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

Nas profundezas da terra, onde túneis são escavados através de rocha sólida, o trabalho de escavação depende de um equilíbrio delicado entre força e precisão. Para quebrar a rocha sem despedaçar as paredes do túnel ou desperdiçar energia, os engenheiros frequentemente utilizam uma técnica chamada carregamento por air-deck. Em vez de preencher o furo de perfuração completamente com explosivos, eles deixam pequenos vãos de ar entre as seções da carga. Esse arranjo permite que a energia da detonação se espalhe de forma mais uniforme, dando à rocha uma chance melhor de fraturar de forma limpa em vez de esfarelar. Por décadas, a maneira padrão de acionar essas cargas separadas tem sido um cordão fino e flexível preenchido com explosivos de alta potência, percorrendo o comprimento do furo. Embora eficaz, esse método é complexo de instalar e acarreta riscos de segurança significativos. Nos últimos anos, os engenheiros buscaram uma alternativa mais segura e confiável que possa acionar múltiplas seções explosivas a partir de um único ponto, sem a necessidade de cordões longos e frágeis.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Shandong e vários grupos de construção ferroviária exploraram uma nova abordagem que substitui o cordão tradicional por um surto focado de metal. O trabalho deles concentra-se em um dispositivo que, ao ser acionado, cria um jato de metal de alta velocidade que viaja pelo furo do túnel para atingir a próxima seção de explosivo. O desafio reside na distância; conforme o jato de metal viaja, ele desacelera e se dispersa, de forma muito semelhante a um jato de água perdendo pressão à medida que se afasta de uma mangueira. Os pesquisadores queriam saber exatamente quão longe esse jato de metal poderia viajar antes de se tornar fraco demais para acionar a próxima explosão e se ele poderia acionar confiavelmente uma cadeia de explosivos em um ambiente de túnel real.

Para responder a essas perguntas, a equipe combinou modelagem computacional avançada com testes de campo físicos. Eles começaram simulando o comportamento do jato de metal conforme ele se formava e viajava através de um tubo de aço, o que mimetiza as condições de um furo de detonação perfurado. Usando softwares poderosos, eles rastrearam a velocidade do jato e a pressão que ele exercia sobre o material explosivo atingido. As simulações revelaram que o jato de metal se move mais rápido do que a onda de choque da explosão inicial, alcançando a próxima carga primeiro. Quando o jato atinge o explosivo, cria um pequeno e intenso ponto de calor e pressão, conhecido como "hot spot", que incendeia o material. Os modelos computacionais mostraram que esse processo funciona de forma confiável em distâncias de até 2,49 metros em teoria, embora os pesquisadores tenham observado que as condições do mundo real provavelmente reduziriam isso ligeiramente.

A equipe então passou do computador para o terreno para testar essas descobertas na realidade. Eles construíram uma configuração usando tubos de aço sem costura para simular as restrições apertadas de um furo de detonação de túnel. Eles colocaram seções de explosivo de emulsão, um tipo comum usado na mineração, em intervalos específicos. Uma seção foi equipada com um revestimento especial em forma de cone projetado para concentrar a explosão em um jato de metal, enquanto as seções subsequentes aguardavam para serem acionadas. No primeiro conjunto de testes, eles posicionaram os explosivos a 2,35 metros de distância. O resultado foi um sucesso: o jato de metal percorreu toda a distância, atingiu a segunda carga e causou sua detonação sem falhas. Em um segundo conjunto de testes, eles organizaram quatro seções de explosivos com intervalos de 1 metro entre elas. O jato de metal acionou com sucesso as três primeiras seções e, mesmo quando o jato começou a se fragmentar, a onda de choque das seções em explosão foi forte o suficiente para detonar a carga final.

Esses experimentos confirmaram que o jato de metal pode iniciar explosivos de forma confiável a longas distâncias, excedendo amplamente as capacidades de testes anteriores de curto alcance. Os pesquisadores descobriram que, conforme a distância aumentava, a velocidade do jato diminuía, o que, por sua vez, aumentava o tempo necessário para o início da explosão. No entanto, mesmo na distância máxima testada de 2,35 metros, o jato reteve energia suficiente para desencadear a explosão. Essa descoberta sugere que o método é robusto o suficiente para substituir o cordão detonante tradicional em muitos cenários de tunelamento.

As implicações práticas desta descoberta foram demonstradas em um projeto de túnel real. A equipe de construção substituiu os cordões detonantes padrão por esses dispositivos de concentração de energia durante dez ciclos de detonação distintos. Os resultados foram imediatos e mensuráveis. O novo método melhorou a estabilidade da detonação, o que significa que os furos foram usados de forma mais eficaz para quebrar a rocha. Especificamente, a taxa de "meios-furos" — as marcas limpas e visíveis deixadas na parede do túnel que indicam uma detonação precisa — aumentou quase 5% em comparação com o método tradicional. Além disso, a nova técnica reduziu o custo de consumíveis em aproximadamente 3.000 yuans por ciclo, principalmente ao eliminar a necessidade de cordões detonantes caros e reduzir o tempo necessário para a instalação. O estudo conclui que este método de detonação por impacto de longa distância oferece uma maneira mais segura, eficiente e econômica de detonar túneis, potencialmente mudando a forma como os engenheiros abordam a escavação profunda no futuro.