Pesquisa sobre a tecnologia integrada de reconstrução da estrutura portante e controle de suporte em área de alto risco de via de carvão superior em lençol de carvão espesso

Por que túneis de carvão mais seguros importam

No interior de lençóis de carvão espessos, trabalhadores circulam e transportam carvão por longos túneis subterrâneos. Em alguns trechos, esses túneis sofrem com abatimento do teto, desagregação das paredes e quedas súbitas de carvão e rocha, colocando os mineiros em risco e reduzindo a produção. Este estudo analisa por que esses problemas são tão graves em certas seções de alto risco e testa uma nova forma de reforçar a rocha para que os túneis permaneçam mais seguros e estáveis ao longo do tempo.

Onde começa o problema

A pesquisa foca em uma grande via de uma mina de carvão chinesa que atravessa um lençol de carvão muito espesso. Nesse contexto, o túnel passa pelo carvão em vez de uma rocha resistente, e o carvão acima e ao lado da abertura é fraco e fragmentado. Falhas naturais na rocha e o grande peso das camadas superiores concentram tensões ao redor do túnel, levando a separação do teto, quedas de teto, abaulamento das paredes laterais e à necessidade de reparos constantes. Métodos de suporte anteriores, como simples injeção de calda e abrigos por tubos, frequentemente falhavam porque a calda não conseguia penetrar o carvão denso e não formava uma estrutura de suporte unificada e resistente.

Como o túnel se move e se deforma

Para compreender esse comportamento, a equipe combinou medições de campo, testes em laboratório e modelagem mecânica. Eles trataram o carvão acima do teto da via como uma viga carregada e mostraram que o abatimento do teto aumenta muito rapidamente conforme a largura do túnel cresce e o carvão se torna mais fraco. Também verificaram que o teto e as paredes não se deformam isoladamente. Quando o carvão lateral amolece e empurra para dentro, isso alarga efetivamente a abertura, o que por sua vez aumenta o abatimento do teto. Em seguida, o movimento adicional do teto comprime ainda mais as paredes laterais. Esse movimento vinculado de topo e laterais ajuda a explicar por que suportes locais e fragmentados frequentemente falham em lençóis de carvão espessos.

Testes com túneis virtuais

Usando simulações computacionais tridimensionais, os pesquisadores variaram dois fatores-chave: a espessura do carvão deixado acima do túnel e a resistência desse carvão. Aumentar a camada de carvão acima do teto elevou o abatimento do teto, mas reduziu o empuxo do piso, enquanto o movimento das paredes laterais mudou pouco. Aumentar a resistência do carvão superior reduziu drasticamente tanto o abatimento do teto quanto o movimento de entrada das paredes, embora o padrão de tensões global tenha mudado apenas ligeiramente. Os cálculos mostraram que trincas e zonas plásticas na rocha se formavam primeiro perto do teto e depois se espalhavam mais profundamente, com danos em formato característico de “borboleta” perto das paredes laterais, destacando a necessidade de reforçar uma zona ampla em vez de apenas uma casca fina.

Uma nova forma de escorar áreas fracas

Guiados por esse entendimento, os autores desenharam um sistema de suporte combinado usando tubos de avanço com calda e uma rede de barras e cabos. Antes de avançar o túnel em uma zona de risco, os trabalhadores perfuram fileiras de tubos de aço no carvão à frente do frente de escavação e bombeiam uma calda de presa rápida. Essa calda endurece rapidamente dentro e ao redor dos tubos, costurando fissuras e transformando o carvão fragmentado em um bloco mais sólido. À medida que a escavação avança, barras e cabos conectam o teto e as paredes reforçadas em uma única moldura portante. Modelos computacionais de vários arranjos mostraram que um espaçamento moderado entre tubos proporcionou quase a mesma redução de movimentos que um arranjo muito denso, porém com menor custo.

Prova a partir da mina em operação

A equipe então aplicou o esquema escolhido na via real. Monitoraram o abatimento do teto, a convergência das paredes laterais, o empuxo do piso, a separação entre camadas de rocha e as forças em barras e cabos. Após a escavação e o suporte com o novo método, o abatimento do teto manteve-se em torno de 110 mm, o movimento das paredes laterais cerca de 80 mm e o empuxo do piso foi muito pequeno. A separação de camadas acima do teto permaneceu bem abaixo dos níveis de alerta, e as cargas nas barras e cabos tornaram-se estáveis e menores do que no projeto antigo. Como a calda ganhou resistência em poucos minutos, as equipes puderam avançar várias vezes mais rápido do que antes mantendo uma distância segura entre a face do túnel e a zona reforçada.

O que isso significa para os mineiros

Em termos simples, o estudo mostra que fazer o carvão fraco ao redor de um túnel agir como um arco e paredes bem ligados pode reduzir muito quedas de teto perigosas e colapsos. Reforçando o carvão antecipadamente com tubos injetados e depois conectando teto e laterais com barras e cabos, a via pode suportar a carga pesada do acima com movimentos menores e forças de suporte reduzidas. Os autores argumentam que essa abordagem integrada oferece um guia prático para escavações mais seguras e eficientes em lençóis de carvão espessos com condições geológicas semelhantes, reduzindo tanto os riscos à segurança quanto as demandas de manutenção na mineração subterrânea de carvão.

Citação: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

Palavras-chave: estabilidade de via de carvão, suporte de teto, reforço por injeção, barras e cabos de ancoragem, segurança em mineração subterrânea