آلية وتطبيق رسْو التثبيت بحفر قاع ثقب على شكل إسفين مقلوب في طرق الأنفاق الرطوبية المتكتلة بالطين

إبقاء الأنفاق الهشة في المناجم ثابتة

عميقاً تحت الأرض، تمر العديد من أنفاق مناجم الفحم عبر صخور ناعمة غنية بالطين تميل إلى الانتفاخ والزحف والتفتت مع مرور الوقت. الدعامات الفولاذية التقليدية وحتى المسامير الحديث قد تفقد تماسكها مع تَشَوّه هذا الصخر الضعيف، ما يزيد من مخاطر انهيار السقف وإصلاحات المكلفة. تستكشف هذه الدراسة طريقة جديدة لرسْو مسامير الدعم بشكل أكثر أماناً عن طريق إعادة تشكيل نهاية ثقب الحفر نفسها، بحيث يتشابك الصخر والراتنج حرفياً كإسفين، مما يحافظ على الأنفاق أكثر أماناً واستقراراً لفترة أطول.

لماذا يصعب تثبيت أنفاق الصخور الناعمة

تُقْطَع العديد من ممرات الفحم في الصين عبر صخور طينية أو متكتلة بالطين تحتوي معادن تضعف عند البلل. هذه الصخور ضعيفة الترابط ومنخفضة القوة، وتميل إلى الانتفاخ والتصلُّب وطيننة الملمس عند ملامسة الماء. تحت الضغط المستمر للتعدين، تزحف جدران وسقوف النفق وتتشكّل. الإطارات الفولاذية التي تبدو فعالة مبدئياً قد تُدفع إلى الأرضية الطرية عندما يندفع الطين إلى الأعلى، في حين يغوص السقف ويتصدّع. المسامير الصخرية، التي أصبحت الآن الطريقة الرئيسية للدعم، تهدف إلى ربط طبقات الصخر الضعيفة معاً. لكن في هذا الوسط، كثيراً ما ينفصل الراتنج المستخدم للصق المسامير عن جدار الثقب، خصوصاً تحت الاهتزاز والرطوبة، ما يؤدي إلى تلاشي قوة الرسْو بسرعة.

تشكيل نهاية الثقب كإسفين

ركّز الباحثون على فكرة بسيطة لكنها فعالة: بدلاً من ترك قاع ثقب المسمار أسطواني الشكل، يكبّرونه ليأخذ شكل إسفين مقلوب باستخدام أداة توسعة خاصة. ثم يُلصق المسمار داخل هذا التجويف المتسع بالراتنج. في الواقع، لا يعتمد المسمار بعد ذلك على اللاصق فقط على طول جدار أملس؛ بل يُقفل ميكانيكياً داخل جيب أوسع من الصخر. بنى الفريق نموذجاً ميكانيكياً يقسم المسمار إلى ثلاث مناطق على طوله: مقطع حر قرب فتحة النفق، مقطع رسْو عادي، ومنطقة الرسْو المعاد تشكيلها في الطرف. باستخدام معادلات ميكانيكا الصخور، أظهروا أن هذا الجيب على شكل إسفين يزيد كثيراً من قوى القص والقبض على واجهة الراتنج والصخر، معزّزاً مقاومة القصور المحورية للمسمار حتى عندما يبدأ بعض الانزلاق في مكان آخر.

من المعادلات إلى نماذج المختبر واختبارات السحب

لاختبار الفكرة، صنع الفريق نماذج لجدار النفق بمقياس مصنوعة من مواد مُمَزَجة لتقليد الصخور الناعمة ذات القوة المنخفضة. حفروا ثقوب المسامير داخل أنابيب بلاستيكية PVC ثم وسّعوا يدوياً قيعان الثقوب لتشكيل أَسافين مقلوبة بأطوال وقطر وزوايا مختلفة. باستخدام راتنج شائع في المناجم (K2335)، تحققوا أولاً من جودة خلط الراتنج وتصلبه في هذه التجاويف المتسعة. إذا كان الإسفين كبيراً جداً أو طويلاً للغاية، بقيت أجزاء من الراتنج غير مخلوطة بشكل جيد وغير متصلّبة. عرّفوا "نسبة التصلب" لقياس مقدار الراتنج المتصلّب بالكامل. أما أفضل تركيبة فكان طول التوسيع 100 مم، وقطر أقصى 58 مم، وزاوية إسفين 9°، محققة نسبة تصلب 92.9%، ما يعني أن التجويف ملأ بكثافة وبشكل متجانس.

قبضة أقوى قبل الفشل وبعده

ثم أجرى الباحثون اختبارات سحب في المختبر، مقارنِين المسامير العادية بتلك المرسوة في هذه الجيوب الإسفينية، مع نفس طول الرسْو الكلي. في الحالتين، زادت قوة السحب مع الإزاحة حتى وصلت إلى قمة، ثم انخفضت مع بدء الانزلاق بين الراتنج والصخر. بالنسبة للمسامير العادية، كان الانخفاض حاداً، وكانت القوة المتبقية منخفضة، ناتجة أساساً عن احتكاك انزلاقي ضعيف. بالمقابل، حملت المسامير في التجويف الإسفيني المقلوب قوى متبقية مرتفعة بعد بدء الانزلاق لأن الشكل المتسع يمنع السحب الكامل ميكانيكياً. دعمت المحاكاة الرقمية ذلك: تحت حمل 160 كيلو نيوتن نفسه، زاد متوسط إجهاد القص على طول منطقة الرسْو بنحو 47% بتصميم الإسفين، وتركز الإجهاد بشكل مفيد قرب المنطقة الموسعة بدل أن يقتصر عند قاع الثقب فقط.

إثبات الفكرة في منجم فحم حقيقي

بعدها طبّق الفريق الطريقة تحت الأرض في ممر بصخور لينة في منجم فحم بمقاطعة شنشي. حفروا ووسّعوا قيعان الثقوب بأداة ذات جناح واحد مصممة ذاتياً، ودفعوا خرطوشات الراتنج إلى الجيب الموسّع، وخلطوها بالمسمار حتى ملأ الراتنج وتمسك بالصخور المتكسرة والسليمة على حد سواء. أظهرت مراقبة ثلاثة مسامير سقف أن قواها المحورية ارتفعت مع تشوّه الصخر المحيط ثم استقرت عند مستويات مرتفعة، دون الفقدان السريع للدعم الذي يُرى غالباً مع الرسْو التقليدي. أكدت قياسات هبوط السقف أن الأنفاق المدعومة بمسامير موسّعة على شكل إسفين مقلوب شهدت غَقْرَة أقل بكثير من تلك التي استخدمت مسامير قياسية، مما يدل على ممر أكثر أماناً واستقراراً.

ماذا يعني هذا لسلامة المناجم

للقارئ العام، الخلاصة أن إعادة تشكيل نهاية ثقب المسمار المخفية يمكن أن تُحدث فارقاً كبيراً في سلامة الأنفاق. عبر نحت جيب صغير على شكل إسفين في الصخر وملئه بالراتنج والفولاذ، ينشئ المهندسون نوعاً من رأس مرساة تحت الأرض يصعب سحبه وأقل عرضة للضعف مع الزمن. تُظهر الدراسة أنه مع أبعاد مختارة بعناية، لا يزيد هذا التصميم قوة التثبيت الأولية فحسب، بل يحتفظ بجزء كبير من تلك القوة حتى بعد بدء الانزلاق. بالنسبة لمناجم الفحم التي تحفر عبر صخور هشة وحساسة للماء، قد يُقلّل هذا الرسْو المحسّن من انهيارات السقف، ويخفض تكاليف الصيانة، ويجعل العمل تحت الأرض أكثر أماناً.

الاستشهاد: Zhang, H., Li, G., Xu, Y. et al. Mechanism and application of reaming anchorage of inverted wedge-shaped hole bottom in argillaceous cemented roadway. Sci Rep 16, 5094 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7

الكلمات المفتاحية: ممر صخري ناعم, رسْو مسمار الصخر, نفق منجم فحم, ثقب مسمار موسّع, دعم الأرض