Studie om vibrationskarakteristika hos skärning av försprucknad hård bergart med roadheader

Varför sprickbildning i berg är viktig under jord

När gruvor och tunnlar går djupare in i hård bergart pressas maskinerna som skär igenom berget till sina gränser. Roadheaders – stora skärmaskiner med roterande huvuden – utsätts för enorma krafter, kraftig vibration och snabbt slitage när de biter i segt berg. Denna studie undersöker en enkel men effektiv idé: om man medvetet spräcker berget i förväg, kan skärningen då bli mjukare, säkrare och mindre skadlig för maskinerna?

Att bryta berg på ett smart sätt

I stället för att förlita sig enbart på rå kraft använder forskarna en metod som kallas mekanisk försprickning. Först borras hål i bergytan. Därefter sätts en hydraulisk killiknande anordning in i varje hål och trycks långsamt utåt. Eftersom berg är mycket svagare i drag än i tryck öppnar detta jämna utåtriktade tryck kontrollerade sprickor som löper från hålen mot ytan. I praktiken förvandlas bergytan till ett nät av förberedda brottlinjer så att roadheadern senare skär i försvagat, redan skadat berg i stället för i en solid, osprucken vägg.

Att bygga en virtuell bergvägg och maskin

För att studera processen säkert och kostnadseffektivt byggde teamet detaljerade datormodeller i stället för att enbart experimentera under jord. De representerade bergväggen som ett tätt packat system av virtuella partiklar bundna till varandra så att dessa bindningar kunde brytas och sprickor bildas. Detta gjorde det möjligt att simulera hur sprickor startar och sprider sig när den hydrauliska kilen pressas in i de borrade hålen. Parallellt skapade de en tredimensionell modell av en verklig roadheader – inklusive en flexibel skärarm och det roterande bord som styr den – så att de kunde se hur maskinen böjdes och vibrerade när den arbetade.

Låtande berg och maskin samverka

Det viktiga steget var att låta dessa två modeller kommunicera i realtid. När det virtuella skärhuvudet rörde sig och roterade in i berget returnerade bergmodellen krafterna från otaliga småkontakter tillbaka till maskinmodellen. Denna tvåvägsutbyte återgav både hur berget fallerade isär och hur maskinen skakade som svar. Forskarna körde två scenarier under samma skärförhållanden: ett med en intakt hård bergvägg och ett där tre förspruckna hål först öppnats, precis som i en verklig försprickningsoperation.

Lättare laster och lugnare skakningar

Simuleringarna visade att försprickning gör roadheaderns arbete märkbart enklare. I genomsnitt minskade den totala belastningen på skärhuvudet med cirka 8 procent, och svängningarna i den belastningen – de plötsliga topparna som kan skada delar – blev också mindre. När man tittade på riktningarna separat reducerades krafterna som drog maskinen framåt, tryckte sidledes in i berget och pressade uppåt eller nedåt när sprickor fanns närvarande. När teamet omvandlade vibrationssignalerna till frekvensdiagram fann de att det mesta av skakenergien låg i 20–30 hertz-bandet. I detta band föll vibrationerna vid skärhuvudet, skärarmen och det roterande bordet med ungefär 15, 9 respektive 4 procent efter försprickning, vilket visar en tydlig stegvis försvagning av vibration längs maskinen.

Verifiering av modellen i verkligheten

För att säkerställa att de virtuella resultaten speglade verkligheten genomförde forskarna fullskaliga tester med en faktisk roadheader som skar i siltstenblock, med och utan förspruckna hål. De monterade tredimensionella vibrationssensorer på skärhuvudet och armen och jämförde mätningarna med simuleringarna. Formen och styrkan i vibrationssignalerna, särskilt i vertikal riktning, överensstämde väl; det statistiska samspelet var mycket högt. Detta gav förtroende för att den kombinerade berg–maskin-modellen troget fångar hur försprickning förändrar både skärkrafter och vibration.

Vad detta betyder för framtida tunnling

För en lekman är slutsatsen enkel: genom att försvaga hårt berg på ett kontrollerat sätt före skärning kan man förvandla en brutal, hammarlik process till en mjukare, mer förutsägbar. Noggrant utplacerade försprickningshål minskar bergmassans styvhet, styr hur det bryter sig och minskar därigenom både genomsnittlig belastning och våldsamma skakningar som roadheaders måste tåla. Det kan förlänga maskinlivslängden, sänka underhållskostnader och förbättra säkerheten för arbetare, särskilt i djupa, högt belastade tunnlar. Medan mer arbete krävs för att täcka långsiktigt slitage och ett större urval bergarter visar denna studie att smart förberedelse av berget kan vara lika viktig som kraften i maskinen som skär det.

Citering: Liu, H., Li, F., He, J. et al. Study on vibration characteristics of roadheader cutting pre-cracked hard rock. Sci Rep 16, 5933 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37089-7

Nyckelord: hårt bergtunnling, roadheader-vibration, mekanisk försprickning, bergskärning, underjordisk gruvdrift