Estudo sobre o mecanismo de dano da estrutura de alinhamento de entrada profunda perturbada por detonações cíclicas

Por que os túneis de mina precisam de proteção extra

À medida que as minas de carvão alcançam profundidades maiores, os túneis que conectam poços verticais a galerias horizontais tornam‑se vias vitais para ar, pessoas e equipamentos. Essas junções, chamadas entradas, são revestidas com concreto espesso para conter a rocha circundante. Ainda assim, as próprias detonações usadas para abrir os túneis próximos podem, com o tempo, enfraquecer esse revestimento, aumentando o risco de fissuras e instabilidade a longo prazo. Este estudo investiga como explosões repetidas afetam os revestimentos de entradas profundas e como o uso de concreto mais resistente pode manter essas "gargantas" subterrâneas mais seguras ao longo do tempo.

O cruzamento subterrâneo em risco

Os pesquisadores concentraram‑se em uma mina de carvão profunda no leste da China, onde um novo poço de ventilação se conecta a galerias horizontais por meio de uma grande e complexa entrada. Devido ao seu tamanho, à forma curvada e às muitas aberturas interseccionais, essa junção concentra tensões e é difícil de suportar. Máquinas de perfuração de túnel não são práticas aqui, então os engenheiros recorrem à perfuração e detonação para escavar as galerias ao redor. Uma vez construída, a laje de concreto ao redor da entrada deve suportar tanto a pressão estática da rocha profunda quanto as ondas de choque repetidas das detonações próximas. Entender onde e como o dano começa nesse revestimento é crucial para projetar planos de escavação mais seguros e escolher materiais melhores.

Simulando explosões em vez de quebrar a rocha

Em vez de realizar testes completos de campo, arriscados e subterrâneos, a equipe construiu um detalhado modelo tridimensional por computador da entrada, da rocha de folhelho ao redor e das cargas explosivas. Utilizando o software de simulação LS‑DYNA, recriaram tanto a pressão constante da rocha profunda quanto a carga dinâmica de uma série de explosões nas galerias horizontais de cada lado do poço. Compararam dois materiais de revestimento: concreto convencional de alta resistência e concreto reforçado com fibras de aço, que é similar, mas contém fibras metálicas curtas que ajudam a travar e controlar fissuras. Aplicando diferentes níveis de pressão de confinamento e variando a carga explosiva, eles acompanharam tensões, velocidades de vibração e o acúmulo gradual de dano no revestimento.

Onde as tensões se acumulam e as fissuras começam

As simulações mostraram que, sob apenas a pressão estática da rocha, os pontos mais fracos no revestimento não são onde ele é mais comprimido, mas onde é tracionado em tensão — especialmente ao longo dos cantos inferiores e das paredes laterais da galeria horizontal. À medida que a pressão de confinamento aumenta, as tensões compressivas gerais permanecem bem abaixo do limite de esmagamento do concreto, mas as tensões de tração se aproximam de uma fração significativa da sua capacidade. Quando a detonação é adicionada, há uma carga explosiva mínima clara, ou limiar, acima da qual danos começam a aparecer na coroa do arco onde o poço e a galeria se encontram. Esse limiar cai conforme a pressão da rocha circundante aumenta, e está sempre mais alto para o concreto reforçado com fibras do que para o concreto simples de alta resistência, mostrando que as fibras tornam o revestimento menos sensível aos choques de detonação.

Como detonações repetidas desgastam o revestimento

Modelando a detonação cíclica conforme a frente de túnel avança passo a passo, os pesquisadores acompanharam como a vibração e os danos evoluem ao longo do tempo. As maiores velocidades de partículas ocorreram nas regiões de arco da galeria horizontal, e as primeiras detonações — aproximadamente as quatro iniciais — foram responsáveis pelas maiores vibrações. Elementos que se fissuraram primeiro acumularam a maior parte do dano, especialmente no lado da entrada voltado para a explosão inicial mais forte. Uma sequência de detonações "primeiro fortes, depois fracas" em um lado produziu mais dano cumulativo do que "primeiro fracas, depois fortes" no lado oposto, porque as fissuras iniciais tornaram os choques subsequentes mais eficazes em expandir o dano. As simulações também revelaram uma distância segura: uma vez que a frente de detonação em avanço se afastou o suficiente — cerca de 26 metros para o revestimento de concreto simples e 18,2 metros para o revestimento reforçado com fibras — detonações adicionais não aumentaram mais o dano.

Por que concreto mais resistente e detonações cautelosas importam

No geral, o estudo concluiu que o revestimento de concreto reforçado com fibras de aço sofreu muito menos dano a longo prazo do que o concreto convencional de alta resistência. Após dois ciclos completos de detonação, o dano total no revestimento com fibras era apenas cerca de um quinquagésimo do do revestimento simples. Para projetistas de minas e engenheiros de segurança, isso significa duas coisas. Primeiro, escolher materiais com melhor resistência ao crescimento de fissuras — especialmente desempenho de tração superior — pode ampliar consideravelmente a vida útil e a confiabilidade das entradas profundas. Segundo, prestar atenção especial às primeiras detonações próximas a essas estruturas e limitar sua carga pode reduzir fortemente o dano cumulativo que se acumula à medida que a escavação avança. Juntos, materiais mais inteligentes e estratégias de detonação mais cautelosas oferecem um caminho prático para uma infraestrutura de mineração profunda mais segura.

Citação: 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

Palavras-chave: túneis de minas profundas, vibração por detonação, dano em revestimento de concreto, concreto reforçado com fibras de aço, segurança em escavações subterrâneas