Badanie mechanizmu uszkodzeń obudowy głębokiego skrzyżowania wywoływanych cyklicznym strzałowaniem

Dlaczego tunele kopalniane potrzebują dodatkowej ochrony

W miarę jak kopalnie węgla schodzą coraz głębiej, tunele łączące szyby pionowe z chodnikami poziomymi stają się kluczowymi drogami dla powietrza, ludzi i sprzętu. Te węzły, zwane skrzyżowaniami (ingates), są wyłożone grubą warstwą betonu, by utrzymać otaczającą skałę. Jednak samo użycie strzałowania do drążenia sąsiednich wyrobisk może z czasem osłabić tę obudowę, zwiększając ryzyko pęknięć i długotrwałej niestabilności. Niniejsze badanie analizuje, jak powtarzane strzały wpływają na obudowy głębokich skrzyżowań i jak zastosowanie odporniejszego betonu może z czasem zwiększyć bezpieczeństwo tych podziemnych „gardzieli”.

Podziemne skrzyżowanie narażone na uszkodzenia

Naukowcy skupili się na głębokiej kopalni wschodnich Chin, gdzie nowy szyb powietrzny łączy się z chodnikami poziomymi poprzez duże, złożone skrzyżowanie. Ze względu na jego rozmiar, zakrzywiony kształt i liczne przecinające się otwory, węzeł ten koncentruje naprężenia i jest trudny do podparcia. Maszyny TBM nie są tu praktyczne, więc inżynierowie stosują wiercenie i strzałowanie do drążenia przyległych wyrobisk. Po wykonaniu obudowa betonowa wokół skrzyżowania musi sprostać zarówno stałemu naciskowi skał głębinowych, jak i powtarzającym się falom uderzeniowym od pobliskich wybuchów. Zrozumienie, gdzie i jak zaczynają się uszkodzenia tej obudowy, jest kluczowe dla projektowania bezpieczniejszych planów eksploatacji i doboru lepszych materiałów.

Symulowanie strzałów zamiast łamania skały

Zamiast przeprowadzać ryzykowne, pełnoskalowe testy polowe pod ziemią, zespół opracował szczegółowy trójwymiarowy model komputerowy skrzyżowania, otaczającej mułowcowej skały i ładunków wybuchowych. Przy użyciu oprogramowania LS-DYNA odtworzyli zarówno stały nacisk skał głębinowych, jak i obciążenie dynamiczne spowodowane serią wybuchów w chodnikach poziomych po obu stronach szybu. Porównali dwa materiały obudowy: konwencjonalny beton wysokiej wytrzymałości oraz beton zbrojony włóknami stalowymi, który jest podobny, lecz zawiera krótkie metalowe włókna pomagające spinać i hamować rozwój rys. Stosując różne poziomy ciśnienia otaczającego oraz zmieniając ładunek wybuchowy, śledzili naprężenia, prędkości drgań i stopniowe kumulowanie się uszkodzeń w obudowie.

Gdzie gromadzą się naprężenia i zaczynają pęknięcia

Symulacje wykazały, że przy samym statycznym ciśnieniu skał najsłabsze miejsca w obudowie nie leżą tam, gdzie występuje największe ściskanie, lecz tam, gdzie materiał jest rozciągany — szczególnie w dolnych narożnikach i po bokach chodnika poziomego. Wraz ze wzrostem ciśnienia otaczającego ogólne naprężenia ściskające pozostają znacznie poniżej granicy kruszenia betonu, lecz naprężenia rozciągające zbliżają się do istotnej części jego wytrzymałości. Po dodaniu strzałowania pojawia się wyraźny minimalny ładunek wybuchowy, czyli próg, powyżej którego zaczynają występować uszkodzenia w koronie łuku, w miejscu zetknięcia szybu i chodnika. Ten próg maleje wraz ze wzrostem ciśnienia skał i jest zawsze wyższy dla betonu zbrojonego włóknem niż dla zwykłego betonu wysokiej wytrzymałości, co pokazuje, że włókna zmniejszają wrażliwość obudowy na wstrząsy od wybuchów.

Jak powtarzane strzały zużywają obudowę

Modelując cykliczne strzałowanie jako postęp czoła wybuchowego krok po kroku, badacze śledzili, jak drgania i uszkodzenia rozwijają się w czasie. Największe prędkości cząstek występowały w rejonach łuków chodnika poziomego, a najsilniejsze wstrząsy powodowały wczesne detonacje — mniej więcej pierwsze cztery. Elementy, które popękały najwcześniej, dalej kumulowały najwięcej uszkodzeń, szczególnie po stronie skrzyżowania zwróconej w kierunku początkowo silnego strzału. Sekwencja „pierwotnie silne, potem słabe” na jednej stronie wywołała większe skumulowane uszkodzenia niż „pierwotnie słabe, potem silne” na stronie przeciwnej, ponieważ początkowe rysy sprawiały, że późniejsze wstrząsy były bardziej skuteczne w rozprzestrzenianiu uszkodzeń. Symulacje wykazały także bezpieczną odległość: gdy czoło postępującego strzałowania oddaliło się wystarczająco — około 26 metrów dla obudowy z zwykłego betonu i 18,2 metra dla obudowy z betonu z włóknem stalowym — kolejne wybuchy przestały zwiększać uszkodzenia.

Dlaczego twardszy beton i ostrożne strzałowanie mają znaczenie

Podsumowując, badanie wykazało, że obudowa z betonu zbrojonego włóknem stalowym doznała znacznie mniejszych długotrwałych uszkodzeń niż konwencjonalny beton wysokiej wytrzymałości. Po dwóch pełnych cyklach strzałowania całkowite uszkodzenia w obudowie z włóknami były jedynie około piętnastokrotnie mniejsze niż w obudowie zwykłej. Dla projektantów kopalń i inżynierów ds. bezpieczeństwa oznacza to dwie rzeczy. Po pierwsze, wybór materiałów o lepszej odporności na rozrost rys — zwłaszcza o wyższej wytrzymałości na rozciąganie — może znacząco wydłużyć żywotność i niezawodność głębokich skrzyżowań. Po drugie, zwrócenie szczególnej uwagi na pierwsze strzały w pobliżu tych konstrukcji oraz ograniczenie ich ładunku może wyraźnie zmniejszyć kumulację uszkodzeń powstających w miarę postępu robót. Razem, mądrzejszy dobór materiałów i bardziej ostrożne strategie strzałowania oferują praktyczną drogę do bezpieczniejszej infrastruktury głębokiego górnictwa.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: głębokie tunele kopalniane, wibracje pochodzące od strzałów, uszkodzenia obudowy betonowej, beton zbrojony włóknem stalowym, bezpieczeństwo wyrobisk podziemnych