Height ratio‑dependent creep failure of coal‑rock composites: A multi‑scale analysis integrating stepwise creep, AE monitoring, and SEM characterization

Resumen Técnico: Falla por Fluencia Dependiente de la Relación de Altura en Compuestos de Carbón-Roca

Planteamiento del Problema
La estabilidad a largo plazo de los pilares de carbón en estériles subterráneos y taludes de cielo abierto depende críticamente del comportamiento de fluencia (creep) de las combinaciones de carbón y roca. Aunque la relación de altura roca-carbón ($K_{rc}$) es reconocida como un parámetro rector para la respuesta mecánica de estos compuestos, su influencia específica en la deformación por fluencia a largo plazo, la atenuación de la resistencia y los mecanismos subyacentes de acumulación de daño por fluencia no ha sido caracterizada suficientemente. La investigación existente se ha centrado principalmente en los mecanismos de falla instantánea bajo tasas de carga convencionales, dejando un vacío en la comprensión de cómo el $K_{rc}$ modula la falla dependiente del tiempo y la evolución de grietas bajo carga sostenida.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque experimental multiescala que integra pruebas de fluencia uniaxial por etapas, monitoreo de emisión acústica (AE) en tiempo real y caracterización mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Se prepararon cinco grupos de especímenes distintos con variaciones en las relaciones de altura roca-carbón ($K_{rc}$): carbón puro (0:1), tres configuraciones compuestas (1:3, 1:1 y 3:1), y arenisca pura (1:0).

• Pruebas de Fluencia: Los especímenes se sometieron a protocolos de carga escalonada donde los niveles de esfuerzo se incrementaron gradualmente y se mantuvieron constantes para observar la deformación por fluencia hasta la falla.
• Monitoreo de AE: Un sistema de AE rastreó el conteo de eventos (ring counts) y la liberación de energía para caracterizar la evolución de las microgrietas internas, distinguiendo entre iniciación, propagación y coalescencia de grietas. Se utilizaron parámetros como la Frecuencia Promedio (AF) y el Ángulo de Ascenso (RA) para diferenciar entre los mecanismos de agrietamiento por tensión y por corte.
• Análisis Microestructural: Las observaciones de SEM se realizaron en superficies de fractura frescas de carbón y arenisca para verificar los defectos microestructurales y su papel en la concentración de esfuerzos.

Resultados Clave

1. Relación de Resistencia: Se estableció una relación lineal robusta donde el esfuerzo de falla por fluencia ($\sigma_{cr}$) se aproximó consistentemente al 90% de la resistencia máxima a la compresión uniaxial ($\sigma_c$) en todas las configuraciones de $K_{rc}$. Este hallazgo sugiere que la resistencia a largo plazo puede estimarse de manera confiable a partir de pruebas de resistencia estática de corto plazo.
2. Configuración Óptima (Relación 1:1): El espécimen compuesto con una relación de altura roca-carbón de 1:1 ($K_{rc} = 1:1$) demostró una resistencia a la fluencia superior en comparación con otras configuraciones. Exhibió el mayor tiempo hasta la falla por fluencia, las menores deformaciones instantáneas y dependientes del tiempo, y la menor tasa de fluencia en estado estacionario.
3. Umbrales No Monotónicos: El esfuerzo de iniciación de grietas ($\sigma_{ci}$) y el esfuerzo de daño por grietas ($\sigma_{cd}$) siguieron una tendencia no monotónica respecto al $K_{rc}$. Estos umbrales alcanzaron su máximo en la relación 1:1 antes de declinar conforme la proporción de roca aumentaba, indicando que la configuración 1:1 ofrece el régimen más amplio de crecimiento estable de grietas.
4. Transición del Mecanismo de Falla: A medida que aumentó la proporción de roca, el mecanismo de falla pasó de estar controlado por corte a estar controlado por tensión. La proporción de grietas por corte disminuyó (del 25.56% en carbón puro al 11.97% en roca pura), mientras que las grietas por tensión se volvieron dominantes. La relación 1:1 exhibió la menor proporción de grietas por corte entre los compuestos, lo cual se correlaciona con su mayor estabilidad.
5. Influencia Microestructural: El análisis de SEM reveló que el carbón posee una microestructura fragmentada con microgrietas y poros interconectados, mientras que la arenisca presenta un esqueleto de granos rígido y denso. La capa de roca más rígida en los compuestos proporcionó confinamiento lateral al carbón, suprimiendo la expansión lateral y retrasando el crecimiento inestable de grietas, un efecto que se maximizó en la relación 1:1.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores postulan que estos hallazgos proporcionan una guía cuantitativa para el diseño geométrico racional de pilares de carbón en operaciones de minería subterránea y cielo abierto. Específicamente, el estudio afirma que la identificación de la relación 1:1 como una configuración óptima para la resistencia a la fluencia puede informar el dimensionamiento de los pilares de carbón para asegurar la estabilidad estructural a largo plazo. Además, la relación establecida del 90% entre el esfuerzo de falla por fluencia y la resistencia máxima ofrece una herramienta predictiva práctica para que los ingenieros evalúen la seguridad a largo plazo de las estructuras de pilares existentes. La investigación cierra la breancia entre las propiedades mecánicas estáticas y los comportamientos de falla dependientes del tiempo, ofreciendo una base teórica para comprender cómo la geometría estructural influye en la transición de una fluencia estable a una inestable en sistemas heterogéneos de roca-carbón.