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Rockburst proneness evaluation and borehole pressure relief technology for deep heterogeneous rock masses: A case study of Sanshandao Gold Mine

Questo studio integra la modellazione teorica, i test di laboratorio e le simulazioni PFC2D per valutare la propensione al rockburst e ottimizzare i parametri di rilascio della pressione dei fori per masse rocciose eterogenee profonde presso la miniera d'oro di Sanshandao, identificando infine un diametro del foro di 0,10 m come la soluzione più efficace per mitigare i pericoli di rockburst.

Autori originali: Shang Hu, Qinzheng Wu, Yang Liu, Hanwen Jia, Yantian Yin, Anran Yin, Peng Chao

Pubblicato 2026-10-22

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CC BY 4.0

Autori originali: Shang Hu, Qinzheng Wu, Yang Liu, Hanwen Jia, Yantian Yin, Anran Yin, Peng Chao

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 sottoterra, dove la crosta terrestre preme con una forza immensa, le operazioni minerarie affrontano una minaccia nascosta e violenta nota come scoppio di roccia (rockburst). Questo non è un lento crollo, ma un rilascio improvviso ed esplosivo di energia accumulata nella roccia, capace di frantumare i tunnel e mettere in pericolo i lavoratori. Il pericolo è maggiore nelle miniere profonde, dove il peso della roccia sovrastante crea una pressione estrema. A complicare le cose è il fatto che la roccia stessa è raramente uniforme; è un mix eterogeneo di diversi minerali e crepe, il che rende la sua resistenza estremamente variabile da un punto all'altro. Questa imprevedibilità rende difficile per gli ingegneri sapere esattamente quanta pressione possa sopportare un pezzo specifico di roccia prima di cedere, o come rilasciare in sicurezza l'energia accumulata senza causare un disastro. Senza un modo per misurare accuratamente questa forza nascosta e gestire lo stress, l'estrazione di risorse profonde diventa una scommessa ad alta posta in gioco.

I ricercatori della miniera d'oro di Sanshandao, in Cina, hanno affrontato questa sfida sviluppando un nuovo modo per prevedere la resistenza della roccia e un metodo testato per alleviare la pericolosa pressione. Invece di indovinare quanto sia forte un campione di roccia, il team ha prima misurato la sua densità e la velocità con cui le onde sonore viaggiano attraverso di esso. Hanno scoperto una relazione matematica affidabile tra queste proprietà facilmente misurabili e la reale resistenza alla compressione della roccia. Ciò ha permesso loro di calcolare il punto di rottura esatto per ogni singolo campione di roccia, invece di affidarsi a una media che potrebbe essere troppo alta per i punti deboli o troppo bassa per quelli forti. Con queste previsioni precise, hanno potuto eseguire in sicurezza test controllati in cui hanno caricato la roccia fino al limite del cedimento e poi l'hanno scaricata, imitando i cambiamenti di stress che avvengono durante l'attività mineraria. Questi test hanno rivelato che la roccia profonda della miniera è soggetta a scoppi di roccia da moderati a forti, una scoperta che ha richiesto un intervento immediato per prevenire disastri.

Per gestire questo rischio, il team si è rivolto a una tecnica chiamata rilascio di pressione tramite foro (borehole pressure relief), che consiste nel praticare dei fori nella roccia per creare spazio affinché lo stress possa sfogarsi. Tuttavia, scavare un foro della dimensione errata potrebbe non fare nulla oppure rendere la roccia troppo debole per sostenere il tunnel. I ricercatori hanno utilizzato una sofisticata simulazione al computer che teneva conto della resistenza naturale e irregolare della roccia per testare quattro diversi diametri di foro, che variavano da 5 centimeti a 20 centimetri. Hanno scoperto che i fori più piccoli non riuscivano a rilasciare abbastanza pressione, mentre quelli più grandi danneggiavano la roccia così gravemente da farle perdere la capacità di sostenere il tunnel. Il punto ideale era un foro con un diametro di 10 centimetri. Questa dimensione specifica creava una zona di stress alleviato che si connetteva perfettamente con i fori vicini senza distruggere l'integrità strutturale della roccia, bilanciando efficacemente la necessità di rilasciare energia con la necessità di mantenere stabile il tunnel.

Il team ha poi portato questo design ottimizzato al computer nel mondo reale, scavando fori da 10 centimetri distanziati di un metro in una galleria di prova. Hanno monitorato la tensione nei bulloni di supporto che tengono insieme il tunnel per una settimana dopo la perforazione. I risultati hanno confermato la simulazione: la forza sui bulloni è diminuita in modo costante e regolare, indicando che lo stress veniva reindirizzato con successo lontano dalle pareti del tunnel. I bulloni non hanno mostrato un effetto elastico, suggerendo che il rilascio di pressione fosse permanente ed efficace. Questo studio fornisce una via quantitativa chiara per il futuro dell'estrazione profonda, dimostrando che comprendendo la resistenza unica di ogni campione di roccia e scegliendo la dimensione precisa dei fori di rilascio, gli ingegneri possono gestire in sicurezza l'energia violenta della terra profonda.

Sintesi Tecnica: Valutazione della Propensione al Rockburst e Tecnologia di Decompressione tramite Foratura per Masse Rocciose Eterogenee Profonde

Problematica
Le operazioni minerarie profonde affrontano gravi rischi di rockburst (scoppio di roccia) guidati dall dalle elevate tensioni in situ. Una sfida critica nella mitigazione di questi pericoli è la marcata eterogeneità delle masse rocciose profonde, caratterizzate da composizioni minerali variabili e giunti sviluppati. Questa eterogeneità causa fluttuazioni significative nella resistenza della roccia all'interno della stessa area mineraria, rendendo difficili da calibrare i test convenzionali di carico-scarico a causa dell'impossibilità di determinare con precisione i carichi di picco. Inoltre, gli esistenti metodi di valutazione del rockburst spesso si basano su indici singoli o assumono proprietà rocciose omogenee, non riuscendo a tenere conto dell'incertezza e della discretezza intrinseche nelle masse rocciose eterogenee profonde. Di conseguenza, vi è una mancanza di framework integrati che affrontino la previsione della resistenza, la valutazione completa del rischio e le tecnologie ottimizzate di decompressione specificamente per le condizioni eterogenee profonde.

Metodologia
Questo studio impiega un approccio multifaccettato che combina derivazione teorica, test di laboratorio, simulazione numerica e monitoraggio sul campo, utilizzando la Miniera d'Oro di Sanshandao come caso di studio.

Modello di Previsione della Resistenza: Un modello a legge di potenza con vincoli fisici è stato sviluppato per prevedere la resistenza alla compressione monoassiale ( $S$ ) utilizzando parametri non distruttivi: densità ( $\rho$ ) e velocità dell'onda P ( $v_p$ ). Il modello, espresso come $S = A(\rho v_p^2)^b$ , è stato calibrato su 30 campioni di roccia eterogenea e validato utilizzando il metodo leave-one-out e la validazione incrociata a cinque pieghe (five-fold cross-validation). Questo modello è stato utilizzato per determinare i carichi di picco individualizzati per i successivi test di carico-scarico, evitando gli errori associati all'uso di una resistenza media di progetto.
Valutazione Multi-Parametro: Sono stati integrati sei indici di propensione al rockburst: indice di energia d'impatto ( $W_{cf}$ ), coefficiente di fragilità ( $B$ ), indice di energia di deformazione elastica ( $W_{et}$ ), indice di fragilità della deformazione ( $K_u$ ), indice di stress di terreno ( $S$ ) e indice di stress tangenziale ( $T$ ). Un metodo di ponderazione combinata basato sulla teoria dei giochi è stato utilizzato per fondere i pesi soggettivi (derivanti dal processo di gerarchia analitica - AHP) e i pesi oggettivi (derivati dall'entropia e dal coefficiente di variazione per tenere conto dell'eterogeneità). Questi indici ponderati sono stati elaborati attraverso un modello a nuvole (cloud model) standard per quantificare la vaghezza e la casualità della valutazione, generando un grado di certezza completo per i gradi di rockburst.
Simulazione Numerica (PFC2D): È stato stabilito un modello 2D Particle Flow Code (PFC2D) con un campo casuale di Weibull per simulare la distribuzione della resistenza eterogenea della massa rocciosa di Sanshandao. Le simulazioni sono state condotte per fori con quattro diametri (0,05 m, 0,10 m, 0,15 m e 0,20 m) sotto uno stress idrostatico di 40 MPa. È stata proposta una nuova metrica, l'Indice di Efficienza di Decompressione e Stabilità della Roccia Circostante (PRSEI), per bilanciare la decompressione dello stress ( $\eta_S$ ) rispetto al danno normalizzato ( $D_n$ ).
Verifica sul Campo: Sulla base dei risultati della simulazione, è stato condotto un test industriale in una galleria utilizzando fori con diametro di 0,10 m e spaziatura di 1,0 m. Estensimetri a filo vibrante su bulloni d'ancoraggio in resina hanno monitorato le variazioni della forza assiale per sette giorni per verificare l'efficacia della decompressione dello stress.

Risultati Chiave

Previsione della Resistenza: Il modello a legge di potenza ha raggiunto un'elevata accuratezza di adattamento ( $R^2 = 0,958$ ) e ha previsto con successo le resistenze dei singoli campioni, consentendo la progettazione di test di carico-scarico sicuri e affidabili. La validazione incrociata ha confermato la capacità di generalizzazione del modello ( $R^2 = 0,951$ ).
Valutazione del Rockburst: La valutazione multi-indice utilizzando il modello a nuvole e la ponderazione basata sulla teoria dei giochi ha indicato che la massa rocciosa profonda dell'area mineraria di Sanshandao possiede una propensione al rockburst da "moderata a forte". Il punteggio di rischio regionale è stato calcolato come 3,2. L'analisi ha evidenziato che l'indice di energia d'impatto ( $W_{cf}$ ) deteneva il peso combinato più elevato (0,318) a causa della sua alta discretezza causata dall'eterogeneità.
Ottimizzazione della Decompressione: Le simulazioni PFC2D hanno rivelato una relazione unimodale tra il diametro del foro e il PRSEI.
- I fori da 0,05 m hanno fornito una decompressione insufficiente (PRSEI = 0,283).
- I fori da 0,15 m e 0,20 m hanno causato una sovra-decompressione e un danno eccessivo, riducendo la stabilità (PRSEI rispettivamente pari a 0,173 e 0,000).
- Il foro da 0,10 m ha raggiunto il PRSEI massimo di 0,466, creando una zona plastica criticamente connessa (raggio = 0,50 m) senza compromettere l'integrità della roccia.
Verifica sul Campo: Il monitoraggio sul campo ha mostrato una diminuzione monotona delle forze assiali dei bulloni d'ancoraggio (riducendosi all'83,23%–86,97% dei valori iniziali) nell'arco di sette giorni senza alcun rimbalzo. Sebbene l'entità della riduzione sia stata inferiore al coefficiente di rilascio dello stress numerico a causa della rigidezza del sistema e della posizione di misurazione, la tendenza ha confermato il successo del trasferimento dello stress e del rilascio dell'energia di deformazione elastica.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di fornire una base quantitativa per la valutazione del rockburst e l'ottimizzazione della decompressione, specificamente adattata per masse rocciose eterogenee profonde. I suoi principali contributi includono:

Test Individualizzati: Stabilire un modello di previsione della resistenza non distruttivo che risolve il problema della determinazione del carico di picco per campioni eterogenei, garantendo l'affidabilità dei test di carico-scarico.
Valutazione Consapevole dell'Eterogeneità: Sviluppare un framework di valutazione della propensione al rockburst che incorpora esplicitamente l'eterogeneità della massa rocciosa nel processo di ponderazione, nei parametri del cloud model e negli intervalli di incertezza, offrendo una valutazione più affidabile rispetto ai convenzionali metodi a indice singolo o fuzzy standard.
Decompressione Ottimizzata: Proporre la metrica PRSEI per quantificare il compromesso tra rilascio dello stress e stabilità della roccia, identificando lo 0,10 m come il diametro ottimale del foro per le condizioni studiate.
Framework Integrato: Validare un sistema tecnico completo che collega la previsione della resistenza, la valutazione del rischio e le misure di controllo ingegneristico, verificato attraverso sia la simulazione numerica che l'applicazione sul campo presso la Miniera d'Oro di Sanshandao.

Gli autori riconoscono i limiti, notando che i modelli sono stati calibrati su un'unica area mineraria e che la simulazione 2D semplifica gli stati di stress 3D. Suggeriscono che è necessaria un'ulteriore validazione per la generalizzazione ad altre miniere profonde e che è necessario un monitoraggio a lungo termine per catturare appieno gli effetti di decompressione a lungo termine.

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