Estudo sobre o efeito de alívio de pressão e o alcance de proteção da mineração de camada protetora inferior a longa distância com base em simulação física análoga e PFC3D

Por que uma mineração de carvão mais segura importa

O carvão ainda alimenta grande parte da eletricidade da China, mas extraí‑lo pode desencadear explosões súbitas de gás e desabamentos que colocam os mineiros em risco. Este estudo investiga como a mineração de uma camada de carvão profunda pode aliviar de forma gradual a pressão em outra camada acima, facilitando a drenagem do gás e tornando a próxima etapa da mineração mais segura. Ao combinar modelos físicos em laboratório com simulações computacionais avançadas, os pesquisadores mapeiam como a rocha entre as camadas se fratura, se dobra e se acomoda conforme o trabalho progride.

Duas camadas de carvão trabalhando em conjunto

O trabalho concentra‑se na Mina de Carvão nº 6, na província de Henan, onde uma camada mais profunda conhecida como Wu 8 situa‑se cerca de 72 metros abaixo de uma camada superior chamada Ding 5.6. A ideia é minerar primeiro a camada inferior como uma “camada protetora”. Quando essa camada é removida, o peso das rochas sobrejacentes se redistribui, alterando a pressão na camada superior e abrindo pequenos caminhos para o gás aprisionado escapar. Se os engenheiros puderem prever onde e até que distância esse efeito de alívio de pressão alcança, poderão posicionar furos de drenagem de gás e planejar a mineração futura na camada superior com mais segurança e eficiência.

Mini‑mina em escala no laboratório

Para observar o que ocorre fora da vista no subsolo, a equipe construiu um grande modelo físico de cerca de três metros de comprimento por um metro e meio de altura que imita as camadas rochosas reais acima da camada Wu 8. Usando areia, gesso, carbonato de cálcio e mica para representar diferentes tipos de rocha, eles recriaram as camadas empilhadas e então “minaram” a camada inferior passo a passo. À medida que a face de trabalho do modelo avançava, observaram como a rocha sobrejacente desabava e onde as fissuras se abriam. As fraturas formaram um trapézio amplo que cresceu para cima e para fora, passou por estágios de iniciação e crescimento e depois se fechou parcialmente à medida que o material fragmentado se compactou.

Rochas virtuais e forças invisíveis

Modelos de laboratório não capturam todos os detalhes, por isso os pesquisadores também usaram simulações computacionais tridimensionais baseadas em partículas, conhecidas como PFC3D, para acompanhar padrões de tensão e fraturamento em massa rochosa. Nessa mina virtual, a rocha e o carvão são representados por milhares de pequenas partículas ligadas cujas interações seguem as leis do movimento. À medida que a face de trabalho simulada avança, o programa registra como as tensões verticais e horizontais mudam em diferentes alturas, como as fraturas se conectam em redes e como a camada superior de carvão se movimenta. Os resultados mostram que as tensões verticais próximas à área escavada atingem cerca de quatro vezes as tensões horizontais, e então caem, esculpindo uma zona de alívio de pressão que se estreita com a altura e adquire uma forma de plataforma trapezoidal acima do goaf.

Como a camada superior se dobra e se estica

As simulações também revelam como a camada protegida Ding 5.6 se deforma. Seu padrão de deslocamento transforma‑se gradualmente em um afundamento em forma de tigela acima da camada inferior escavada. No início, quando a face de trabalho avançou menos da metade do seu comprimento, o recalque é pequeno e tem formato elíptico. À medida que a mineração prossegue, o afundamento aprofunda‑se e se alarga, com a maior queda diretamente acima do centro do goaf. Eventualmente, o fundo da “tigela” se nivela à medida que a rocha sobrejacente se compacta e a taxa de recalque adicional diminui. Ao acompanhar a mudança na espessura da camada protegida, a equipe calcula uma taxa de deformação por expansão; quando essa taxa excede um valor limiar, o carvão é considerado totalmente aliviado de pressão e muito menos propenso a falhar de forma violenta.

Desenhando uma zona segura no subsolo

Combinando os resultados de deformação e tensão, os autores delineiam a forma tridimensional da zona efetiva de proteção por alívio de pressão. Eles constatam que a região relaxada na camada superior não se estende exatamente sobre a área minerada, mas é deslocada para dentro ao longo tanto do comprimento quanto da largura da face de trabalho. Ao longo do comprimento, a zona protegida começa e termina cerca de 35–40 metros para dentro dos limites reais da mineração; ao longo da largura, ela recua aproximadamente 11–14 metros. Dentro dessa região deslocada, a tensão vertical cai abaixo de um valor crítico de cerca de 16,9 megapascais e a taxa de deformação por expansão excede o padrão usado nas normas de segurança chinesas. Em termos práticos, o estudo fornece aos planejadores de minas ângulos e distâncias claros que indicam onde a drenagem de gás e a futura extração da camada superior podem prosseguir com risco reduzido de explosões de carvão e gás.

Citação: Zhan, K., Liu, Z., Wei, D. et al. Study on pressure-relief effect and protection scope of long-distance lower protective seam mining based on similar physical simulation and PFC^3D. Sci Rep 16, 15927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47414-9

Palavras-chave: mineração de camada de carvão, drenagem de gás, fraturas rochosas, segurança mineira, simulação numérica