Le miniere di carbone moderne spesso si affidano a esplosioni controllate per scaricare la pressione nella roccia sovrastante le gallerie e prevenire pericolosi rilasci energetici. Ma ogni esplosione genera anche onde d’urto potenti che si propagano nello spazio sotterraneo. Questo studio pone una domanda pratica dalle conseguenze vitali: quanta carica esplosiva si può usare in sicurezza prima che la volta o le pareti laterali di una galleria collassino improvvisamente, e come possono gli ingegneri prevedere in anticipo quel punto di rottura?
Immagine di una galleria sotterranea sollecitata Figura 1.
I ricercatori si sono concentrati su una miniera profonda a Songshan, in Cina, dove la volta della galleria è costituita da arenaria spessa e stratificata mentre le pareti di carbone sono relativamente deboli e tenere. Per ridurre gli stress estremi indotti dall’attività di scavo, gli ingegneri trivellano fori profondi nella volta davanti al fronte di lavoro e li riempiono di esplosivo. Alla detonazione queste cariche fratturano e indeboliscono intenzionalmente la volta robusta, in modo che essa fallisca in modo controllato anziché in modo violento e senza preavviso. Tuttavia, gli stessi scoppî scuotono anche la galleria. Vibrazioni intense possono spingere la roccia già sollecitata attorno al tunnel oltre un punto critico, innescando una deformazione improvvisa e “catastrofica” invece di un movimento graduale e gestibile.
Trasformare il movimento della roccia in un bilancio energetico
Per comprendere quando può verificarsi questo cedimento improvviso, gli autori hanno trattato la volta stratificata sopra la galleria come una trave semplice appoggiata ai suoi sostegni. Hanno scritto un’espressione per l’energia totale immagazzinata e rilasciata da questa trave, includendo la flessione della roccia, il peso degli strati soprastanti, la resistenza dei sistemi di sostegno come le barre di ancoraggio e la spinta addizionale fornita dalle vibrazioni degli scoppî. Usando un ramo della matematica noto come teoria delle catastrofi, hanno trasformato questa espressione energetica in un modello standard a “cuspide” che descrive sistemi che restano silenti e poi saltano bruscamente a un nuovo stato una volta superata una soglia. In questo quadro, la quantità di esplosivo e la forza del sostegno fungono da manopole di controllo, mentre la deflessione della volta è la risposta del sistema.
Quanta carica è troppa? Figura 2.
Dal modello a cuspide il gruppo ha ricavato formule per un carico critico di detonazione e, da questo, una carica esplosiva critica per la volta. Se la carica reale è inferiore a questo valore, la volta può assorbire la perturbazione e rimanere stabile; se lo supera, il modello prevede una perdita di stabilità improvvisa. Un approccio analogo è stato applicato alle pareti laterali, che possono cedere per una combinazione di fessurazione verticale e scorrimento lungo una zona indebolita. Qui gli autori hanno costruito un modello meccanico di un possibile blocco scorrevole di carbone e roccia, hanno nuovamente scritto un’espressione di energia totale e hanno applicato la teoria delle catastrofi per ottenere un secondo limite critico di carica per la stabilità delle pareti. In entrambi i casi i risultati mostrano che cariche maggiori, distanze più brevi dalla sorgente dell’esplosione e rocce o sostegni più deboli abbassano il limite di sicurezza.
Cosa ha insegnato il modello sulla miniera di Songshan
Con misure di laboratorio della resistenza delle rocce, rilevamenti in campo delle vibrazioni da scoppio e la geometria della galleria del fronte di lavoro 2205 nella miniera di Songshan, i ricercatori hanno calcolato valori specifici di carica critica. La volta stratificata poteva teoricamente tollerare quasi 100 chilogrammi di esplosivo per ciclo di scoppio, mentre le pareti più fragili limitavano la carica sicura a circa 93 chilogrammi. Inizialmente la miniera utilizzava solo 26 chilogrammi per ciclo per evitare danni, rallentando i lavori. Guidati dai nuovi criteri, gli ingegneri hanno aumentato la carica a circa 79 chilogrammi — ben al di sotto del limite calcolato ma abbastanza elevata da migliorare l’efficienza. Il monitoraggio ha mostrato solo un modesto incremento di subsidenza della volta (5 millimetri) e uno spostamento contenuto delle pareti laterali (11 millimetri) nei giorni successivi agli scoppî, confermando che la galleria è rimasta stabile.
Regole pratiche per uno scoppio più sicuro
Per i non specialisti, il messaggio principale è che i cedimenti pericolosi delle gallerie dovuti a scoppî non sono casuali: emergono quando l’energia di vibrazione spinge il sistema roccioso oltre un punto di svolta matematicamente definibile. Combinando misure delle proprietà delle rocce, geometria della galleria, resistenza dei sostegni e vibrazione da scoppio, questo studio fornisce formule per la carica esplosiva massima sicura sia per la volta sia per le pareti. Evidenzia anche leve chiare per la sicurezza: aumentare i sistemi di sostegno, allontanare le cariche dalla galleria, indurire le rocce deboli con tecniche come l’iniezione di malte e limitare la carica per singolo scoppio. Applicate insieme, queste indicazioni aiutano le miniere a impiegare efficacemente le cariche profonde per controllare la pressione sulla volta mantenendo intatte le gallerie sotterranee — e le persone che vi lavorano.
Citazione: Guo, D., Chen, J., Wang, H. et al. Catastrophic instability criterion for roadway roof and sidewall rock mass under deep-hole roof blasting in Songshan coal mine.
Sci Rep16, 6448 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36794-7
Parole chiave: cariche profonde, galleria di miniera di carbone, stabilità della massa rocciosa, sostegno di volta e pareti, teoria delle catastrofi
