تأثير شكل العيب على سلوك الزحف وتطور التلف في صخر الفحم باستخدام نموذج محسن

نقاط ضعف مخفية في الصخور الجوفية

على أعماق كبيرة تحت الأرض، الصخر المحيط بالأنفاق ومناجم الفحم يتحرّك تدريجياً تحت ضغوط هائلة. قد تبدو العيوب الصغيرة مثل الفتحات والشقوق غير مهمة، لكن مع مرور السنوات يمكن أن تنمو وتتسبب في انهيارات أو فشل ممرات. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن لشكل بسيط لفتحة داخل صخر حامل للفحم أن يغير الطريقة التي يزحف بها الصخر، وكيف تتطور الشقوق وفي النهاية كيف يفشل — مسألة مهمة لسلامة المناجم ومخازن التجاويف والهياكل تحت السطح على المدى الطويل.

لماذا يهم شكل الفتحة

يعلم المهندسون منذ وقت طويل أن العيوب تضعف الصخر، لكن معظم الأبحاث تعاملت مع الصخر ككتلة خالية من العيوب أو متضررة بصورة عامة. في الواقع، يحتوي الفحم والصخور المحيطة به على مجموعة متنوعة من التجاويف الناتجة عن عمليات طبيعية أو الحفر، من شقوق ذات زوايا حادة إلى فتحات ناعمة ومستديرة. أدرك المؤلفون أن هذه الأشكال يمكن أن تركز الإجهاد وتوجه نمو الشقوق بطرق مختلفة مع الزمن، خاصة تحت تحميل بطيء ومستمر يُعرف بالزحف. لالتقاط هذا السلوك بتفصيل أفضل، جمعوا بيانات مخبرية مع محاكاة حاسوبية متقدمة تتعقب كيفية انكسار وزحلقة الروابط الدقيقة بين حبيبات الصخر أثناء تشوهه.

بناء صخر رقمي أفضل

بدلاً من نمذجة الصخر ككتلة موحدة، مثل الباحثون صخر الفحم كمركب من جزيئات صغيرة ملتصقة معاً. استخدموا إطار عمل "الرباط الموازي" لمحاكاة كيفية تبادل حبيبات الصخر للقوى ومقاومتها للانحناء، ثم ربطوه بنموذج كيلفن–فوغت للتماسك الزمني — عملياً زنبركات ودامبات تمثل التشوه الزاحف المعتمد على الزمن. تم ضبط هذه العناصر بالتجربة والخطأ حتى تطابقت منحنيات الانفعال–الزمن المحاكاة مع اختبارات زحف ثنائية المحاور الحقيقية على عينات الفحم. وبعد المعايرة، استطاع النموذج إعادة إنتاج ليس فقط كيفية تشوه الصخر تحت تحميل تدريجي، بل أيضاً مكان وزمان ظهور الشقوق وكيفية ارتباطها لتشكيل كسور رئيسية.

اختبار تجاويف بأشكال مختلفة

مع المادة الرقمية الجاهزة، أنشأ الفريق ست عينات فحم افتراضية: واحدة سليمة وخمس تحتوي على تجاويف متقاربة المساحة لكن بأشكال مختلفة — مستطيلة، شبه منحرفة، على شكل حرف U مقلوب، مربعة، ودائرية. كان عرض كل عينة 50 مم وارتفاعها 100 مم، وخضعت لتحميل مرحلي حتى 15 ميغاباسكال بينما سجلت المحاكيات الإجهاد والانفعال وعدد الشقوق الناشئة. كل العيوب أضعفت الصخر مقارنة بالحالة السليمة، لكنها لم تكن متساوية التأثير. تسببت الفتحات المستطيلة بأكبر انخفاض في إجهاد الفشل، بينما أدت الفتحات المربعة إلى أكبر انخفاض في مقدار الانفعال الذي يمكن أن يتحمله الصخر قبل الفشل. خفضت الفتحات على شكل U المقلوب الصلابة الفعالة عند الفشل بأكبر قدر. أثبتت العينات ذات التجاويف الأعرض، مثل الأشكال المستطيلة وذات الـU المقلوب، أنها الأكثر قابلية للانضغاط، مما يبرز أنه بالنسبة لتجاويف بنفس المساحة، العرض يتحكم بشكل قوي في سهولة ضغط الصخر وتعرضه للتلف.

أنماط الإجهاد ومسارات الشقوق

كشفت المحاكاة أيضاً كيف تتشكل حقول الإجهاد وتنتشر الشقوق حول كل نوع من التجاويف. في العينات ذات الفتحات المستطيلة والشبه منحرفة والـU المقلوب والمربعة، لم تبدأ مناطق الإجهاد العالي عند حواف التجويف. بل ظهرت أولاً في الصخر المحيط ثم نمت عائدة نحو الفتحة، لتتصل بها في نهاية المطاف وتخلق أشرطة عرضية معقدة من الإجهاد العالي. ميّزت الشقوق بالبدء في هذه المناطق الخارجية، ثم الجري نحو التجويف، والامتداد إلى حدود العينة والعودة إلى الداخل مرة أخرى، مكونة شبكات كسور مختلطة شد–قص. بالمقابل، أنتج التجويف الدائري نمط إجهاد متماثل، حيث تطورت مناطق الإجهاد العالي مباشرة على الجانبين المقابلين للفتحة. التفّت الشقوق بعد ذلك حول التجويف بطريقة أكثر انتظاماً، ما أدى إلى ظهور شريط قص عام قطع العينة بأكملها.

ما يعنيه هذا لأمن المنشآت الجوفية

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن ليس كل الفتحات في الصخر متساوية. حتى عندما تكون بنفس الحجم، تركز التجاويف ذات الزوايا الحادة والجانبين العريضين والمسطحين — مثل المستطيلات وشكل الـU المقلوب — الإجهاد بطرق تشجع على فشل قص موضعي مبكر وقابلية ضغط عالية. توزع التجاويف المستديرة والأملس الإجهاد بشكل أكثر توازناً وتميل إلى الفشل بشدّ عام عند أحمال أعلى. من خلال إظهار كيف تتحكم هندسة العيب في مقاومة الزحف وفقدان الصلابة وتطور الشقوق، تقدم الدراسة إرشادات عملية لتصميم دعامات أكثر أماناً لأعمدة الفحم والممرات وغيرها من دعائم التعدين العميق: تجنّب إنشاء فتحات عريضة ذات حواف حادة، واعتبر الفتحات الموجودة مناطق عالية المخاطر بالنسبة للتشوه والفشل على المدى الطويل.

الاستشهاد: Zhao, T., Cao, Y., Wang, T. et al. Influence of defect shape on the creep behavior and damage evolution of coal rock using an improved model. Sci Rep 16, 5781 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35589-0

الكلمات المفتاحية: زحف صخر الفحم, هندسة العيوب, استقرار تحت السطح, تطور الشقوق, النمذجة العددية للصخور