Water Seepage Induced Deformation and Stability Control of Weakly Cemented Soft-Rock Roadway

En las profundidades de la superficie terrestre, donde los mineros del carbón excavan largos túneles para alcanzar vetas valiosas, el suelo no es un bloque sólido e inalterable. En muchos lugares, la roca que rodea estos túneles es blanda, quebradiza y está unida por un pegamento natural débil. Esto se conoce como roca blanda débilmente cementada. Cuando el agua se filtra a través del suelo y toca esta roca, comienza un proceso lento pero destructivo. El agua actúa como un solvente, disolviendo los enlaces débiles y provocando que los minerales dentro de la roca se hinchen y se ablanden, de forma muy similar a cómo una esponja absorbe el agua. Esta transformación convierte a la roca de un soporte estructural en una sustancia fangosa y débil que lucha por mantener su forma. Para los ingenieros encargados de mantener estos túneles subterráneos abiertos y seguros, esta interacción entre el agua y la roca es uno de los desafíos más difíciles que enfrentan. Si la roca falla, el túnel puede colapsar, atrapando equipos y trabajadores, o simplemente volverse demasiado estrecho para ser utilizado.

Investigadores del Instituto de Investigación de Minería de Carbón CCTEG y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hunan se propusieron comprender exactamente cómo ocurre este fallo en una mina de carbón específica en Ningxia, China. Se centraron en un túnel conocido como la vía de transporte 110803, donde la roca circundante está compuesta de roca blanda arcillosa, un tipo de material rico en arcilla que es particularmente sensible al agua. El equipo combinó inspecciones in situ, pruebas de laboratorio y simulaciones por computadora para observar cómo se comportaba el túnel a lo largo del tiempo. Descubrieron que los problemas del túnel no se debían solo a que la roca fuera débil, sino a una reacción en cadena específica desencadenada por el agua. La roca contiene altas cantidades de minerales de arcilla que se expanden cuando se mojan, creando presión interna. Al mismo tiempo, el agua debilita el agarre de los pernos y cables metálicos utilizados para sujetar la roca en su lugar. El sistema de soporte original, que dependía de estos pernos, simplemente no era lo suficientemente fuerte para luchar contra la expansión de la roca y la pérdida de agarre causada por el agua.

Los investigadores observaron que el túnel no fallaba de golpe. En cambio, pasaba por tres etapas distintas de movimiento. Primero, hubo un periodo de cambio rápido en el que el techo y el suelo comenzaron a moverse el uno hacia el otro rápidamente. Esto fue seguido por una fase de deformación acelerada, donde el movimiento se aceleró aún más a medida que la roca continuaba ablandándose y el sistema de soporte comenzaba a perder su sujeción. Finalmente, el movimiento se ralentizó, pero nunca se detuvo realmente; el túnel continuó desplazándose y asentándose durante meses, lo que indicaba un estado de inestabilidad a largo plazo. En algunas secciones del túnel, el suelo se elevó más de 700 milímetros, mientras que el techo descendió unos 300 milímetros. Los lados del túnel también se comprimieron hacia adentro más de 600 milímetros. Esta deformación masiva fue impulsada por una combinación de factores que el equipo llamó "un agua y tres debilidades". El "un agua" era la filtración constante que ablandaba la roca. Las "tres debilidades" fueron el mal cimiento donde se anclaban los pernos, la capa débil que transfería la fuerza de apriete de los pernos a la roca y la baja resistencia general de la roca misma.

Para resolver este problema, el equipo propuso una nueva estrategia que describieron como "una aislación y tres fortalecimientos". El primer paso, la aislación, consistió en evitar que el agua tocara la roca blanda. Lo lograron inyectando lechada, un material similar al cemento fluido, profundamente en la roca antes y después de excavar el túnel para sellar las fuentes de agua. También rociaron una capa de concreto sobre las superficies de la roca expuesta para crear una barrera impermeable. La segunda parte de la estrategia consistió en fortalecer el sistema de soporte de tres maneras específicas. Mejoraron el fundamento de anclaje utilizando materiales impermeables especiales que pudieran agarrar la roca firmemente incluso en condiciones húmedas. Fortalecieron la capa que transfiere la fuerza de los pernos utilizando placas más grandes y rígidas y una capa de concreto más gruesa. Finalmente, aumentaron la resistencia general de la masa rocosa utilizando cables de alta resistencia e inyectando más lechada para unir la roca. Esto creó un sistema de soporte totalmente cerrado que mantenía el techo, los lados y el suelo en su lugar.

Cuando el equipo aplicó este nuevo método al túnel, los resultados fueron inmediatos y dramáticos. En las secciones donde estaba el antiguo sistema de soporte, el túnel continuó deformándose significativamente, con el techo y el suelo moviéndose casi medio metro en pocos meses. En contraste, las secciones reforzadas con el nuevo método de "una aislación y tres fortalecimientos" mostraron casi ningún movimiento. El techo y el suelo se movieron menos de 50 milímetros durante un periodo de 80 días, y los lados se movieron solo unos 30 milímetros. La separación de la roca, que es el espacio que se forma entre las capas de roca a medida que se separan, se redujo a una fracción mínima de lo que era antes. Los pernos y cables se mantuvieron estables, y el túnel mantuvo su forma. El estudio demostró que, al comprender la forma específica en que el agua y la roca blanda interactúan, y al diseñar un sistema de soporte que aborde tanto el agua como las debilidades estructurales, los ingenieros pueden mantener estos túneles subterráneos profundos estables y seguros a largo plazo. Este enfoque ofrece un camino claro hacia adelante para las operaciones mineras en áreas donde el agua y la roca blanda amenazan con socavar la estabilidad de la tierra.