دراسة نموذج فيزيائي لآلية انتفاخ أرضية الممر العميق المحفور في صخور رخوة ذات طبقات رقيقة مائلة برفق

لماذا ترتفع أرضيات أنفاق المناجم فجأة

في أعماق الأرض، تنتفخ أرضيات بعض أنفاق المناجم ببطء إلى الأعلى، تدفع القضبان والمعدات وتهدد سلامة العمال. هذا «انتفاخ الأرضية» المحيّر مكلف للإصلاح ويصعب التنبؤ به، خاصة في الصخور الرخوة والمصفوفة بطبقات الشائعة في مناطق تعدين الفحم. تستخدم الدراسة التي يستند إليها هذا المقال نماذج فيزيائية وحاسوبية كبيرة الحجم لتكشف كيف يمكن للضغوط داخل طبقات صخرية رقيقة مائلة بلطف أن تتسبب في تكسر ورفع أرضية النفق، موفرة بصيرة تساعد على تصميم ممرات تحت أرضية أكثر أماناً واستقراراً.

نظرة أقرب على انتفاخ أرضيات الأنفاق

في غرب الصين والعديد من مناطق التعدين الأخرى، يستخرج الفحم من أعماق مئات الأمتار، حيث يخلق وزن الصخور الاعلى ضغوطًا هائلة. حفرت العديد من هذه الأنفاق عبر صخور رخوة مرتبة في طبقات رقيقة—طين متحجر، فحم، وطقان—مرتكزة بزاوية لطيفة بدلاً من أن تكون أفقية. لاحظ المهندسون منذ زمن طويل أنه، في ظل هذه الظروف، يمكن لأرضية النفق أن تنحني إلى أعلى بشكل كبير مع مرور الوقت. ركزت التفسيرات السابقة على القوى الرأسية من السقف، وتورم المياه، أو الانسياب البطيء للصخر، لكن الدور المحدد للبنية الطبقية والضغط الجانبي للكتلة الصخرية ظل غير واضح.

بناء نفق في المختبر

لفك شفرة هذه الآلية، بنى الباحثون نموذجًا فيزيائيًا كبيرًا استنادًا إلى ممر حقيقي في منجم فحم في يونان، الصين، يقع على عمق حوالي 750 مترًا تحت السطح في طبقات مائلة بحوالي عشرة درجات. أعادوا إنشاء أنواع الصخور الثلاثة الرئيسية باستخدام مساحيق مختلطة بعناية تطابق كثافة الصخور الحقيقية وقوتها على مقياس مصغر. احتوى الكتلة الطبقية، بحجم طاولة كبيرة تقريبًا، على نفق صغير منحوت عبر طبقة «الفحم». باستخدام تحميل هيدروليكي، طبقوا ضغوطًا معادلة لتلك الموجودة في الأعماق، مع ضغوط عمودية وأفقية متساوية، ثم حاكيوا الحفر والتحميل الإضافي على مراحل مراقَبة.

مراقبة إجهاد وتكسر الصخر

أثناء التحميل، رصد نظام كاميرات عالي الدقة حركات سطحية دقيقة، بينما قيست عشرات قياسات الإجهاد التشوه داخل الكتلة. مع ازدياد الضغط، ظهرت أولى التغيرات الملحوظة تحت أرضية الممر مباشرة. تشكلت منطقة على شكل قمع من الإجهاد المتصاعد تحت النفق، وتزايدت قوتها مع استمرار التحميل. في النهاية انفصلت الطبقات الرفيعة تحت الممر عن تلك الواقعة أدناها، وتشققت وارتفعت للأعلى، محدثة انتفاخًا واضحًا للأرضية. تركز أقوى تشوه مقاس في منطقة تمتد إلى نحو نصف عرض النفق داخل الأرضية، وارتفع الانفعال المكافئ في هذه المنطقة إلى قيمة ذروة عالية، مشيراً إلى تلف شديد. أظهر التحليل أن الضغط الجانبي للطبقات الرخوة والرقيقة كان المحرك المسيطر لهذا الارتفاع.

توتر وانضغاط خفيان حول النفق

كما رسم الفريق كيف تحولت حالة الصخر حول النفق بين الشد والضغط أثناء فشل الأرضية. ضمن مسافة تقارن بقطر النفق، تناوبت مناطق الإجهاد الشدّية (السحبية) والضغطّية (الدافعة) حول الفتحة. بعد انتفاخ الأرضية، عانى الصخر الأقرب إلى الممر من شد قوي، خاصة في الزوايا وعلى طول السقف والأرضية، بينما تشكلت مناطق ضغط أبعد خارجه. يفسر هذا النمط سبب ميل الشقوق للبدء عند نقاط محددة ثم الانتشار إلى شكل فشل مميز حول النفق.

التحقق من النتائج بنماذج حاسوبية

لتأكيد أن السلوك المرصود لم يكن فريداً لتجربة واحدة، بنى الباحثون نموذجًا رقميًا ثلاثي الأبعاد باستخدام برمجيات ميكانيكا الصخور المعتمدة. أعادوا إنتاج نفس الهندسة، البنية الطبقية، وشروط الحدود كما في الاختبار الفيزيائي. أظهر النفق المحاكى أنماط إزاحة مماثلة: انحنت الأرضية بجانب واحد من النفق للأعلى بشكل حاد وشقت، بينما هبط السقف قليلاً. تحركت نقاط قياس رئيسية في المحاكاة بمقادير تقارب تلك المسجلة في نموذج المختبر، مع اختلافات لا تتجاوز بضعة مليمترات على مقياس التجربة. يعزز هذا الاتفاق الوثيق الثقة في الآلية المحددة.

ماذا يعني هذا لممرات تحت أرضية أكثر أمانًا

لغير المتخصصين، الخلاصة واضحة: في الصخور العميقة الرخوة والمصفوفة بطبقات رقيقة، يمكن أن يكون الضغط الجانبي للأرض مهمًا بقدر وزن الصخور الرأسي في تحفيز انتفاخ أرضية النفق. تعمل الطبقات المائلة بلطف كألواح ضعيفة مكدسة تنحني، وتتشقق، وتتقشر إلى الأعلى تحت الإجهاد الأفقي، لا سيما تحت الممر. يساعد إدراك أن أضراراها الأكثر حرجاً تتركز في منطقة على شكل قمع مباشرة تحت النفق وضمن نحو عرض نفق واحد حوله المهندسين على تخطيط تدعيمات مستهدفة، مثل مراسي أرضية أو دعم محسّن في مناطق محددة بدلًا من تصميم مفرط شامل. ورغم أن الدراسة تركز على منجم بعينه، فإن استنتاجاتها تقدم صورة فيزيائية أوضح يمكن أن ترشد إلى تصميم وتحكم أكثر موثوقية لممرات تحت أرضية عميقة حول العالم.

الاستشهاد: Chen, F., Wang, E., Miao, C. et al. Physical model study on the mechanism of floor heave for the deep-buried roadway excavated in soft rock of gently inclined thin strata. Sci Rep 16, 9557 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-95299-x

الكلمات المفتاحية: انتفاخ الأرضية, ممر في صخر رخوة, التعدين العميق, استقرار النفق, طبقات الصخور