Onderzoek naar het schademechanisme van diepe ingate-bekleding verstoord door cyclisch springwerk

Waarom mijntunnels extra bescherming nodig hebben

Naarmate steenkoolmijnen dieper ondergronds liggen, worden de tunnels die verticale schachten met horizontale gangen verbinden vitale levensaders voor lucht, mensen en materieel. Deze knooppunten, ingates genoemd, zijn bekleed met dik beton om het omringende gesteente op afstand te houden. Toch kan het springwerk dat gebruikt wordt om nabijgelegen tunnels uit te hakken deze bekleding geleidelijk verzwakken, waardoor scheurvorming en langdurige instabiliteit kunnen ontstaan. Deze studie onderzoekt hoe herhaalde explosies diepe ingate-bekledingen aantasten en hoe het gebruik van sterker beton deze ondergrondse ‘keel’ in de loop van de tijd veiliger kan houden.

Het ondergrondse kruispunt dat risico loopt

De onderzoekers richtten zich op een diepe steenkoolmijn in Oost-China, waar een nieuwe luchtschacht via een grote, complexe ingate op horizontale tunnels aansluit. Door de afmetingen, de gebogen vorm en de vele kruisingen concentreert dit knooppunt spanningen en is het lastig te ondersteunen. Tunnelboormachines zijn hier niet praktisch, dus ingenieurs gebruiken boren en springwerk om de omringende gangen uit te hakken. Zodra de ingate is aangelegd, moet de betonbekleding zowel de constante druk van het diepe gesteente als de herhaalde schokgolven van nabije explosies weerstaan. Begrijpen waar en hoe schade in deze bekleding begint is cruciaal voor het ontwerpen van veiligere ontginningsplannen en het kiezen van betere materialen.

Explosies simuleren in plaats van steen breken

In plaats van risicovolle grootschalige veldproeven ondergronds uit te voeren, bouwde het team een gedetailleerd driedimensionaal computermodel van de ingate, het omringende siltsteen en de explosieve ladingen. Met de LS-DYNA-simulatiesoftware reconstrueerden ze zowel de constante druk van diep gesteente als de dynamische belasting van een reeks explosies in de horizontale tunnels aan weerszijden van de schacht. Ze vergeleken twee bekledingsmaterialen: conventioneel hoogsterktebeton en staalvezelversterkt beton, dat vergelijkbaar is maar korte metalen vezels bevat die helpen scheuren te overbruggen en tegen te houden. Door verschillende niveaus van inperkende druk en variërende ladingen toe te passen, volgden ze spanningen, vibratiesnelheden en de geleidelijke ophoping van schade in de bekleding.

Waar spanningen zich opstapelen en scheuren beginnen

De simulaties lieten zien dat onder alleen statische gesteente druk de zwakste plekken in de bekleding niet daar liggen waar de compressie het grootst is, maar juist waar trekspanningen optreden — met name langs de onderste hoeken en zijwanden van de horizontale tunnel. Naarmate de inperkende druk toeneemt, blijven de samendrukkingsspanningen ruim onder de druksterkte van het beton, maar naderen de trekspanningen een aanzienlijk deel van zijn draagkracht. Bij toevoeging van springwerk is er een duidelijk minimale explosieve lading, een drempel, waarboven schade begint te verschijnen in de boogkroon waar de schacht en de galerij elkaar ontmoeten. Deze drempel daalt als de omringende gesteentedruk stijgt, en is altijd hoger voor het vezelversterkte beton dan voor het gewone hoogsterktebeton, wat aangeeft dat de vezels de bekleding minder gevoelig maken voor brueschokken.

Hoe herhaalde explosies de bekleding aantasten

Door cyclisch springwerk te modelleren terwijl de tunneleinder stap voor stap opschuift, volgden de onderzoekers hoe vibratie en schade zich in de tijd ontwikkelen. De grootste deeltjesnelheden traden op in de boogregio’s van de horizontale tunnel, en de vroege explosies — ruwweg de eerste vier — veroorzaakten de sterkste beving. Elementen die als eerste barstten, bleken de meeste schade op te bouwen, vooral aan de zijde van de ingate die naar de initiële sterke explosie gericht was. Een volgorde van ‘eerst sterk, daarna zwak’ explosies aan één kant veroorzaakte meer cumulatieve schade dan ‘eerst zwak, daarna sterk’ aan de andere kant, omdat de eerste scheuren latere schokken effectiever maakten in het uitbreiden van de schade. De simulaties toonden ook een veilige afstand: zodra het opschuddende springvlak ver genoeg weg was gekomen — ongeveer 26 meter voor de gewone betonbekleding en 18,2 meter voor de vezelversterkte bekleding — namen volgende explosies de schade niet meer toe.

Waarom sterker beton en zorgvuldiger springwerk ertoe doen

Al met al bleek uit de studie dat de staalvezelversterkte betonbekleding veel minder blijvende schade opliep dan het conventionele hoogsterktebeton. Na twee volledige springcycli was de totale schade in de vezelversterkte bekleding slechts ongeveer een vijftiende van die in de gewone bekleding. Voor mijnontwerpers en veiligheidskundigen betekent dit twee dingen. Ten eerste kan het kiezen van materialen met betere weerstand tegen scheurgroei — vooral hogere trekprestaties — de levensduur en betrouwbaarheid van diepe ingates sterk verlengen. Ten tweede kan speciale aandacht voor de allereerste explosies nabij deze constructies, en beperking van hun lading, de cumulatieve schade die zich tijdens de voortgang van de ontginning opbouwt sterk verminderen. Samen bieden slimmere materiaalkeuzes en voorzichtiger springwerk een praktische route naar veiliger diepe mijninfrastructuur.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: diepe mijntunnels, springtrillingen, schade aan betonbekleding, staalvezelversterkt beton, veiligheid bij ondergrondse ontginning