מחקר על מנגנון הנזק של מבנה בטון כניסה עמוקה המופרע על ידי פיצוצים מחזוריים

מדוע מנהרות מכרה זקוקות להגנה נוספת

ככל שעומק מכרות הפחם גדל, המנהרות המחברות את הצירים האנכיים למסלולים האופקיים הופכות לקווי חיים חיוניים לאוויר, לאנשים ולציוד. הצמתים הללו, המכונים כניסות (ingates), מרופדים בבטון עבה כדי להרחיק את הסלע הסובב. עם זאת, פיצוצים המשמשים לחציבת המנהרות המסביב עלולים להחליש בהדרגה את הציפוי הזה, ולהגביר את הסיכון לסדקים וחוסר יציבות ארוך‑טווח. המחקר הזה בוחן כיצד פיצוצים חוזרים משפיעים על ציפויי כניסות עמוקים וכיצד שימוש בבטון חזק יותר עשוי לשמור על ה"גרונות" התת‑קרקעיים הללו בטוחים לאורך זמן.

צומת תת‑קרקעי בסיכון

החוקרים התמקדו במכרה פחם עמוק במזרח סין, שבו ציר אוורור חדש מתחבר למנהרות האופקיות דרך כניסה גדולה ומורכבת. בשל גודלה, צורתה המעוקלת וריבוי הפתחים החותכים זה את זה, הצומת מרוכזת בו מתחים וקשה לתמיכה. מכונות חפירה מנהוריות אינן מעשיות כאן, ולכן מהנדסים נסמכים על קידוח ופיצוצים לחציבת הדרכים הסובבות. לאחר הבנייה, ציפוי הבטון סביב הכניסה חייב לעמוד הן בלחץ הקבוע של הסלע העמוק והן בגלי ההלם החוזרים מפיצוצים סמוכים. הבנה של היכן וכיצד מתחיל הנזק בציפוי חשובה לתכנון חפירות בטוחות יותר ולבחירת חומרים טובים יותר.

סימולציה של פיצוצים במקום שבירת סלע

במקום להריץ ניסויים שדה מסוכנים בקנה מידה מלא תת‑קרקעי, הצוות בנה מודל מחשב תלת‑ממדי מפורט של הכניסה, סלע הטין הסובב והמטענים החומרי נפץ. באמצעות תוכנת הסימולציה LS‑DYNA הם שיחזרו הן את הלחץ הקבוע של הסלע העמוק והן את העומס הדינמי של סדרת פיצוצים במנהרות האופקיות מכל צד של הציר. הם השוו שני חומרים לציפוי: בטון גבוה חוזק קונבנציונלי ובטון מחוזק בסיבי פלדה, שהוא דומה אך מכיל סיבים מתכתיים קצרים המסייעים לגשר ולעצור סדקים. על ידי החלת רמות שונות של לחץ כילוף ושינוי מטען הפיצוץ, הם עקבו אחר מתחים, מהירויות רטט והצטברות הדרגתית של נזק בציפוי.

איפה מצטברים מתחים ומתחילים סדקים

הסימולציות הראו שבתנאי לחץ סטטי של הסלע בלבד, הנקודות החלשות בציפוי אינן במקום שבו הוא נלחץ הכי חזק, אלא במקום שבו הוא מוצא בחשיפה למתחים של משיכה—במיוחד לאורך הפינות התחתונות ודפנות המנהרה האופקית. ככל שלחץ הכילוף גדל, המתחים הלחיציים הכוללים נשארים הרבה מתחת לסף הכושר של הבטון, אך המתחים המתיחה מתקרבים לחלק משמעותי מיכולתו. כאשר מוסיפים פיצוצים, יש מטען נפץ מינימלי ברור, או סף, שמעליו מתחיל להופיע נזק בתקרת הקשת שבה הציר והמסלול נפגשים. סף זה יורד ככל שלחץ הסלע הסובב עולה, והוא תמיד גבוה יותר עבור הבטון המחוזק בסיבים מאשר עבור הבטון הגבוה‑חוזק הרגיל, מה שמראה שהסיבים מפחיתים את הרגישות של הציפוי להלם מפיצוץ.

כיצד פיצוצים חוזרים משחיקים את הציפוי

על‑ידי דימוי פיצוצים מחזוריים כאשר חזית המנהרה מתקדמת צעד‑אחר‑צעד, החוקרים עקבו כיצד הרטט והנזק מתפתחים לאורך זמן. מהירויות החלקיקים הגדולות ביותר התרחשו באזורי הקשת של המנהרה האופקית, והפיצוצים המוקדמים—בערך ארבעת הראשונים—היו אחראיים על הרעידות החזקות ביותר. האלמנטים שסדקו ראשונים המשיכו לצבור את מרבית הנזק, במיוחד על הצד של הכניסה הפונה לכיוון הפיצוץ החזק הראשוני. רצף של "חזק ראשון, ואז חלש" בצד אחד ייצר נזק מצטבר רב יותר מאשר "חלש ראשון, ואז חזק" בצד הנגדי, כיוון שהסדקים הראשוניים הפכו את ההלם המאוחר ליעיל יותר בהרחבת הנזק. הסימולציות חשפו גם מרחק בטוח: ברגע שחזית הפיצוץ המתקדמת התרחקה מספיק—כ‑26 מטר עבור ציפוי הבטון הרגיל וכ‑18.2 מטר עבור הציפוי המחוזק בסיבים—פיצוצים נוספים כבר לא הגדילו את הנזק.

מדוע בטון חזק יותר ופיצוצים זהירים חשובים

בסך הכול מצא המחקר כי ציפוי הבטון המחוזק בסיבי פלדה סבל הרבה פחות נזק ארוך‑טווח מאשר הבטון הגבוה‑חוזק הקונבנציונלי. לאחר שני מחזורים מלאים של פיצוצים, הנזק הכולל בציפוי המחוזק בסיבים היה רק ככחמישית‑עשר מזה של הציפוי הרגיל. עבור מעצבי מכרות ומהנדסי בטיחות, משמעות הדבר היא שתי מסקנות עיקריות. ראשית, בחירה בחומרים בעלי התנגדות טובה יותר לצמיחת סדקים—במיוחד בביצועי מתיחה גבוהים יותר—יכולה להאריך משמעותית את חיי ואמינות הכניסות העמוקות. שנית, תשומת לב מיוחדת לפיצוצים הראשונים הסמוכים למבנים אלה ומגבלה של מטענם יכולה לצמצם במידה ניכרת את הנזק המצטבר שנבנה במהלך ההתקדמות בחפירה. יחד, חומרים חכמים יותר ואסטרטגיות פיצוץ זהירות מציעים נתיב מעשי לתשתיות כרייה עמוקות בטוחות יותר.

ציטוט: Li, X., Yao, Z., Liu, X. et al. Study on the damage mechanism of deep ingate lining structure disturbed by cyclic blasting. Sci Rep 16, 8171 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39273-1

מילות מפתח: מנהרות מכרה עמוקות, רטט מפיצוץ, נזק לבטון של הציפוי, בטון מחוזק בסיבי פלדה, בטיחות חפירות תת‑קרקעיות