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

Profundamente abaixo da superfície da terra, onde os mineradores de carvão escavam longos túneis para alcançar veios valiosos, o solo não é um bloco sólido e inflexível. Em muitos lugares, a rocha que envolve esses túneis é macia, quebradiça e mantida unida por uma cola natural fraca. Isso é conhecido como rocha macia fracamente cimentada. Quando a água infiltra pelo solo e toca essa rocha, um processo lento, mas destrutivo, começa. A água atua como um solvente, dissolvendo as ligações fracas e fazendo com que os minerais dentro da rocha inchem e amoleçam, de forma muito semelhante a uma esponja absorvendo água. Essa transformação transforma a rocha de um suporte estrutural em uma substância mole e lamacenta que luta para manter sua forma. Para os engenheiros encarregados de manter esses túneis subterrâneos abertos e seguros, essa interação entre a água e a rocha é um dos desafios mais difíceis que enfrentam. Se a rocha falhar, o túnel pode colapsar, prendendo equipamentos e trabalhadores, ou simplesmente tornar-se demasiado estreito para uso.

Pesquisadores do Instituto de Pesquisa de Mineração de Carvão CCTEG e da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hunan estabeleceram-se para entender exatamente como essa falha ocorre em uma mina de carvão específica em Ningxia, China. Eles focaram em um túnel conhecido como via de transporte 110803, onde a rocha circundante é composta por rocha macia argilosa, um tipo de material rico em argila que é particularmente sensível à água. A equipe combinou inspeções no local, testes laboratoriais e simulações computacionais para observar como o túnel se comportava ao longo do tempo. Eles descobriram que os problemas do túnel não eram apenas sobre a rocha ser fraca, mas sobre uma reação em cadeia específica desencadeada pela água. A rocha contém altas quantidades de minerais de argila que expandem quando molhados, criando pressão interna. Ao mesmo tempo, a água enfraquece a aderência dos parafusos metálicos e cabos usados para segurar a rocha no lugar. O sistema de suporte original, que dependia desses parafusos, era simplesmente não forte o suficiente para lutar contra o inchamento da rocha e a perda de aderência causada pela água.

Os pesquisadores observaram que o túnel não falhou de uma só vez. Em vez disso, ele passou por três estágios distintos de movimento. Primeiro, houve um período de mudança rápida onde o teto e o piso começaram a se mover um em direção ao outro rapidamente. Isso foi seguido por uma fase de deformação acelerada, onde o movimento acelerou ainda mais à medida que a rocha continuava a amolecer e o sistema de suporte começava a perder sua aderência. Finalmente, o movimento desacelerou, mas nunca parou verdadeiramente; o túnel continuou a se deslocar e a assentar por meses, indicando um estado de instabilidade de longo prazo. Em algumas seções do túnel, o piso elevou-se por mais de 700 milímetros, enquanto o teto afundou cerca de 300 milímetros. As laterais do túnel também foram comprimidas para dentro em mais de 600 milímetros. Essa deformação massiva foi impulsionada por uma combinação de fatores que a equipe chamou de "uma água e três fraquezas". A "uma água" era a infiltração constante que amolecia a rocha. As "três fraquezas" eram a fundação precária onde os parafusos estavam ancorados, a camada fraca que transferia a força de aperto dos parafusos para a rocha e a força geral baixa da própria rocha.

Para resolver este problema, a equipe propôs uma nova estratégia que descreveram como "um isolamento e três fortalecimentos". O primeiro passo, o isolamento, consistiu em impedir que a água tocasse a rocha macia. Eles alcançaram isso injetando calda, um material semelhante ao cimento fluido, profundamente na rocha antes e depois de escavar o túnel para selar as fontes de água. Eles também pulverizaram uma camada de concreto sobre as superfícies expostas da rocha para criar uma barreira impermeável. A segunda parte da estratégia envolveu o fortalecimento do sistema de suporte de três maneiras específicas. Eles melhoraram a fundação de ancoragem usando materiais impermeáveis especiais que pudessem agarrar a rocha firmemente mesmo em condições úmidas. Eles fortaleceram a camada que transfere a força dos parafusos usando placas maiores e mais rígidas e uma camada de concreto mais espessa. Finalmente, eles aumentaram a resistência geral da massa rochosa usando cabos de alta resistência e injetando mais calda para unir a rocha. Isso criou um sistema de suporte totalmente fechado que mantinha o teto, as laterais e o piso no lugar.

Quando a equipe aplicou este novo método ao túnel, os resultados foram imediatos e dramáticos. Nas seções onde o antigo sistema de suporte estava em vigor, o túnel continuou a deformar-se significativamente, com o teto e o piso movendo-se quase meio metro ao longo de alguns meses. Em contraste, as seções reforçadas com o novo método de "um isolamento e três fortalecimentos" mostraram quase nenhum movimento. O teto e o piso moveram-se menos de 50 milímetros durante um período de 80 dias, e as laterais moveram-se apenas cerca de 30 milímetros. A separação da rocha, que é a lacuna que se forma entre as camadas de rocha conforme elas se afastam, foi reduzida a uma fração mínima do que era antes. Os parafusos e cabos mantiveram-se estáveis, e o túnel manteve sua forma. O estudo demonstrou que, ao compreender a maneira específica como a água e a rocha macia interagem, e ao projetar um sistema de suporte que aborde tanto a água quanto as fraquezas estruturais, os engenheiros podem manter esses túneis subterrâneos profundos estáveis e seguros a longo prazo. Esta abordagem oferece um caminho claro para operações de mineração em áreas onde a água e a rocha macia ameaçam comprometer a estabilidade da terra.