آلية انتشار حقن الوسائط المسامية بناءً على خصائص تغير الطور لمعجون المخلفات الخالية

تحويل نفايات المناجم إلى أداة مفيدة

تترك التعدينات الحديثة خلفها بحيرات شاسعة من المخلفات الدقيقة تُسمى المخلفات الخالية، والتي يمكن أن تتسرب منها معادن وتهدد السدود. يتعلَّم المهندسون إعادة استخدام هذه المخلفات الطينية كمادة إنشائية عن طريق ضخها في التربة الضعيفة أو في الفراغات داخل المناجم، وهي عملية تُعرف بالحقن. تطرح هذه الدراسة سؤالاً يبدو بسيطاً لكنه ذو تداعيات كبيرة على السلامة: عندما يتدفق هذا المعجون القائم على المخلفات عبر الأرض ويتصلب تدريجياً، كيف يتحرك بالضبط وكم الضغط اللازم لدفعه؟

لماذا يهم التدفق والتصلب

غالباً ما يُعامل الحقن، في الحسابات، كما لو أن الخليط المحقون يبقى سائلًا رقيقًا طوال مدة تحركه تحت الأرض. في الواقع، يتصرف معجون المخلفات أشبه بمعجون أسنان ناعم يتصلب تدريجياً إلى ما يشبه الصخر. إذا تم تجاهل هذا التصلب البطيء، قد يبالغ المهندسون بشدة في تقدير مدى انتشار المعجون ويقللون من تقدير الضغط المطلوب لدفعه خلال التربة أو المخلفات. وبما أن الأرض الحقيقية عبارة عن متاهة من المسامات المتعرجة — وليست أنابيب مستقيمة — فإن النظريات المبسطة قد تضلل التصاميم، مما يعرض التعزيز للخطر أو حتى يسبب أضراراً في المنشآت المجاورة.

ملاحظة سماكة المعجون في الوقت الحقيقي

قام الباحثون أولاً بخلط المخلفات الدقيقة مع الأسمنت والجير ورماد الفحم والماء بوصفات محكمة التحكم، ثم استخدموا ريووميتر دوّار دقيق لقياس سهولة قص وتدفق المعجون على مدى ساعتين. غيَّروا متغيرين رئيسيين يمكن للمشروعات العملية التحكم بهما: درجة الحرارة (10°C و25°C و50°C) ونسبة الماء إلى الأسمنت (من نسب جافة نسبياً، 1.0، إلى أكثر سيولة، 3.0). طابقت استجابة المعجون نوعاً من المواد ذات عتبة الانسياب المعروفة بسائل بينغهام: أدنى من عتبة دفع معينة يتحرك بصعوبة، وفوق هذه العتبة يتدفق. والأهم أن كل من إجهاد العتبة واللزوجة الظاهرة ازدادا مع الزمن، ويمكن وصف كلاهما بمنحنيات رباعية بسيطة في الزمن. أدت الخلائط الأكثر جفافاً ودرجات الحرارة الأعلى إلى تصلب أسرع وأقوى للمعجون، مع أن محتوى الماء كان له التأثير الأكبر.

من منحنيات المختبر إلى تدفق تحت الأرض

بعد ذلك، بنى الفريق نموذجاً رياضياً لكيفية انتشار هذا المعجون الذي يزداد سماكة بمرور الزمن عبر وسط مسامي. عالَجوا شبكة المسام المتعرجة كحزم من الأنابيب الضيقة، وأخذوا في الحسبان أن بعض مناطق الأنبوب تحمل «سدادة» صلبة من المعجون شبه غير الممزوج، وسمحوا لكل من إجهاد العتبة واللزوجة أن يعتمدا على عمر المعجون منذ الخلط. بربط تدرجات الضغط المحلية وسرعة التدفق المتوسطة وخصائص المادة المتطورة، استخرجوا معادلة تتنبأ بكيفية زيادة ضغط الحقن مع الزمن مع تقدم جبهة المعجون إلى داخل الأرض.

اختبار النظرية في عمود رملي طويل

لمعرفة ما إذا كانت النظرية تتطابق مع الواقع، أنشأ المؤلفون وعاء اختبار فولاذي بارتفاع 2.4 متر حُشِي بأنواع مختلفة من الرمال والطمي القائمة على المخلفات. حقنوا معجون المخلفات بمعدلات تدفق ودرجات حرارة ونسب خليط محكومة، ورصدوا الضغط عند اثني عشر عمقاً. في جميع الحالات التجريبية التسع، ارتفع الضغط عند كل حساس مع الزمن وكان أعلى قرب أنبوب الحقن. أظهرت منحنيات الضغط-الزمن سلوكاً ذا مرحلتين واضحتين: جزء مبكر شبه خطي يرتفع بلطف، يتبعه ارتفاع متسارع لاحقاً مع زيادة سماكة المعجون وصعوبة اختراق مسارات التدفق. عندما قارنوا تنبؤات النموذج بالقياسات، تتبعت نسخة بينغهام المتغيرة زمنياً البيانات بشكل أفضل بكثير من النسخة القديمة التي افترضت إجهاد عتبة ثابتاً، ما قلص الأخطاء الإجمالية إلى حوالي 10%.

ما الذي يعنيه هذا لحقن أكثر أماناً وذكاءً

لغير المتخصصين، الخلاصة أن معجون نفايات المناجم ليس مجرد ماء قذر — إنه مادة حية تتكاثف أثناء تحركها، ويمكن لتغييرات صغيرة في محتوى الماء أو درجة الحرارة أن تغير بشكل كبير كيفية تدفقها تحت الأرض. من خلال التقاط هذا التغير الطوري في القياسات المخبرية ونموذج تدفق محسن، تقدم الدراسة للمهندسين وسيلة أكثر واقعية للتنبؤ بمدى انتشار مثل هذه المعاجين وكيفية تراكم ضغط الحقن مع الزمن. يمكن أن يساعد ذلك في تصميم سدود مخلفات أكثر أماناً، وتعزيز أرضي أكثر موثوقية، وإعادة استخدام أفضل لنفايات التعدين، ما يقلل المخاطر البيئية ويجعل البناء تحت الأرض أكثر قابلية للتنبؤ.

الاستشهاد: Xing, S., Jia, J., Zheng, C. et al. Porous media grouting diffusion mechanism based on tailings slurry phase change characteristics. Sci Rep 16, 5571 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36009-z

الكلمات المفتاحية: معجون المخلفات الخالية, الحقن, الوسائط المسامية, اللزوجة, إعادة استخدام نفايات المناجم