التدهور الميكانيكي الناجم عن تأثيرات المياه القلوية على الحجر الرملي الحبيبي الضعيف التَلاصُق

لماذا يهم تفتت الصخور تحت الأرض

في أعماق الأرض، تعتمد الأنفاق ومسارات العمل لمناجم الفحم ومشروعات أخرى على قوة الصخور المحيطة. في أجزاء من شمال غربي الصين، انهارت أسقف بعض المناجم بالرغم من بقاء البراغي الفولاذية والدعامات سليمة. يحقق هذا البحث في سبب خفي: مياه جوفية شديدة القلوية تأكل تدريجياً نوعاً ضعيفاً من الحجر الرملي، وتحول الأسقف الصلبة سابقاً إلى ركام مفكك مما يشكل مخاطر سلامة خطيرة للعمال والمهندسين تحت الأرض.

صخرة تبدو لطيفة بقلب هش

ركز الباحثون على حجر رملي حبيبي ضعيف التلاصق من منجم الفحم رقم 7 في دانانهو بمقاطعة شينجيانغ. تشكلت هذه الصخرة حديثاً نسبياً من الناحية الجيولوجية، لذا الحبيبات ملتصقة بشكل رخو فقط. فوق طبقة الفحم يقع حوض مائي يحتوي على مياه مالحة جداً وقلوية غنية بالأملاح. عندما تربط التصدعات الناتجة عن التعدين الحوض المائي بممرات المنجم، يمكن أن تتسرب هذه المياه إلى سقف وجدران الحجر الرملي. أراد الفريق أن يعرف كيف تغيّر ظروف المياه المختلفة — من الماء النقي إلى محاليل قلوية قوية — مقاومة الصخر وما تعنيه للاستقرار طويل الأجل.

تعريض عينات الصخر لاختبار النقع

في المختبر، جُففت أسطوانات نواة الصخور ثم نُقعت لمدة تصل إلى 20 ساعة في محاليل تمثل مياه المنجم: ماء منزوع الأيونات ومياه غنية بالأملاح معدلة إلى قيم pH تساوي 7 و10 و12. بعد النقع، خضعت العينات لاختبارات ميكانيكية من ضغط وسحب وقص لقياس خصائص مثل مقاومة الانضغاط، والصولة (المعامل المرن)، ومقاومة القص، ومقاومة الشد. كما استخدم العلماء حيود الأشعة السينية لتتبع المعادن الموجودة، ومجاهر إلكترونية لفحص الشقوق والمسامات الدقيقة، واختبارات كيميائية لمراقبة حركة الأيونات بين الصخر والماء.

كيف تدمر المياه القلوية القوة بهدوء

تُظهر النتائج أن مقاومة الصخر تنخفض بسرعة مع زيادة زمن النقع والقلوية. تَتبع مقاومة الانضغاط الأحادي المحور تقريباً تباطؤاً أُسياً سالباً مع الزمن: يحدث أقوى هبوط خلال الساعات الأولى، لا سيما في المياه شديدة القلوية، ثم يتباطأ الإضعاف. تظهر الصولة وسلوك الانضغاط الابتدائي اتجاهاً مشابهاً: انخفاض حاد مبكراً ثم تسطح تدريجي مع تضرر البنية تماماً. تنخفض تماسك القص بشكل حاد خلال الأربع ساعات الأولى، بينما يَتقلص زاوية الاحتكاك الداخلية بثبات مع الزمن، أكثر في القلويات الأقوى. مقاومة الشد حساسة بشكل خاص؛ ففي المحاليل المالحة تنهار إلى بضعة بالمئات من قيمتها الأصلية خلال ساعات ثم تتغير قليلاً بعد ذلك. بالمقارنة مع الصخور الكثيفة التقليدية مثل الجرانيت أو الحجر الجيري، يتحلل هذا الحجر الرملي الضعيف بشكل أكبر بكثير وعلى فترات تعرض أقصر بكثير.

ما الذي يحدث داخل الصخر

على المستوى المعدني، تُثير المياه القلوية سلسلة من التغيرات الكيميائية والفيزيائية. تخضع حبيبات الفلسبار والميكا للتحلل المائي وتبادل الأيونات، متحولة إلى معادن طينية أطرى مثل الكاولينيت، بينما يذوب بعض الكوارتز والفلسبار تحت هجوم قلوي قوي. تُظهر الاختبارات الكيميائية ارتفاع تركيزات الألومنيوم وأنواع السيليكات في الماء، مما يؤكد تحلل الحبيبات الصلبة. تُرخي هذه التفاعلات الملاط الذي يربط الجزيئات، وتزيد المسامية، وتجعل الصخر أكثر لدونة. تكشف صور المجهر الإلكتروني أنه في الصخور الجافة تميل الشقوق إلى قطع الحبيبات؛ بعد الهجوم القلوي تتبع الشقوق بدلاً من ذلك حدود الحبيبات، حيث ضعف الملاط. ينتقل الصخر من هيكل عظمي مضغوط من معادن صلبة إلى إطار أرخف مليء بالمسامات والشقوق بين الحبيبات.

نموذج للتنبؤ بالضرر قبل حدوثه

لتحويل هذه الملاحظات إلى أداة عملية، بنى المؤلفون نموذج ضرر رياضي يربط الهجوم الكيميائي بالتحميل الميكانيكي. يتتبع النموذج مقدار الكتلة المعدنية التفاعلية المفقودة مع استهلاك أيونات الهيدروكسيد للفلسبار ومكونات أخرى، ويجمع هذا «الضرر الكيميائي» مع الضرر الناتج عن الإجهاد (الانفعال). عندما قارنوا منحنيات الإجهاد–الانفعال المتوقعة من النموذج مع قياساتهم المخبرية تحت ظروف pH مختلفة، كان التطابق جيداً، لا سيما قبل الوصول للفشل الأقصى. وهذا يشير إلى أن مخططي المناجم يمكنهم استخدام هذا الإطار لتقدير مقدار القوة التي سيفقدها سقف حجر رملي ضعيف بعد تعرض معين للمياه القلوية وتصميم أنظمة الدعم وفقاً لذلك.

ما الذي يعنيه هذا لمساحات تحت أرضية أكثر أماناً

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية أن ليس كل الصخور موثوقة بالمثل، وكيمياء الماء تهم بقدر كمية الماء. في الحجر الرملي ضعيف التلاصق، يمكن لمياه المناجم شديدة القلوية أن تجرد «الغراء» المعدني خلال ساعات، محولة الصخر الصلب إلى قشرة هشة عرضة لانهيارات السقف المفاجئة. من خلال توضيح كيفية وسرعة حدوث هذا الإضعاف، ومن خلال تقديم نموذج تنبؤي، يوفر البحث أساساً علمياً لعزل المياه المبكر، والتدعيم، ومكافحة المخاطر في المناجم والمشروعات تحت الأرضية الأخرى التي تمر عبر مثل هذه الطبقات الضعيفة.

الاستشهاد: Luo, T., Fan, G., Zhang, S. et al. Mechanical degradation induced by the alkaline water effects of weakly cemented fine-grained sandstone. Sci Rep 16, 9622 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34061-9

الكلمات المفتاحية: مياه جوفية قلوية, حجر رملي ضعيف, إضعاف الصخور, التعدين تحت الأرض, تفاعل الماء–الصخر