As características de deformação e o controle da estabilidade por alívio de pressão com fraturas pré-fabricadas de uma via de passagem em pilar de carvão pequeno sob sobreposição de tensões

Por que as vias subterrâneas de carvão importam

Grande parte do carvão do mundo é extraída por longos túneis escavados em profundidade. Entre esses túneis, finos “pilares” de carvão são deliberadamente deixados para sustentar a rocha acima. À medida que as operações se intensificam e os engenheiros procuram deixar pilares menores para recuperar mais carvão, esses blocos remanescentes podem ficar perigosamente sobrecarregados, fazendo com que o túnel se comprima, rache ou até colapse. Este artigo explora como e por que esses pequenos pilares de carvão ficam sobrecarregados e apresenta um método para fraturar intencionalmente o teto rochoso acima deles, de modo que as tensões sejam aliviadas de forma segura antes que ocorram danos sérios.

Forças ocultas se acumulando no subsolo

Os autores concentram-se em uma via — o túnel de acesso principal — que corre ao lado de um pequeno pilar de carvão sandwichado entre dois painéis de mineração. À medida que cada painel é escavado e a frente de lavra avança, a rocha em torno do pilar não sente apenas uma única força, mas uma série de ondas de tensão repetidas. Usando modelos computacionais, a equipe simulou quatro estágios principais: escavação da primeira via, escavação da via oposta, retrocesso (lavra de recuo) do primeiro painel e então retrocesso do segundo. Em cada etapa, a carga vertical sobre o pilar aumentou, atingindo eventualmente mais de três vezes a tensão rochosa original e aproximando-se ou excedendo a resistência medida do carvão. Sob essas cargas compostas, o pilar e a via ao seu lado ficam sujeitos a esmagamento e deformação séria.

Energia armazenada como uma mola comprimida

Para compreender a falha de forma mais física, o estudo acompanha não apenas a tensão, mas também a energia elástica armazenada no carvão — a “energia de mola” que se acumula conforme o pilar é comprimido. Simulações numéricas mostram que, a cada etapa de escavação, essa energia se acumula no centro do pequeno pilar. Durante o retrocesso dos painéis, a densidade de energia mais que dobra em comparação com a fase de escavação da via, ultrapassando eventualmente o nível em que amostras de carvão testadas em laboratório falham. Quando o segundo painel avança, a energia armazenada no pilar é alta o suficiente para se aproximar de condições associadas a rebentamentos violentos de rocha. Em outras palavras, o pilar não está apenas sobrecarregado; está pronto para liberar energia de forma repentina, ameaçando tanto a estabilidade da via quanto a segurança dos mineiros.

Fazer o teto romper onde e quando quisermos

Em vez de simplesmente adicionar mais suportes na via — o que rapidamente se torna abarrotado e ainda pode não ser suficiente — os autores testam uma ideia diferente: enfraquecer deliberadamente o teto a uma curta distância acima do pequeno pilar para que ele desabe de forma controlada. Por meio de modelos físicos em escala, eles comparam dois casos: um com um teto forte e intacto e outro em que uma estreita zona vertical de fraturas pré-fabricadas é introduzida acima da via usando uma técnica similar a detonações direcionais. No caso intacto, uma longa e rígida viga de teto se projeta sobre o vazio escavado, formando uma cantilever longa que transfere grandes cargas de volta para o pilar. No caso com fratura, o teto principal quebra mais cedo ao longo das fraturas pré-fabricadas, o ângulo de desmoronamento torna-se mais íngreme e a viga suspensa encurta quase pela metade. A rocha quebrada cai e se adensa no vazio, ajudando a suportar o teto remanescente e reduzindo a carga transmitida ao pequeno pilar.

Observando o movimento das camadas rochosas

A equipe usa fotografia cuidadosa e medições de deslocamento em seus modelos para acompanhar como as camadas rochosas se movem à medida que a mineração avança. Eles constataram que as fraturas pré-fabricadas provocam um assentamento maior e mais precoce nas camadas superiores diretamente acima da zona de fratura, o que acelera a compactação da rocha fragmentada na área escavada. Ao mesmo tempo, o movimento nas camadas inferiores e no gob do painel adjacente muda apenas ligeiramente, o que significa que a perturbação fica amplamente confinada onde se pretende. Sensores de tensão embutidos no teto do modelo mostram que dentro de algumas alturas de fratura acima do lençol de carvão, a tensão vertical cai mais de 10% em comparação com um teto intacto. Além dessa altura, a rocha “se esquece” da fratura e os níveis de tensão se igualam, indicando uma zona de influência bem delimitada.

Prova a partir de uma mina de carvão em operação

Para verificar o método, os autores aplicam pré-divisão direcional por furos profundos no teto de uma via real na Mina Wangzhuang, na China. Longos furos são perfurados a partir da via até o teto e então carregados com cargas explosivas moldadas para cortar uma zona de fratura vertical acima do pequeno pilar. À medida que o painel de mineração recua, medidores de tensão instalados em furos dentro do pilar registram as cargas em mudança. Na seção sem fraturamento do teto, a tensão aumenta cerca de 5,5 megapascais a 3 metros de profundidade. Na seção fraturada, o aumento é menor que a metade desse valor, cerca de 2,5 megapascais. Reduções semelhantes são observadas em profundidades maiores no pilar, demonstrando que as fraturas projetadas aliviam substancialmente a pressão sobre a via e o pilar.

O que isso significa para uma extração de carvão mais segura e eficiente

Para não especialistas, a ideia-chave é que pequenos pilares de carvão podem ficar perigosamente sobrecarregados conforme os painéis vizinhos são lavrados, não apenas uma vez, mas repetidamente. Ao introduzir intencionalmente fraturas no teto rochoso acima desses pilares, os engenheiros podem fazer com que o teto quebre em um padrão mais favorável: ele desaba mais cedo, em ângulo mais íngreme e em vão mais curto, permitindo que a rocha fragmentada atue como um amortecedor e suporte natural. As simulações do estudo, os modelos laboratoriais em escala e os testes em campo em escala real apontam todos para a mesma conclusão: essa abordagem de fraturamento controlado reduz a concentração de tensões e a deformação ao redor das vias em pilares de carvão pequenos, contribuindo para manter os túneis mais estáveis enquanto ainda permite alta recuperação de carvão.

Citação: Cheng, S., Ma, Z., Li, Y. et al. The deformation characteristics and the prefabricated crack pressure relief stability control of a small coal pillar roadway under stress superposition. Sci Rep 16, 10850 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44430-7

Palavras-chave: estabilidade do pilar de carvão, suporte de via subterrânea, fraturamento do teto, controle de rebentamento de rocha, mineração por frente longa