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

Profondamente sotto la superficie terrestre, dove i minatori di carbone scavano lunghi tunnel per raggiungere preziosi filoni, il terreno non è un blocco solido e inflessibile. In molti luoghi, la roccia che circonda questi tunnel è tenera, friabile e tenuta insieme da una debole colla naturale. Questo è noto come roccia tenera debolmente cementata. Quando l'acqua filtra attraverso il terreno e tocca questa roccia, inizia un processo lento ma distruttivo. L'acqua agisce come un solvente, sciogliendo i deboli legami e causando l'espansione e l'ammorbidimento dei minerali all'interno della roccia, proprio come una spugna che assorbe acqua. Questa trasformazione muta la roccia da supporto strutturale a una sostanza debole e fangosa che fatica a mantenere la propria forma. Per gli ingegneri incaricati di mantenere questi tunnel sotterranei aperti e sicuri, l'interazione tra acqua e roccia è una delle sfide più difficili che affrontano. Se la roccia cede, il tunnel può crollare, intrappolando attrezzature e lavoratori, o semplicemente diventare troppo stretto per essere utilizzato.

Ricercatori del CCTEG Coal Mining Research Institute e della Hunan University of Science and Technology si sono posti l'obiettivo di comprendere esattamente come avviene questo cedimento in una specifica miniera di carbone in Ningxia, Cina. Si sono concentrati su un tunnel noto come galleria di trasporto 110803, dove la roccia circostante è composta da roccia tenera argillacea, un tipo di materiale ricco di argilla che è particolarmente sensibile all'acqua. Il team ha combinato ispezioni sul campo, test di laboratorio e simulazioni al computer per osservare come il tunnel si comportasse nel tempo. Hanno scoperto che i problemi del tunnel non erano dovuti solo alla debolezza della roccia, ma a una specifica reazione a catena innescata dall'acqua. La roccia contiene alte quantità di minerali argillosi che si espandono quando bagnati, creando una pressione interna. Allo stesso tempo, l'acqua indebolisce la presa dei bulloni metallici e dei cavi utilizzati per tenere ferma la roccia. Il sistema di supporto originale, che si affidava a questi bulloni, non era semplicemente abbastanza forte da contrastare l'espansione della roccia e la perdita di aderenza causata dall'acqua.

I ricercatori hanno osservato che il tunnel non cedeva tutto in una volta. Al contrario, attraversava tre fasi distinte di movimento. Per prima cosa, c'è stato un periodo di rapido cambiamento in cui il tetto e il pavimento hanno iniziato a muoversi rapidamente l'uno verso l'altro. Questo è stato seguito da una fase di deformazione accelerata, in cui il movimento è accelerato ulteriormente man mano che la roccia continuava ad ammorbidirsi e il sistema di supporto iniziava a perdere la sua presa. Infine, il movimento è rallentato, ma non si è mai fermato veramente; il tunnel ha continuato a spostarsi e a assestarsi per mesi, indicando uno stato di instabilità a lungo termine. In alcune sezioni del tunnel, il pavimento è risalito di oltre 700 millimetri, mentre il tetto è affondato di circa 300 millimetri. Anche i lati del tunnel si sono compressi verso l'interno per oltre 600 millimetri. Questa massiccia deformazione è stata guidata da una combinazione di fattori che il team ha chiamato "un'acqua e tre debolezze". L'"un'acqua" era la costante infiltrazione che ammorbidiva la roccia. Le "tre debolezze" erano la scarsa fondazione dove i bulloni erano ancorati, lo strato debole che trasferiva la forza di serraggio dei bulloni alla roccia e la bassa resistenza complessiva della roccia stessa.

Per risolvere questo problema, il team ha proposto una nuova strategia che ha descritto come "un isolamento e tre rinforzi". Il primo passo, l'isolamento, consisteva nell'impedire all'acqua di toccare la roccia tenera. Ci sono riusciti iniettando boiacca, un materiale simile al cemento fluido, in profondità nella roccia prima e dopo lo scavo del tunnel per sigillare le fonti d'acqua. Hanno anche spruzzato uno strato di calcestruzzo sulle superfici esposte della roccia per creare una barriera impermeabile. La seconda parte della strategia prevedeva il rafforzamento del sistema di supporto in tre modi specifici. Hanno migliorato l'ancoraggio della fondazione utilizzando materiali speciali impermeabili che potessero aggrapparsi saldamente alla roccia anche in condizioni di umidità. Hanno rinforzato lo strato che trasferisce la forza dei bulloni utilizzando piastre più grandi e rigide e uno strato di calcestruzzo più spesso. Infine, hanno aumentato la resistenza complessiva della massa rocciosa utilizzando cavi ad alta resistenza e iniettando più boiacca per legare insieme la roccia. Ciò ha creato un sistema di supporto completamente chiuso che manteneva in posizione il tetto, le pareti e il pavimento.

Quando il team ha applicato questo nuovo metodo al tunnel, i risultati sono stati immediati e drammatici. Nelle sezioni in cui era in atto il vecchio sistema di supporto, il tunnel continuava a deformarsi significativamente, con il tetto e il pavimento che si muovevano di quasi mezzo metro in pochi mesi. Al contrario, le sezioni rinforzate con il nuovo metodo "un isolamento e tre rinforzi" non mostravano quasi alcun movimento. Il tetto e il pavimento si sono mossi di meno di 50 millimetri in un periodo di 80 giorni, e i lati si sono mossi di soli 30 millimetri circa. La separazione della roccia, ovvero il vuoto che si forma tra gli strati di roccia mentre si allontanano, è stata ridotta a una frazione minuscola rispetto a prima. I bulloni e i cavi sono rimasti stabili e il tunnel ha mantenuto la sua forma. Lo studio ha dimostrato che comprendendo il modo specifico in cui l'acqua e la roccia tenera interagiscono, e progettando un sistema di supporto che affronti sia l'acqua che le debolezze strutturali, gli ingegneri possono mantenere questi tunnel sotterranei profondi stabili e sicuri a lungo termine. Questo approccio offre una via chiara per le operazioni minerarie in aree in cui l'acqua e la roccia tenera minacciano di compromettere la stabilità della terra.