Análise da zona fraturada permeável à água em cobertura fracamente cimentada considerando o amolecimento por deformação das rochas

Por que as fissuras acima das minas de carvão importam

Em regiões áridas onde a água é escassa, as minas de carvão fazem mais do que extrair combustível do subsolo – elas também podem abrir fissuras ocultas que drenam preciosas águas subterrâneas e desencadeiam afluxos repentinos de água para as galerias. Este estudo examina como essas zonas fraturadas crescem acima de uma lavra de painel corrido no oeste da China, onde as rochas sobrejacentes são fracas e facilmente danificadas. Ao combinar medições de campo com simulações computacionais avançadas, os autores mostram que métodos de engenharia comumente usados podem subestimar a altura alcançada por essas fissuras condutoras de água, com implicações sérias para a segurança da mina e os ecossistemas locais.

Os caminhos ocultos para a água

Quando um leito de carvão é escavado em grande área, o teto rochoso acima do vazio afunda, dobra e eventualmente se rompe. Esse processo cria uma “zona fraturada permeável à água” – uma coluna de fissuras e vazios interconectados por onde a água pode fluir. Na área de mineração de Shendong, na Mongólia Interior, os leitos de carvão estão sob areias soltas e arenitos e folhelhos fracamente cimentados. Uma vez perturbadas, essas rochas podem fraturar extensivamente, ligando camadas rasas portadoras de água ao vazio da mina. Essa conexão pode drenar águas subterrâneas, causar influxos súbitos de água e sedimentos nas galerias e agravar problemas superficiais, como erosão do solo, perda de vegetação e contaminação de recursos hídricos já limitados.

Medição das fissuras a partir da superfície

Para descobrir até que altura a zona fraturada realmente se estende, os pesquisadores perfuraram dois poços verticais: um sobre terreno pouco perturbado e outro sobre a área escavada, ou goaf. Durante a perfuração, observaram quanto fluido de lavagem infiltrava na rocha circundante e como o nível da água em cada poço mudava. No poço em terreno não perturbado, o vazamento permaneceu baixo e estável, indicando apenas fraturas naturais esparsas. Em contraste, quando a perfuração na área escavada atingiu cerca de 97 metros de profundidade, a perda de fluido saltou por milhares de vezes e o nível de água caiu subitamente até o fundo do furo, mostrando que a broca havia entrado em uma zona altamente fraturada e condutiva. Imagens de vídeo dos poços confirmaram esse quadro: rocha íntegra em profundidades rasas deu lugar a fraturas densas e cruzadas em profundidades maiores. A partir dessas observações, a altura da zona fraturada permeável à água foi determinada em cerca de 142,6 metros acima do leito de carvão.

Por que fórmulas tradicionais não bastam

Engenheiros na China frequentemente se baseiam em uma fórmula empírica antiga que estima a altura da zona fraturada a partir da espessura da extração e de uma descrição geral da dureza do teto rochoso. Para a frente de trabalho estudada, essa regra prática previu apenas cerca de 41 metros de fraturamento – muito abaixo do que os poços revelaram. Uma razão é que a fórmula foi desenvolvida principalmente a partir de tipos de rocha mais antigos e mais duros nos campos de carvão orientais e não reflete as rochas mais fracas e mais variáveis das bacias ocidentais. Como resultado, usá‑la nesses contextos pode dar uma falsa sensação de segurança, subestimando tanto o potencial de perda de água subterrânea quanto o risco de ingresso de água nas obras da mina.

Rochas que enfraquecem à medida que se deformam

Para preencher essa lacuna, os autores construíram um modelo numérico tridimensional da mina usando um método de elementos distintos, que representa a cobertura como blocos interagindo separados por juntas. Eles compararam duas formas de descrever o comportamento da rocha: o modelo padrão de Mohr–Coulomb, que assume que, uma vez que a rocha atinge sua resistência máxima, ela permanece igualmente resistente posteriormente, e um modelo com amolecimento por deformação, no qual a resistência diminui gradualmente à medida que a deformação se acumula. O modelo com amolecimento captura como microfissuras crescem e ligações se rompem dentro de rochas fracamente cimentadas, fazendo com que percam coesão e atrito ao longo do tempo. As simulações mostraram que ambos os modelos reproduziram o padrão geral de afundamento do teto, desabamento e crescimento de fissuras, mas os detalhes diferiram de maneiras importantes.

Visualizando a extensão total do dano

Com o modelo de resistência constante, as falhas permaneceram principalmente na parte baixa do teto, e a zona fraturada alcançou apenas cerca de 128,5 metros. Nas simulações com amolecimento por deformação, porém, uma vez que a rocha acima do goaf começou a falhar ela se enfraqueceu progressivamente, permitindo que as fissuras se estendessem mais alto e mais largo. Separações anteriores no teto fecharam sob o recalque, enquanto novas fraturas se formaram mais acima, criando um caminho de água mais alto e mais contínuo. Esse modelo previu uma altura da zona fraturada de 144,5 metros – a poucos metros das medições dos poços e significativamente maior que a estimativa de Mohr–Coulomb. Ao longo da mineração, o modelo de amolecimento produziu consistentemente áreas danificadas maiores e mais realistas, destacando quão sensível é o crescimento das fraturas à forma como se trata o comportamento pós‑falha da rocha.

O que isso significa para a água e a segurança

Para não especialistas, a mensagem é direta: em rochas fracas e permeadas por água, as fissuras acima de uma mina de carvão podem alcançar alturas muito maiores do que regras simples sugerem, especialmente quando a rocha continua a enfraquecer depois de se romper. Modelos que ignoram esse amolecimento tendem a subestimar até onde a água pode penetrar rumo à mina. Ao ajustar‑se bem aos dados de campo, a abordagem com amolecimento por deformação oferece uma base mais confiável para projetar profundidades de mineração seguras, planejar medidas de proteção da água e avaliar impactos ambientais em regiões áridas onde a água subterrânea é preciosa e frágil.

Citação: Xue, S., Wang, Q. & Song, Z. Analysis of water-permeable fractured zone in weakly cemented overburden considering rock strain-softening. Sci Rep 16, 10776 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45413-4

Palavras-chave: mineração de carvão, água subterrânea, fraturamento de rocha, modelagem numérica, riscos hídricos em minas