Mecanismo e estratégias de controle para impulso assimétrico do piso em galerias de camadas de carvão extra‑espessas sob alto esforço

Por que o piso da mina às vezes se eleva repentinamente

Em profundidade, as minas de carvão dependem de longos túneis para transportar pessoas, ar e carvão. Em algumas das camadas extra‑espessas da China, o maciço rochoso do piso desses túneis pode de repente inchar para cima em meio metro, comprimindo equipamentos e colocando trabalhadores em risco. Este estudo investiga por que esse “levantamento do piso” desigual ocorre sob tensões muito altas e como evitá‑lo, usando um frente de lavra real na Mina Caojiatan como um laboratório natural em escala real.

O que acontece sob uma camada de carvão espessa

Na mina estudada, o leito de carvão tem mais de dez metros de espessura e situa‑se a várias centenas de metros abaixo da superfície. Quando uma fatia tão grande de carvão é removida, fica um amplo vazio, ou goaf, sobre a área lavrada. As rochas finas logo acima do carvão colapsam, mas não preenchem totalmente esse espaço. Camadas rochosas superiores, mais espessas, se quebram em grandes blocos que se curvam, rotacionam e empilham de maneira desigual. No lado onde se deixa um bloco protetor de carvão (o pilar) para suportar o teto, esses blocos formam uma estrutura escalonada e inclinada. No lado oposto, onde o carvão sólido continua, a rocha acima permanece mais regular. Essa estrutura de teto assimétrica passa a ser a origem de forças altamente desbalanceadas dentro e ao redor da galeria.

Compressão desigual do piso da galeria

Os autores combinaram medições subterrâneas, simulações computacionais e modelagem mecânica para rastrear como a galeria se deforma à medida que a lavra avança. Constatou‑se que o levantamento do piso supera em muito o abatimento do teto, e que esse levantamento é fortemente unilateral: trincas e ondulações surgem no lado do carvão sólido e se espalham em direção ao lado do pilar. Instrumentos colocados nas paredes da galeria mostraram que, à medida que a frente de lavra passa, a rocha junto ao pilar é comprimida muito mais intensamente do que a rocha no lado do carvão sólido. A cerca de 60 metros atrás da frente, a tensão perto do lado do pilar é mais de 20% maior. Ao mesmo tempo, o levantamento máximo do piso atinge cerca de 47 centímetros e o ponto mais alto desloca‑se de forma perceptível em direção ao lado do carvão sólido da via.

Como forças inclinadas remodelam a rocha

Para explicar esse comportamento, os pesquisadores construíram um quadro mecânico de como as vigas do teto quebrado pressionam o carvão e o piso. Sobre o pilar, blocos de baixa cota formam uma viga escalonada que empurra fortemente para baixo, enquanto blocos mais elevados atuam como um arco articulado que transfere ainda mais carga para essa estrutura escalonada. Esse sistema “escalonado em baixo + articulado em alto” canaliza peso extra para o pilar e, em seguida, para o piso sob ele. O centro da galeria, em contraste, torna‑se uma zona de baixa pressão após a escavação. O resultado é um forte gradiente lateral de tensões através do piso — como uma colina de energia inclinada, com alta pressão sob o pilar e baixa pressão sob a via.

Da alta pressão ao levantamento unilateral do piso

Sob esse campo de tensões inclinado, a rocha do piso comporta‑se um pouco como uma pasta muito rígida e de movimento lento. Em profundidade, sob o pilar, a rocha é esmagada e cortada ao longo de um trajeto oblíquo que corre diagonalmente em direção à galeria. Impulsionado pela diferença de pressão entre o lado do pilar, com alta tensão, e o centro aliviado da galeria, esse maciço danificado é gradualmente espremido para cima no espaço livre sob a via. No entanto, o lado do pilar permanece fortemente confinado pela pesada cobertura rochosa, de modo que a maior parte da elevação visível aparece no lado menos confinado do carvão sólido. O padrão resultante é característico: subsidência e trincamento intenso junto ao pilar, e um domo deslocado de levantamento do piso em direção à parede oposta.

Como manter o piso sob controle

Com base nessa compreensão, os autores propõem uma estratégia de prevenção em três etapas. Primeiro, recomendam cortar e pré fissurar partes do teto no lado do pilar antes que falhem por conta própria, encurtando as vigas rochosas e reduzindo as forças que elas podem transmitir. Segundo, sugerem cortar ranhuras no piso perto das cintas (rib‑side), especialmente no lado do pilar, para interromper a principal via de tensão do pilar para o piso da galeria. Terceiro, desenham um reforço do piso mais robusto e deliberadamente assimétrico, usando chumbadores (ancoras) mais longos e mais fortes no lado do carvão sólido para ligar as camadas superficiais quebradas a rochas mais profundas e estáveis. Em conjunto, essas medidas visam reduzir a pressão motriz, bloquear sua rota e reforçar o piso onde ele é mais propenso a elevar‑se.

O que isso significa para uma mineração mais segura

O estudo demonstra que o levantamento extremo e unilateral do piso em minas de camadas espessas não é apenas uma questão de rocha fraca, mas de como as camadas de teto quebradas acima do pilar concentram tensões no piso. Ao revelar esse caminho de carga oculto e vinculá‑lo a medições do mundo real, o trabalho oferece aos engenheiros de mina uma receita mais clara para manter as galerias abertas: trate a estrutura do teto, quebre a cadeia de tensões e reforce o piso de forma assimétrica. Aplicar essa abordagem “fonte‑rota‑estrutura” pode ajudar minas que exploram camadas extra‑espessas a manter túneis mais seguros e estáveis sob alto esforço.

Citação: Zhang, J., Sun, J., Wang, B. et al. Mechanism and control strategies for asymmetric floor heave in extra-thick coal seam roadways under high stress. Sci Rep 16, 14515 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45203-y

Palavras-chave: via de mina de carvão, levantamento do piso, mecânica das rochas, controle de maciço, camada de carvão espessa