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Mechanical Behavior and Dual-Peak Strength Evolution of Coal Pillar–Granular Backfill Composite Body in Highwall Mining

Este estudo investiga o comportamento mecânico e a evolução da resistência de pico duplo de um corpo composto de pilar de carvão e enchimento granular em mineração de parede alta, revelando como a largura do pilar e a altura do material granular influenciam a resistência por meio de modelos estabelecidos para apoiar a recuperação de recursos de forma verde e segura.

Autores originais: Ya Tian, Lixiao Tu, Xuyang Shi, Xiang Lu, Yukun Yang, Fuming Liu

Publicado 2026-07-28

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CC BY 4.0

Autores originais: Ya Tian, Lixiao Tu, Xuyang Shi, Xiang Lu, Yukun Yang, Fuming Liu

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Imagine a crosta terrestre como um bolo gigante e em camadas. Às vezes, os mineradores querem comer o bolo inteiro, mas as camadas superiores são muito íngremes ou as camadas inferiores estão presas de uma forma que as torna impossíveis de alcançar com uma pá comum. Este é o mundo da mineração a céu aberto, onde máquinas enormes escavam carvão da superfície. Mas, à medida que cavam mais fundo, deixam para trás uma "parede" de rocha e carvão na borda da escavação, prendendo camadas de carvão valiosas logo abaixo. Esse carvão preso é chamado de carvão de encosta final (end-slope coal). Se deixado sozinho, ele será perdido para sempre, enterrado sob toneladas de rocha residual. Para obtê-lo, os engenheiros usam um truque inteligente, que é a mineração de parede alta (highwall mining), que envia um robô minerador controlado remotamente para dentro da camada de carvão a partir da borda da escavação, roendo longos túneis.

No entanto, esse robô não pode roer a camada inteira de uma só vez, ou o teto desabaria. Por isso, ele deixa para trás pilares espessos de carvão para sustentar o teto, como os pilares em um templo antigo. O problema? Com o tempo, esses pilares de carvão podem cansar, rachar e falhar, fazendo com que o solo acima afunde ou até mesmo pegue fogo. Para impedir isso, os mineradores estão tentando uma ideia nova: o preenchimento (backfilling). Em vez de apenas deixar os túneis vazios, eles preenchem o espaço ao redor dos pilares de carvão com rochas soltas e cascalho (material granular). Pense nisso como estufar um vaso quebrado com flocos de proteção para evitar que ele se estilhace. A grande questão que os cientistas estão fazendo é: quão bem essa combinação de "pilar de carvão mais flocos de proteção" realmente resiste à pressão? O material rochoso solto ajuda ou apenas atrapalha?

Este artigo mergulha exatamente nessa questão, construindo uma versão em miniatura deste mundo subterrâneo em um laboratório. Os pesquisadores, liderados por Ya Tian e Xuyang Shi, da Universidade de Mineração e Tecnologia da China, criaram uma máquina especial para testar um Corpo Composto de Pilar de Carvão–Preenchimento Granular (CGCB). Eles não apenas pressionaram um bloco de carvão; eles construíram um sanduíche com um pilar de carvão no meio e rocha triturada solta de ambos os lados, e depois o espremeram para ver o que acontecia.

O que eles descobriram é surpreendentemente dramático e um pouco como uma peça de teatro em dois atos. Quando espremeram seu sanduíche de carvão e rocha, ele não apenas quebrou uma vez e desistiu. Em vez disso, mostrou uma resistência de pico duplo, o que significa que teve dois momentos distintos de potência máxima. O primeiro pico, que eles chamam de resistência α, acontece quando o pilar de carvão começa a rachar pela primeira vez. O segundo pico, a resistência β, acontece mais tarde, depois que o carvão se esfarelou um pouco, mas a rocha solta dos lados se apertou firmemente e assumiu a carga.

Os pesquisadores descobriram que o tamanho do pilar de carvão importa muito. Se o pilar for muito estreito, ele quebra facilmente. Se estiver no tamanho certo (cerca de 100 mm de largura em seu teste), o primeiro pico é forte. Mas se o pilar ficar ainda mais largo, o primeiro pico na verdade fica mais fraco porque o próprio carvão tem rachaduras ocultas em seu interior (um fenôso conhecido como "efeito de tamanho"). No entanto, o segundo pico — a resistência β — é uma história diferente. Ele fica cada vez mais forte conforme o pilar de carvão fica mais largo, seguindo uma curva matemática específica.

Ainda mais interessante é o papel da rocha solta. A equipe descobriu que a altura do material granular (quanto de "flocos de proteção" eles usaram) age como um supercharger. Quanto mais rocha eles empilharam, mais forte o segundo pico se tornou. De fato, quando preencheram o espaço até 95 mm de altura, a resistência do segundo pico foi até 6,48 vezes mais forte do que quando não havia rocha nenhuma! Isso sugere que a rocha solta não está apenas preenchendo o espaço; ela está ativamente espremendo o carvão, impedindo-o de se despedaçar completamente, e então assumindo o peso ela mesma assim que o carvão é danificado.

Eles também testaram diferentes tipos de tamanhos de rocha. Descobriram que rochas com um "ângulo de fricção" mais alto (uma maneira elegante de dizer que as rochas são mais ásperas e se agarram melhor umas às outras) tornaram todo o sistema mais forte. Quanto mais ásperas as rochas, melhor elas mantêm o carvão unido.

Os autores construíram um modelo matemático para explicar isso, tratando o pilar de carvão como uma parede e a rocha solta como solo pressionando contra ela. Eles perceberam que, conforme o carvão racha, a rocha solta empurra de volta com mais força (como uma mola comprimindo), criando uma "pressão de terra passiva" que salva a estrutura do colapso total. Isso acontece em três estágios: primeiro, o carvão sustenta o peso; segundo, o carvão racha, mas a rocha começa a espremê-lo; e terceiro, a rocha e o carvão quebrado trabalham juntos para sustentar o teto.

O artigo conclui que este método de "pilar de carvão mais preenchimento" é uma forma promissora de recuperar aquele carvão de encosta final que ficou preso com segurança. Ao usar a quantidade certa de rocha solta e o tamanho certo do pilar de carvão, os mineradores podem criar uma estrutura que não apenas sobrevive à quebra inicial, mas que na verdade se torna mais forte à medida que se assenta. Embora esses resultados venham de pequenos modelos de laboratório e precisem ser testados em minas reais, as descobertas sugerem que preencher as lacunas com rocha solta pode ser a chave para manter o solo estável e salvar recursos valiosos de carvão que, de outra forma, seriam perdidos para sempre.

Resumo Técnico: Comportamento Mecânico e Evolução da Resistência de Pico Duplo de um Corpo Composto de Pilar de Carvão–Enchimento Granular em Mineração de Parede Alta

Definição do Problema
A mineração de parede alta (highwall mining) é uma técnica crítica para a recuperação de recursos de carvão "de encosta final" (end-slope) retidos em minas a céu aberto, que de outra forma representariam 5–15% das reservas totais. No entanto, a mineração de parede alta tradicional deixa pilares de carvão que são propensos à instabilidade de longo prazo, levando à subsidência da superfície e ao potencial de combustão espontânea. Embora a mineração com enchimento ofereça uma solução, as pesquisas existentes concentraram-se amplamente em enchimentos de pasta coesivos. O uso de estéril granular in situ (enchimento sólido) é frequentemente visto com ceticismo devido às limitações dos métodos analíticos tradicionais em capturar os ganhos de resistência pós-consolidação e os mecanismos dinâmicos de confinamento lateral. Existe uma lacuna crítica na compreensão da evolução da resistência de um corpo composto formado por pilares de carvão e enchimento granular sob variados parâmetros de mineração.

Metodologia
Para abordar esta lacuna, os autores desenvolveram uma estrutura experimental e teórica inovadora centrada num "Corpo Composto de Pilar de Carvão–Enchimento Granular" (CGCB).

Aparelho Experimental: Um dispositivo de teste de compressão axial especializado foi desenvolvido de forma independente para simular o campo de tensão in situ. O aparelho apresenta uma base, placas de retenção frontal/traseira, placas de restrição lateral e um mecanismo de transferência de pressão lateral. Incorpora múltiplos sensores de pressão (modelos F5Y e F9Y) para monitorar as variações de tensão em tempo real tanto no material granular (lateral e vertical) quanto no pilar de carvão.
Materiais: Espécimes de carvão foram obtidos do Campo de Carvão de Zhundong (resistência à compressão uniaxial ~11,16 MPa). Materiais granulares foram coletados da Mina a Céu Aberto de Tianchi Energy South, com tamanhos de partícula ajustados via um método de graduação por semelhança para um máximo de 5 mm. Três esquemas de graduação foram testados para variar o ângulo de atrito interno e a coesão.
Matriz de Testes: Trinta e cinco esquemas de testes foram conduzidos utilizando uma máquina de teste hidráulica WAW-600. As variáveis incluíram larguras de pilar de carvão (50–150 mm), alturas de material granular (0–95 mm) e graduações de partículas. Os testes foram realizados sob controle de deslocamento até 10% de deformação axial.
Modelagem Teórica: Um modelo mecânico em estágios foi estabelecido com base na teoria da pressão de terra e no critério de Mohr–Coulomb. O modelo divide o processo de suporte em três estáções: suporte colaborativo estacionário, suporte colaborativo dinâmico e estabilização do suporte colaborativo. O modelo calcula a evolução da resistência ajustando iterativamente a pressão de terra passiva exercida pelo material granular à medida que o pilar de carvão falha e se consolida.

Resultos Principais
O estudo revelou uma resposta de tensão–deformação distintiva de "pico duplo" no CGCB, caracterizada por um pico inicial ( $\alpha$ -resistência) e um pico secundário ( $\beta$ -resistência).

Evolução da Resistência de Pico Duplo:
- $\alpha$ -resistência (Falha Inicial): Esta resistência aumenta inicialmente com a largura do pilar de carvão (atingindo o pico em 100 mm) e depois diminui, refletindo uma competição entre o efeito de largura e o efeito de tamanho (onde pilares maiores contêm mais defeitos). Ela mostra um aumento linear com a altura do material granular.
- $\beta$ -resistência (Falha Subsequente): Esta resistência segue uma relação de lei de potência, aumentando continuamente com a largura do pilar de carvão. É significativamente mais sensível à altura do material granular do que a $\alpha$ -resistência; para um pilar de 150 mm, a $\beta$ -resistência com 95 mm de altura foi até 6,48 vezes maior do que com 0 mm de altura. Em alguns casos, a $\beta$ -resistência excedeu a $\alpha$ -resistência, particularmente em pilares mais largos onde a escala da falha inicial era pequena em relação ao espécime.
Influência da Graduação Granular:
- Embora a coesão granular tenha tido um efeito negligenciável, o ângulo de atrito interno influenciou significativamente a resistência. Ângulos de atrito interno equivalentes mais elevados (alcançados através de graduações específicas) aumentaram tanto a $\alpha$ quanto a $\beta$ -resistência.
- A influência da graduação na $\beta$ -resistência foi mais pronunciada em pilares mais estreitos (até 41,67% de variação) e diminuiu conforme a largura do pilar aumentava.
Mecanismos de Tensão e Falha:
- O aumento da altura granular e da largura do pilar elevou a tensão horizontal dentro da camada granular, fornecendo confinamento lateral que restringiu a propagação de fissuras no pilar de carvão.
- Os modos de falha transitaram de fissuração axial frágil (em pilares estreitos sem enchimento) para falha por cisalhamento dúctil (em pilares mais largos ou com alto nível de enchimento).
- A modelagem teórica confirmou que a transição da $\alpha$ para a $\beta$ -resistência corresponde à falha inicial do pilar de carvão e à subsequente geração de pressão de terra passiva pelo material granular em consolidação.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer percepções fundamentais sobre o mecanismo de evolução da resistência de compostos de pilar de carvão–enchimento granular, um assunto previamente sub-pesquisado. Ao estabelecer uma estrutura de pesquisa sistemática e um caminho abrangente de evolução da resistência, o estudo oferece uma base científica para:

Avaliar a estabilidade de longo prazo de encostas com enchimento.
Projetar medidas eficazes de controle de subsidência.
Promover estratégias de recuperação de recursos de carvão de encosta final mais seguras e ambientalmente sustentáveis utilizando enchimento sólido.

Os autores mantêm um tom modesto quanto ao escopo de suas descobertas, observando explicitamente que as conclusões são derivadas de espécimes em escala de laboratório. Eles afirmam que a aplicabilidade destes resultados para a engenharia de campo em escala real requer verificação adicional em estudos subsequentes. O trabalho visa preencher a lacuna entre a compreensão teórica e a implementação prática de práticas de mineração verde em ambientes a céu aberto.

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