Studie om deformationskaraktär och stötteknik för tunnlar i djupa, komplexa spänningsfält

Varför djupa gruvtunnlar angår oss alla

En stor del av den elektricitet och industribränsle vi förlitar oss på kommer fortfarande från kol som utvinns långt under jordytan. När gruvor blir djupare för att nå kvarvarande lager måste tunnlarna som transporterar arbetare, utrustning och kol tåla enorma påfrestningar från omkringliggande berg. När berget deformeras eller kollapsar kan det leda till kostsamma reparationer, produktionsstopp eller dödliga olyckor. Denna studie undersöker varför djupa gruvgångar i komplicerade underjordiska anläggningar deformeras så kraftigt och presenterar ett nytt sätt att hålla dessa livsnerver stabila och säkra.

En labyrint av tunnlar under extremt tryck

Forskarna fokuserade på en kolgruva där huvudtunnlarna ligger mer än 800 meter under markytan och bildar en tredimensionell labyrint. Spårtunnlar, bandtunnlar, lagringsbunkrar och förbindelsegångar korsar varandra i många vinklar och i olika storlekar. Dessa korsningar, särskilt stora partier som kallats "bull-nose" (näsformade sektioner), stör den naturliga spänningen i omkringliggande berg. Istället för en enkel, jämn press på en rak tunnel utsätts berget vid korsningarna för överlappande tryck och drag från flera riktningar, vilket gör det mycket svårare att förutsäga och kontrollera.

Hur och var berget börjar svikta

För att förstå detta dolda beteende byggde teamet en detaljerad tredimensionell datormodell av gruvans tunnelnät och berglager. De simulerade urgrävningen av varje tunneldel och observerade hur berget reagerade. Modellen visade så kallade "plastiska zoner" – områden runt tunnlarna där berget pressats förbi sin styrka och börjar deformeras permanent. I raka tunnelavsnitt var dessa skadade zoner några meter tjocka. Men i komplexa korsningar överlappade och expanderade de försvagade områdena från olika tunnlar och nådde in djupt, upp till 6,6 meter in i berget. Denna "superpositionsutvidgning" innebär att den bärande bergbågen blir mycket tjockare, lösare och svårare att kontrollera.

Spänningsmönster som driver tunneldeformation

Utöver att kartlägga skadorna granskade forskarna hur formförändringen i spänningsfältet runt tunnlarna utvecklas. De koncentrerade sig på en storhet kallad deviatorisk spänning, som fångar hur mycket berget formas om snarare än enbart kläms ihop. I enkla, raka tunnlar bildades hög deviatorisk spänning i två halvmåneformade zoner på vardera sidan av öppningen, nära väggen. Vid korsningar däremot vidgades dessa halvmånar, försköts djupare in i berget och blev tydligt ojämna mellan sidorna. Där den deviatoriska spänningen var som högst ökade också den plastiska (skadade) zonens tjocklek. Studien kvantifierade denna koppling: när denna spänning översteg ungefär 12,6 megapascal växte den skadade zonen till fulla 6,6 meter. I praktiska termer är det alltså vid tunnelkorsningar som berget är mest benäget att spricka, deformeras och hota stödsystemen.

En trestegs stöstrategi för säkrare tunnlar

Med insikten att traditionella enkellagersstöd inte klarar sådana förhållanden utformade författarna ett nytt "samarbets"-stödsystem anpassat för djupa, komplexa tunnelnät. Först tätas den nyupptagna bergytan snabbt med ett sprutbetongskikt, följt av korta bultar för att låsa ihop det ytligaste berget, och därefter ytterligare betong. För det andra installeras långa ankarkablar i ett förskjutet mönster som når förbi den 6,6 meter djupa skadezonen och in i mer stabilt berg, vilket skapar överlappande tryckbågar som får berg och stöd att arbeta som en enhet. Slutligen injiceras högtrycksspackelcement i sprickor för att binda ihop fragmenterat berg och förbättra kontakten mellan berg och ankare. Detta stegvisa, flerskiktade tillvägagångssätt är tajmat för att matcha hur berget sviker – från tidiga ytreaktionssprickor till djupare skjuvskador – så att varje lager förstärker nästa.

Verkliga resultat i en driftgruva

Det nya systemet testades i samma djupa gruva som studien utgick från. Teamet övervakade hur mycket tak, golv och väggar i nyckeltunnlar rörde sig under flera månader och mätte lasterna i ankarkablarna. Jämfört med gruvans tidigare stöddesign minskade den sammanlagda deformationen av taket och golvet med ungefär hälften, och sidoväggssammandragningen sjönk i liknande grad. Tiden tills tunnlarna nådde en stabil form kortades till cirka 45 dagar, och krafterna i kablarna hölls långt under deras säkra gränser. För en lekman blir budskapet att noggrant utformade, flerskiktade stöd kan förvandla ett farligt instabilt djupt tunnelnät till en hanterbar, långlivad konstruktion – vilket förbättrar säkerheten för gruvarbetare och driftsäkerheten för de energisystem som är beroende av dessa underjordiska transportleder.

Citering: Li, Sj., Lu, Wy., Ma, Xc. et al. Study on deformation characteristics and support technology of roadway in deep complex stress field. Sci Rep 16, 7373 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38267-3

Nyckelord: djup underjordisk gruvdrift, tunnelstabilitet, bergsstödsystem, koltunnelteknik, underjordiskt spänningsfält