Mecanismo de falha do maciço rochoso circundante e controle sinérgico de suporte forte-alívio de pressão forte para vias na camada inferior em grupos de camadas de carvão de curta distância

Por que galerias de carvão mais seguras importam

No subsolo profundo, os mineiros dependem de galerias estreitas para alcançar as camadas de carvão. Quando a rocha ao redor dessas galerias se desloca ou se rompe subitamente, isso pode causar explosões de rocha, desabamentos perigosos e fechamentos onerosos. Este estudo examina uma situação particularmente complicada em uma mina chinesa, onde duas camadas de carvão ficam próximas e as galerias inferiores situam-se abaixo de áreas já escavadas e blocos de carvão remanescentes. Os autores explicam por que a rocha de um lado dessas galerias falha mais facilmente e testam uma abordagem combinada que tanto reforça as paredes da galeria quanto alivia gradualmente a pressão acumulada na rocha circundante.

Tensão oculta da mineração anterior

Na área de mineração de Jiaoping, uma camada de carvão já foi extraída, deixando espaços vazios chamados goafs e pilares de carvão rígidos que sustentam o teto. Uma segunda camada, mais profunda, está sendo agora explorada abaixo. O peso das rochas sobrejacentes e dos pilares rígidos não pressiona de forma uniforme as galerias inferiores. Em vez disso, a tensão se concentra no lado sob o pilar de carvão, enquanto o outro lado fica sob uma zona parcialmente relaxada. A água que infiltra no goaf antigo também pode amolecer o carvão e a rocha, aumentando o risco de perda de resistência do piso e das paredes ao longo do tempo. Cálculos e medições geológicas mostram que o dano da camada superior alcança cerca de 10 a 15 metros para baixo, o que é suficiente para afetar onde e como novas galerias devem ser posicionadas.

Escolhendo um trajeto de galeria melhor

Usando teorias de mecânica das rochas, a equipe estimou quão profundamente o piso sob a camada superior havia sido fraturado pela mineração passada e pela carga concentrada dos pilares de carvão remanescentes. Em seguida, compararam diferentes formas de alinhar a nova via inferior em relação às obras antigas. Se a galeria inferior se sobrepor à zona de alta tensão sob o pilar, ela sofre carregamento forte e desigual. Se for deslocada para fora, ainda pode ficar dentro dessa zona. A escolha mais favorável é escalonar a via inferior para dentro, em direção ao espaço previamente escavado, onde a pressão foi parcialmente aliviada. Esse arranjo interno escalonado evita as rochas mais carregadas e reduz a tendência natural de um lado da galeria deformar-se mais que o outro.

Suporte forte mais alívio de pressão

Um bom suporte da galeria continua essencial. A mina adotou um esquema de “suporte forte” usando tirantes de aço densos, tiras de aço, telas metálicas e cabos de ancoragem de alta tensão fixados no teto e nas paredes. Esse sistema prensou as rochas fraturadas e permitiu que a rocha rasa ao redor da abertura atuasse como uma casca portante única. Para ir além, os pesquisadores adicionaram uma etapa de “alívio de pressão forte”: perfuraram longos furos inclinados a partir da galeria na camada superior e nas rochas sobrejacentes e injetaram água em alta pressão para criar fraturas controladas. A análise cuidadosa da interação entre pressão do fluido e o campo de tensões natural guiou a escolha dos ângulos dos furos, de modo que as fraturas se iniciassem e se propagassem com pressão de bombeamento relativamente baixa, abrindo caminhos para que tensões e energia se redistribuam para longe da galeria.

Observando a resposta da rocha

A equipe usou simulações por computador e medições subterrâneas para ver como a rocha reagia sob carregamento lento e impactos súbitos, que imitam eventos sísmicos menores. Em condições estáticas, a galeria reforçada deformou-se apenas ligeiramente, e os deslocamentos permaneceram bem abaixo dos limites de segurança, embora as tensões e as forças nos tirantes fossem claramente maiores do lado do pilar de carvão. Quando cargas de impacto foram adicionadas nos modelos, surgiram dois padrões. Impactos concentrados principalmente acima do teto tendiam a causar fissuras por tração no centro do teto. Impactos perto do canto onde teto e alvenaria (rib) se encontram causavam grande esmagamento lateral da alvenaria e afundamento de todo o teto, um modo de dano mais severo. Após o fraturamento hidráulico, levantamentos elétricos mostraram extensas zonas de baixa resistividade onde se formaram fraturas preenchidas por água, confirmando que a rocha havia sido enfraquecida e que a tensão havia sido deslocada. Medidores de campo registraram que as forças em tirantes e cabos permaneceram dentro de faixas seguras e que a zona de rocha “afrouxada”, apesar de crescer, manteve-se controlada pelo sistema de suporte.

O que isso significa para a segurança das minas

Para a mina estudada, o trabalho mostra que o carregamento desigual causado por pilares de carvão remanescentes é a principal razão pela qual um lado das galerias da camada inferior falha com mais facilidade. Ao posicionar a via numa zona de pressão aliviada, ancorar firmemente a rocha próxima e usar fraturamento hidráulico direcionado para liberar tensões profundas, os engenheiros podem manter a deformação dentro de limites seguros mesmo quando a rocha sofre pequenos choques. Os autores argumentam que essa estratégia combinada de suporte forte mais alívio de pressão forte, apoiada por monitoramento cuidadoso, oferece um caminho prático para extração de carvão mais segura e eficiente em outras minas que têm camadas empilhadas e condições de tensão complexas.

Citação: Yu, S., Suo, Y., Cai, C. et al. Failure mechanism of surrounding rock and synergistic control of strong support-strong pressure relief for lower-seam roadways in close-distance coal seam groups. Sci Rep 16, 15843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46700-w

Palavras-chave: mineração de carvão, estabilidade de via, atingimento de rocha (rock burst), fraturamento hidráulico, simulação numérica