Design and field response analysis of double-sided staged hydraulic fracturing in gob-side entry under multi-layer hard roof condition

Profundamente sob a terra, onde o carvão é extraído, a rocha acima da mina enfrenta uma luta constante. Quando uma camada de carvão é removida, as pesadas camadas de rocha que antes repousavam sobre ela devem encontrar uma nova maneira de se acomodar. Em muitas minas, essas camadas superiores são feitas de rocha espessa e dura que se recusa a se fragmentar facilmente. Em vez de desmoronar no espaço vazio deixado pelo carvão, esse teto duro permanece suspenso, como um teto pesado que se recusa a cair. Com o tempo, o peso dessa rocha suspensa pressiona os túneis estreitos deixados para transportar equipamentos e pessoas. Essa pressão faz com que as paredes do túnel se espremam para dentro e o chão se eleve, ameaçando esmagar a passagem e interromper as operações. Engenheiros buscam há muito tempo maneiras de gerenciar essa pressão, muitas vezes reforçando o túnel ou tentando quebrar a rocha antes que ela se torne um perigo. O desafio reside em saber exatamente qual camada de rocha está causando mais problemas e onde aplicar a força para quebrá-la com segurança.

Na Mina de Carvão Limin, na China, pesquisadores enfrentaram uma versão complexa desse problema. A mina estava extraindo uma nova seção de carvão ao lado de uma área que já havia sido minerada. Isso deixou uma estreita faixa de carvão atuando como um pilar entre o túnel ativo e o espaço vazio, uma configuração conhecida como entrada de lado de gob (gob-side entry). Acima deste túnel, as camadas de rocha não eram uniformes; consistiam em múltiplas camadas estratificadas, algumas espessas e outras finas, todas empilhadas juntas. Os engenheiros precisavam determinar quais dessas camadas estavam suportando mais peso e causando a deformação do túnel. Eles também precisavam descobrir exatamente onde perfurar buracos para enfraquecer a rocha sem causar um colapso súbito e perigoso. Para resolver isso, uma equipe da Universidade Técnica de Liaoning projetou um plano para usar a pressão da água para fraturar a rocha de maneira controlada e em etapas, testando sua teoria em campo para ver se poderia acalmar a pressão do solo.

Os pesquisadores começaram analisando as camadas de rocha acima da mina, tratando-as como uma única viga espessa que distribui o peso. Eles calcularam como a carga era compartilhada entre as diferentes camadas para identificar as três mais críticas. Sua análise apontou para uma camada de arenito grosseiro logo acima do carvão, uma camada de siltito mais acima e outra camada espessa de arenito ainda mais alta. Essas três camadas eram as principais culpadas por sustentar o peso da montanha acima. No entanto, a equipe percebeu que essas camadas não pressionavam todas no mesmo ponto. As camadas inferiores concentravam seu peso logo ao lado do túnel, enquanto a mais alta das três empurrava seu peso um pouco mais longe, em direção ao espaço vazio da antiga mina. Essa diferença significava que uma abordagem única não funcionaria; eles precisavam de uma estratégia que pudesse atingir diferentes alturas e diferentes posições horizontais simultaneamente.

Para testar sua ideia, a equipe criou uma simulação detalhada por computador da mina e da rocha circundante. Eles modelaram a extração do carvão e o movimento das camadas de rocha para ver como a tensão se acumulava em diferentes áreas. A simulação confirmou a suspeita deles: os picos de tensão para as camadas inferiores estavam de fato logo ao lado do túnel, enquanto o pico para a camada alvo mais alta estava deslocado em direção à antiga mina. Esse insight permitiu que projetassem um padrão de perfuração específico. Eles decidiram perfurar dois tipos de buracos em ambos os lados do túnel: buracos curtos direcionados à camada de rocha inferior e buracos longos alcançando as camadas superiores. Ao escalonar esses buracos e tratá-los em seções, eles poderiam enfraquecer a rocha de uma forma precisa e passo a passo. O plano envolvia perfurar buracos na parede de rocha sólida e no estreito pilar de carvão, usando então água de alta pressão para fraturar a rocha em segmentos isolados, começando da base do buraco e subindo gradualmente.

A equipe colocou esse plano em ação em uma seção de 100 metros do túnel, perfurando um total de trinta e seis buracos. Eles usaram uma ferramenta especializada para selar pequenas seções de cada buraco e injetaram água sob alta pressão para criar rachaduras na rocha. Esse processo foi repetido para cada seção de cada buraco, garantindo que a rocha fosse enfraquecida ao longo de todo o seu comprimento. Enquanto trabalhavam, instalaram uma rede de sensores para observar o que acontecia. Eles colocaram instrumentos para medir o quanto as paredes do túnel se moviam, monitoraram a pressão nos suportes hidráulicos que sustentavam o teto e ouviram os pequenos sons da fragmentação da rocha nas profundezas do subsolo. Eles compararam essa seção tratada com uma seção não tratada do túnel que havia sido minerada anteriormente, permitindo-lhes ver a diferença que a fragmentação por água fez.

Os resultados foram impressionantes. Na seção não tratada, as paredes e o chão do túnel se moveram significativamente conforme a frente de mineração se aproximava, com o teto e o chão se comprimindo cerca de 225 milímetros. O lado do túnel próximo ao pilar de carvão moveu-se 180 milímetros, e o lado da rocha sólida moveu-se 125 milímetros. Na seção onde a rocha foi fraturada com água, o movimento foi drasticamente reduzido. O teto e o chão moveram-se apenas cerca de 22 milímetros, o lado do pilar de carvão moveu-se 18 milímetros e o lado da rocha sólida moveu-se apenas 12 milímetros. Os suportes hidráulicos, que suportam o peso do teto, também mostraram uma melhora clara. Na área não tratada, a força média nos suportes era de 9.725 quilonewtons, mas na seção tratada, essa média caiu para 8.943 quilonewtons, uma redução de cerca de oito por cento.

A equipe também ouviu a própria rocha. Na seção não tratada, os sensores registraram vários eventos de alta energia, indicando quebras grandes e súbitas na rocha que poderiam ser perigosas. Na seção tratada, a atividade foi muito mais silenciosa. Os sensores detectaram apenas eventos de baixa energia, rachaduras pequenas e frequentes que liberavam energia gradualmente, sem que nenhum grande evento de alta energia fosse registrado. Os pesquisadores também olharam dentro dos buracos após o tratamento e viram evidências claras de que a rocha havia se fraturado conforme o pretendido. Embora os dados tenham mostrado que a fragmentação por água enfraqueceu com sucesso a deformação e a carga, a equipe observou que a comparação não foi perfeita porque as duas seções foram mineradas em momentos diferentes e sob condições ligeiramente distintas. Eles não puderam isolar o efeito da fragmentação de cada outra variável, mas a tendência geral ficou clara. A resposta de campo correspondeu aos seus objetivos de design: a rocha moveu-se menos, os suportes carregaram menos peso e as quebras perigosas de alta energia foram eliminadas.

Este estudo demonstra que, ao compreender as camadas específicas de rocha acima de uma mina e direcionar a elas uma estratégia de perfuração personalizada, engenheiros podem melhorar significativamente a segurança e a estabilidade dos túneis subterrâneos. A abordagem de usar buracos longos e curtos para abordar diferentes camadas de rocha em diferentes posições provou ser eficaz para acalmar a pressão do solo. Embora os pesquisadores tenham reconhecido que seriam necessários mais dados para separar totalmente os efeitos do tratamento de outros fatores, a redução no movimento e na carga foi substancial. O trabalho fornece uma referência prática para outras minas que enfrentam desafios semelhantes com tetos duros e suspensos, mostrando que o planejamento cuidadoso e a execução precisa podem transformar uma situação geológica perigosa em uma situação gerenciável.