tensões se redistribuem pelas camadas. Este estudo examina um projeto real no leste da China para entender como uma zona vazia e colapsada deixada por mineração anterior pode, na verdade, ajudar a proteger uma nova via extra‑larga abaixo, e que tipos de suportes mantêm o teto do túnel seguro para os trabalhadores.

Camadas de rocha acima de um túnel largo

Os pesquisadores focaram em uma grande via conhecida como corte aberto, que tem aproximadamente o dobro da largura de um túnel mineiro típico e situa‑se 12 a 18 metros abaixo de um veio de carvão mais antigo e esgotado. Entre as camadas de carvão há bancadas de arenito, siltito e argilito, cada uma com resistências diferentes. Por meio de sondagens e avaliação da qualidade dos testemunhos, a equipe constatou que algumas rochas do teto eram de resistência moderada, enquanto outras, especialmente próximas ao piso do velho veio, eram muito fracas e fortemente fragmentadas. Saber quais camadas são resistentes e quais são frágeis é essencial, pois essas camadas juntas formam a viga de rocha que precisa vencer a nova abertura.

Como um veio minerado altera a carga

Usando simulações computacionais, os autores recriaram a sequência de mineração do veio superior e, em seguida, a escavação da via inferior. Depois que o veio superior foi minerado, ele deixou para trás um goaf — uma zona vazia parcialmente preenchida por rocha de teto colapsada. Esse goaf não aumentou a pressão sobre a via inferior; ao contrário, atuou como uma zona de alívio de tensão. A rocha entre o piso do goaf e o novo teto da via experimentou tensões muito menores, tipicamente apenas alguns megapascais, em comparação com a rocha altamente carregada nas laterais. Uma faixa de rocha com três metros de espessura entre as duas aberturas permaneceu intacta, e os cabos de teto longos ancorados acima do túnel ficaram em rocha comprimida e estável, enquanto as barras curtas trabalharam em uma zona de tração mais próxima da abertura.

Túneis-modelo e colapso lento do teto

Para testar essas ideias fisicamente, a equipe construiu um modelo em escala reduzida, de cerca de um metro, das camadas de rocha e dos veios de carvão usando materiais à base de areia. Primeiro mineraram o veio superior no modelo e então aumentaram lentamente o peso aplicado por cima para simular o soterramento mais profundo. À medida que a carga crescia, o teto sobre o veio superior quebrou gradualmente de uma viga fixa em blocos articulados e depois em um arco semelhante a alvenaria formado por rochas caídas. Quando a carga excedeu um determinado limiar, o teto superior colapsou completamente, formando um talude estável cujos flancos inclinavam cerca de 60 a 65 graus. Sensores embutidos perto da posição futura da via mostraram que as tensões no piso abaixo do goaf eventualmente mudaram da compressão para a tração e depois estabilizaram em valores constantes, confirmando que a antiga zona minerada havia em grande parte aliviado sua carga.

Observando o acúmulo de tensão conforme a via avança

Os pesquisadores então simularam a escavação da grande via em etapas, espelhando como seria cortada no subsolo. Medidores de tensão no teto do modelo mostraram que cada etapa de alargamento do túnel provocava uma nova onda de perturbação, com tensões compressivas e tensões de tração alternando antes de estabilizar gradualmente. O centro do teto, diretamente acima da via, suportou as maiores tensões de alongamento (tração), e essas tensões aumentaram ainda mais quando carga extra foi aplicada por cima. Entretanto, essa zona de alta tração situava‑se principalmente na faixa de atuação das barras mais curtas, enquanto os cabos mais longos estavam ancorados em rocha comprimida mais profunda que atuava como uma espinha dorsal firme. Observações de campo com uma câmera de sondagem na mina real corroboraram esse quadro: foram vistos apenas alguns trincamentos circulares no teto, e a maior parte da rocha em torno da abertura permaneceu intacta.

O que isso significa para mineração profunda mais segura

Para não‑especialistas, a mensagem principal é que um veio antigo esgotado acima de um novo túnel nem sempre representa uma ameaça; se bem compreendido, pode na verdade aliviar a pressão e ajudar a proteger a abertura abaixo. Neste caso, o goaf acima da grande via criou um amortecedor de baixa tensão, enquanto o dimensionamento cuidadoso de barras e cabos assegurou que as camadas fracas e rachadas próximas ao túnel fossem atadas à rocha mais resistente acima. Ao combinar sondagem por testemunhos, modelagem numérica, modelos laboratoriais em escala e inspeções por câmera no local, o estudo demonstra que até vias subterrâneas muito largas podem permanecer estáveis em condições profundas quando as camadas rochosas e os caminhos de tensão são mapeados em detalhe e o suporte é adaptado às zonas de tensão reais.

Citação: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

Palavras-chave: mineração subterrânea de carvão, estabilidade rochosa, suporte de via, alívio de tensão na câmara, túneis profundos