آلية زيادة التشوّه العكسية في ضلع الفحم الأصلي مقارنةً بضلع الركيزة في ممر جانب التجويف في طبقة فحم فائقة السمك

لماذا يمكن أن تنغلق الأنفاق تحت الأرض فجأة

مع ازدياد عمق مناجم الفحم والسعي وراء الطبقات الأكثر سمكاً، يحفر المهندسون أنفاقاً طويلة بجانب تجاويف واسعة تتشكّل بعد التعدين. يجب أن تبقى هذه الممرات مفتوحة للهواء والناس والآلات، لكنها تقع في صخور تحت ضغوط هائلة. تبحث هذه الدراسة في سلوك محيّر وخطير لوحظ في منجم صيني: بدلاً من أن يتعرض جدار النفق المواجه للتجويف المُستخرج إلى أكبر تلف، بدا أن جدار الفحم «السليم» في الجانب المقابل تشوَّه أكثر. فهم سبب حدوث ذلك ضروري من أجل تعدين تحت أرضي أكثر أماناً وكفاءة.

نوع جديد من ضمّ الأنفاق

في مناجم الفحم الصينية الحديثة، تُستخرج الطبقات فائقة السمك التي تزيد عن 15 متراً غالباً باستخدام الحفر الآلي مع انهيار الفحم العلوي. بعد إزالة لوحة من الفحم، ينهار الغطاء الصخري إلى الفراغ، مكوناً منطقة من الردميات تُسمى فضلات التجويف (gangue). تُحفر بعد ذلك ممرات جديدة تُعرف بممرات جانب التجويف قريبة من هذه الفضلات مع ترك ركاز ضيّق من الفحم كعازل. تقليدياً، يتوقع المهندسون أن يتشوه الجدار المواجه للتجويف (جانب ركاز الفحم) أكثر من الجدار المواجه للصخور غير المقطوعة (جانب الفحم الأصلي). ومع ذلك، أظهرت مراقبة اللوحة 8211 في طبقة سمكها 15.1 متر العكس: بعد حوالي 50 يوماً، بدأ جدار الفحم الأصلي يتحرك إلى الداخل أكثر من جانب الركيزة، وهو نمط يسمّيه المؤلفون «زيادة التشوّه العكسية» (RDI).

مراقبة فشل الصخر ببطء

وثّق الفريق أولاً ما كان يحدث تحت الأرض. قاسوا مقدار تقارب جدران النفق مع مرور الوقت، وفحصوا تلف المسامير والكابلات والهياكل الحاملة، واستخدموا كاميرات في آبار لمشاهدة عمق تكسّر الفحم. أظهرت الجهتان للنفق تلفاً قوياً، لكن ركاز الفحم بسمك 8 أمتار كان متشققاً بالكامل، بينما كان للفحم الأصلي منطقة خارجية مكسّرة بشدّة بعمق نحو 4.3 متر ونواة داخلية أقوى. كشفت مقاييس الإجهاد أن الجزء المركزي من الركيزة كان يحمل أحمالاً متواضعة فقط، ما يشير إلى أنه تآكل بشدّة، بينما ظل الفحم الأصلي العميق يحمل إجهاداً يقارِب الضغط الحُضي الأصلي. هذا الجمع — صخر سطحي مُتضرر بشدّة على كلا الجانبين مع منطقة أعمق لا تزال قوية في الفحم الأصلي — مهد لحركات غير متوقعة.

تجارب حاسوبية على لغز مدفون

لفكّ آلية الحدوث، بنى الباحثون نموذجاً رقمياً ثلاثي الأبعاد مفصلاً للمَنعِم مستخدمين خصائص صخرية وخطوات تعدين واقعية. تغيّروا ثلاثة عوامل رئيسية: مدى ضغط فضلات التجويف الجانبي على ركاز الفحم أفقياً، وعرض ركاز الفحم، وموعد حفر الممر بالنسبة للتعدين أعلاه. أظهرت المحاكاة أن RDI يظهر فقط عندما تكون مساحة تماس الفضلات مرتفعة بما يكفي — يجب أن يرتفع تماسها مع الركيزة أكثر من 20 متراً. عند هذه النقطة، يتصرف الصخر المكسّر في التجويف كدعامة جانبية صلبة، تدعم ركاز الفحم بحيث يتشوه أقل باتجاه النفق. في المقابل، تنحني طبقات الصخر السليمة أعلاه نحو الأسفل باتجاه النفق وتضغط بقوة أكبر على جدار الفحم الأصلي. النتيجة هي ضغوط أفقية وعمودية أعلى في ضلع الفحم الأصلي، الذي يندفع بعد ذلك أبعد إلى داخل النفق مقارنةً بجانب الركيزة.

ما الذي يغيّر حجم الركيزة وتوقيتها فعلاً

تبين أن عرض ركاز الفحم وتوقيت حفر النفق يعدّلان مقدار شدة RDI، لكن لا يحددان إمكانية حدوثه. عندما يكون ارتفاع تماس الفضلات كبيراً، فإن الركيزة الضيقة (مثلاً 5–8 أمتار) تدعمها فضلات التجويف بسهولة وتُظهر حركة داخلية نسبية صغيرة، بينما يتعرض جدار الفحم الأصلي لتشوّه أكبر بكثير. ومع ازدياد عرض الركيزة (نحو 30 متراً أو أكثر)، تتساوى الضغوط والأضرار على الجانبين وتتحرك الجدران بمقادير متقاربة. كما أن التوقيت مهم: إذا تم حفر الممر بعد وقت قصير من استخراج اللوحة العليا — بينما لا تزال الطبقات العلوية تستقر — تميل الركيزة إلى التحرك نحو التجويف، مما يقلل أكثر من حركتها الداخلية إلى النفق ويُعزّز RDI. وبمجرد استقرار الطبقات العلوية، يضعف RDI لكنه لا يختفي طالما بقي ارتفاع دعم الفضلات كبيراً.

كيف يمكن للمهندسين الحفاظ على فتح النفق

استناداً إلى هذه الرؤى، جرّب المؤلفون عدة مخططات تدعيم في نموذجهم ثم تحت الأرض. لم يكن كافياً مجرد إضافة المزيد من المسامير القصيرة لوقف جدار الفحم الأصلي عن التشوّه أكثر. كانت أنجع استراتيجية هي تقوية الجدارين بمسامير أطول إلى جانب كابلات عالية السعة، مما يمنح الطبقة الخارجية المتضررة من الفحم وسيلة «للارتكاز» إلى الصخور الأعمق الأقوى. هذا وزّع الحمل بشكل أكثر توازناً بين ركاز الفحم والفحم الأصلي. أظهرت القياسات الميدانية بعد تركيب هذا الدعم المركب أن تشوّه النفق استقر خلال نحو شهر، وانتهى الأمر بأن أظهرت الجدران مقدار حركة داخلية متشابهة وأصغر بكثير — متوافقة مع متطلبات السلامة والتشغيل.

ما الذي يعنيه هذا لتعدين الفحم العميق

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أنه في طبقات الفحم فائقة السمك والمدفونة عميقاً، قد يكون جدار النفق الذي يبدو أكثر أماناً على الورق هو فعلياً أول من يفشل. يمكن أن تعمل الردميات في التجويف المُستخرج، بدلاً من أن تكون مجرد ناتج سلبي، كدعامة قوية لركاز الفحم بحيث يصبح جانب الفحم السليم الحلقة الأضعف تحت سقف صخري منحني. من خلال تحديد ارتفاع دعم الفضلات كمشغّل وبيان كيف يتفاعل حجم الركيزة والتوقيت والتدعيم، تقدم هذه الدراسة وصفة أوضح لتصميم تدعيمات تبقي الممرات الحيوية تحت الأرض مفتوحة وتزيد من أمان العمال.

الاستشهاد: He, W., Chen, D. & Zhu, H. Mechanism of reverse deformation increase in the virgin coal rib compared to the pillar rib of the gob-side entry in an extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 5724 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35947-y

الكلمات المفتاحية: التعدين تحت الأرض للفحم, تشوه الصخور, مراقبة استقرار الأرض, تصميم ركائز الفحم, ممر جانب التجويف