دراسة قانون انتشار الشقوق في الطبقات العلوية أثناء تعدين أعمدة فحم صغيرة في طبقة فحم مائلة فائقة السمك

لماذا تهم الشقوق فوق المناجم الفحمية

لا يقتصر التعدين الحديث للفحم على نزع الفحم فحسب؛ بل يعيد تشكيل الصخور الموجودة أعلاه ويغير مسارات تحرك الغاز تحت الأرض. في منطقة شينجيانغ بغرب الصين، تكون طبقات الفحم غير عادية بسمكها الكبير وميلها الحاد، وغالبًا ما يترك العمال عمود فحم ضيقًا فقط يدعم السقف. تطرح هذه الدراسة سؤالًا عمليًا ذي آثار سلامة كبيرة: كيف تتشكل الشقوق وتنتشر بالضبط في الصخور فوق هذه الأعمال، وكيف يمكن استخدام هذه المعرفة للسيطرة على مستويات الغاز وتأمين عمليات التعدين؟

تحدي طبقة الفحم المائلة فائقة السمك

ترتكز معظم الأبحاث السابقة على تشقق الصخور فوق المناجم على الطبقات شبه المستوية. لكن في شينجيانغ، تكون الطبقات الرئيسية للفحم سميكة جدًا وتميل بوضوح. عندما يزيل المعدنون الفحم ويتركون عمودًا صغيرًا، تتعرض الصخور أعلاه لاضطرابات معقدة. تنفتح وتغلق الشقوق بمرور الوقت، مكونة مسارات متعرجة يمكن للغاز أن يهرب عبرها أو يتراكم فيها. إذا لم يستطع المهندسون التنبؤ بمواقع هذه المناطق عالية النفاذية، فقد تخطئ آبار استخراج الغاز أهدافها، تاركة جيوبًا خطرة من الغاز فوق مناطق العمل النشطة في المنجم.

بناء المنجم في المختبر وعلى الحاسوب

استخدم الباحثون مزيجًا من النماذج الفيزيائية المصغرة والمحاكاة الحاسوبية المتقدمة لتقليد لوح تعدين حقيقي، وهو واجهة العمل 11,002 في منجم تينغدا. في المختبر بنوا نموذجًا ثنائي الأبعاد للطبقة الفحمية المائلة وطبقات الصخور العلوية بمقياس 1:200. قاموا بتعدين هذا النموذج خطوة بخطوة من جهة إلى أخرى، مضيفين ومزيلين قطعًا خشبية لتمثل الدعائم المتحركة المستخدمة تحت الأرض. وفي الوقت نفسه، أجروا محاكاة عددية ثلاثية الأبعاد باستخدام برنامج 3DEC، الذي يعالج كتلة الصخر كمجموعة من الكتل المتفاعلة ويمكنه تتبع تطور الإجهادات والشقوق مع تقدم عملية التعدين.

كيف ينكسر سقف الصخور ويشقق

أظهرت النهجان أن السقف لا ينهار دفعة واحدة ببساطة. بل تمر الصخور العلوية بنمط ثلاثي المراحل: تبدأ شقوق دقيقة، ثم تبدأ الطبقات بالفصل، وأخيرًا تتشكل شقوق كبيرة ومرئية. مع تقدم التعدين، تنهار الصخور الدنيا إلى منطقة انهدام مملوءة بالحطام، بينما تطور الطبقات الأعلى مناطق شق طولية حيث تتحطم الكتل ولكنها لا تنهار تمامًا. في حالة تينغدا، تستقر منطقة الانهدام عند نحو 25 مترًا فوق طبقة الفحم، وتمتد منطقة الشقوق إلى حوالي 80 مترًا. وبسبب ميل الطبقة، تميل الكتل المكسورة إلى الانزلاق نزولًا على الميول، مما يجعل نمط الانهيار غير متماثل بوضوح: الجانب الأدنى من اللوح يصبح أكثر انضغاطًا، بينما توجد منطقة على شكل إسفين نسبياً غير مضطربة فوق عمود الفحم الصغير.

قياس ودمج وجهات نظر مختلفة

لتحديد ارتفاع منطقتي الانهدام والشقوق بمزيد من الموثوقية، قارن الفريق ثلاث طرق تقديرية: صيغ هندسية بسيطة، النموذج الفيزيائي، والمحاكاة العددية. تعطي كل طريقة قيماً مختلفة قليلًا، لذا استخدم المؤلفون مخططًا لمتوسط مرجح يمنح تأثيرًا أكبر للطرق ذات الأخطاء الأصغر عبر كل النتائج. وبما أن النموذج الفيزيائي أعاد إنتاج عملية التعدين الحقيقية بأكبر قدر من الأصالة، فقد حصل على أعلى وزن. النتيجة النهائية المجمعة وضعت ارتفاع منطقة الانهدام عند نحو 24.98 مترًا وارتفاع منطقة الشقوق عند 81.67 مترًا. كما أظهروا أن الإجهادات تتركز بقوة حول عمود الفحم الصغير وأن معدل حركة وتشقق الصخور يقل مع المسافة صعودًا من الطبقة.

تحويل شقوق الصخور إلى تحكم أفضل بالغاز

مسلحين بصورة أوضح لمواضع الصخور المكسورة وذات النفاذية العالية فوق المنطقة المستخرجة، صمم الفريق نظام صرف غازي موجه لواجهة العمل 11,002. وضعوا صفوفًا من الآبار المرتفعة وممرات صرف بحيث تقطع المناطق المتوقعة ذات النفاذية العالية. أظهرت بيانات ميدانية من عدة أشهر من التشغيل أن الغاز استخرج بكفاءة، بينما بقيت تركيزات الغاز في طرق الهواء الرئيسية بالمنجم أقل بكثير من حد الأمان 1٪، حتى مع إنتاج مئات الآلاف من الأطنان من الفحم. وبعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة أنه من خلال رسم خرائط دقيقة لكيفية تحطم السقف فوق طبقة مائلة فائقة السمك مع أعمدة فحم صغيرة، يمكن للمهندسين وضع أنظمة صرف الغاز في الأماكن الأكثر فعالية—مما يقلل مخاطر الحوادث ويدعم تعدين فحم أكثر أمانًا وكفاءة.

الاستشهاد: Lu, W., Zhao, P., Jin, Q. et al. Study on crack propagation law of overlying strata in the process of small coal pillar mining in inclined extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 8536 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32844-8

الكلمات المفتاحية: تعدين الفحم, شقوق الصخور, صرف الغاز, المحاكاة العددية, سلامة المنجم