Studio sul meccanismo di danneggiamento della struttura di rivestimento di una bocca profonda disturbata da esplosioni cicliche

Perché le gallerie minerarie necessitano di protezioni aggiuntive

Con l’aumentare della profondità delle miniere di carbone, le gallerie che collegano i pozzi verticali ai cunicoli orizzontali diventano vie di vita essenziali per aria, persone e mezzi. Queste giunzioni, chiamate bocche d’ingresso, sono rivestite con spesso calcestruzzo per trattenere la roccia circostante. Tuttavia, gli stessi brillamenti utilizzati per scavare i tunnel vicini possono indebolire progressivamente questo rivestimento, aumentando il rischio di fessurazione e instabilità a lungo termine. Questo studio esplora come i brillamenti ripetuti influenzino i rivestimenti delle bocche profonde e come l’impiego di calcestruzzi più resistenti possa mantenere questi “gargami” sotterranei più sicuri nel tempo.

Il crocevia sotterraneo a rischio

I ricercatori si sono concentrati su una miniera di carbone in profondità nell’est della Cina, dove una nuova canna d’aria si connette a gallerie orizzontali tramite una grande e complessa bocca d’ingresso. Per via delle sue dimensioni, della forma curva e delle numerose aperture che si intersecano, questa giunzione concentra gli sforzi ed è difficile da sostenere. Le macchine fresatrici per gallerie non sono praticabili qui, quindi gli ingegneri si affidano alla perforazione e al brillamento per lo scavo delle vie adiacenti. Una volta costruito, il rivestimento in calcestruzzo attorno alla bocca deve sopportare sia la pressione costante della roccia profonda sia le onde d’urto ripetute dei brillamenti vicini. Capire dove e come inizia il danno in questo rivestimento è cruciale per progettare piani di scavo più sicuri e scegliere materiali migliori.

Simulare i brillamenti invece di frantumare la roccia

Invece di eseguire rischiosi test su scala reale in sotterraneo, il team ha costruito un dettagliato modello numerico tridimensionale della bocca d’ingresso, della roccia di marna circostante e delle cariche esplosive. Utilizzando il software di simulazione LS-DYNA, hanno ricreato sia la pressione costante della roccia profonda sia il carico dinamico derivante da una serie di brillamenti nelle gallerie orizzontali sui lati del pozzo. Hanno confrontato due materiali per il rivestimento: calcestruzzo ad alta resistenza convenzionale e calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio, simile ma contenente brevi fibre metalliche che aiutano a collegare e contenere le fessure. Applicando differenti livelli di pressione confinante e variando la carica esplosiva, hanno monitorato gli sforzi, le velocità di vibrazione e l’accumulo graduale del danno nel rivestimento.

Dove si accumulano gli sforzi e dove iniziano le crepe

Le simulazioni hanno mostrato che, sotto la sola pressione statica della roccia, i punti più deboli del rivestimento non sono dove è maggiormente compresso, ma dove è sollecitato a trazione—soprattutto lungo gli angoli inferiori e le pareti laterali della galleria orizzontale. All’aumentare della pressione confinante, gli sforzi complessivi di compressione rimangono ben al di sotto del limite di schiacciamento del calcestruzzo, ma gli sforzi di trazione si avvicinano a una frazione significativa della sua capacità. Quando si aggiunge il brillamento, emerge una chiara carica esplosiva minima, o soglia, oltre la quale il danno comincia ad apparire alla calotta dell’arco dove il pozzo e la strada si incontrano. Questa soglia diminuisce con l’aumentare della pressione della roccia circostante, ed è sempre più alta per il calcestruzzo rinforzato con fibre rispetto al calcestruzzo ad alta resistenza semplice, dimostrando che le fibre rendono il rivestimento meno sensibile agli urti da brillamento.

Come i brillamenti ripetuti consumano il rivestimento

Modelando il brillamento ciclico mentre la faccia di scavo avanza passo dopo passo, i ricercatori hanno seguito l’evoluzione di vibrazione e danno nel tempo. Le massime velocità delle particelle si sono registrate nelle regioni ad arco della galleria orizzontale, e i primi brillamenti—circa i primi quattro—sono stati responsabili dei sommovimenti più intensi. Gli elementi che hanno fessurato per primi hanno poi accumulato il maggior danno, specialmente sul lato della bocca rivolto verso il primo forte brillamento. Una sequenza di brillamenti “prima forti, poi deboli” su un lato ha prodotto più danno cumulativo rispetto a “prima deboli, poi forti” sull’altro lato, perché le fessure iniziali hanno reso gli urti successivi più efficaci nell’estendere il danno. Le simulazioni hanno inoltre evidenziato una distanza sicura: una volta che la faccia di brillamento avanzante si è allontanata abbastanza—circa 26 metri per il rivestimento in calcestruzzo semplice e 18,2 metri per quello rinforzato con fibre—i brillamenti successivi non aumentavano più il danno.

Perché il calcestruzzo più resistente e i brillamenti attenti sono importanti

Nel complesso, lo studio ha rilevato che il rivestimento in calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio ha subito molto meno danno a lungo termine rispetto al calcestruzzo ad alta resistenza convenzionale. Dopo due cicli completi di brillamento, il danno totale nel rivestimento con fibre era solo circa un quindicesimo di quello del rivestimento semplice. Per i progettisti di miniere e gli ingegneri della sicurezza, questo comporta due considerazioni. Primo, scegliere materiali con migliore resistenza alla crescita delle fessure—in particolare prestazioni a trazione più elevate—può estendere notevolmente la vita e l’affidabilità delle bocche profonde. Secondo, prestare particolare attenzione ai primissimi brillamenti vicino a queste strutture e limitare la loro carica può ridurre drasticamente il danno cumulativo che si accumula durante l’avanzamento dello scavo. Insieme, materiali più intelligenti e strategie di brillamento più caute offrono una via pratica verso infrastrutture minerarie profonde più sicure.

Citazione: 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

Parole chiave: gallerie minerarie profonde, vibrazioni da brillamento, danneggiamento del rivestimento in calcestruzzo, calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio, sicurezza nello scavo sotterraneo