تطبيق ميداني وقانون انتشار خليط الحقن في طبقة المياه الجوفية السفلية لمنجم فحم

لماذا يعد وقف فيضانات المناجم أمراً مهماً

لا تقتصر عمليات حفر مناجم الفحم العميقة على اختراق الصخور فحسب—بل تقطع أيضاً مجاري مياه خفية محبوسة تحت ضغط. إذا اخترق ذلك الماء الأنفاق فجأة فقد يغمر المعدات ويهدد حياة العاملين ويوقف إمدادات الطاقة. تستكشف هذه الدراسة كيفية سد الشقوق تحت طبقة الفحم بشكل أفضل باستخدام خلطات إسمنتية مصممة بعناية، بحيث يبقى الماء الجوفي مضغوطاً في مكانه ويمكن للعمّال العمل بأمان.

سد الشقوق الخفية بصخر سائل

للتحكم في اندفاع المياه من طبقات المياه السفلية، يقوم المهندسون غالباً بضخ «خليط» قابل للضخ مصنوع من الإسمنت أو مزيج إسمنت–طين إلى داخل الصخور. يتخلل هذا السائل الشقوق والمسام الدقيقة ثم يتصلب ليشكل حاجزاً صلباً. ركز المؤلفون على سؤالين عمليين: كيفية اختيار أفضل وصفة للخليط، وكيف ينتشر هذا الخليط فعلياً في الصخور المتشققة تحت ضغط مياه قوي. اختبروا خلطات إسمنتية نقية وخلطات إسمنت–طين في المختبر، ثم استخدموا محاكاة حاسوبية ومنجم فحم حقيقي لملاحظة سلوك هذه الخلطات تحت الأرض.

إيجاد الوصفة المناسبة

في المختبر، خلط الفريق عشرات الدفعات الصغيرة التي اختلفت في الكثافة وفي كمية الماء والإسمنت والطين. قياسوا خمس خواص أساسية تهم العمل الميداني: سهولة انسياب الخليط، ومقدار الماء الزائد الذي يتسرب منه، وكمية المادة الصلبة المتبقية بعد التصلب، ومدة التماسك، وقوة الكتل المتصلبة. بشكل عام، كلما كانت الخلطات أكثر كثافة انسابتها كانت أبطأ لكنها كونت مادة أكثر صلابة وقوة، بينما الخلطات الأخف أطلقت ماءً أكثر واستغرقت وقتاً أطول للتصلب. بموازنة هذه المقايضات، اختار الباحثون خليط إسمنتي نقي وخليط إسمنت–طين كخيارين مثاليين: كلاهما حافظ على تسرب ماء منخفض، وملأ الشقوق جيداً، واكتسب قوة كافية دون أن يتصلب بسرعة تفقد العمال وقت الحقن.

كيف ينتشر الخليط في الصخر المتشقق

بعد ذلك، بنى الفريق نموذجاً حاسوبياً مفصلاً لكتلة صخرية تحتوي على منطقة مهتزة مملوءة بالعديد من الشقوق الصغيرة وشق رئيسي أكبر يمكن أن يحمل الماء. حاكى ضخ خليط الإسمنت–طين المختار في هذا النظام مع مراعاة تدفق السوائل وتشوه الصخر. أظهرت المحاكاة أن زيادة ضغط الضخ يدفع الخليط أبعد وبشكل أسرع، لكن ضغطه ينخفض تدريجياً مع المسافة حتى يقترب من ضغط الماء الطبيعي. الشقوق الأعرض والصخر الأكثر مسامية تسمحان للخليط بالسفر أسرع وملء منطقة أكبر؛ وفي بعض الحالات، بمجرد تراكم كمية كافية من الخليط، يحدث «اختراق» مفاجئ إلى الشق الرئيسي، ممدداً بسرعة منطقة الختم قبل أن يتباطأ التدفق تدريجياً ويستقر.

تطبيق الطريقة تحت الأرض

طبق الباحثون بعد ذلك الخليط المحسّن في منجم فحم صيني حيث تقع القاعدة فوق طبقة جيرية غنية بالمياه على عمق حوالي 140 متراً تحت السطح. حفروا ثلاث مجموعات من ثقوب الحقن وضخوا أكثر من 100,000 طن من مزيج الإسمنت–طين تحت ضغوط محكومة بعناية. من خلال تتبع كمية الخليط التي استهلكها كل ثقب وكيفية استقبال الصخور للماء أثناء اختبارات الضغط اللاحقة، أكدوا أن الشقوق والقنوات في المناطق الأخطر قد تم ملؤها بفعالية. استلزم الحفر اللاحق كمية أقل من الخليط، مما يشير إلى أن الحقنات السابقة كانت قد عززت وختمت جزءاً كبيراً من شبكة الشقوق بالفعل.

ماذا يعني هذا لتعدين أكثر أماناً

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن فيضانات المناجم الناتجة عن المياه الجوفية المضغوطة ليست مجرد حظ سيء—بل تعتمد بشكل كبير على كيفية تحرك الماء عبر الشقوق غير المرئية تحت الأعمال. تظهر هذه الدراسة أنه من خلال ضبط خليط «الصخر السائل» وفهم كيف يتدفق تحت الضغط، يمكن للمهندسين تصميم خطط حقن تسد تلك الشقوق بشكل أكثر موثوقية وبمخاطر أقل. يجمع نهج المختبر والمحاكاة المبنية على الفيزياء والتجارب الميدانية على نطاق المنجم بين طرق علمية أكثر قدرة على التنبؤ للحفاظ على جفاف وسلامة عمليات تعدين الفحم العميق.

الاستشهاد: Zhengzheng, C., Fangxu, G., Tao, R. et al. Field application and diffusion law of grouting slurry in floor aquifer of a coal mine. Sci Rep 16, 8329 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-28535-z

الكلمات المفتاحية: مكافحة مياه مناجم الفحم, خليط الحقن, طبقة المياه الجوفية في القاعدة, سد الصخور المتشققة, المحاكاة العددية