循环爆破扰动下深部进口衬砌结构损伤机理研究

为什么矿井隧道需要额外保护

随着煤矿开采越来越深，连接竖井与水平巷道的通道成为空气、人员和设备的生命线。这些交汇处称为进口（ingate），其周边用厚重的混凝土衬砌以抵御周围围岩。然而，用于开挖附近巷道的爆破会逐步削弱衬砌，增加开裂和长期不稳定的风险。本研究探讨了重复爆破如何影响深部进口衬砌，以及采用更高韧性的混凝土如何在长期内保护这些地下“喉道”。

面临风险的地下十字路口

研究人员聚焦于中国东部的一处深部煤矿，在那里一个新的通风竖井通过大型复杂的进口与水平巷道相连。由于其尺寸、弯曲形状及多处交叉开口，该交汇处易集中应力且支护困难。隧道掘进机在此不可行，工程师只能采用钻孔爆破来开挖周边巷道。建成后，进口周边的混凝土衬砌必须同时承受深部围岩的持续挤压和来自附近爆破的反复冲击波。了解衬砌损伤的起始位置与方式，对于设计更安全的开挖方案和选用更合适的材料至关重要。

通过仿真代替现场炸岩试验

研究团队没有在地下进行高风险的全尺寸试验，而是建立了进口、周围泥质岩和炸药装药的三维详尽数值模型。利用 LS-DYNA 仿真软件，他们同时再现了深部围岩的静态压力和来自竖井两侧水平巷道一系列爆破的动态载荷。比较了两种衬砌材料：常规高强混凝土和含短金属纤维的钢纤维增强混凝土。通过施加不同水平的围压并改变爆破装药量，追踪了衬砌中的应力、振动速度及损伤的逐步累积。

应力聚集与裂缝起始的位置

仿真显示，在仅受静态围岩压力时，衬砌的薄弱点并非应力最大处，而是受拉应力集中的位置——尤其是水平巷道的下角和侧墙。随着围压增大，整体的压应力仍远低于混凝土的压碎极限，但拉应力已逼近其承载能力的一定比例。当加入爆破时，存在一个明显的最小装药量阈值，超过该阈值便会在竖井与巷道交接处的拱顶出现损伤。随着围岩压力上升，该阈值下降；且钢纤维混凝土的阈值始终高于普通高强混凝土，表明纤维能够降低衬砌对爆炸冲击的敏感性。

重复爆破如何耗损衬砌

通过将循环爆破模拟为巷面逐步推进，研究人员追踪了振动与损伤随时间的演化。最大粒子速度出现在水平巷道的拱部，前几次爆破（约前四次）导致的震动最强。最先开裂的单元随后累计了最多的损伤，尤其是在面向初始强爆的一侧。先做“先强后弱”序列的爆破比“先弱后强”在对侧产生的累计损伤更多，因为初始裂缝使得后续冲击更易扩展损伤。仿真还揭示了一个安全距离：一旦推进的爆破巷面远离到足够距离——普通混凝土衬砌约为26米，钢纤维增强衬砌约为18.2米——进一步爆破不再显著增加损伤。

为什么更坚韧的混凝土和谨慎爆破很重要

总体而言，研究发现钢纤维增强混凝土衬砌的长期损伤远小于常规高强混凝土。经过两轮完整爆破循环后，纤维增强衬砌的总损伤仅约为普通衬砌的十五分之一。对矿山设计者和安全工程师而言，这意味着两点：其一，优先选择对裂缝扩展更有抵抗力的材料——特别是具有更高抗拉性能的材料——可以显著延长深部进口的使用寿命和可靠性；其二，对靠近这些结构的首批爆破特别加以重视并限制装药量，可以大幅降低随着开挖推进而累积的损伤。更为坚韧的材料与更谨慎的爆破策略相结合，为更安全的深部采矿基础设施提供了切实可行的路径。

引用: 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

关键词: 深部矿井隧道, 爆破振动, 混凝土衬砌损伤, 钢纤维增强混凝土, 地下开挖安全