Studie om skademekanismen i djup ingångsförankringsfodring störd av cyklisk sprängning

Varför gruvtunnlar behöver extra skydd

När kolgruvor går djupare under marken blir tunnlarna som förbinder vertikala schakt med horisontella körvägar livsviktiga för luft, personal och utrustning. Dessa förbindelser, kallade ingångar, fodras med tjock betong för att hålla omkringliggande berg tillbaka. Men själva sprängningarna som används för att skapa närliggande tunnlar kan gradvis försvaga detta foder, vilket ökar risken för sprickbildning och långsiktig instabilitet. Denna studie undersöker hur upprepade sprängningar påverkar djupa ingångsfoder och hur användning av starkare betong kan hålla dessa underjordiska ”trattar” säkrare över tid.

Underjordiska korsningar i riskzonen

Forskningsteamet fokuserade på en djup kolgruva i östra Kina, där ett nytt luftschakt ansluter till horisontella tunnlar genom en stor, komplex ingång. På grund av dess storlek, böjda form och många korsande öppningar koncentreras spänningar här och den är svår att stödja. Tunnelborrmaskiner är inte praktiska i detta fall, så ingenjörerna förlitar sig på borrning och sprängning för att utgräva omkringliggande körvägar. När foderkonstruktionen väl är byggd måste betongfodret motstå både det stadiga trycket från djupt berg och de upprepade stötvågorna från närliggande sprängningar. Att förstå var och hur skador börjar i detta foder är avgörande för att utforma säkrare anläggningsplaner och välja bättre material.

Simulera sprängningar i stället för att spräcka berg

I stället för att genomföra riskfyllda fullskaliga fälttester under jord byggde teamet en detaljerad tredimensionell datormodell av ingången, omkringliggande lerskifferberg och sprängladdningar. Med hjälp av LS-DYNA-simuleringsprogrammet återskapade de både det konstanta trycket från djupt berg och den dynamiska belastningen från en serie sprängningar i de horisontella tunnlarna på vardera sidan om schaktet. De jämförde två fodermaterial: konventionell högpresterande betong och stålfiberförstärkt betong, som liknar den förra men innehåller korta metallfibrer som hjälper till att hålla ihop och begränsa sprickor. Genom att applicera olika nivåer av omgivande tryck och variera sprängladdningen följde de spänningar, vibrationshastigheter och den gradvisa ackumuleringen av skador i fodret.

Var spänningar ansamlas och sprickor börjar

Simuleringarna visade att under endast statiskt bergstryck är de svagaste punkterna i fodret inte där det pressas som mest, utan där det dras isär i spänning—särskilt längs de nedre hörnen och sidoväggarna i den horisontella tunneln. När det omgivande trycket ökar håller sig de totala tryckspänningarna väl under betongens krossgräns, men dragspänningarna närmar sig en betydande andel av dess kapacitet. När sprängning läggs till finns det en tydlig minimigräns för sprängladdningen, eller tröskel, över vilken skador börjar uppträda i välvningen där schaktet och körvägen möts. Denna tröskel minskar när det omgivande bergstrycket stiger, och den är alltid högre för fiberförstärkt betong än för vanlig högpresterande betong, vilket visar att fibrerna gör fodret mindre känsligt för sprängstötar.

Hur upprepade sprängningar nöter ned fodret

Genom att modellera cyklisk sprängning när tunnelns front avancerar steg för steg följde forskarna hur vibrationer och skador utvecklas över tid. De största partikelhastigheterna uppträdde i välvningsområdena i den horisontella tunneln, och de tidiga sprängningarna—ungefär de fyra första—orsakade de kraftigaste skakningarna. Element som sprack först fortsatte att ackumulera mest skada, särskilt på den sida av ingången som vände mot den initiala starka sprängningen. En sekvens med ”först starkt, sedan svagt” på ena sidan gav mer kumulativ skada än ”först svagt, sedan starkt” på motsatt sida, eftersom de initiala sprickorna gjorde senare stötar mer effektiva för att utvidga skadorna. Simuleringarna avslöjade också ett säkert avstånd: när den avancerande sprängfronten flyttade tillräckligt långt bort—ungefär 26 meter för det vanliga betongfodret och 18,2 meter för det fiberförstärkta fodret—ökade inte ytterligare sprängningar skadorna.

Varför starkare betong och försiktigare sprängning spelar roll

Övergripande visade studien att det stålfiberförstärkta betongfodret led av avsevärt mindre långsiktig skada än den konventionella högpresterande betongen. Efter två fulla sprängcykler var den totala skadan i det fiberförstärkta fodret endast ungefär en femtonde del av skadan i det vanliga fodret. För gruvkonstruktörer och säkerhetsingenjörer innebär detta två saker. För det första kan valet av material med bättre motstånd mot spricktillväxt—särskilt högre draghållfasthet—betydligt förlänga livslängden och tillförlitligheten hos djupa ingångar. För det andra kan noggrann uppmärksamhet på de allra första sprängningarna nära dessa konstruktioner, och att begränsa deras laddning, kraftigt minska den kumulativa skada som byggs upp när utgrävningen fortskrider. Tillsammans erbjuder smartare material och mer försiktiga sprängstrategier en praktisk väg till säkrare infrastruktur för djup gruvdrift.

Citering: 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

Nyckelord: djuputvinningsgruvor, sprängningsvibrationer, skador på betongfoder, stålfiberförstärkt betong, säkerhet vid underjordsutgrävning