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

Este estudo integra modelagem teórica, testes de laboratório e simulações PFC2D para avaliar a propensão ao rockburst e otimizar os parâmetros de alívio de pressão por furo para massas rochosas heterogêneas profundas na Mina de Ouro de Sanshandao, identificando finalmente um diâmetro de furo de 0,10 m como a solução mais eficaz para mitigar riscos de rockburst.

Autores originais: Shang Hu, Qinzheng Wu, Yang Liu, Hanwen Jia, Yantian Yin, Anran Yin, Peng Chao

Publicado 2026-10-22

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CC BY 4.0

Autores originais: Shang Hu, Qinzheng Wu, Yang Liu, Hanwen Jia, Yantian Yin, Anran Yin, Peng Chao

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

Profundo sob a terra, onde a crosta terrestre pressiona com uma força imensa, as operações de mineração enfrentam uma ameaça oculta e violenta conhecida como estouro de rocha (rockburst). Este não é um colapso lento, mas uma liberação súbita e explosiva de energia armazenada na rocha, capaz de despedaçar túneis e colocar em perigo os trabalhadores. O perigo é maior em minas profundas, onde o peso da rocha acima cria uma pressão extrema. Complicando a situação, o fato de a própria rocha raramente ser uniforme; é uma mistura heterogênea de diferentes minerais e fissuras, o que faz com que sua resistência varie drasticamente de um ponto para outro. Essa imprevisibilidade torna difícil para os engenheiros saber exatamente quanta pressão um pedaço específico de rocha pode suportar antes de falhar, ou como liberar com segurança a energia acumulada sem causar um desastre. Sem uma maneira de medir com precisão essa resistência oculta e gerenciar a tensão, a mineração de recursos profundos torna-se uma aposta de alto risco.

Pesquisadores da Mina de Ouro Sanshandao, na China, enfrentaram esse desafio desenvolvendo uma nova maneira de prever a resistência da rocha e um método testado para aliviar a pressão perigosa. Em vez de adivinhar quão forte é uma amostra de rocha, a equipe primeiro mediu sua densidade e a velocidade com que as ondas sonoras viajam através dela. Eles descobriram uma relação matemática confiável entre essas propriedades fáceis de medir e a resistência real ao esmagamento da rocha. Isso permitiu que calculassem o ponto de ruptura exato para cada amostra de rocha individual, em vez de depender de uma média que poderia ser alta demais para pontos fracos ou baixa demais para pontos fortes. Com essas previsões precisas, eles puderam realizar testes controlados onde carregavam a rocha até o limite da falha e depois a descarregavam, mimetizando as mudanças de tensão que ocorrem durante a mineração. Esses testes revelaram que a rocha profunda na mina é propensa a estouros de rocha de moderados a fortes, uma descoberta que exigiu ação imediata para evitar um desastre.

Para gerenciar esse risco, a equipe recorreu a uma técnica chamada alívio de pressão por furo de sondagem, que envolve a perfuração de buracos na rocha para criar espaço para que a tensão escape. No entanto, perfurar um buraco do tamanho errado poderia não fazer nada ou tornar a rocha fraca demais para sustentar o túnel. Os pesquisadores usaram uma simulação computacional sofisticada que levava em conta a resistência natural e irregular da rocha para testar quatro diâmetros de furo diferentes, variando de 5 centímetros a 20 centímetros. Eles descobriram que os menores furos não liberavam pressão suficiente, enquanto os maiores danificavam a rocha tão severamente que ela perdia a capacidade de manter o túnel unido. O ponto ideal foi um furo com um diâmetro de 10 centímetros. Esse tamanho específico criou uma zona de tensão aliviada que se conectava perfeitamente com os furos vizinhos sem destruir a integridade estrutural da rocha, equilibrando efetivamente a necessidade de liberar energia com a necessidade de manter o túnel estável.

A equipe então levou esse design otimizado por computador para o mundo real, perfurando furos de 10 centímetros espaçados a um metro de distância em uma via de teste. Eles monitoraram a tensão nos parafusos de suporte que mantêm o túnel unido durante uma semana após a perfuração. Os resultados confirmaram a simulação: a força sobre os parafusos caiu de forma constante e consistente, indicando que a tensão estava sendo redirecionada com sucesso para longe das paredes do túnel. Os parafusos não apresentaram retorno elástico, sugerindo que o alívio de pressão foi permanente e eficaz. Este estudo fornece um caminho quantitativo claro para a mineração profunda, provando que, ao compreender a resistência única de cada amostra de rocha e escolher o tamanho preciso dos furos de alívio, os engenheiros podem gerenciar com segurança a energia violenta das profundezas da terra.

Resumo Técnico: Avaliação da Propensão ao Estalido de Rocha e Tecnologia de Alívio de Pressão por Perfuração para Massas Rochosas Heterogêneas Profundas

Definição do Problema
As operações de mineração profunda enfrentam sérios riscos de estalido de rocha (rockburst) impulsionados por altas tensões in situ. Um desafio crítico na mitigação desses riscos é a acentuada heterogeneidade das massas rochosas profundas, caracterizadas por composições minerais variáveis e juntas desenvolvidas. Essa heterogeneidade causa flutuações significativas na resistência da rocha dentro de uma mesma área de mineração, tornando difíceis de calibrar os testes convencionais de carregamento-descarregamento devido à incapacidade de determinar com precisão as cargas de pico. Além disso, os métodos existentes de avaliação de estalido de rocha frequentemente dependem de índices únicos ou assumem propriedades rochosas homogêneas, falhando em considerar a incerteza e a discretização inerentes às massas rochosas heterogêneas profundas. Consequentemente, há uma carência de estruturas integradas que abordem a previsão de resistência, a avaliação abrangente de risco e as tecnologias otimizadas de alívio de pressão especificamente para condições heterogêneas profundas.

Metodologia
Este estudo emprega uma abordagem multifacetada combinando derivação teórica, testes laboratoriais, simulação numérica e monitoramento de campo, utilizando a Mina de Ouro de Sanshandao como estudo de caso.

Modelo de Previsão de Resistência: Um modelo de lei de potência fisicamente restringido foi desenvolvido para prever a resistência à compressão uniaxial ( $S$ ) utilizando parâmetros não destrutivos: densidade ( $\rho$ ) e velocidade da onda P ( $v_p$ ). O modelo, expresso como $S = A(\rho v_p^2)^b$ , foi calibrado contra 30 espécimes de rocha heterogênea e validado usando validação cruzada de exclusão de um elemento (leave-one-out) e de cinco dobras (five-fold). Este modelo foi utilizado para determinar cargas de pico individualizadas para testes subsequentes de carregamento-desregamento, evitando os erros associados ao uso de uma resistência média de projeto.
Avaliação de Múltiplos Parâmetros: Seis índices de propensão ao estalido de rocha foram integrados: índice de energia de impacto ( $W_{cf}$ ), coeficiente de fragilidade ( $B$ ), índice de energia de deformação elástica ( $W_{et}$ ), índice de fragilidade de deformação ( $K_u$ ), índice de tensão de solo ( $S$ ) e índice de tensão tangencial ( $T$ ). Um método de ponderação de combinação por teoria dos jogos foi usado para fundir pesos subjetivos (do Processo de Hierarquia Analítica) e pesos objetivos (derivados da entropia e do coeficiente de variação para considerar a heterogeneidade). Esses índices ponderados foram processados através de um modelo de nuvem normal padrão para quantificar a imprecisão (fuzziness) e a aleatoriedade da avaliação, gerando um grau de certeza abrangente para os graus de estalido de rocha.
Simulação Numérica (PFC2D): Um modelo de Código de Fluxo de Partículas 2D (PFC2D) foi estabelecido com um campo aleatório de Weibull para simular a distribuição de resistência heterogênea da massa rochosa de Sanshandao. As simulações foram conduzidas para furos com quatro diâmetros (0,05 m, 0,10 m, 0,15 m e 0,20 m) sob tensão hidrostática de 40 MPa. Uma nova métrica, o Índice de Eficiência de Alívio de Pressão e Estabilidade da Rocha Circundante (PRSEI), foi proposta para equilibrar o alívio de tensão ( $\eta_S$ ) contra o dano normalizado ( $D_n$ ).
Verificação de Campo: Com base nos resultados da simulação, um teste industrial foi realizado em uma galeria utilizando furos de 0,10 m de diâmetro com espaçamento de 1,0 m. Medidores de tensão de fio vibratório em tirantes de resina monitoraram as mudanças na força axial durante sete dias para verificar a eficácia do alívio de tensão.

Principais Resultados

Previsão de Resistência: O modelo de lei de potência alcançou uma alta precisão de ajuste ( $R^2 = 0,958$ ) e previu com sucesso as resistências individuais dos espécimes, permitindo o projeto de testes de carregamento-descarregamento seguros e confiáveis. A validação cruzada confirmou a capacidade de generalização do modelo ( $R^2 = 0,951$ ).
Avaliação de Estalido de Rocha: A avaliação de múltiplos índices usando o modelo de nuvem e a ponderação de teoria dos jogos indicou que a massa rochosa profunda da área de mineração de Sanshandao possui uma propensão ao estalido de rocha de "moderada a forte". A pontuação de risco regional foi calculada como 3,2. A análise destacou que o índice de energia de impacto ( $W_{cf}$ ) detinha o maior peso combinado (0,318) devido à sua alta discretização causada pela heterogeneidade.
Otimização do Alívio de Pressão: As simulações PFC2D revelaram uma relação unimodal entre o diâmetro do furo e o PRSEI.
- Furos de 0,05 m forneceram alívio insuficiente (PRSEI = 0,283).
- Furos de 0,15 m e 0,20 m causaram alívio excessivo e dano exagerado, reduzindo a estabilidade (PRSEI = 0,173 e 0,000, respectivamente).
- O furo de 0,10 m alcançou o PRSEI máximo de 0,466, criando uma zona plástica criticamente conectada (raio = 0,50 m) sem comprometer a integridade da rocha.
Verificação de Campo: O monitoramento de campo mostrou uma diminuição monotônica nas forças axiais dos tirantes (reduzindo para 83,23%–86,97% dos valores iniciais) ao longo de sete dias, sem reversão. Embora a magnitude da redução tenha sido menor que o coeficiente de liberação de tensão numérica devido à rigidez do sistema e à localização da medição, a tendência confirmou a transferência bem-sucedida de tensão e a liberação da energia de deformação elástica.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer uma base quantitativa para a avaliação de estalido de rocha e otimização do alívio de pressão especificamente adaptada para massas rochosas heterogêneas profundas. Suas principais contribuições incluem:

Testes Individualizados: Estabelecimento de um modelo de previsão de resistência não destrutivo que resolve o problema da determinação da carga de pico para espécimes heterogêneos, garantindo a confiabilidade dos testes de carregamento-descarregamento.
Avaliação Consciente da Heterogeneidade: Desenvolvimento de uma estrutura de avaliação de propensão ao estalido de rocha que incorpora explicitamente a heterogeneidade da massa rochosa no processo de ponderação, nos parâmetros de nuvem e nos intervalos de incerteza, oferecendo uma avaliação mais confiável do que os métodos convencionais de índice único ou métodos fuzzy padrão.
Alívio de Pressão Otimizado: Proposição da métrica PRSEI para quantificar a compensação entre o alívio de tensão e a estabilidade da rocha, identificando 0,10 m como o diâmetro de furo ideal para as condições estudadas.
Estrutura Integrada: Validação de um sistema técnico completo que vincula a previsão de resistência, a avaliação de risco e as medidas de controle de engenharia, verificado através de simulação numérica e aplicação de campo na Mina de Ouro de Sanshandao.

Os autores reconhecem limitações, observando que os modelos foram calibrados em uma única área de mineração e que a simulação 2D simplifica os estados de tensão 3D. Eles sugerem que mais validação é necessária para a generalização para outras minas profundas e que o monitoramento de longo prazo é necessário para capturar totalmente os efeitos de alívio de pressão a longo prazo.

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