Moderna kolgruvor förlitar sig ofta på kontrollerade sprängningar för att avlasta trycket i berget ovanför tunnlarna och förhindra farliga bergsprängningar. Men varje sprängning skickar också kraftfulla chockvågor genom underjordsutrymmet. Denna studie ställer en praktisk fråga med livsavgörande konsekvenser: hur mycket sprängämne kan användas säkert innan taket eller sidoväggarna i en gruvtunnel plötsligt kollapsar, och hur kan ingenjörer förutsäga den gränsen i förväg?
Bild av en påfrestad underjordisk tunnel Figure 1.
Forskarnas fokus låg på en djup kolgruva i Songshan, Kina, där tunneltaket består av tjock, lager på lager-bunden sandsten och kolsidoväggarna är relativt mjuka och svaga. För att reducera de extrema spänningarna som orsakas av brytning borrar ingenjörerna djupa hål i taket framför arbetsansiktet och fyller dem med sprängämnen. När dessa laddningar detonerar spräcker och försvagar de avsiktligt det starka taket så att det kollapsar på ett kontrollerat sätt, snarare än våldsamt och utan förvarning. Samtidigt skakar dock sprängningarna också själva tunneln. Stark vibration kan driva det redan påfrestande berget runt tunneln förbi en kritisk punkt, vilket utlöser plötslig, ”katastrofal” deformation istället för gradvis, hanterlig rörelse.
Att göra bergförflyttning till ett energibalanser
För att förstå när detta plötsliga brott kan inträffa behandlade författarna det lagerförda taket ovanför tunneln som en enkel balk som vilar på sina stödpunkter. De formulerade en ekvation för den totala energi som lagras och frigörs i denna balk, inklusive böjning av berget, tyngden av de överliggande skikten, motståndet från stödsystem som bultar och det extra tryck som uppstår från sprängningsvibrationer. Med hjälp av en matematikgren kallad katastrofteori omvandlade de detta energiexpression till en standard “kusp”-modell som beskriver system som förblir lugna för att sedan abrupt hoppa till ett nytt tillstånd när förhållandena passerar en tröskel. I denna ram fungerar mängden sprängämne och stödets styrka som kontrollvred, medan takets nedböjning är systemets respons.
Hur mycket sprängämne är för mycket? Figure 2.
Utifrån kuspmodellen härledde teamet formler för en kritisk sprängbelastning och därifrån en kritisk sprängladdning för taket. Om den faktiska laddningen ligger under detta värde kan taket absorbera störningen och förbli stabil; om den överstiger värdet förutspår modellen ett plötsligt stabilitetsbrott. En liknande metod användes för sidoväggarna, som kan svikta genom en kombination av vertikal sprickbildning och glidning längs en försvagad zon. Här byggde författarna en mekanisk modell av ett potentiellt glidblock av kol och berg, skrev återigen en total energiekvation och tillämpade katastrofteori för att erhålla en andra kritisk laddningsgräns för sidoväggarnas stabilitet. I båda fallen visar resultaten att större laddningar, kortare avstånd från sprängkällan och svagare berg eller stöd alla sänker den säkra gränsen.
Vad Songshan-gruvan lärde modellen
Med laboratoriemätningar av bergstyrka, fältmätningar av sprängvibrationer och geometrin för arbetsansiktet 2205 i Songshan-gruvan beräknade forskarna specifika kritiska laddningsvärden. Det lagerförda taket kunde teoretiskt tolerera nästan 100 kilogram sprängämne per sprängcykel, medan de mer ömtåliga sidoväggarna begränsade den säkra laddningen till cirka 93 kilogram. Gruvan använde initialt endast 26 kilogram per cykel för att undvika skador, vilket saktade ner arbetet. Med vägledning av de nya kriterierna ökade ingenjörerna laddningen till omkring 79 kilogram — långt under den beräknade gränsen men tillräckligt hög för att förbättra effektiviteten. Övervakning visade endast små extra taksänkningar (5 millimeter) och måttliga sidoväggsrörelser (11 millimeter) under dagarna efter sprängningarna, vilket bekräftade att tunneln förblev stabil.
Praktiska regler för säkrare sprängning
För icke-specialister är huvudbudskapet att farliga tunnelbrott vid sprängningar inte är slumpmässiga: de uppstår när vibrationsenergi driver bergsystemet förbi en matematiskt definierbar brytpunkt. Genom att kombinera mätningar av bergens egenskaper, tunnelngeometri, stödets styrka och sprängvibration kan denna studie erbjuda formler för maximal säker sprängladdning för både tak och sidoväggar. Den framhäver också tydliga säkerhetsåtgärder: öka stödet, förlägg sprängningar längre från tunneln, förstärk svagt berg med tekniker som injektering och begränsa laddningen per sprängning. Tillämpade tillsammans hjälper dessa åtgärder gruvor att använda kraftfull djuphålsbrytning för att kontrollera taktryck samtidigt som underjordiska tunnlar — och de människor som arbetar i dem — hålls säkra.
Citering: Guo, D., Chen, J., Wang, H. et al. Catastrophic instability criterion for roadway roof and sidewall rock mass under deep-hole roof blasting in Songshan coal mine.
Sci Rep16, 6448 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36794-7
Nyckelord: djuphålsbrytning, kolgruvetunnel, bergmassans stabilitet, tak- och sidoväggsstöd, katastrofteori
