Исследование механизма повреждений облицовки глубокого зубчатого входа под воздействием циклических взрывов

Зачем тоннелям в шахтах нужна дополнительная защита

По мере углубления угольных шахт под землю, тоннели, которые соединяют вертикальные стволы с горизонтальными выработками, становятся жизненно важными артериями для воздуха, людей и техники. Эти узлы, называемые входами (ingates), обшиваются массивным бетонным слоем, чтобы удерживать окружающую горную массу. Однако сами взрывные работы, используемые при разработке соседних туннелей, со временем ослабляют эту облицовку, повышая риск появления трещин и долгосрочной нестабильности. В данном исследовании изучается, как многократные взрывы влияют на облицовку глубоких входов и как применение более прочного бетона может повысить безопасность этих подземных «горловин» в долгосрочной перспективе.

Подземный перекрёсток, находящийся под угрозой

Исследователи сосредоточились на глубокой угольной шахте в восточном Китае, где новый вентиляционный ствол соединяется с горизонтальными выработками через большой сложный вход. Из‑за его размеров, криволинейной формы и множества пересекающихся отверстий этот узел концентрирует напряжения и трудно поддаётся креплению. Проходческие комплексы здесь неприменимы, поэтому инженеры используют буровзрывной способ для выемки окружающих трасс. После возведения бетонная облицовка вокруг входа должна выдерживать как постоянное сжатие от глубинного горного давления, так и повторяющиеся ударные волны от близлежащих взрывов. Понимание того, где и как начинаются повреждения в облицовке, критично для проектирования более безопасных планов разработки и выбора более подходящих материалов.

Моделирование взрывов вместо разрушительных полевых испытаний

Вместо опасных полноразмерных полевых испытаний под землёй команда создала детализированную трёхмерную компьютерную модель входа, окружающего сланцевого массива и зарядов взрывчатки. С помощью программного обеспечения LS‑DYNA они воссоздали как постоянное давление от глубинной породы, так и динамическую нагрузку от серии взрывов в горизонтальных выработках по обе стороны от ствола. Сравнивали два материала облицовки: обычный высокопрочный бетон и стальволоконобетон, который похож, но содержит короткие металлические волокна, помогающие замыкать и сдерживать трещины. При изменении уровней окружного давления и величины взрывных зарядов отслеживали напряжения, скорости вибрации и постепенное накопление повреждений в облицовке.

Где накапливаются напряжения и где начинаются трещины

Моделирование показало, что при действии только статического горного давления наиболее уязвимыми участками облицовки являются не те, где наблюдается наибольшее сжатие, а зоны растяжения — особенно нижние углы и боковые стенки горизонтальной выработки. По мере роста окружного давления общие сжимающие напряжения остаются значительно ниже предела прочности бетона на дробление, но растущие растягивающие напряжения достигают заметной доли его предела прочности. При добавлении взрывных нагрузок выявляется минимальная величина заряда, порог, выше которого в зоне свода, на стыке ствола и проезда, начинаются повреждения. Этот порог снижается с ростом горного давления и всегда выше для стальволоконобетона, чем для обычного высокопрочного бетона, что указывает на то, что волокна снижают чувствительность облицовки к ударным воздействиям.

Как повторные взрывы изнашивают облицовку

Моделируя циклические взрывы по мере продвижения забоя шаг за шагом, исследователи проследили, как со временем эволюционируют вибрации и повреждения. Наибольшие скорости частиц наблюдались в сводовых зонах горизонтальной выработки, а сильнейшие толчки приходились на ранние взрывы — примерно первые четыре. Элементы, которые треснули первыми, далее аккумулировали наибольшие повреждения, особенно на стороне входа, обращённой к первоначальному сильному взрыву. Последовательность «сначала сильный, затем слабый» взрывов с одной стороны приводила к большему кумулятивному повреждению, чем «сначала слабый, затем сильный» с противоположной стороны, потому что начальные трещины делали последующие удары более эффективными в распространении разрушений. В моделях также выявили безопасную дистанцию: когда фронт взрывных работ отдалялся достаточно далеко — примерно 26 метров для облицовки из обычного бетона и 18,2 метра для стальволоконобетона — дополнительные взрывы переставали увеличивать повреждения.

Почему важны более прочный бетон и осторожное проведение взрывов

В целом исследование показало, что облицовка из стальволоконобетона подвергается значительно меньшему долговременному вреду по сравнению с обычным высокопрочным бетоном. После двух полных циклов взрывных работ суммарные повреждения в стальволоконной облицовке составили всего около одной пятнадцатой от повреждений в обычной облицовке. Для проектировщиков шахт и инженеров по безопасности это означает две вещи. Во‑первых, выбор материалов с лучшей устойчивостью к росту трещин — в особенности с повышенной растяжимой прочностью — может значительно продлить срок службы и надёжность глубоких входов. Во‑вторых, особое внимание к первым взрывам вблизи таких структур и ограничение их зарядов может резко сократить накапливаемые по ходу разработки повреждения. В совокупности более умные материалы и более осторожная взрывная техника предлагают практичный путь к повышению безопасности глубинной горной инфраструктуры.

Цитирование: 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

Ключевые слова: тоннели глубоких шахт, вибрация от взрывных работ, повреждение бетонной облицовки, стальволоконобетон, безопасность подземных выработок