دراسة تجريبية حول آلية انتشار الملاط في الصخور المتشظية

الحفاظ على سلامة الكهوف تحت الأرض

تتعرض الفراغات العميقة تحت الأرض — مثل تلك التي تضم المضخات في مناجم الفحم — لضغط شديد من الصخور المحيطة بها. إذا بدأت الصخور بالتشقق والحركة، قد تنتفخ الجدران بمقدار عشرات السنتيمترات، مما يهدد المعدات والعاملين والمشروع بأكمله. تبحث هذه الدراسة في كيفية «تلصيق» الصخور المكسورة مرة أخرى بشكل أفضل باستخدام ملاط أسمنتي، بحيث تبقى الغرف الطويلة تحت الأرض مستقرة وآمنة على مدى سنوات عديدة.

غرفة مضخات تحت إجهاد مدمر

ركز الباحثون على غرفة ضخ كبيرة في منجم وانفو في الصين، على عمق يزيد عن 800 متر تحت السطح. على الرغم من وجود نظام دعم ثقيل من مسامير فولاذية وكابلات وبطانة خرسانية، استمرت جدران وسقف الحجرة في التشوه. خلال أكثر من 450 يوماً من المراقبة، تحرك الجدار الأيمن إلى الداخل بمقدار يصل إلى 751 ملم — أي ما يقرب من عرض باب منزلي — وارتفع أرضية الحجرة بأكثر من 30 سم. أظهرت عمليات حفر الأنابيب في الصخور المحيطة وجود منطقة «تضرر شديد» متصدعة بعمق يصل إلى 7 أمتار، تليها منطقة انتقالية وسطى، ثم صخر سليم. كانت المسامير والكابلات الموجودة مثبتة أساساً في المنطقة المكسورة، لذا لم تتمكن من تطوير كامل قوتها.

كيف ينتشر الملاط داخل الصخور المتشظية

لفهم كيفية إعادة تقوية هذه الصخور المتضررة، بنى الفريق جهازاً مختبرياً كبيراً يمكنه احتواء كتل صخرية صناعية متشظية بطول 1.2 متر. ضخوا ملاطاً أسمنتياً داخل هذه الكتل ثم قطعوها إلى مقاطع لاختبار مدى قوة كل جزء بالنسبة للمسافة من نقطة الحقن. تم استكشاف متغيرين يوميين: حجم شظايا الصخور ومدى سيولة الملاط (نسبة الماء إلى الإسمنت). في جميع الحالات، انخفضت مقاومة الانضغاط — أي مقدار القوة الضاغطة التي يمكن للمادة تحملها — كلما امتد الملاط أبعد عن نقطة الدخول.

ثلاث مناطق قوة حول المسمار

كشفت اختبارات القوة عن ثلاث مناطق مميزة حول المنطقة المحقونة. الأقرب إلى نقطة الحقن، كانت هناك «منطقة الانخفاض الأولية» حتى نحو 400 ملم أظهرت قوة عالية تتناقص بسرعة. من نحو 400 إلى 1000 ملم ظهرت «منطقة الانخفاض التدريجي»، حيث انخفضت القوة بمعدل أبطأ. وخارج ذلك كانت «منطقة الحافة» حيث انخفضت الجودة والقوة مجدداً. يعكس هذا النمط كيفية تدفق الملاط واستقراره: بالقرب من المدخل يكون كثيفاً ومعبأ جيداً؛ أما أبعد فيتحرك ببطء أكثر، يفصل بعض مكوناته بفعل الجاذبية، ويحبس فراغات أكثر، مما يترك مادة أضعف عند الحافة الخارجية.

لماذا يهم حجم شظايا الصخر أكثر من سيولة الخلطة

تبين أن تغيير حجم قطع الصخر المتكسرة كان أكثر تأثيراً من تغيير مدى سيولة الملاط. خلقت الشظايا الأكبر فجوات أوسع سمحت للملاط بالانتقال لمسافات أبعد، مما زاد مسافة الانتشار الفعالة من 800 ملم مع الشظايا الصغيرة إلى 1000 ملم مع الأكبر حجماً. ومع ذلك، قدمت الشظايا الكبيرة جداً أيضاً واجهات أضعف أكثر حيث يمكن أن تتكون الشقوق. أما تعديل نسبة الماء إلى الإسمنت فكان له تأثير أكثر اعتدالاً على مدى وصول الملاط — فقد ظلت مسافة الانتشار قريبة من متر واحد — لكنه أثر بقوة على القوة والاتساق العامين. أعطت الخلطة المتوسطة (نسبة ماء إلى إسمنت 0.5) توازناً جيداً: مادة قوية نسبيًا ومتجانسة دون فراغات هوائية كثيرة.

من اختبارات المعمل إلى سلامة المناجم الحقيقية

باستخدام هذه الرؤى، أعاد المهندسون تصميم دعم غرفة المضخات. أضافوا مسامير محقونة في نمط متعرج وضمانوا أن أطوال المسامير والكابلات تمتد على الأقل متر واحد إلى ما بعد منطقة التضرر الشديد داخل الصخر الصلب. كما اعتمدوا نسبة الماء إلى الإسمنت الموصى بها 0.5 لعمليات الحقن الميدانية. بعد ستة أشهر من المراقبة الجديدة، انخفضت حركات الجدار الأيمن من أكثر من 750 ملم إلى أقل من 40 ملم — أي انخفاض بنحو 95 بالمائة. بعبارة بسيطة، أدت عمليات الحقن المخططة بعناية إلى تحويل غرفة تحت أرض كانت تتعرض لتشوه شديد إلى فضاء مستقر، مما يوضح كيف يمكن لفهم انتشار الملاط وتفتت الصخر أن يترجم مباشرة إلى هندسة تحت أرضية أكثر أماناً وموثوقية.

الاستشهاد: Zhang, C., Li, D., Zhang, X. et al. Experimental study on grouting diffusion mechanism of fractured rock. Sci Rep 16, 5226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35539-w

الكلمات المفتاحية: دعم الصخور تحت الأرض, الملاط الحقني, الصخور المتشظية, هندسة مناجم الفحم, استقرار الصخور