تأثير الحشو المعجون الأسمنتي على الخصائص الميكانيكية واستقرار أعمدة الفحم في التعدين الجانبي المحفوري المفتوح

تحويل نفايات المناجم إلى نظام دعم

تترك المناجم المفتوحة للفحم في كثير من الأحيان كميات كبيرة من الفحم ذات القيمة محجوزة تحت منحدراتها النهائية، لأن استخلاصها قد يضعف الأرض ويؤدي إلى انزلاقات أرضية. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن استخدام "حشو معجون أسمنتي" مُصمم خصيصاً —مصنوع في الغالب من نفايات التعدين— لدعم هذه المنحدرات بأمان مع السماح باستخراج كمية أكبر من الفحم. للقارئ المهتم بالاستخدام الأنظف للموارد والتعدين الآمن وإعادة تدوير النفايات الصناعية بشكل مبتكر، يقدم العمل مثالاً ملموساً على كيفية تحويل مشكلة إلى أصل إنشائي بواسطة الهندسة.

لماذا تهم أعمدة الفحم للسلامة

في التعدين الجانبي، تقطع الآلات أنفاقاً أفقية في طبقة الفحم المكشوفة على جدار المحجر، تاركة أعمدة صلبة من الفحم —تسمى أعمدة— لتدعم الصخر الواقع أعلاها. هذه الأعمدة حاسمة لمنع تشوه المنحدر أو انهياره، لكن تركها يعني فقدان قدر كبير من الفحم لا يمكن استعادته. في أحد المناجم المفتوحة في الصين، أدى الاستخدام المبكر للتعدين الجانبي دون حشو إلى هبوط أرضي على المدرجات وطرق النقل، مما أثار مخاوف بشأن الاستقرار طويل الأمد. كان السؤال الذي طرحه الباحثون: هل يمكننا استبدال جزء من وظيفة هذه الأعمدة عن طريق ملء الفراغات المستخرجة بحشوة معجونة وأسمنتية محكومة، بحيث يمكن إزالة المزيد من الفحم بأمان؟

بناء وتحطيم أعمدة مصغرة

لمعالجة ذلك، أعاد الفريق إنشاء نظام الفحم–الحشو في المختبر باستخدام عينات مكعبة الشكل من الفحم مأخوذة من منجم حقيقي. صبوا حشوة معجونة أسمنتية مصنوعة من صخور محطمَة، ورماد طيران، وأسمنت، وماء على جانبي قطعة الفحم، مكوِّنين ساندويتش "حشو–عمود فحم–حشو". بتغيير عاملين رئيسيين—ارتفاع الحشو مقارنة بعمود الفحم (نسبة الحشو) وقوة المعجون نفسه—تمكنوا من ملاحظة مقدار الدعم الذي يوفره الحشو فعلاً. ثم ضغطت هذه العينات داخل حاوية فولاذية قوية تحاكي التضييق المتواجد فعلياً في جدار المحجر، بينما سجلت الأجهزة استجابة الفحم والحشو مع تزايد الحمل.

كيف يغير الحشو نمط فشل الفحم

كشفت منحنيات الإجهاد–الانفعال —بصمة كيفية حمل المادة للحمل— عن قصة مكوَّنة من خمس مراحل: ضغط المسام، حمل الفحم للحمل بشكل مرن، تكوّن وتشابك الشقوق، الفشل الرئيسي للفحم، وأخيراً، في بعض الحالات، استمرار تحمل الفحم للحمل بفضل الحشو المقيد. عند نسب حشو منخفضة وقوة معجون ضعيفة، كان أداء الفحم أسوأ مقارنة بالفحم دون حشو؛ لم يقم الحشو بتقييد العمود بشكل كامل ونقل الفشل إلى الجزء العلوي الأقل دعماً، الذي انهار بشكل انفجاري إلى شظايا. مع زيادة ارتفاع الحشو وقوته، تغير نمط الفشل. أصبح التشفّق أكثر توزّعاً عبر العمود، قل الانتفاخ الجانبي الكبير، وعند نسبة حشو 95% مع معجون قوي، أظهر الفحم تشققات سطحية طفيفة وبقي إلى حد كبير سليماً.

من مادة حشوية خاملة إلى شريك نشط

نتيجة رئيسية هي أن الحشو لا يقتصر دوره على شغل الفراغ فقط. عندما يكون قصيراً جداً بحيث لا يلامس سقف الصخر، يمكنه فقط أن يرد بالمقاومة بعد أن ينتفخ الفحم للخارج، مما يوفر حماية محدودة. لكن عندما يكون الحشو مرتفعاً بما يكفي ليلامس السقف —أي نسبة حشو تقارب 100%— يصبح شريكاً إنشائياً فعالاً. يشارك جزءاً من الحمل الرأسي، وينتفخ جانبياً تحت الضغط، ويضغط على عمود الفحم قبل حدوث التشقق الرئيسي، مما يضع الفحم تحت حالة إجهاد ثلاثية الأبعاد أكثر ملاءمة. في الاختبارات، ارتفعت مقاومة فشل أعمدة الفحم باستمرار مع زيادة نسبة الحشو وقوة المعجون، ثم قفزت عند تحقيق تماس مع السقف، واحتفظت الأعمدة ببعض السعة حتى بعد الفشل الأولي. أكدت المحاكاة العددية لمنحدر المحجر بأكمله أن الحشو الكامل الارتفاع والقوي قلص بشكل حاد تشوه الأعمدة، وقلص مناطق التلف في المنحدر، ومكّن من استرداد كل الفحم بين الفتحات بأمان.

تداعيات لتعدين أكثر أماناً وأنظف

للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن كيفية إعادة ملء الفراغات المستخرجة يمكن أن تحدد بشكل قاطع كلاً من السلامة وكفاءة الموارد. تُظهر هذه الدراسة أن الحشو المعجون الأسمنتي المصمم جيداً —خصوصاً عندما يصل ويضغط بإحكام على السقف— يمكن أن يتحول من مجرد تصريف نفايات إلى نظام دعم مهندس. يمكنه أن يسمح للمناجم المفتوحة باستخراج ما يقرب من كل الفحم تحت المنحدرات، مع إبقاء حركات الأرض صغيرة وتقليل خطر فشل المنحدر. عملياً، يشير المؤلفون إلى أن المهندسين لا يزالون بحاجة لتجاوز عقبات فنية، مثل الانكماش والفجوات الصغيرة عند السقف، باستخدام مضافات أو حقن ثانوي. لكن الخلاصة واضحة: الاستخدام الذكي للحشو يمكن أن يساعد المناجم على استرداد موارد أكثر، وتثبيت منحدراتها، وإعادة تدوير كميات هائلة من صخور النفايات في الوقت نفسه.

الاستشهاد: Han, L., Chen, X., Chen, T. et al. Impact of cemented paste backfill on mechanical properties and stability of coal pillars in open pit highwall mining. Sci Rep 16, 5717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36528-9

الكلمات المفتاحية: التعدين الجانبي عالي الجدار, الحشو المعجون الأسمنتي, استقرار أعمدة الفحم, تشوه المنحدر, إعادة تدوير مخلفات المناجم