Long-Distance Impact Detonation of Energy-concentrating Interval Charges and Its Application in Tunnel Blasting

Diep in de aarde, waar tunnels door massief gesteente worden uitgehouwen, rust het werk van de ontginning op een delicaat evenwicht tussen kracht en precisie. Om gesteente te breken zonder de wanden van de tunnel te verbrijzelen of energie te verspillen, gebruiken ingenieurs vaak een techniek die air-deck charging wordt genoemd. In plaats van het boorgat volledig met explosieven te vullen, laten ze kleine luchtruimtes tussen de verschillende secties van de lading. Deze opstelling zorgt ervoor dat de explosie-energie gelijkmatiger wordt verspreid, waardoor het gesteente een betere kans krijgt om netjes te breken in plaats van te verbrijzelen. Decennialang was de standaardmethode om deze gescheiden ladingen af te laten gaan een dunne, flexibele koord gevuld met hoogexplosieven, dat over de hele lengte van het gat loopt. Hoewel effectief, is deze methode complex om te installeren en brengt het aanzienlijke veiligheidsrisico's met zich mee. In de afgelopen jaren hebben ingenieurs gezocht naar een veiliger, betrouwbaarder alternatief dat meerdere explosieve secties vanuit één enkel punt kan triggeren zonder de noodzaak van lange, fragiele koorden.

Een team onderzoekers van de Shandong University of Science and Technology en verschillende spoorwegbouwgroepen heeft een nieuwe aanpak verkend die het traditionele koord vervangt door een gefocuste uitbarsting van metaal. Hun werk richt zich op een apparaat dat, wanneer het wordt getriggerd, een hogesnelheidsstraal van metaal creëert die door het tunnelgat reist om de volgende sectie van de explosie te raken. De uitdaging ligt in de afstand; terwijl de metaalstraal reist, vertraagt deze en verspreidt deze zich, vergelijkbaar met een waterstraal die druk verliest naarmate deze verder van een tuinslang beweegt. De onderzoekers wilden precies weten hoe ver deze metaalstraal kon reizen voordat deze te zwak werd om de volgende explosie te triggeren, en of het betrouwbaar een keten van explosieven kon doen ontbranden in een echte tunnelomgeving.

Om deze vragen te beantwoorden, combineerde het team geavanceerde computermodellering met fysieke veldtesten. Ze begonnen met het simuleren van het gedrag van de metaalstraal terwijl deze vormde en door een stalen buis reisde, wat de omstandigheden van een geboord explosiegat nabootst. Met behulp van krachtige software volgden ze de snelheid van de straal en de druk die deze uitoefende op het explosieve materiaal dat hij raakte. De simulaties toonden aan dat de metaalstraal sneller beweegt dan de schokgolf van de initiële explosie, waardoor hij de volgende lading als eerste bereikt. Wanneer de straal de explosieven raakt, creëert dit een minuscuul, intens punt van hitte en druk, bekend als een "hot spot", dat het materiaal doet ontbranden. De computermodellen lieten zien dat dit proces in theorie betrouwbaar werkt over afstanden tot 2,49 meter, hoewel de onderzoekers opmerkten dat de omstandigheden in de echte wereld dit waarschijnlijk iets zouden verminderen.

Het team ging vervolgens van de computer naar de praktijk om deze bevindingen in de werkelijkheid te testen. Ze bouwden een opstelling met naadloze stalen buizen om de nauwe beperkingen van een tunnelboorgat te simuleren. Ze plaatsten secties van emulsie-explosieven, een veelgebruikt type in de mijnbouw, op specifieke intervallen. Eén sectie werd uitgerust met een speciale kegelvormige voering, ontworpen om de explosie te concentreren in een metaalstraal, terwijl de daaropvolgende secties wachtten om getriggerd te worden. In de eerste reeks tests plaatsten ze de explosieven op een afstand van 2,35 meter van elkaar. Het resultaat was een succes: de metaalstraal legde de volledige afstand af, raakte de tweede lading en veroorzaakte deze zonder uitzondering. In een tweede reeks tests arrangeerden ze vier secties van explosieven met tussenruimtes van 1 meter. De metaalstraal activeerde succesvol de eerste drie secties, en zelfs toen de straal begon uiteen te vallen, was de schokgolf van de ontploffende secties sterk genoeg om de laatste lading te laten afgaan.

Deze experimenten bevestigden dat de metaalstraal explosieven betrouwbaar kan initiëren over lange afstanden, wat de capaciteiten van eerdere korte-afstandstesten ver overstijgt. De onderzoekers ontdekten dat naarmate de afstand toenam, de snelheid van de straal afnam, wat op zijn beurt de tijd die nodig was om de explosie te starten verlengde. Echter, zelfs bij de maximaal geteste afstand van 2,35 meter behield de straal voldoende energie om de explosie te triggeren. Deze ontdekking suggereert dat de methode robuust genoeg is om het traditionele detonatiekoord in veel tunnelscenario's te vervangen.

De praktische implicaties van deze bevinding werden aangetoond in een echt tunnelproject. Het bouwteam verving de standaard detonatiekoorden door deze energieconcentrerende apparaten voor tien afzonderlijke explosiecycli. De resultaten waren onmiddellijk en meetbaar. De nieuwe methode verbeterde de stabiliteit van de explosie, wat betekende dat de gaten effectiever werden gebruikt om het gesteente te breken. Specifiek nam het aantal "half-holes" – de schone, zichtbare markeringen die op de tunnelwand achterblijven en wijzen op een precieze explosie – met bijna 5 procent toe vergeleken met de traditionele methode. Bovendien verminderde de nieuwe techniek de kosten van verbruiksartikelen met ongeveer 3.000 yuan per cyclus, voornamelijk door het elimineren van de noodzaak voor dure detonatiekoorden en het verminderen van de installatietijd. De studie concludeert dat deze methode van langafstandsimpact-detonatie een veiligere, efficiëntere en economischere manier biedt om tunnels te blazen, wat potentieel de manier waarop ingenieurs diepe ontginningen aanpakken in de toekomst zal veranderen.