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Numerical study on roadway stress control of surrounding rock through hydraulic fracturing-induced cracks in gob-side roof based on phase-field theory

Este estudio emplea un modelo de campo de fase para demostrar que la optimización de los parámetros de fracturación hidráulica para maximizar la conectividad de la red de fracturas es crucial para controlar eficazmente el esfuerzo de la vía y mitigar la concentración de esfuerzos en las vías de minas de carbón al lado del hundimiento.

Autores originales: Xin Yu, Huaidong Liu, Changyou Liu, Fengfeng Wu, Yiqi Chen, Zhenhua Chen, Haolie Li, Shibao Liu, Hanrui Zhang

Publicado 2026-08-18

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CC BY 4.0

Autores originales: Xin Yu, Huaidong Liu, Changyou Liu, Fengfeng Wu, Yiqi Chen, Zhenhua Chen, Haolie Li, Shibao Liu, Hanrui Zhang

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

En lo profundo de la superficie terrestre, donde se extrae el carbón para alimentar las ciudades, la roca que rodea los túneles enfrenta un constante y aplastante apretón. A medida que los mineros retiran una capa de carbón, el peso de las montañas superiores se desplaza, concentrando una presión inmensa sobre las estrechas franjas de roca que quedan para sostener los techos de los túneles. Esta presión hace que la roca se deforme, se agriete y, en ocasiones, colapse, haciendo que los túneles sean peligrosos y difíciles de mantener. Para mantener estos pasos abiertos, los ingenieros han utilizado durante mucho tiempo una técnica llamada fracturación hidráulica. Esto consiste en bombear fluido hacia la roca para crear grietas, que actúan como válvulas de presión, permitiendo que la roca se relaje y que el estrés se redistribuya lejos del túnel. Sin embargo, predecir exactamente cómo crecerán estas grietas y cuánto aliviarán la presión es increíblemente difícil, especialmente en el entorno complejo y cambiante de una mina.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Minería y Tecnología de China ha desarrollado una nueva forma de simular este proceso con alta precisión. En lugar de adivinar dónde podrían formarse las grietas, construyeron un sofisticado modelo computacional que observa cómo la roca se rompe en tiempo real, paso a paso. Su trabajo se centra en un escenario específico y desafiante: la vía de transporte "gob-side", que es el túnel que corre justo al lado del área donde ya se ha extraído el carbón. En esta zona, la roca está sometida a una mezcla única y violenta de fuerzas. Los investigadores utilizaron un método llamado teoría de campo de fase, que trata a la roca no como un bloque sólido que se rompe repentinamente, sino como un material que se debilita y se rompe gradualmente, permitiendo que la computadora rastree el nacimiento y el crecimiento de cada pequeña grieta sin necesidad de saber exactamente dónde ocurrirá la ruptura de antemano.

Para probar su modelo, el equipo recreó las condiciones del frente de trabajo 15108 de una mina de carbón real, donde la roca se encuentra enterrada a unos 400 metros de profundidad. Simularon un escenario donde la roca sobre el túnel es gruesa y fuerte, propensa a formar una estructura pesada en forma de cuña que cuelga sobre el espacio vacío y presiona hacia abajo sobre el túnel. Los investigadores programaron su modelo para imitar un proceso de fracturación hidráulica por etapas. Esto implica perforar una serie de agujeros e inyectar agua en tres etapas separadas, moviéndose hacia atrás a lo largo del túnel. El objetivo era rebanar la roca colgante en un lado para dejar que cayera de forma segura, mientras simultáneamente se creaba una red de grietas en el otro lado para suavizar la presión sobre las paredes del túnel.

Las simulaciones revelaron que el comportamiento de las grietas es una danza delicada entre la presión natural de la tierra y las nuevas grietas creadas por el agua. Cuando la presión de la roca circundante era moderada, las grietas tendían a extenderse horizontalmente, conectándose para formar una red amplia e interconectada. Esta red transfirió con éxito la carga pesada lejos del túnel, reduciendo el estrés en las paredes de la roca en casi un 20 por ciento. Sin embargo, a medida que los investigadores aumentaban la presión simulada a niveles más extremos, las grietas cambiaban su comportamiento. En lugar de extenderse, comenzaban a dispararse verticalmente hacia arriba y hacia abajo. Este crecimiento vertical evitaba que las grietas se conectaran entre sí, dejando huecos donde la alta presión aún podía acumularse. En estas condiciones de alta presión, el alivio del estrés era mucho menos efectivo, y las paredes de la roca experimentaban solo una reducción mínima de la presión.

El estudio también introdujo una nueva forma de medir la calidad de la red de grietas. Los investigadores descubrieron que tener un gran número de grietas o un patrón muy complejo y enredado no significaba necesariamente mejores resultados. De hecho, el factor más importante era simplemente qué tan bien se conectaban las grietas entre sí. Si las grietas formaban un camino continuo, la presión podía fluir fácilmente. Si estaban aisladas o bloqueadas por el intenso estrés de la roca circundante, el alivio de la presión fallaba. El equipo descubrió que los mejores resultados se obtenían cuando las grietas formaban una red bien conectada bajo condiciones de estrés moderado, en lugar de un desorden caótico bajo estrés extremo.

Al mapear exactamente cómo crecen e interactúan estas grietas, los investigadores han proporcionado una guía clara para los ingenieros que diseñan estas medidas de seguridad. Demostraron que el éxito de la fracturación hidráulica depende fuertemente de las condiciones de estrés específicas de la mina. Si la presión es demasiado alta, las grietas no se conectarán adecuadamente y la técnica tendrá dificultades para proteger el túnel. Los hallazgos sugieren que los ingenieros deben ajustar cuidadosamente sus ángulos de perforación y los tiempos de inyección para fomentar la formación de grietas conectadas, asegurando que la roca pueda liberar de forma segura su energía acumulada. Este trabajo ofrece una forma más confiable de predecir cómo se comportará el terreno, ayudando a que la minería subterránea sea más segura y estable.

Resumen Técnico: Estudio Numérico sobre el Control del Estrés en Vías de Comunicación mediante Fracturación Hidráulica en Techos de Lado de Desmonte (Gob-Side)

Planteamiento del Problema
Las vías de comunicación en minas de carbón situadas al lado de desmonte (gob-side) están sujetas a deformaciones severas y dificultades de sostenimiento debido a entornos de alto estrés prolongados, causados por la carga lateral del techo de los paneles adyacentes y las perturbaciones inducidas por la minería. Aunque la fracturación hidráulica (FH) es una técnica reconocida de alivio de estrés activo, el mecanismo de acoplamiento entre la evolución de la red de fracturas y el alivio del estrés en la roca circundante sigue sin estar claro, particularmente bajo las condiciones de estrés complejas, heterogéneas y asimétricas de las vías de comunicación de lado de desmonte. Los enfoques numéricos existentes suelen depender de geometrías de fractura o regiones debilitadas predefinidas, lo que limita su capacidad para capturar con precisión el comportamiento dinámico de la propagación de las fracturas hidráulicas y los mecanismos de alivio de estrés resultantes en tales entornos complejos.

Metodología
Este estudio desarrolla un modelo numérico de campo de fase (phase-field) para simular la fracturación hidráulica segmentada del techo en vías de comunicación de lado de desmonte. La metodología integra los siguientes componentes:

Marco de Campo de Fase: Se establece un modelo poroelástico acoplado donde las interfaces de fractura se representan implícitamente mediante una variable continua de campo de fase ( $\phi$ ). Este enfoque evita el seguimiento explícito de las grietas, permitiendo la simulación de la iniciación, propagación, ramificación y coalescencia de grietas sin dependencia de la malla. El modelo contabiliza la deformación de la roca, el daño por fractura y el flujo de fluidos.
Implementación del Entorno de Estrés: Para replicar la redistribución del estrés inducido por la minería en una vía de comunicación de lado de desmonte, se prescribe una función de estrés lineal por tramos en los límites del modelo. Esta función se deriva de la teoría de equilibrio límite para reproducir la distribución característica de la presión de abatimiento, incluyendo las zonas plásticas y elásticas adyacentes al desmonte (goaf).
Configuración de la Simulación: El estudio utiliza COMSOL Multiphysics para acoplar los módulos de Mecánica de Sólidos, Ley de Darcy y campo de fase. Se realiza un estudio de caso en el frente de trabajo 15108, que presenta un pilar de carbón de 15 m de ancho y una veta de carbón de 4.6 m de espesor. La simulación emplea un esquema de fracturación hidráulica segmentada hacia atrás con pozos de perforación dobles (inclinados a 60° y 75°) y tres etapas de fracturación por pozo.
Evaluación Cuantitativa: Se introducen cuatro índices cuantitativos para caracterizar las redes de fractura y evaluar el rendimiento del alivio de presión:
1. Rango de Fracturación ( $X_1$ ): La extensión espacial global de la red de fractura.
2. Densidad de Fractura ( $X_2$ ): La relación entre las celdas fracturadas y el dominio de referencia total.
3. Dimensión Fractal ( $X_3$ ): Una medida de la complejidad geométrica de la red.
4. Conectividad de Fractura ( $X_4$ ): La distancia horizontal entre las puntas de fractura no conectadas de los pozos opuestos.

Resultos Clave
Las simulaciones numéricas revelan varios hallazgos críticos respecto a la evolución de las fracturas y el control del estrés:

Mecanismos de Propagación de Fracturas: La propagación de las fracturas está gobernada conjuntamente por el campo de estrés in situ, las fracturas preexistentes y la interferencia de estrés de los pozos adyacentes. Las fracturas de la primera etapa son impulsadas principalmente por el campo de estrés inducido por la minería, mientras que las etapas posteriores están dominadas por las interacciones entre fracturas vecinas.
Evolución del Estrés: Durante el proceso de fracturación, la concentración de estrés aumenta inicialmente en los hastiales de la vía de comunicación (hasta un 30% en la tercera etapa) antes de transformarse en una zona de bajo estrés a gran escala tras la compactación de las fracturas. La reducción final del estrés en los hastiales de la vía alcanza un 19% y 34% respectivamente.
Impacto del Factor de Concentración de Estrés (SCF):
- SCF Bajo (1.2–1.4): Las fracturas se propagan predominantemente de forma horizontal, formando una red bien conectada que crea zonas de bajo estrés superpuestas. Mientras que el estrés promedio en la roca circundante (RSR) muestra reducciones de aproximadamente un 20% en este rango, la reducción del estrés pico en el pilar de carbón exhibe una tendencia diferente, alcanzando un valor mínimo de -0.5% con un SCF de 1.4.
- SCF Alto (≥1.5): La propagación de la fractura en el lado del pilar de carbón cambia de horizontal a vertical. Ocurre una fuerte inhibición entre etapas, y las fracturas de la tercera etapa no logran conectarse. Esto conduce a un deterioro en el rendimiento del alivio de presión. Específicamente, cuando el SCF es igual a 1.6, el efecto de alivio de presión es el más pobre, con reducciones de estrés pico en los dos hastiales de la vía limitadas a 6.66% y 5.64%.
Correlación con el Rendimiento: Un análisis de regresión lineal multivariante ( $R^2 = 0.976$ ) establece que el rango, la densidad y la dimensión fractal de la fractura están correlacionados negativamente con la efectividad de la reducción de estrés. Por el contrario, la conectividad de la fractura muestra una correlación positiva. Esto indica que una red altamente compleja no garantiza un mejor rendimiento; más bien, una red bien conectada es esencial para un alivio de estrés efectivo.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar un marco numérico robusto para investigar el alivio de presión por fracturación hidráulica bajo condiciones mineras complejas. Al incorporar una función de estrés de frontera y utilizar el método de campo de fase, el estudio ofrece una representación más precisa de la evolución de las fracturas en comparación con los métodos que requieren geometrías predefinidas.

La significancia principal reside en el establecimiento de una relación cuantitativa entre las características de la red de fractura y el rendimiento del alivio de estrés. Los autores sostienen que estos hallazgos proporcionan orientación práctica para el diseño de la fracturación hidráulica, sugiriendo que los ingenieros deben priorizar la formación de redes de fractura bien conectadas bajo las condiciones de estrés específicas del sitio. Específicamente, el estudio aconseja ajustar los parámetros del proceso (como la orientación del pozo, la duración y el espaciamiento) para maximizar la conectividad y evitar los efectos negativos de las altas concentraciones de estrés que inhiben la coalescencia de las fracturas. El trabajo tiene como objetivo mejorar la estabilidad de las vías de comunicación de lado de desmonte mediante la optimización del entorno de estrés de la roca circundante a través de una fracturación hidráulica dirigida.

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