Otimização da localização e da seção transversal de estradas subterrâneas sob a superposição de pilares residuais de carvão e goafs adjacentes em camadas de carvão próximas

Por que as vias subterrâneas importam no dia a dia

Grande parte da eletricidade que alimenta residências, fábricas e cidades ainda provém do carvão extraído em profundidade. Para alcançar essas camadas com segurança, engenheiros precisam abrir longos túneis, ou vias, através da rocha. Se esses túneis forem posicionados no lugar errado ou receberem formato inadequado, a rocha circundante pode colapsar, ameaçando os mineiros e interrompendo o acesso a recursos valiosos. Este estudo em uma mina chinesa investiga como escolher tanto a localização mais segura quanto a forma de seção transversal mais segura para essas vias quando várias camadas de carvão se encontram próximas e parte da camada superior já foi minerada.

Camadas de rocha e carvão deixado para sustentar

Em muitos distritos carboníferos, o carvão não aparece numa única camada espessa, mas em várias camadas empilhadas como um bolo de camadas. Na mina Meihuajing, as camadas principais, chamadas de nº 2 e nº 3, estão separadas por apenas 12 metros. A camada superior nº 2 já foi minerada em dois painéis grandes, mas um bloco de 60 metros de largura de carvão intocado foi deixado no meio como pilar de sustentação. Em ambos os lados desse pilar há vazios extrativos, chamados goafs, que sofreram abatimento e agora estão preenchidos por material fragmentado. Em conjunto, o pilar sólido e os goafs mais frouxos alteram a forma como o peso das camadas superiores é transferido para a camada inferior nº 3, onde novas vias são planejadas.

Medindo como a rocha se comporta ao longo do tempo

Os pesquisadores primeiro verificaram se o pilar superior estava cumprindo seu papel. Monitoraram uma via existente na camada nº 2 por cerca de dois anos, após a mineração nessa camada ter sido interrompida. Instrumentos registraram quanto o teto se separou e quanto as paredes e o piso convergiram. As medidas mostraram movimentos pequenos: separação do teto de cerca de um a dois centímetros no máximo, e convergência lateral e do piso tipicamente em torno de cinco a dez centímetros. Como não havia nova mineração nas proximidades, essas deformações lentas e moderadas refletiam um estado estável de longo prazo sob carregamento estático. Isso sugeriu que o pilar de 60 metros de largura era suficientemente forte para suportar o peso superior e manter a estrutura rochosa acima, em grande parte, intacta.

Mapeando como as forças se propagam pela rocha

Em seguida, a equipe usou uma teoria clássica da mecânica das rochas que trata a rocha sob a camada como um semiespaço elástico — um meio contínuo e profundo — e aplica cargas no topo para calcular tensões em profundidade. Eles representaram o pilar de carvão e os goafs vizinhos como uma série de segmentos de carga simplificados, cada um com intensidades diferentes refletindo concentração de tensão sob o pilar e alívio de tensão nas zonas abatidas. Usando expressões matemáticas e ferramentas computacionais, mapearam tensões verticais, horizontais e de cisalhamento na rocha abaixo. Os resultados mostraram um padrão claro: diretamente sob o pilar sólido, as tensões se concentraram, enquanto sob os goafs diminuíram, formando uma zona de redução de tensão. Na camada inferior nº 3, a tensão vertical era mais alta logo abaixo do pilar e mais baixa aproximadamente a 13 metros da sua borda, sob a área correspondente ao goaf. As tensões horizontais mudaram de forma menos dramática, mas também indicaram um ambiente mais ameno afastado do pilar, enquanto as tensões de cisalhamento foram mais fortes perto das bordas do pilar.

Escolhendo onde escavar o novo túnel

Na prática, os engenheiros querem posicionar a via onde a rocha esteja sob tensão relativamente baixa e equilibrada, para reduzir o risco de esmagamento ou ruptura. Com base nas curvas de tensão calculadas, os autores concluíram que a faixa ideal para a nova via na camada nº 3 situa‑se dentro da zona vertical de redução de tensões, ligeiramente sob o goaf em vez de diretamente sob o pilar. O mínimo absoluto da tensão vertical ocorre cerca de 13 metros da borda do pilar, mas essa posição deixaria mais carvão sem explorar. Balanceando segurança com aproveitamento de recursos, eles recomendam situar a via a 10 metros da borda do pilar, ainda dentro da região de baixa tensão, porém mais próxima do carvão remanescente, reduzindo desperdício e mantendo um ambiente de tensões favorável.

Por que a forma do túnel altera a estabilidade da rocha

A posição é apenas parte da história; a forma da seção do túnel também controla como a rocha reage. Usando um modelo numérico tridimensional (FLAC3D), os pesquisadores construíram uma fatia virtual da mina, incluindo as duas camadas, o pilar, os goafs abatidos e uma via inferior na localização preferida. Testaram quatro formatos de seção transversal, mantendo todas com a mesma largura e altura: um arco semicircular com paredes retas, um arco de três centros (um arco mais complexo formado por três curvas), um trapézio e um retângulo. Após simular a escavação de cada túnel, examinaram como as tensões se rearranjaram ao redor dele e qual a profundidade da zona plástica ou de colapso na rocha circundante. Em todos os casos, teto e piso acima e abaixo da abertura experimentaram alívio de pressão, enquanto as paredes laterais sofreram algum re‑acúmulo de tensões.

Encontrando o projeto mais seguro e simples

A comparação revelou que formas arqueadas suportam melhor a carga do que as de topo reto. O arco semicircular com paredes retas apresentou a menor concentração de tensões no lado mais carregado e as menores profundidades de ruptura no teto, piso e paredes laterais. O arco de três centros teve desempenho quase tão bom em termos de estabilidade, enquanto o trapézio e, em especial, o túnel retangular mostraram picos de tensão mais altos e zonas de ruptura muito mais profundas, indicando que mais rocha se rompeu e enfraqueceu ao redor deles. Como o arco de três centros é geometricamente mais complexo de escavar e suportar em subterrâneo, exigindo controle cuidadoso de múltiplos raios e pontos de conexão, os autores o consideram menos prático para construção rotineira. Recomendam, portanto, o arco semicircular com paredes retas como seção transversal preferida: oferece forte estabilidade sob a influência combinada do pilar e dos goafs e permanece relativamente simples de construir e suportar em campo.

Conclusão para mineração de carvão mais segura e eficiente

Para leitores não especialistas, a mensagem principal é que pequenas escolhas de projeto no subsolo — exatamente onde um túnel é colocado e qual contorno ele tem — podem fazer grande diferença para segurança e eficiência. Nesta mina em particular, o estudo mostra que deixar um pilar de carvão robusto na camada superior e posicionar a via inferior ligeiramente sob a área abatida em vez de sob o pilar cria um ambiente de tensões mais brando. Modelar o túnel com paredes arqueadas e teto arredondado ajuda ainda mais a rocha circundante a “fluir” suavemente ao redor da abertura, limitando danos. Embora as distâncias e dimensões precisas variem entre os locais, a abordagem combinada de mapear a transferência de tensões entre camadas e comparar formatos de túnel fornece um roteiro para projetar vias subterrâneas que sejam ao mesmo tempo mais seguras para os mineiros e melhores na conservação dos recursos de carvão.

Citação: Ren, Y., Li, J., Li, Y. et al. Optimizing roadway location and cross section under superposition of residual coal pillars and adjacent goafs in close distance coal seams. Sci Rep 16, 13983 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44345-3

Palavras-chave: projeto de via em mina de carvão, pilar residual de carvão, estabilidade de túnel subterrâneo, mecânica numérica das rochas, mineração em múltiplas camadas