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Mechanical Behavior and Dual-Peak Strength Evolution of Coal Pillar–Granular Backfill Composite Body in Highwall Mining

Este estudio investiga el comportamiento mecánico y la evolución de la resistencia de doble pico de un cuerpo compuesto de pilar de carbón y relleno granular en la minería de pared alta, revelando cómo el ancho del pilar y la altura del material granular influyen en la resistencia a través de modelos establecidos para apoyar la recuperación de recursos de manera verde y segura.

Autores originales: Ya Tian, Lixiao Tu, Xuyang Shi, Xiang Lu, Yukun Yang, Fuming Liu

Publicado 2026-07-28

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CC BY 4.0

Autores originales: Ya Tian, Lixiao Tu, Xuyang Shi, Xiang Lu, Yukun Yang, Fuming Liu

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina la corteza terrestre como un pastel gigante de capas. A veces, los mineros quieren comerse todo el pastel, pero las capas superiores son demasiado empinadas o las capas inferiores están atrapadas de una manera que hace que sea imposible alcanzarlas con una pala normal. Este es el mundo de la minería a cielo abierto, donde enormes máquinas extraen carbón de la superficie. Pero a medida que cavan más profundo, dejan atrás una "pared" de roca y carbón en el borde del foso, atrapando capas de carbón valiosas justo debajo. Este carbón atrapado se llama carbón de pendiente final (end-slope coal). Si se deja solo, se pierde para siempre, enterrado bajo toneladas de roca de desecho. Para obtenerlo, los ingenieros utilizan un truco ingenioso llamado minería de pared alta (highwall mining), que envía un robot minero controlado remotamente hacia la capa de carbón desde el borde del foso, royendo largos túneles.

Sin embargo, este robot no puede roer toda la capa a la vez, o el techo colapsaría. Por lo tanto, deja atrás gruesos pilares de carbón para sostener el techo, como los pilares en un templo antiguo. ¿El problema? Con el tiempo, estos pilares de carbón pueden cansarse, agrietarse y fallar, causando que el suelo superior se hunda o incluso que se incendie. Para detener esto, los mineros están probando una nueva idea: el relleno (backfilling). En lugar de simplemente dejar los túneles vacíos, llenan el espacio alrededor de los pilares de carbón con rocas sueltas y grava (material granular). Piensa en ello como rellenar un jarrón roto con cacahuetes de embalaje para evitar que se rompa. La gran pregunta que se hacen los científicos es: ¿Qué tan bien resiste realmente esta combinación de "pilar de carbón más cacahuetes de embalaje" bajo presión? ¿El material rocoso suelto ayuda, o simplemente estorba?

Este artículo profundiza en esa misma pregunta construyendo una versión en miniatura de este mundo subterráneo en un laboratorio. Los investigadores, liderados por Ya Tian y Xuyang Shi de la Universidad de Minería y Tecnología de China, crearon una máquina especial para probar un Cuerpo Compuesto de Pilar de Carbón y Relleno Granular (CGBP). No solo presionaron un bloque de carbón; construyeron un sándwich con un pilar de carbón en el medio y roca triturada suelta a ambos lados, y luego lo apretaron para ver qué sucedía.

Lo que encontraron es sorprendentemente dramático y un poco como una obra de teatro en dos actos. Cuando apretaron su sándwich de carbón y roca, no se rompió una sola vez y se rindió. En cambio, mostró una resistencia de doble pico, lo que significa que tuvo dos momentos distintos de máxima potencia. El primer pico, que llaman resistencia α, ocurre cuando el pilar de carbón comienza a agrietarse por primera vez. El segundo pico, la resistencia β, ocurre más tarde, después de que el carbón se ha desmoronado un poco pero la roca suelta de los lados se ha apretado con fuerza y ha tomado el control de la carga.

Los investigadores descubrieron que el tamaño del pilar de carbón importa mucho. Si el pilar es demasiado estrecho, se rompe fácilmente. Si tiene el tamaño justo (alrededor de 100 mm de ancho en su prueba), el primer pico es fuerte. Pero si el pilar se ensancha aún más, el primer pico en realidad se debilita porque el propio carbón tiene grietas ocultas en su interior (un fenómeno conocido como el "efecto de tamaño"). Sin embargo, el segundo pico —la resistencia β— es una historia diferente. Se vuelve cada vez más fuerte a medida que el pilar de carbón se ensancha, siguiendo una curva matemática específica.

Aún más interesante es el papel de la roca suelta. El equipo descubrió que la altura del material granular (cuántos "cacahuetes de embalaje" usaron) actúa como un supercargador. Cuanta más roca apilaron, más fuerte se convirtió el segundo pico. De hecho, cuando llenaron el espacio hasta una altura de 9م5 mm, la resistencia del segundo pico fue hasta 6.48 veces más fuerte que cuando no había roca en absoluto. Esto sugiere que la roca suelta no solo está llenando el espacio; está apretando activamente el carbón, evitando que se desmorone por completo, y luego asumiendo el peso por sí misma una vez que el carbón se daña.

También probaron diferentes tipos de tamaños de roca. Encontraron que las rocas con un "ángulo de fricción" más alto (una forma elegante de decir que las rocas son más rugosas y se agarran mejor entre sí) hicieron que todo el sistema fuera más fuerte. Cuanto más rugosas eran las rocas, mejor mantenían unido al carbón.

Los autores construyeron un modelo matemático para explicar esto, tratando el pilar de carbón como una pared y la roca suelta como suelo empujando contra ella. Se dieron cuenta de que a medida que el carbón se agrieta, la roca suelta empuja con más fuerza (como un resorte comprimiéndose), creando una "presión de tierra pasiva" que salva la estructura. Esto sucede en tres etapas: primero, el carbón sostiene el peso; segundo, el carbón se agrieta pero la roca comienza a apretarlo; y tercero, la roca y el carbón roto trabajan juntos para sostener el techo.

El artículo concluye que este método de "pilar de carbón más relleno" es una forma prometedora de recuperar ese carbón de pendiente final atrapado de manera segura. Al utilizar la cantidad adecuada de roca suelta y el tamaño adecuado del pilar de carbón, los mineros pueden crear una estructura que no solo sobrevive a la ruptura inicial, sino que de hecho se vuelve más fuerte a medida que se asienta. Si bien estos resultados provienen de modelos pequeños de laboratorio y deben ser probados en minas reales, los hallazgos sugieren que llenar los huecos con roca suelta podría ser la clave para mantener el suelo estable y salvar valiosos recursos de carbón que de otro modo se perderían para siempre.

Resumen Técnico: Comportamiento Mecánico y Evolución de la Resistencia de Doble Pico del Cuerpo Compuesto de Pilar de Carbón y Relleno Granular en la Minería de Pared Alta

Planteamiento del Problema
La minería de pared alta es una técnica crítica para la recuperación de recursos de carbón "de pendiente final" aislados en minas a cielo abierto, que de otro modo representarían entre el 5 % y el 15 % de las reservas totales. Sin embargo, la minería de pared alta tradicional deja pilares de carbón que son propensos a la inestabilidad a largo plazo, lo que provoca subsidencia superficial y potencial combustión espontánea. Si bien el relleno minero ofrece una solución, la investigación existente se ha centrado principalmente en rellenos de pasta cohesivos. El uso de escombros granulares in situ (relleno sólido) suele verse con escepticismo debido a las limitaciones de los métodos analíticos tradicionales para capturar las ganancias de resistencia post-consolidación y los mecanismos dinámicos de confinamiento lateral. Existe una brecha crítica en la comprensión de la evolución de la resistencia de un cuerpo compuesto formado por pilares de carbón y relleno granular bajo variables parámetros de minería.

Metodología
Para abordar esta brecha, los autores desarrollaron un novedoso marco experimental y teórico centrado en un "Cuerpo Compuesto de Pilar de Carbón–Relleno Granular" (CGCB, por sus siglas en inglés).

Aparato Experimental: Se diseñó de forma independiente un dispositivo de compresión axial especializado para simular el campo de esfuerzos in situ. El aparato cuenta con una base, placas de retención frontal/posterior, placas de restricción lateral y un mecanismo de transferencia de presión lateral. Incorpora múltiples sensores de presión (modelos F5Y y F9Y) para monitorear en tiempo real las variaciones de esfuerzo tanto en el material granular (lateral y vertical) como en el pilar de carbón.
Materiales: Los especímenes de carbón se obtuvieron del yacimiento de carbón de Zhundong (resistencia a la compresión uniaxial ~11.16 MPa). Los materiales granulares se recolectaron de la mina a cielo abierto Tianchi Energy South, con tamaños de partícula ajustados mediante un método de gradación por similitud hasta un máximo de 5 mm. Se probaron tres esquemas de gradación para variar el ángulo de fricción interna y la cohesión.
Matriz de Pruebas: Se realizaron treinta y cinco esquemas de prueba utilizando una máquina de ensayo hidráulica WAW-600. Las variables incluyeron anchos de pilar de carbón (50–150 mm), alturas de material granular (0–95 mm) y gradaciones de partículas. Las pruebas se ejecutaron bajo control de desplazamiento hasta una deformación axial del 10%.
Modelado Teórico: Se estableció un modelo mecánico por etapas basado en la teoría de la presión de tierras y el criterio de Mohr–Coulomb. El modelo divide el proceso de soporte en tres etapas: soporte colaborativo estacionario, soporte colaborativo dinámico y estabilización del soporte colaborativo. Calcula la evolución de la resistencia ajustando iterativamente la presión pasiva de la tierra ejercida por el material granular a medida que el pilar de carbón falla y se consolida.

Resultos Clave
El estudio reveló una distintiva respuesta de esfuerzo–deformación de "doble pico" en el CGCB, caracterizada por un pico inicial ( $\alpha$ -resistencia) y un pico secundario ( $\beta$ -resistencia).

Evolución de la Resistencia de Doble Pico:
- $\alpha$ -resistencia (Falla Inicial): Esta resistencia aumenta inicialmente con el ancho del pilar de carbón (alcanzando su máximo en 100 mm) y luego disminuye, reflejando una competencia entre el efecto de ancho y el efecto de tamaño (donde los pilares más grandes contienen más defectos). Muestra un aumento lineal con la altura del material granular.
- $\beta$ -resistencia (Falla Subsecuente): Esta resistencia sigue una relación de ley de potencia, aumentando continuamente con el ancho del pilar de carbón. Es significativamente más sensible a la altura del material granular que la $\alpha$ -resistencia; para un pilar de 150 mm, la $\beta$ -resistencia a 95 mm de altura fue hasta 6.48 veces mayor que a 0 mm de altura. En algunos casos, la $\beta$ -resistencia superó a la $\alpha$ -resistencia, particularmente en pilares más anchos donde la escala de la falla inicial era pequeña en relación con el espécimen.
Influencia de la Gradación Granular:
- Mientras que la cohesión granular tuvo un efecto insignificante, el ángulo de fricción interna influyó significamente en la resistencia. Ángulos de fricción interna equivalentes más altos (logrados mediante gradaciones específicas) aumentaron tanto la $\alpha$ como la $\beta$ resistencia.
- La influencia de la gradación en la $\beta$ -resistencia fue más pronunciada en pilares más estrechos (hasta un 41.67% de variación) y disminuyó a medida que el ancho del pilar aumentaba.
Mecanismos de Esfuerzo y Falla:
- El aumento de la altura granular y el ancho del pilar elevaron el esfuerzo horizontal dentro de la capa granular, proporcionando un confinamiento lateral que restringió la propagación de grietas en el pilar de carbón.
- Los modos de falla transicionaron de una división axial frágil (en pilares estrechos sin relleno) a una falla por corte dúctil (en pilares más anchos o con alto relleno).
- El modelado teórico confirmó que la transición de la $\alpha$ a la $\beta$ resistencia corresponde a la falla inicial del pilar de carbón y la subsiguiente generación de presión pasiva de la tierra por parte del material granular en consolidación.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar conocimientos fundamentales sobre el mecanismo de evolución de la resistencia de los compuestos de pilar de carbón–relleno granular, un tema previamente poco investigado. Al establecer un marco de investigación sistemático y una vía integral de evolución de la resistencia, el estudio ofrece una base científica para:

Evaluar la estabilidad a largo plazo de los taludes rellenos.
Diseñar medidas efectivas de control de subsidencia.
Promover estrategias más seguras y ambientalmente sostenibles para la recuperación de recursos de carbón de pendiente final utilizando relleno sólido.

Los autores mantienen un tono modesto respecto al alcance de sus hallazgos, señalando explícitamente que las conclusiones se derivan de especímenes a escala de laboratorio. Afirman que la aplicabilidad de estos resultados a la ingeniería de campo a gran escala requiere de una verificación adicional en estudios posteriores. El trabajo tiene como objetivo cerrar la brecha entre la comprensión teórica y la implementación práctica de prácticas de minería verde en entornos de cielo abierto.

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