تحسين معايير السحب بناءً على قانون تدفّق الفحم العلوي في التعدين بالانهيار في الطبقات السميكة

لماذا تهم هذه الدراسة في التعدين

مع استنزاف أسهل رواسب الفحم، تضطر المناجم إلى الانتقال إلى طبقات أعمق وأكثر سماكة تكون أصعب وأكثر خطورة في العمل. في هذه الظروف، تتيح طريقة تُدعى الانهيار العلوي على الوجه الطويل استخراج كمية أكبر بكثير من الفحم من كل شريحة تحت الأرض — ولكن فقط إذا تدفّق الفحم المكسور بسلاسة بينما يُبقَى الصخر غير المرغوب فيه خارجًا. تبحث هذه الدراسة في منجم حقيقي جنوب غرب الصين وتطرح سؤالًا بسيطًا ولكنه حاسم: كيف ينبغي توقيت وتسلسل سحب الفحم المكسور بحيث نحصل على أكبر قدر من الوقود مع أقل هدر؟

التحدي: الحصول على الفحم دون قدر كبير من الصخر

في الطبقات السميكة، تقطع الآلات الحديثة الجزء السفلي فقط من الفحم. يُترك "الفحم العلوي" لينهار ويتدفّق عبر فتحات خلف صف من الدعامات الهيدروليكية الثقيلة. في أفضل الأحوال، ينهمر هذا الفحم المكسور إلى مزالق وعلى ناقلات، بينما يبقى الصخر العلوي — المعروف بالزنغ — في مكانه. في الواقع، يتصرف التدفق بشكل أقرب إلى الرمل والحصى في ساعة رملية مائلة: إذا كانت الفتحات كبيرة جدًا أو بعيدة جدًا أو مفتوحة لفترة طويلة جدًا، يتدفق الصخر ويخفف الفحم ويزيد تكاليف المعالجة. وإذا كانت صغيرة جدًا أو أُغلقت مبكرًا جدًا، يظل الكثير من الفحم معلقًا أعلاه ويُفقد نهائيًا.

استكشاف تدفّق الفحم بالنماذج والتجارب المصغّرة

ركز الباحثون على واجهة العمل 11508 في منجم شياجياغو، حيث يبلغ سمك الطبقة الرئيسية نحو خمسة أمتار ومستقرة هيكليًا. أولًا، قيّموا قوة وتكسّر الفحم والصخور المحيطة، مؤكدين أن الفحم العلوي محطم طبيعيًا بما يكفي للانهيار والتدفّق بسهولة. ثم بنوا نماذج حاسوبية مفصّلة مكوّنة من آلاف الجسيمات لمحاكاة الفحم وصخور السقف حول وجه الواجهة الطويلة. في هذه المحاكاة، تمكنوا من تعديل رافعين رئيسيين: مدى تقدم آلة القطع قبل كل حلقة سحب (مسافة الخطوة) والنسبة بين ارتفاع القص الذي تقطعه القاطعة وارتفاع الفحم المسحوب من فوق (نسبة التعدين إلى السحب).

إيجاد نقطة التوازن في التوقيت والنسب

من خلال تشغيل دورات تعدين افتراضية عديدة، قارن الفريق تركيبات مختلفة من هذين المتغيرين. عندما كانت مسافة التعدين ومسافة السحب متطابقة واحدًا لواحد، كان إنتاج الفحم من كل خطوة متساويًا نسبيًا؛ أما عندما تلت ثلاث خطوات قطع خطوة سحب واحدة، تفاوتت الكميات المستخرجة بشكل كبير وبقيت كميات أكبر من الفحم. أظهرت مجموعة منهجية من اثنتي عشرة محاكاة أن التباعد بين أحداث السحب كان له التأثير الأكبر على مقدار الفحم المستعاد في النهاية — نحو ستة أضعاف أهمية نسبة الارتفاع. وفترات أقصر تبلغ 0.8 متر، مقترنة بنسبة تعدين إلى سحب معتدلة نحو 1:1.5، أنتجت أعلى استرداد محاكى، فوق 85 بالمئة، مع تدفّق مستقر من خطوة إلى أخرى.

اختبار السلوك في العالم الحقيقي في المختبر

للتأكد من النتائج الافتراضية، بنى المؤلفون خزانًا شفافًا مملوءًا بحصى سوداء للفحم وحصى بيضاء لصخر السقف، بمقياس يتوافق مع هندسة الطبقة الحقيقية. وقفت فتحات قابلة للتعديل في القاع محل موانئ السحب على الدعامات. بتغيير مسافات الخطوة ونمط الفتح وبوزن المواد الخارجة من كل فتحة، استطاعوا رؤية كيف تغيّر تعديلات بسيطة في التوقيت كمية الفحم المستعاد وحصة الصخر. أعادت مسافات الخطوة الأقصر أكبر قدر من الفحم لكنها أيضًا كانت تميل إلى جذب المزيد من الصخر عندما استمر السحب لفترة أطول. مسافات الخطوة الأكبر خفّضت الصخر بعض الشيء لكنها تركت المزيد من الفحم محاصرًا في الفراغ خلف الدعامات (الجوّاف) في النموذج.

متى تغلق نافذة تدفّق الصخر

لأن أي عملية حقيقية يجب أن توزن سعر الفحم مقابل تكلفة إزالة الشوائب، تقدم الفريق بتحليل قواعد قطع لوقف كل دفعة سحب. بالعمل مع نموذجهم الفيزيائي، قاسوا كيف ارتفعت نسبة الصخر في الخليط مع استمرار السحب بعد الظهور الأول للزنغ. من ذلك اقترحوا مبادئ عملية لـ"إغلاق النافذة": في السحب المبكر، أحد الخيارات هو السماح للصخر أن يصل إلى نحو خمس الحجم لتحقيق استرداد شبه كامل للفحم، أو التوقف مبكرًا عندما يقترب الصخر من واحد على ثمانية إذا كانت جودة الفحم هي الأهم. في الدورات المتكررة، يقترحون حدودًا أرخى — نحو سدس الحجم — لأن كمية الفحم المتبقية أقل ويتحوّل التبادل الاقتصادي.

من المحاكاة إلى وجه الواجهة في المنجم

بتطبيق هذه الإعدادات المحسّنة على واجهة العمل الفعلية 11508 — قطع 1.96 مترًا، سحب 2.94 مترًا، وتحريك الواجهة كل 0.8 متر مع قاعدة صارمة "أغلق عند ظهور الصخر" — حقق المنجم استردادًا مقاسًا للفحم العلوي بحوالي 91.5 بالمئة بينما خفّض محتوى الصخر إلى نحو 30 بالمئة، وهو أداء أفضل بكثير من الممارسات السابقة. بالنسبة لغير المتخصصين، يعني هذا المزيد من الفحم القابل للاستخدام من نفس الحجم تحت الأرض، ونفايات أقل للنقل والغسل، واضطرابًا أقل للصخور المحيطة لكل طن منتج. توضح الدراسة كيف يمكن لفهم دقيق لكيفية تدفّق الفحم المكسور أن يترجم إلى قواعد عملية تجعل التعدين في الطبقات العميقة والسميكة أكثر كفاءة واقتصادية.

الاستشهاد: Wu, S., Xu, X., Wang, J. et al. Optimization of drawing parameters based on top-coal flow law in thick-seam caving mining. Sci Rep 16, 12078 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35742-9

الكلمات المفتاحية: تعدين انزلاق القمة الطويلة, استرداد الفحم, تحسين التعدين, ضبط الشوائب (الزنغ), طبقة فحم سميكة