Estudo sobre grande deformação do piso e mecanismo de falha de galerias em rocha mole rica em água

Por que o piso de galerias de mina pode se elevar de repente

Galerias profundas em minas de carvão precisam permanecer estáveis para manter os trabalhadores seguros e o transporte funcionando. Em algumas minas, o piso da galeria inch a lentamente para cima, deformando trilhos e rachando estruturas de suporte. Este estudo examina um problema desse tipo em uma mina de carvão chinesa, onde a galeria atravessa rocha mole embebida em água. Os pesquisadores buscaram entender por que o piso se elevou por vários metros e como um novo método de contenção poderia impedir que isso ocorresse novamente.

Uma galeria problemática em profundidade

A equipe concentrou-se na via principal do corredor norte da Mina Hongqi, em Shandong, China. Essa galeria de transporte, com cerca de quatro metros de largura e altura, foi escavada em uma camada de folhelho mole e repousa sobre uma camada de calcário preenchida por água subterrânea pressurizada. Inspeções de campo mostraram forte infiltração de água nos encontros entre galerias, e o piso próximo a essa fonte de água havia se elevado até 2,5 metros. Trilhos de aço se dobraram em forma de S, revestimentos de concreto apresentaram fissuras e chumbadores nas paredes se romperam, indicando que a rocha ao redor da galeria não sustentava mais sua forma.

Rocha mole que se desfaz na água

Para entender por que o piso era tão vulnerável, os pesquisadores testaram amostras do folhelho do piso da galeria. Encontraram grande quantidade de minerais argilosos, que atraem água e podem inchar e enfraquecer quando molhados. Ao microscópio, a rocha apareceu porosa e pouco coesa, com muitos grãos pequenos e cimento fraco entre eles. Em testes simples de imersão, blocos de folhelho começaram a desagregar-se após apenas um minuto submersos e continuaram a se fragmentar à medida que absorviam mais água. Esses resultados mostraram que a rocha não era apenas mole, mas também facilmente danificada pela água, tornando‑a especialmente propensa a inchaço e perda de resistência.

Modelos computacionais da água empurrando o piso para cima

Em seguida, a equipe construiu um modelo computacional tridimensional da galeria e das camadas rochosas ao redor. Simularam diferentes pressões de água na camada de calcário profunda abaixo do piso, desde condições secas até a pressão elevada medida. O modelo acompanhou quanto o teto e o piso da galeria se deslocaram e até que ponto a rocha ao redor foi excedida além de seu limite de resistência. Em condições secas o piso subiu apenas levemente e os danos foram superficiais. Quando a pressão da água foi elevada ao valor real subterrâneo, a simulação mostrou um levantamento do piso de cerca de 2,5 metros, e a zona de rocha danificada abaixo do piso aprofundou-se para mais de seis metros, enquanto o teto praticamente não se moveu. Isso demonstrou que a pressão da água por baixo, atuando sobre o folhelho já fraco, era o principal fator do colapso do piso.

Uma imagem simples de como o piso falha

Usando ideias da teoria das pressões de solo, os pesquisadores então desenharam uma representação mecânica de como o piso se move. Dividiram o piso em uma zona rasa, onde a rocha foi enfraquecida pela infiltração, e uma zona mais profunda, fortemente afetada pelo lençol pressurizado. Nessa imagem, blocos de rocha amolecida em ambos os lados da base da galeria são comprimidos para dentro e para cima sob o peso das camadas sobrejacentes e o empuxo ascendente da água. Seus cálculos sugeriram que a profundidade crítica da falha alcança cerca de 4,5 metros. Em termos simples, uma camada espessa de rocha amolecida sob a base da galeria está sendo empurrada para cima e para dentro, fazendo o piso se projetar no espaço da galeria.

Um sistema de suporte em camadas que mantém a água afastada

Com base nessa compreensão, a equipe projetou um novo sistema de suporte adaptado às duas zonas de profundidade. Na zona rasa, instalaram chumbadores curtos com injeção para ligar a rocha solta e selar fissuras. Na zona mais profunda, usaram cabos longos chumbados com injeção para ancorar em rocha mais resistente e limitar o movimento onde a pressão da água é maior. Um arco de concreto invertido foi construído no piso da galeria e ligado a suportes de aço em U ao longo das paredes, transformando todo o revestimento em um anel fechado que resiste melhor ao esmagamento por baixo. Esse projeto visa cortar o contato direto entre a água subterrânea e o folhelho mais fraco, além de distribuir as cargas de forma mais uniforme.

Do levantamento descontrolado à movimentação controlada

O novo esquema de suporte foi aplicado em uma galeria de ligação próxima que apresenta o mesmo tipo de rocha e condições de água. Ao longo de dois meses de monitoramento, o assentamento do teto e o movimento das paredes permaneceram pequenos, e o piso elevou-se apenas 33 milímetros antes de se estabilizar, em vez de metros como antes. Para não especialistas, a mensagem central é que entender como a água enfraquece a rocha subterrânea e como a água pressurizada empurra os pisos de galerias pode levar a suportes direcionados e em camadas que reduzem muito os movimentos perigosos do maciço em minas profundas.

Citação: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

Palavras-chave: levantamento do piso, rocha mole, água subterrânea, suporte de túnel, mina de carvão