Design and field response analysis of double-sided staged hydraulic fracturing in gob-side entry under multi-layer hard roof condition

En las profundidades de la tierra, donde se extrae el carbón, la roca por encima de la mina lucha una batalla constante. Cuando se retira una capa de carbón, las pesadas capas de roca que antes descansaban sobre ella deben encontrar una nueva forma de asentarse. En muchas minas, estas capas superiores están compuestas por roca dura y gruesa que se resiste a romperse fácilmente. En lugar de desmoronarse en el espacio vacío dejado por el carbón, este techo duro permanece suspendido, como un pesado plafón que se niega a caer. Con el tiempo, el peso de esta roca colgante presiona los estrechos túneles que quedan para transportar equipos y personas. Esta presión provoca que las paredes del túnel se estrechen hacia adentro y que el suelo se eleve, amenazando con aplastar el pasaje y detener las operaciones. Los ingenieros han buscado durante mucho tiempo formas de gestionar esta presión, ya sea reforzando el túnel o intentando romper la roca antes de que se convierta en un peligro. El desafío radica en saber exactamente qué capa de roca está causando más problemas y dónde aplicar la fuerza para romperla de manera segura.

En la mina de carbón Limin, en China, los investigadores se enfrentaron a una versión compleja de este problema. La mina estaba extrayendo una nueva sección de carbón junto a un área que ya había sido minada. Esto dejó una estrecha franja de carbón actuando como un pilar entre el túnel activo y el espacio vacío, una configuración conocida como entrada de lado de hueco (gob-side entry). Por encima de este túnel, las capas de roca no eran uniformes; consistían en múltiples estratos duros, algunos gruesos y otros delgados, todos apilados entre sí. Los ingenieros necesitaban determinar qué capas estaban soportando la mayor parte del peso y causando la deformación del túnel. También debían averiguar exactamente dónde perforar agujeros para debilitar la roca sin provocar un colapso repentino y peligroso. Para resolver esto, un equipo de la Universidad Técnica de Liaoning diseñó un plan para utilizar la presión del agua para fracturar la roca de manera controlada y por etapas, probando su teoría en el campo para ver si podía calmar la presión del terreno.

Los investigadores comenzaron analizando las capas de roca sobre la mina, tratándolas como una sola viga gruesa que distribuye el peso. Calcularon cómo se compartía la carga entre las diferentes capas para identificar las tres más críticas. Su análisis señaló una capa de arenisca gruesa justo encima del carbón, una capa de limolita más arriba y otra capa de arenisca gruesa aún más alta. Estas tres capas eran los principales culpables de sostener el peso de la montaña superior. Sin embargo, el equipo se dio cuenta de que estas capas no presionaban todas en el mismo punto. Las capas inferiores concentraban su peso justo al lado del túnel, mientras que la más alta de las tres empujaba su peso ligeramente más lejos, hacia el espacio vacío de la antigua mina. Esta diferencia significaba que un único enfoque no funcionaría; necesitaban una estrategia que pudiera atacar diferentes alturas y diferentes posiciones horizontales simultáneamente.

Para probar su idea, el equipo creó una simulación informática detallada de la mina y la roca circundante. Modelaron la extracción del carbón y el movimiento de las capas de roca para ver cómo se acumulaba el estrés en diferentes áreas. La simulación confirmó su sospecha: los picos de estrés para las capas inferiores estaban, en efecto, justo al lado del túnel, mientras que el pico para la capa objetivo más alta se desplazaba hacia la antigua mina. Este conocimiento les permitió diseñar un patrón de perforación específico. Decidieron perforar dos tipos de agujeros a ambos lados del túnel: agujeros cortos dirigidos a la capa de roca inferior y agujeros largos que alcanzaran las capas superiores. Al escalonar estos agujeros y tratarlos en secciones, podrían debilitar la roca de una manera precisa y paso a paso. El plan consistía en perforar agujeros en la pared de roca sólida y en el estrecho pilar de carbón, para luego usar agua a alta presión para fracturar la roca en segmentos aislados, comenzando desde la parte inferior del agujero y trabajando hacia arriba.

El equipo puso en marcha este plan en una sección de 100 metros del túnel, perforando un total de treinta y seis agujeros. Utilizaron una herramienta especializada para sellar pequeñas secciones de cada agujero e inyectaron agua a alta presión para crear grietas en la roca. Este proceso se repitió para cada sección de cada agujero, asegurando que la roca se debilitara a lo largo de toda su longitud. Mientras trabajaban, instalaron una red de sensores para observar qué sucedía. Colocaron instrumentos para medir cuánto se movían las paredes del túnel, monitorearon la presión en los soportes hidráulicos que sostenían el techo y escucharon los diminutos sonidos de la fractura de la roca en las profundidades. Compararon esta sección tratada con una sección no tratada del túnel que había sido minada anteriormente, lo que les permitió ver la diferencia que el fracturamiento con agua produjo.

Los resultados fueron sorprendentes. En la sección no tratada, las paredes y el suelo del túnel se movieron significativamente a medida que el frente de minado se acercaba, con el techo y el suelo comprimiéndose unos 225 milímetros. El lado del túnel junto al pilar de carbón se movió 180 milímetros, y el lado de la roca sólida se movió 125 milímetros. En la sección donde la roca fue fracturada con agua, el movimiento se redujo drásticamente. El techo y el suelo se movieron solo unos 22 milímetros, el lado del pilar de carbón se movió 18 milímetros y el lado de la roca sólida apenas se movió 12 milímetros. Los soportes hidráulicos, que soportan el peso del techo, también mostraron una clara mejora. En el área no tratada, la fuerza promedio sobre los soportes era de 9,725 kilonewtons, pero en la sección tratada, este promedio descendió a 8,943 kilonewtons, una reducción de aproximadamente un ocho por ciento.

El equipo también escuchó a la propia roca. En la sección no tratada, los sensores registraron varios eventos de alta energía, lo que indicaba roturas grandes y repentinas en la roca que podrían ser peligrosas. En la sección tratada, la actividad fue mucho más silenciosa. Los sensores detectaron solo eventos de baja energía, grietas pequeñas y frecuentes que liberaban la energía de forma gradual, sin que se registraran grandes roturas de alta energía. Los investigadores también observaron el interior de los agujeros después del tratamiento y vieron evidencia clara de que la roca se había fracturado según lo previsto. Si bien los datos mostraron que el fracturamiento con agua redujo con éxito la deformación y la carga, el equipo señaló que la comparación no era perfecta porque las dos secciones fueron minadas en momentos diferentes y bajo condiciones ligeramente distintas. No pudieron aislar el efecto del fracturamiento de cada otra variable, pero la tendencia general era clara. La respuesta de campo coincidió con sus objetivos de diseño: la roca se movió menos, los soportes cargaron menos peso y se eliminaron las roturas peligrosas de alta energía.

Este estudio demuestra que, mediante la comprensión de las capas específicas de roca sobre una mina y su ataque con una estrategia de perforación a medida, los ingenieros pueden mejorar significativamente la seguridad y la estabilidad de los túneles subterráneos. El enfoque de utilizar agujeros largos y cortos para abordar diferentes capas de roca en diferentes posiciones resultó efectivo para calmar la presión del terreno. Aunque los investigadores reconocieron que se necesitarían más datos para separar completamente los efectos del tratamiento de otros factores, la reducción en el movimiento y la carga fue sustancial. El trabajo proporciona una referencia práctica para otras minas que enfrentan desafíos similares con techos duros y colgantes, demostrando que una planificación cuidadosa y una ejecución precisa pueden convertir una situación geológica peligrosa en una manejable.