Study on the properties and reasonable width of a phosphogypsum backfill body for gob-side entry retaining in a thick coal seam

Profundamente sob a terra, onde camadas de carvão aguardam para serem mineradas, engenheiros enfrentam um dilema persistente e dispendioso. Quando uma camada de carvão é extraída, o teto acima dela naturalmente tende a desabar. Para manter os túneis seguros para trabalhos futuros, os mineradores tradicionalmente deixam para trás paredes espessas de carvão não minerado para sustentar o teto. Embora isso mantenha o solo estável, também deixa uma parte significativa do recurso valioso trancada para sempre, presa sob a terra como uma medida de segurança. Uma alternativa mais eficiente, conhecida como retenção de entrada do lado do gob (gob-side entry retaining), envolve conduzir um novo túnel exatamente ao longo da borda do espaço vazio deixado pela operação de mineração anterior. Em vez de deixar uma parede de carvão, os engenheiros constroem uma parede artificial usando um material de preenchimento especial. Esta barreira feita pelo homem suporta o teto tão bem quanto um pilar de carvão faria, mas permite que os mineradores extraiam quase todo o carvão da camada, transformando o que antes era desperdício em lucro. O desafio reside em encontrar um material que seja forte o suficiente para segurar a terra, flua facilmente o suficiente para ser bombeado em espaços apertados e custe menos que as opções tradicionais.

Em uma mina de carvão em Guizhou, China, pesquisadores têm testado uma solução que transforma um problema industrial em um ativo de mineração. A região produz vastas quantidades de fosfogesso, um subproduto da fabricação de fertilizantes que geralmente fica acumulado em enormes pilhas que consomem grandes áreas de terra. Este material apresenta riscos ambientais, incluindo o potencial de contaminar o lençol freático com fluoreto e elementos radioativos. A equipe, liderada por engenheiros do Instituto de Tecnologia de Guizhou e operadores de minas locais, fez uma pergunta simples: poderia este abundante resíduo ser transformado no material perfeito para construir essas paredes de túneis artificiais? Sua investigação combinou experimentos de laboratório com modelagem computacional complexa para determinar não apenas se o material funcionava, mas exatamente quão espessa a parede precisaria ser para garantir a segurança.

Os pesquisadores começaram tratando o fosfogesso bruto, que chega como um pó seco de cristais em forma de escamas, em um material de construção utilizável. Eles o misturaram com água e pequenas quantidades de aditivos químicos projetados para fazer a mistura fluir suavemente e endurecer na velocidade certa. No laboratório, testaram dezenas de variações, ajustando as quantidades de uma substância chamada superplastificante para melhorar o fluxo e um álcali para controlar a rapidez com que a mistura endurecia. Eles descobriram que uma combinação específica funcionava melhor: um ambiente de baixo teor de álcali pareado com uma dose precisa do produto químico de melhoria de fluxo. Essa receita permitiu que a mistura permanecesse fluida o suficiente para ser bombeada no espaço estreito entre a parede do túnel e a mina vazia, mas endurecesse em uma estrutura sólida com uma resistência à compressão de 12,5 megapascais após 28 dias. Essa força foi suficiente para atender aos rigorosos padrões de segurança exigidos pela mineração subterrânea, provando que o resíduo local poderia, de fato, servir como um substituto viável para os materiais de preenchimento convencionais.

Com as propriedades do material estabelecidas, a equipe voltou-se para a questão do tamanho. Na mineração, cada metro de largura conta. Uma parede mais larga é mais segura, mas requer mais material e deixa menos espaço para a extração de carvão. Uma parede mais estreita economiza recursos, mas corre o risco de desabamento. Para encontrar o ponto ideal, os pesquisadores usaram duas abordagens matemáticas diferentes para estimar a carga que a parede precisaria suportar. Um método, que descreveram como mais conservador e seguro, calculou o peso das camadas de rocha acima do túnel e como esse peso pressionaria a nova parede. Eles compararam isso com um segundo método que observava como blocos individuais de rocha poderiam se deslocar e assentar. Os cálculos mostraram que a resistência necessária da parede dependia fortemente da espessura da camada de carvão sendo minerada e do peso da rocha acima dela. Os pesquisadores descobriram que a espessura da camada de carvão era o fator mais influente; quanto mais espessa a camada, mais forte a parede precisaria ser. Outros fatores, como a largura do próprio túnel e o atrito entre as camadas de rocha, desempenharam um papel, mas foram menos críticos.

Para visualizar como a parede se comportaria em condições do mundo real, a equipe construiu uma simulação detalhada da geologia da mina. Eles modelaram o túnel, a rocha circundante e a parede artificial, e então observaram como o solo se deslocava conforme a largura da parede mudava. Testaram larguras variando de menos de um metro a mais de três metros. A simulação revelou um padrão claro: quando a parede era estreita, a rocha do lado do túnel se movia significativamente, comprimindo-se para dentro. À medida que a parede ficava mais larga, esse movimento caía drasticamente. A melhoria mais dramática ocorreu quando a parede cresceu de um estreito 0,8 metro para 2,0 metros mais substanciais. Além de 2,0 metros, a redução no movimento tornou-se muito menor, sugerindo que tornar a parede ainda mais larga ofereceria retornos decrescentes. Os modelos computacionais mostraram que, com uma largura de 2,0 metros, a parede poderia suportar a rocha sobrejacente de forma eficaz, mantendo o túnel estável sem desperdiçar material.

As implicações desta descoberta estendem-se além de apenas manter um túnel aberto. Ao utilizar um material que é barato e disponível localmente, e ao determinar que uma parede de 2,0 metros é suficiente, a mina pode recuperar significativamente mais carvão. Os pesquisadores calcularam que, ao otimizar a largura da parede e usar este novo material, a mina poderia recuperar 9.681,1 toneladas adicionais de carvão de uma única face de mineração em comparação ao uso de uma parede mais larga e menos eficiente. Isso representa um benefício econômico direto, transformando um problema de descarte de resíduos em uma fonte de receita extra. Embora o estudo confirme que o material é forte e a largura é segura, os autores observam que investigações adicionais são necessárias para garantir a durabilidade de longo prazo da parede e para compreender totalmente como o material interage com o lençol freático ao longo de muitos anos. Por enquanto, o trabalho fornece uma base técnica sólida para o uso deste subproduto industrial local para tornar a mineração de carvão mais eficiente e menos desperdiçadora.