دراسة تجريبية حول تطور تشوه الانضغاط وخصائص تبديد الطاقة في كتلة صخرية مكسرة متدرجة

لماذا تهم الصخور المسحوقة تحت الأرض

في أعماق المناجم الفحمية، تُترك الأنفاق أحيانًا مملوءة جزئيًا بتلال من الصخور المكسرة. مدى إحكام تكدس هذه الأنقاض وكيف تطلق طاقتها أثناء تحركها يؤثران على ما إذا كان الغاز يتسرب بأمان أم يتجمع ليشكّل انفجارًا خطيرًا. تستكشف هذه الدراسة كيف تضغط خلطات مختلفة من قطع الصخور الكبيرة والصغيرة، وكيف تتغير الفراغات بينها، ومقدار الطاقة المخفية التي تُطلق أثناء الضغط — معرفة يمكن أن تجعل التعدين أكثر أمانًا وكفاءة.

كيف ضُغطت الصخور واستُمع إليها

جمع الباحثون حجر الرملي الحبيبي الناعم من منجم فحم صيني وطحنوه إلى جزيئات ضمن خمس نطاقات حجمية، من بضعة مليمترات وحتى 25 مليمترًا. باستخدام وصفة رياضية تسمى مؤشر التدرج، صنعوا خمس خلطات مختلفة، تراوحت من خلطات غالبة عليها القطع الصغيرة إلى أخرى تحوي قطعًا أكبر. صُبّ كل عينة وزنها 2.4 كيلوجرام في أسطوانة فولاذية قوية وضُغطت من الأعلى، بينما شُدّت الجوانب لتكون صلبة — مشابهة لكيفية ضغط الصخور المكسرة في فراغ مُستخرج بحِمل الصخور المتراكمة فوقه. في الوقت نفسه، استمعت حساسات صوتية حساسة لموجات مرنة دقيقة تنتج عندما تنزلق الجسيمات أو تحتك أو تنكسر، وحوّلت هذه الإشارات إلى عدّات وقيم طاقة تتبع كيف أعيد ترتيب الإطار الصخري داخليًا.

ثلاث مراحل من الانضغاط

من خلال تتبّع الإجهاد والانفعال، وجد الفريق أن جميع الخلطات مرّت بثلاث مراحل واضحة من الانضغاط. جاءت أولًا مرحلة ابتدائية، حيث انزلقت الجسيمات المترابطة بشكل فضفاض وتدوّرت واستقرت في مواقع جديدة، مسببة تقصيرًا سريعًا تحت إجهاد منخفض نسبيًا. تلتها مرحلة خطية، فيها أصبح الهيكل أكثر استقرارًا وأنتج التحميل الإضافي علاقة خطية تقريبًا بين الإجهاد والتشوه؛ وهنا سيطر تكسر الجسيمات وتلامس السطوح بين الحبيبات. أخيرًا ظهرت مرحلة تماسك بلاستيكية، حيث أصبحت كتلة الصخور صلبة ومقاومة لمزيد من التقصير: فأدى الإجهاد الإضافي إلى تشوه إضافي طفيف فقط لكن مع تفتّت محلي أكثر شدة. وصلت الخلطات الغنية بالجزيئات الدقيقة إلى هذه المراحل المتأخرة أسرع وبقيت أطول في المرحلة الصلبة النهائية، بينما احتاجت الخلطات الغنية بالخشن إلى إجهادات أعلى لتحقيق نفس مقدار التقصير.

كيف تتطور الفراغات وأحجام الجسيمات

انكمشت الفراغات بين الجسيمات بنمط ثلاثي المراحل يعكس مراحل التشوه: هبوط سريع، تراجع أبطأ، ثم شبه هدوء مع اقتراب المادة من حالتها الكثيفة النهائية. بدأت العينات التي تحتوي على جزيئات كبيرة بفراغات أكبر وخسرت مساحة فراغ أكبر إجمالًا، لكن نسبة الفراغ لديها انخفضت أسرع عند الإجهادات المنخفضة. بعد الانضغاط، أظهر الغربلة أن جميع الخلطات أنتجت العديد من الشظايا الصغيرة الجديدة أصغر من 2.5 مليمتر، بينما انخفضت نسبة الجسيمات الأكبر بشكل حاد. ازداد مقياس كسري لتماثل تعقيد أحجام الجسيمات لكل عينة، وجمعت القيم النهائية في نطاق ضيق، مما يعني أن الانضغاط يميل إلى تمليس الاختلافات الأولية بين الخلطات. ومع ذلك، أنهت الخلطات الغنية بالخشن التوزيعات الحجمية النهائية أبسط قليلًا (أقل تفتتًا) من الخلطات الغنية بالدقائق.

همسات واندفاعات الطاقة داخل الأنقاض

كشفت القياسات الصوتية أن أنماط إطلاق الطاقة اتبعت أيضًا المراحل الثلاث. في المرحلة المبكرة، كانت الإشارات متكررة لكن ضعيفة، مما يعكس الاحتكاك والتعديلات الصغيرة بين الحبيبات. خلال المرحلة الخطية نما كل من عدد الحوادث وطاقةها الإجمالية بقوة مع بدء تشقق الجزيئات الأكبر وإعادة تنظيم البنية الداخلية. في المرحلة النهائية انخفض عدد الحوادث، لكن اندفاعات الطاقة الفردية أصبحت أقوى بكثير، مرتبطة بكسر عرضي لبعض الشظايا الكبيرة المتبقية داخل هيكل صارم بالفعل. أنتجت الخلطات ذات الجزء الأكبر من الدقائق عددًا أكبر بكثير من الحوادث منخفضة الطاقة، بينما ولّدت الخلطات المهيمنة عليها الحبيبات الخشنة حوادث أقل لكن أكثر طاقة، مظهرة تحوّلًا من «الكثير من الهمسات الصغيرة» إلى «انفجارات قليلة وصاخبة» مع تغير توزيع الحجوم.

ما دلالة ذلك على سلامة المناجم

بشكل عام تُظهر الدراسة أن طريقة تدرج الصخور المكسرة — نسبة المادة الدقيقة مقابل القطع الخشنة — تتحكم بقوة في كيفية انضغاطها، وكيف تُغلق فراغاتها، وكيف تتطور ضغوط الجوانب، وكيف تُطلق الطاقة المخزنة. مع مرور الوقت، تميل الخلطات المبدئية المختلفة إلى التقارب نحو حالات كثيفة ومفتتة ناعمًا مماثلة، لكنها تسلك مسارات ميكانيكية وطاقية مختلفة جدًا للوصول إلى هناك. بالنسبة لمهندسي المناجم، يساعد فهم هذه المسارات في التنبؤ بكيفية تضيق مناطق الفراغ (الجووف)، وكيف تُفتح أو تُغلق مسارات الغاز، ومتى قد تنشأ تجمعات خطرة من الإجهاد والطاقة، موفرًا أساسًا علميًا لتحسين مخططات تصريف الغاز والتحكم في كوارث الصخور والغاز في المناجم العميقة للفحم.

الاستشهاد: Peiyun, X., Wuyi, Y., Shugang, L. et al. Experimental study on the compaction deformation evolution and energy dissipation characteristics of graded broken rock mass. Sci Rep 16, 6606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36352-1

الكلمات المفتاحية: انضغاط الصخور المكسرة, فراغ المناجم الفحمية, المواد الحبيبية, الإصدار الصوتي, الوقاية من كوارث الغاز