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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

Questo studio impiega un modello a campo di fase per dimostrare che l'ottimizzazione dei parametri di fratturazione idraulica per massimizzare la connettività della rete di fratture è fondamentale per controllare efficacemente lo stress dei tunnel e mitigare la concentrazione di stress nei tunnel delle miniere di carbone con estrazione laterale.

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

Pubblicato 2026-08-18

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CC BY 4.0

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

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Profondamente sotto la superficie terrestre, dove il carbone viene estratto per alimentare le città, la roccia che circonda i tunnel affronta una costante, schiacciante pressione. Man mano che i minatori rimuovono uno strato di carbone, il peso delle montagne sovrastanti si sposta, concentrando un'immensa pressione sulle strette strisce di roccia lasciate dietro per sostenere i soffitti dei tunnel. Questa pressione causa la deformazione, la fessurazione e talvolta il crollo della roccia, rendendo i tunnel pericolosi e difficili da mantenere. Per mantenere aperti questi passaggi, gli ingegneri utilizzano da tempo una tecnica chiamata fratturazione idraulica. Questa consiste nel pompare fluido nella roccia per creare crepe, che agiscono come valvole di pressione, permettendo alla roccia di rilassarsi e allo stress di ridistribuirsi lontano dal tunnel. Tuttavia, prevedere esattamente come queste crepe cresceranno e quanto alleggeriranno la pressione è incredibilmente difficile, specialmente nell'ambiente complesso e mutevole di una miniera.

Un team di ricercatori della China University of Mining and Technology ha sviluppato un nuovo modo per simulare questo processo con alta precisione. Invece di indovinare dove potrebbero formarsi le crepe, hanno costruito un sofisticato modello informatico che osserva la roccia rompersi in tempo reale, passo dopo passo. Il loro lavoro si concentra su uno scenario specifico e impegnativo: la galleria "gob-side", ovvero il tunnel che corre proprio accanto all'area dove il carbone è già stato rimosso. In questa zona, la roccia è sottoposta a un mix unico e violento di forze. I ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato teoria del campo di fase (phase-field theory), che tratta la roccia non come un blocco solido che si spezza improvvisamente, ma come un materiale che si indebolisce e si rompe gradualmente, permettendo al computer di tracciare la nascita e la crescita di ogni minuscola crepa senza dover sapere esattamente dove avverrà la rottura in anticipo.

Per testare il loro modello, il team ha ricreato le condizioni del fronte di lavoro 15108 di una vera miniera di carbone, dove la roccia si trova a circa 400 metri di profondità. Hanno simulato uno scenario in cui la roccia sopra il tunnel è spessa e forte, incline a formare una struttura pesante a forma di cuneo che pende sopra lo spazio vuoto e preme sul tunnel. I ricercatori hanno programmato il loro modello per imitare un processo di fratturazione idraulica a stadi. Questo prevede la perforazione di una serie di fori e l'iniezione di acqua in tre fasi distinte, procedendo all'indietro lungo il tunnel. L'obiettivo era tagliare la roccia sospesa su un lato per farla cadere in sicurezza, creando contemporaneamente una rete di crepe sull'altro lato per ammorbidire la pressione sulle pareti del tunnel.

Le simulazioni hanno rivelato che il comportamento delle crepe è una danza delicata tra la pressione naturale della terra e le nuove crepe create dall'acqua. Quando la pressione della roccia circostante era moderata, le crepe tendevano a diffondersi orizzontalmente, collegandosi per formare una rete ampia e interconnessa. Questa rete trasferiva con successo il carico pesante lontano dal tunnel, riducendo lo stress sulle pareti rocciose di quasi il 20 percento. Tuttavia, man mano che i ricercatori aumentavano la pressione simulata verso livelli più estremi, le crepe cambiavano il loro comportamento. Invece di diffondersi, iniziavano a scattare verticalmente, verso l'alto e verso il basso. Questa crescita verticale impediva alle crepe di connettersi tra loro, lasciando spazi dove l'alta pressione poteva ancora accumularsi. In queste condizioni di alta pressione, il rilascio dello stress diventava molto meno efficace, con le pareti rocciose che vedevano solo una minima riduzione della pressione.

Lo studio ha anche introdotto un nuovo modo per misurare la qualità della rete di crepe. I ricercatori hanno scoperto che avere un numero vastissimo di crepe o un modello molto complesso e aggrovigliato non significava necessariamente risultati migliori. In effetti, il fattore più importante era semplicemente quanto bene le crepe si connettesse tra loro. Se le crepe formavano un percorso continuo, la pressione poteva fluire via facilmente. Se erano isolate o bloccate dall'intenso stress della roccia circostante, il rilascio della pressione falliva. Il team ha scoperto che i risultati migliori si ottenevano quando le crepe formavano una rete ben connessa in condizioni di stress moderato, piuttosto che un caos disordinato sotto stress estremo.

Mappando esattamente come queste crepe crescono e interagiscono, i ricercatori hanno fornito una guida chiara per gli ingegneri che progettano queste misure di sicurezza. Hanno dimostrato che il successo della fratturazione idraulica dipende fortemente dalle specifiche condizioni di stress della miniera. Se la pressione è troppo alta, le crepe non si collegheranno correttamente e la tecnica farà fatica a proteggere il tunnel. Le scoperte suggeriscono che gli ingegneri devono calibrare attentamente gli angoli di perforazione e i tempi di iniezione per incoraggiare la formazione di crepe connesse, assicurando che la roccia possa rilasciare in sicurezza la sua energia accumulata. Questo lavoro offre un modo più affidabile per prevedere come risponderà il terreno, contribuendo a rendere l'estrazione sotterranea più sicura e stabile.

Sintesi Tecnica: Studio Numerico sul Controllo dello Stress nei Percorsi Stradali tramite Fratturazione Idraulica nei Gob-Side Roofs

Definizione del Problema
I percorsi stradali dei gob-side nelle miniere di carbone sono soggetti a deformazioni severe e difficoltà di supporto a causa di ambienti di stress elevato prolungati, causati dal carico laterale del tetto proveniente dai pannelli adiacenti e dalle perturbazioni indotte dall'estrazione. Sebbene la fratturazione idraulica (HF) sia una tecnica di rilascio dello stress attiva riconosciuta, il meccanismo di accoppiamento tra l'evoluzione della rete di fratture e il rilascio dello stress della roccia circostante rimane poco chiaro, in particolare nelle condizioni di stress complesse, eterogenee e asimmetriche dei percorsi stradali gob-side. Gli approoli numerici esistenti spesso si affidano a geometrie di frattura o regioni indebolite predefinite, il che limita la loro capacità di catturare accuratamente il comportamento dinamico di propagazione delle fratture idrauliche e i conseguenti meccanismi di rilascio dello stress in tali ambienti complessi.

Metodologia
Questo studio sviluppa un modello numerico a campo di fase (phase-field) per simulare la fratturazione idraulica del tetto segmentato nei percorsi stradali gob-side. La metodologia integra i seguenti componenti:

Framework a Campo di Fase: Viene stabilito un modello poroelastico accoppiato in cui le interfacce di frattura sono rappresentate implicitamente da una variabile di campo di fase ( $\phi$ ) continua. Questo approccio evita il tracciamento esplicito delle crepe, consentendo la simulazione di inizio, propagazione, ramificazione e coalescenza delle crepe senza dipendenza dalla mesh. Il modello tiene conto della deformazione della roccia, del danno da frattura e del flusso di fluidi.
Implementazione dell'Ambiente di Stress: Per replicare la ridistribuzione dello stress indotta dall'estrazione in un percorso stradale gob-side, viene prescritta una funzione di stress lineare a tratti ai confini del modello. Questa funzione è derivata dalla teoria dell'equilibrio limite per riprodurre la distribuzione caratteristica della pressione di abutment, inclusi i settori plastici ed elastici adiacenti al goaf.
Configurazione della Simulazione: Lo studio utilizza COMSOL Multiphysics per accoppiare i moduli Solid Mechanics, Darcy's Law e phase-field. Viene condotto un caso di studio sulla faccia di lavoro 15108, caratterizzata da un pilastro di carbone largo 15 m e un filone di carbone spesso 4,6 m. La simulazione impiega uno schema di fratturazione idraulica retrograda segmentata con doppi fori di sondaggio (inclinati a 60° e 75°) e tre stadi di fratturazione per ogni foro.
Valutazione Quantitativa: Sono stati introdotti quattro indici quantitativi per caratterizzare le reti di frattura e valutare le prestazioni di rilascio della pressione:
1. Intervallo di Fratturazione ( $X_1$ ): L'estensione spaziale complessiva della rete di fratture.
2. Densità di Frattura ( $X_2$ ): Il rapporto tra le celle fratturate e il dominio di riferimento totale.
3. Dimensione Frattale ( $X_3$ ): Una misura della complessità geometrica della rete.
4. Connettività di Frattura ( $X_4$ ): La distanza orizzontale tra le punte di frattura non connesse di fori opposti.

Risultati Chiave
Le simulazioni numeriche rivelano diversi risultati critici riguardanti l'evoluzione della frattura e il controllo dello stress:

Meccanismi di Propagazione della Frattura: La propagazione della frattura è governata congiuntamente dal campo di stress in situ, dalle fratture preesistenti e dall'interferenza di stress tra fori adiacenti. Le fratture del primo stadio sono guidate principalmente dal campo di stress indotto dall'estrazione, mentre gli stadi successivi sono dominati dalle interazioni tra fratture vicine.
Evoluzione dello Stress: Durante il processo di fratturazione, la concentrazione dello stress aumenta inizialmente sulle pareti del percorso stradale (fino al 30% nel terzo stadio) prima di trasformarsi in una zona a basso stress su larga scala in seguito alla compattazione delle fratture. La riduzione finale dello stress sulle pareti del percorso stradale raggiunge rispettivamente il 19% e il 34%.
Impatto del Fattore di Concentrazione dello Stress (SCF):
- Basso SCF (1.2–1.4): Le fratture si propagano prevalentemente in senso orizzontale, formando una rete ben connessa che crea zone di basso stress sovrapposte. Mentre lo stress medio nella roccia circostante (RSR) mostra riduzioni di circa il 20% in questo intervallo, la riduzione dello stress di picco nel pilastro di carbone segue un trend differente, raggiungendo un valore minimo di -0.5% con un SCF di 1.4.
- Alto SCF (≥1.5): La propagazione della frattura sul lato del pilastro di carbone passa da orizzontale a verticale. Si verifica una forte inibizione tra gli stadi e le fratture del terzo stadio non riescono a connettersi. Ciò porta a un deterioramento delle prestazioni di rilascio della pressione. Nello specifico, quando l'SCF è pari a 1.6, l'effetto di rilascio della pressione è il peggiore, con le riduzioni di picco dello stress sulle due pareti del percorso stradale limitate rispettivamente al 6.66% e al 5.64%.
Correlazione con le Prestazioni: Un'analisi di regressione lineare multivariata ( $R^2 = 0.976$ ) stabilisce che l'intervallo di frattura, la densità e la dimensione frattale sono correlati negativamente con l'efficacia del rilascio dello stress. Al contrario, la connettività di frattura mostra una correlazione positiva. Ciò indica che una rete altamente complessa non garantisce prestazioni migliori; piuttosto, una rete ben connessa è essenziale per un efficace rilascio dello stress.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo afferma di fornire un robusto framework numerico per investigare il rilascio della pressione tramite fratturazione idraulica in condizioni minerarie complesse. Incorporando una funzione di stress di confine e utilizzando il metodo del campo di fase, lo studio offre una rappresentazione più accurata dell'evoluzione della frattura rispetto ai metodi che richiedono geometrie predefinite.

Il significato primario risiede nell'instaurazione di una relazione quantitativa tra le caratteristiche della rete di frattura e le prestazioni di rilascio dello stress. Gli autori sostengono che tali risultati forniscano una guida pratica per la progettazione della fratturazione idraulica, suggerendo che gli ingegneri debbano dare priorità alla formazione di reti di frattura ben connesse sotto specifiche condizioni di stress in situ. Nello specifico, lo studio consiglia di regolare i parametri di processo (come l'orientamento dei fori, la durata e la spaziatura) per massimizzare la connettività ed evitare gli effetti negativi delle alte concentrazioni di stress che inibiscono la coalescenza delle fratture. Il lavoro mira a migliorare la stabilità dei percorsi stradali gob-side ottimizzando l'ambiente di stress della roccia circostante attraverso una fratturazione idraulica mirata.

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