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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

Este estudo utiliza um modelo de campo de fase para demonstrar que a otimização dos parâmetros de fraturamento hidráulico para maximizar a conectividade da rede de fraturas é crucial para controlar efetivamente o estresse das galerias e mitigar a concentração de estresse em galerias de minas de carvão do lado do escombro.

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

Publicado 2026-08-18

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CC BY 4.0

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

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

Profundamente sob a superfície da terra, onde o carvão é extraído para abastecer as cidades, a rocha que envolve os túneis enfrenta um esmagamento constante e esmagador. À medida que os mineiros removem uma camada de carvão, o peso das montanhas acima se desloca, concentrando uma pressão imensa nas estreitas faixas de rocha deixadas para trás para sustentar os tetos dos túneis. Essa pressão faz com que a rocha se deforme, rache e, às vezes, colapse, tornando os túneis perigosos e difíceis de manter. Para manter essas passagens abertas, os engenheiros há muito utilizam uma técnica chamada fraturamento hidráulico. Isso envolve o bombeamento de fluido na rocha para criar rachaduras, que atuam como válvulas de pressão, permitindo que a rocha relaxe e o estresse se redistribua para longe do túnel. No entanto, prever exatamente como essas rachaduras crescerão e quanto elas aliviarão a pressão é incrivelmente difícil, especialmente no ambiente complexo e mutável de uma mina.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Mineração e Tecnologia da China desenvolveu uma nova maneira de simular esse processo com alta precisão. Em vez de adivinhar onde as rachaduras podem se formar, eles construíram um modelo computacional sofisticado que observa a rocha quebrar em tempo real, passo a passo. O trabalho deles foca em um cenário específico e desafiador: a via de "lado do estéril" (gob-side), que é o túnel que corre logo ao lado da área onde o carvão já foi removido. Nessa zona, a rocha é submetida a uma mistura única e violenta de forças. Os pesquisadores utilizaram um método chamado teoria de campo de fase (phase-field theory), que trata a rocha não como um bloco sólido que simplesmente se parte, mas como um material que enfraquece e quebra gradualmente, permitindo que o computador rastreie o nascimento e o crescimento de cada pequena rachadura sem precisar saber exatamente onde a quebra ocorrerá antecipadamente.

Para testar seu modelo, a equipe recriou as condições da face de trabalho 15108 de uma mina de carvão real, onde a rocha está enterrada a cerca de 400 metros de profundidade. Eles simularam um cenário onde a rocha acima do túnel é espessa e forte, propensa a formar uma estrutura pesada em forma de cunha que paira sobre o espaço vazio e pressiona o túnel. Os pesquisadores programaram seu modelo para imitar um processo de fraturamento hidráulico em estágios. Isso envolve a perfuração de uma série de buracos e a injeção de água em três estágios distintos, movendo-se para trás ao longo do túnel. O objetivo era cortar a rocha suspensa de um lado para que ela caia com segurança, enquanto simultaneamente criava uma rede de rachaduras no outro lado para suavizar a pressão nas paredes do túnel.

As simulações revelaram que o comportamento das rachaduras é uma dança delicada entre a pressão natural da terra e as novas rachaduras criadas pela água. Quando a pressão da rocha circundante era moderada, as rachaduras tendiam a se espalhar horizontalmente, conectando-se para formar uma rede ampla e interconectada. Essa rede transferiu com sucesso a carga pesada para longe do túnel, reduzindo o estresse nas paredes da rocha em quase 20 por cento. No entanto, conforme os pesquisadores aumentavam a pressão simulada para níveis mais extremos, as rachaduras mudavam seu comportamento. Em vez de se espalharem, elas começavam a disparar diretamente para cima e para baixo. Esse crescimento vertical impedia que as rachaduras se conectassem umas às outras, deixando lacunas onde a alta pressão ainda poderia se acumular. Nessas condições de alta pressão, o alívio de estresse tornava-se muito menos eficaz, com as paredes da rocha apresentando apenas uma redução ínfima de pressão.

O estudo também introduziu uma nova maneira de medir a qualidade da rede de rachaduras. Os pesquisadores descobriram que ter um vasto número de rachaduras ou um padrão muito complexo e emaranhado não significava necessariamente melhores resultados. Na verdade, o fator mais importante era simplesmente o quão bem as rachaduras se conectavam entre si. Se as rachaduras formassem um caminho contínuo, a pressão poderia fluir facilmente para longe. Se fossem isoladas ou bloqueadas pelo estresse intenso da rocha circundante, o alívio de pressão falhava. A equipe descobriu que os melhores resultados vinham quando as rachaduras formavam uma rede bem conectada sob condições de estresse moderado, em vez de uma confusão caótica sob estresse extremo.

Ao mapear exatamente como essas rachaduras crescem e interagem, os pesquisadores forneceram um guia claro para engenheiros que projetam essas medidas de segurança. Eles mostraram que o sucesso do fraturamento hidráulico depende fortemente das condições de estresse específicas da mina. Se a pressão for muito alta, as rachaduras não se conectarão adequadamente e a técnica terá dificuldade em proteger o túnel. As descobertas sugerem que os engenheiros devem ajustar cuidadosamente seus ângulos de perfuração e o tempo de injeção para incentivar a formação de rachaduras conectadas, garantindo que a rocha possa liberar com segurança sua energia acumulada. Este trabalho oferece uma maneira mais confiável de prever como o solo se comportará, ajudando a tornar a mineração subterrânea mais segura e estável.

Resumo Técnico: Estudo Numérico sobre o Controle de Tensão em Vias de Rodagem via Fraturamento Hidráulico em Tetos de Lado de Goaf

Definição do Problema
As vias de rodagem de lado de goaf em minas de carvão são submetidas a deformações severas e dificuldades de suporte devido a ambientes de alta tensão prolongados, causados pelo carregamento lateral do teto de painéis adjacentes e distúrbios induzidos pela mineração. Embora o fraturamento hidráulico (HF) seja uma técnica reconhecida de alívio de tensão ativa, o mecanismo de acoplamento entre a evolução da rede de fraturas e o alívio de tensão da rocha circundante permanece incerto, particularmente sob as condições de tensão complexas, heterogêneas e assimétricas das vias de rodagem de lado de goaf. As abordagens numéricas existentes frequentemente dependem de geometrias de fratura ou regiões enfraquecidas predefinidas, o que limita sua capacidade de capturar com precisão o comportamento dinâmico de propagação dos fratamentos hidráulicos e os mecanismos de alívio de tensão resultantes em tais ambientes complexos.

Metodologia
Este estudo desenvolve um modelo numérico de campo de fase para simular o fraturamento hidráulico segmentado do teto em vias de rodagem de lado de goaf. A metodologia integra os seguintes componentes:

Estrutura de Campo de Fase (Phase-Field): Um modelo poroelástico acoplado é estabelecido onde as interfaces de fratura são representadas implicitamente por uma variável de campo de fase contínua ( $\phi$ ). Esta abordagem evita o rastreamento explícito de trincas, permitindo a simulação de iniciação, propagação, ramificação e coalescência de trincas sem dependência de malha. O modelo considera a deformação da rocha, o dano por fratura e o fluxo de fluido.
Implementação do Ambiente de Tensão: Para replicar a redistribuição de tensão induzida pela mineração de uma via de rodagem de lado de goaf, uma função de tensão linear por partes é prescrita nas fronteiras do modelo. Esta função é derivada da teoria do equilíbrio limite para reproduzir a distribuição característica da pressão de abatimento, incluindo zonas plásticas e elásticas adjacentes ao goaf.
Configuração da Simulação: O estudo utiliza o COMSOL Multiphysics para acoplar os módulos de Mecânica dos Sólidos, Lei de Darcy e campo de fase. Um estudo de caso é conduzido na face de trabalho 15108, apresentando um pilar de carvão de 15 m de largura e uma camada de carvão de 4,6 m de espessura. A simulação emprega um esquema de fraturamento hidráulico retrocedente segmentado com furos duplos (inclinados a 60° e 75°) e três estágios de fraturamento por furo.
Avaliação Quantitativa: Quatro índices quantitativos são introduzidos para caracterizar as redes de fratura e avaliar o desempenho de alívio de pressão:
1. Alcance de Fraturamento ( $X_1$ ): A extensão espacial global da rede de fraturas.
2. Densidade de Fratura ( $X_2$ ): A razão entre as células fraturadas e o domínio de referência total.
3. Dimensão Fractal ( $X_3$ ): Uma medida da complexidade geométrica da rede.
4. Conectividade de Fratura ( $X_4$ ): A distância horizontal entre as pontas de fratura não conectadas de furos opostos.

Principais Resultados
As simulações numéricas revelam diversos achados críticos em relação à evolução da fratura e ao controle de tensão:

Mecanismos de Propagação de Fratura: A propagação da fratura é regida conjuntamente pelo campo de tensão in situ, fraturas preexistentes e interferência de tensão de furos adjacentes. As fraturas do primeiro estágio são impulsionadas primariamente pelo campo de tensão induzido pela mineração, enquanto os estágios subsequentes são dominados pelas interações entre fraturas vizinhas.
Evolução da Tensão: Durante o processo de fraturamento, a concentração de tensão aumenta inicialmente nas paredes da via de rodagem (até 30% no terceiro estágio) antes de se transformar em uma zona de baixa tensão de grande escala após a compactação da fratura. A redução final de tensão nas paredes da via de rodagem atinge 19% e 34%, respectivamente.
Impacto do Fator de Concentração de Tensão (SCF):
- Baixo SCF (1,2–1,4): As fraturas propagam-se predominantemente na horizontal, formando uma rede bem conectada que cria zonas de baixa tensão sobrepostas. Enquanto a tensão média na rocha circundante (RSR) apresenta reduções de aproximadamente 20% nesta faixa, a redução da tensão de pico no pilar de carvão exibe uma tendência diferente, atingindo um valor mínimo de -0,5% em um SCF de 1,4.
- Alto SCF (≥1,5): A propagação da fratura no lado do pilar de carvão muda de horizontal para vertical. Ocorre uma inibição interestágio forte, e as fraturas do terceiro estágio falham em se conectar. Isso leva a uma deterioração no desempenho de alívio de pressão. Especificamente, quando o SCF é igual a 1,6, o efeito de alívio de pressão é o pior, com as reduções de pico de tensão nas duas paredes da via de rodagem limitadas a 6,66% e 5,64%.
Correlação com o Desempenho: Uma análise de regressão linear multivariada ( $R^2 = 0,976$ ) estabelece que o alcance, a densidade e a dimensão fractal da fratura estão negativamente correlacionados com a eficácia do alívio de tensão. Inversamente, a conectividade da fratura apresenta uma correlação positiva. Isso indica que uma rede altamente complexa não garante melhor desempenho; em vez disso, uma rede bem conectada é essencial para um alívio de tensão eficaz.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer um framework numérico robusto para investigar o alívio de pressão por fraturamento hidráulico sob condições de mineração complexas. Ao incorporar uma função de tensão de fronteira e utilizar o método de campo de fase, o estudo oferece uma representação mais precisa da evolução da fratura em comparação com métodos que exigem geometrias predefinidas.

A principal significância reside no estabelecimento de uma relação quantitativa entre as características da rede de fraturas e o desempenho de alívio de tensão. Os autores afirmam que esses achados fornecem orientação prática para o projeto de fraturamento hidráulico, sugerindo que engenheiros devem priorizar a formação de redes de fratura bem conectadas sob condições de tensão específicas do local. Especificamente, o estudo aconselha o ajuste de parâmetros de processo (como orientação do furo, duração e espaçamento) para maximizar a conectividade e evitar os efeitos negativos de altas concentrações de tensão que inibem a coalescência das fraturas. O trabalho visa melhorar a estabilidade das vias de rodagem de lado de goaf através da otimização do ambiente de tensão da rocha circundante por meio de fraturamento hidráulico direcionado.

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