Análise numérica e aplicação de engenharia da tecnologia de suporte por parafusos para controlar o deslizamento do corpo de carvão

Por que a segurança em minas de carvão continua a importar

Minas de carvão profundas alimentam residências e indústrias, mas também escondem perigos violentos. Um dos mais perigosos é o soco de carvão, uma liberação súbita de energia que pode deslocar o carvão lateralmente e danificar túneis. Este estudo examina uma forma prática de domar essa força ao repensar como parafusos metálicos são instalados entre carvão e rocha, de modo que as vias se mantenham estáveis e os mineiros permaneçam seguros.

Carvão deslizante e pontos fracos ocultos

Em muitas minas de alta tensão, o carvão ao lado de um túnel não se desintegra simplesmente; ele pode deslizar como um bloco sólido ao longo da superfície onde o carvão encontra uma rocha mais dura. Esse deslizamento libera energia armazenada no subsolo e pode destruir equipamentos e ameaçar trabalhadores. O elo fraco é essa interface carvão-rocha, que frequentemente não resiste a fortes impulsos laterais. O suporte tradicional por parafusos foi projetado principalmente para sustentar tetos, não para impedir que lajes inteiras de carvão deslizem por essa fronteira.

Parafusos como guardiões silenciosos

Os autores concentram-se em como os parafusos podem unir carvão e rocha para que eles se movam como um todo em vez de se separar. Um parafuso que atravessa a interface pode atuar de duas maneiras. Primeiro, ele pressiona as superfícies entre si, aumentando o atrito para que seja menos provável que deslizem. Segundo, quando o carvão tenta se mover, o parafuso dobra e alonga, acumulando uma força de contenção que resiste ao deslizamento e distribui a carga para rochas mais resistentes ao redor do túnel. A questão chave é como o ângulo desses parafusos determina se eles trabalham de forma segura em tração ou são cortados por forças de cisalhamento.

Testes virtuais dos ângulos dos parafusos

Para investigar isso, a equipe construiu um modelo computacional tridimensional detalhado de uma seção de carvão e rocha unida por um único parafuso. Usando software de simulação numérica, eles empurraram o carvão lateralmente e observaram o comportamento do parafuso em quatro ângulos: 30, 45, 60 e 90 graus em relação à superfície carvão-rocha. A 30 e 45 graus, o parafuso esticou ao longo do comprimento, afilou no meio e finalmente rompeu em um clássico fratura por tração. A 60 e 90 graus, o parafuso dobrou acentuadamente e falhou ao longo de um plano plano, sinal de que estava sendo cortado por cisalhamento em vez de ser tracionado.

Encontrando o ponto ideal entre resistência e energia

As simulações mostraram que os parafusos falham de forma mais progressiva e suportam cargas maiores quando trabalham principalmente em tração. A 30 e, especialmente, 45 graus, os parafusos alcançaram forças máximas maiores, com maior alongamento seguro antes da ruptura. Eles também absorveram mais energia de deformação, o que significa que podem dissipar melhor impactos de movimentos súbitos do solo. Em ângulos mais acentuados, os parafusos suportaram menos carga, deformaram-se menos antes da falha e ficaram mais sujeitos a cisalhamento súbito. Isso apontou 45 graus como o compromisso mais eficaz entre geometria e resistência para resistir ao deslizamento do carvão.

Aplicando o projeto em uma mina real

Os pesquisadores então testaram seu projeto em uma mina de carvão profunda na China. Em um trecho de uma via de retorno, mantiveram o sistema de suporte existente. Em um trecho próximo com geologia similar, alteraram o padrão na parede lateral: a fila superior de parafusos foi inclinada a 45 graus e combinada com cabos mais longos ancorados em camadas mais firmes acima e abaixo. Ao longo do ciclo completo de escavação do túnel e posterior extração do carvão, eles monitoraram a subsidência do teto, o movimento da parede lateral e as camadas de separação no teto para ver como a massa rochosa respondeu.

Túneis mais seguros com menos movimento

As medições mostraram que o suporte otimizado melhorou claramente a estabilidade. Durante a escavação, o fechamento do teto na seção teste foi menor, e a separação entre camadas do teto manteve-se baixa. O movimento da parede lateral na seção melhorada caiu cerca de 28,6% em comparação com o projeto antigo. Depois que a extração começou e as tensões aumentaram ainda mais, o deslocamento da parede lateral na via otimizada foi cerca de metade do observado com o suporte convencional, e a separação do teto em pontos mais profundos cresceu muito mais lentamente. Esses achados sugerem que parafusos corretamente inclinados, apoiados por cabos bem posicionados, podem efetivamente prender carvão e rocha e limitar deslizamentos em grande escala.

O que isso significa para a segurança em minas

Para um leitor leigo, a mensagem é direta. Ao inclinar parafusos para que trabalhem em tração em vez de cisalhamento, os engenheiros conseguem mais resistência e absorção de energia com o mesmo equipamento, transformando o contato carvão-rocha de uma superfície fraca de deslizamento em uma junta travada. O estudo aponta 45 graus como um ângulo prático-alvo e demonstra em campo que esse arranjo reduz a deformação do túnel em uma mina de alta tensão. Embora mais trabalho seja necessário para outros tipos de estouros de rocha, a abordagem oferece um caminho claro para vias subterrâneas mais seguras onde deslizamentos de carvão são uma preocupação.

Citação: Wang, C., Ma, S. Numerical analysis and engineering application of bolt support technology for controlling coal body sliding. Sci Rep 16, 15566 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46530-w

Palavras-chave: soco de carvão, parafusos de ancoragem, suporte de via, simulação numérica, estabilidade de mina