Come si progetta una cava sotterranea sicura in presenza di alta pressione?

Quando si estrae minerale da miniere molto profonde, la roccia intorno al buco può cedere a causa della forte pressione del terreno. Per evitare crolli, gli ingegneri hanno studiato come ottimizzare le dimensioni del "stope", cioè lo spazio scavato per il minerale. Prima hanno testato in laboratorio le proprietà meccaniche della roccia, poi hanno creato sei possibili configurazioni usando il metodo della Matthews chart. Con FLAC3D, un software di simulazione 3‑D, hanno riprodotto il contesto della miniera d'oro Ruihai e hanno simulato il metodo di estrazione "follow‑filling continuous mining". Analizzando stress, spostamenti e zone plastiche, hanno scoperto che, in zone con roccia buona, le dimensioni ottimali sono 20 m di altezza, 15 m di larghezza e 80 m di lunghezza. In aree con faglie o fratture, è più sicuro ridurre a 20 m di altezza, 10 m di larghezza e 70 m di lunghezza. Il metodo di estrazione continuo con riempimento progressivo riduce la pressione sul terreno, migliorando la stabilità e la sicurezza. Questi risultati forniscono una base teorica per estrarre risorse profonde in modo più sicuro ed efficiente.

Le simulazioni sono state eseguite con FLAC3D, un codice di elementi finiti che risolve le equazioni di equilibrio per materiali elastoplastici. La roccia è stata modellata come un mezzo continuo con proprietà anisotrope, includendo moduli di elasticità, coefficiente di Poisson e criteri di cedimento di Mohr‑Coulomb. Le condizioni al contorno hanno replicato il carico geostatico a profondità di circa 1500 m, con un gradiente termico trascurabile. Il metodo "follow‑filling" prevede l’avanzamento del fronte di scavo in sequenza, con riempimento di materiale di supporto (ad esempio, paste cementizie) subito dopo il passaggio del macchinario, riducendo la zona di deformazione plastica. L'analisi delle curve di stress ha mostrato una diminuzione del picco di compressione laterale del 12 % rispetto a metodi tradizionali, mentre la zona di deformazione plastica si è contratta del 18 %. Inoltre, la variazione di fattore di sicurezza (FS) è passata da 1,2 a 1,6 nelle configurazioni ottimizzate, indicando una maggiore capacità di resistere a carichi imprevisti. Questi risultati suggeriscono che la combinazione di dimensioni ridotte in aree fratturate e l'uso di riempimento continuo può mitigare efficacemente il rischio di instabilità, fornendo un approccio più sostenibile per l'estrazione di risorse a grande profondità.