Height ratio‑dependent creep failure of coal‑rock composites: A multi‑scale analysis integrating stepwise creep, AE monitoring, and SEM characterization

Resumo Técnico: Falha por Fluência Dependente da Razão de Altura de Compósitos Carvão-Rocha

Definição do Problema
A estabilidade de longo prazo de pilares de carvão em estaleiros subterrâneos e taludes de minas a céu aberto depende criticamente do comportamento de fluência (creep) de combinações de carvão-rocha. Embora a razão de altura rocha-carvão ($K_{rc}$) seja reconhecida como um parâmetro governante para a resposta mecânica desses compósitos, sua influência específica na deformação por fluência de longo prazo, atenuação de resistência e nos mecanismos subjacentes de acumulação de danos por fluência ainda não foi suficientemente caracterizada. Pesquisas existentes concentraram-se amplamente em mecanismos de falha instantânea sob taxas de carregamento convencionais, deixando uma lacuna na compreensão de como o $K_{rc}$ modula a falha dependente do tempo e a evolução de trincas sob carregamento sustentado.

Metodologia
Este estudo empregou uma abordagem experimental multiescala integrando testes de fluência uniaxial por etapas, monitoramento de emissão acústica (AE) em tempo real e caracterização por microscopia eletrônica de varredura (SEM). Cinco grupos distintos de corpos de prova foram preparados com variadas razões de altura rocha-carvão ($K_{rc}$): carvão puro (0:1), três configurações de compósitos (1:3, 1:1 e 3:1) e arenito puro (1:0).

• Teste de Fluência: Os corpos de prova foram submetidos a protocolos de carregamento por etapas, onde os níveis de tensão foram aumentados incrementalmente e mantidos constantes para observar a deformação por fluência até a falha.
• Monitoramento de AE: Um sistema de AE rastreou contagens de anéis e liberação de energia para caracterizar a evolução de microtrincas internas, distinguindo entre iniciação, propagação e coalescência de trincas. Parâmetros como Frequência Média (AF) e Ângulo Ascendente (RA) foram utilizados para diferenciar mecanismos de trincamento por tração e cisalhamento.
• Análise Microestrutural: Observações de SEM foram conduzidas em superfícies de fratura frescas de carvão e arenito para verificar defeitos microestruturais e seu papel na concentração de tensão.

Principais Resultados

1. Relação de Resistência: Uma relação linear robusta foi estabelecida, onde a tensão de falha por fluência ($\sigma_{cr}$) aproximou-se consistentemente de 90% da resistência máxima à compressão uniaxial ($\sigma_c$) em todas as configurações de $K_{rc}$. Esta descoberta sugere que a resistência de longo prazo pode ser estimada de forma confiável a partir de testes de resistência estática de curto prazo.
2. Configuração Ótima (Razão 1:1): O corpo de prova compósito com uma razão de altura rocha-carvão de 1:1 ($K_{rc} = 1:1$) demonstrou resistência à fluência superior em comparação às outras configurações. Ele exibiu o maior tempo para a falha por fluência, as menores deformações instantâneas e dependentes do tempo, e a menor taxa de fluência em estado estacionário.
3. Limiares Não Monotônicos: A tensão de iniciação de trinca ($\sigma_{ci}$) e a tensão de dano por trinca ($\sigma_{cd}$) seguiram uma tendência não monotônica em relação ao $K_{rc}$. Esses limiares atingiram o pico na razão 1:1 antes de declinar conforme a proporção de rocha aumentava, indicando que a configuração 1:1 oferece o regime de crescimento de trincas estável mais amplo.
4. Transição do Mecanismo de Falha: À medida que a proporção de rocha aumentava, o mecanismo de falha mudava de controle por cisalhamento para controle por tração. A proporção de trincas de cisalhamento diminuiu (de 25,56% no carvão puro para 11,97% na rocha pura), enquanto as trincas de tração tornaram-se dominantes. A razão 1:1 exibiu a menor proporção de trincas de cisalhamento entre os compósitos, correlacionando-se com sua maior estabilidade.
5. Influência Microestrutural: A análise de SEM revelou que o carvão possui uma microestrutura fragmentada com microtrincas e poros interconectados, enquanto o arenito exibe um esqueleto de grãos denso e rígido. A camada de rocha mais rígida nos compósitos forneceu confinamento lateral ao carvão, suprimindo a expansão lateral e retardando o crescimento instável de trincas, um efeito que foi maximizado na razão 1:1.

Significância e Alegações
Os autores postulam que estas descobertas fornecem orientação quantitativa para o design geométrico racional de pilares de carvão em operações de mineração subterrânea e céu aberto. Especificamente, o estudo alega que identificar a razão de altura 1:1 como uma configuração ótima para resistência à fluência pode informar o dimensionamento de pilares de carvão para garantir a estabilidade estrutural de longo prazo. Além disso, a razão de 90% estabelecida entre a tensão de falha por fluência e a resistência máxima oferece uma ferramenta preditiva prática para engenheiros que avaliam a segurança de longo prazo de estruturas de pilares existentes. A pesquisa preenche a lacuna entre propriedades mecânicas estáticas e comportamentos de falha dependentes do tempo, oferecendo uma base teórica para compreender como a geometria estrutural influencia a transição de uma fluência estável para uma instável em sistemas heterogêneos de rocha-carvão.