معيار عدم الاستقرار الكارثي لكتلة الصخور في السقف والجدران الجانبية للطريق تحت تفجير الأسقف ذات الحفر العميقة في منجم سونغشان

لماذا يمكن للتفجير أن يهز نفقًا منجمياً

تعتمد المناجم الحديثة غالبًا على الانفجارات المحكومة لتخفيف الضغوط في الصخور فوق أنفاقها ومنع اندفاعات الصخور الخطيرة. لكن كل تفجير يرسل أيضًا موجات صدمة قوية عبر الفراغ تحت الأرض. تطرح هذه الدراسة سؤالاً عمليًا ذا عواقب مادية: ما مقدار المتفجرات الذي يمكن استخدامه بأمان قبل أن ينهار سقف الممر أو جدرانه الجانبية فجأة، وكيف يمكن للمهندسين التنبؤ بذلك النقطة الحرجة مسبقًا؟

صورة نفق تحت الأرض تحت إجهاد

ركز الباحثون على منجم فحم عميق في سونغشان، الصين، حيث يتكون سقف الممر من الحجر الرملي السميك والمطبق فيما تكون جدران الفحم الجانبية لينة وضعيفة نسبيًا. لتخفيف الضغوط الشديدة الناجمة عن التعدين، يقوم المهندسون بحفر ثقوب عميقة في السقف أمام واجهة العمل وملؤها بالمتفجرات. عند التفجير، تتسبب هذه الشحنات عمدًا في تشقق وإضعاف السقف القوي بحيث يفشل بطريقة مسيطرة، بدلًا من أن يفشل بعنف ودون سابق إنذار. مع ذلك، فإن نفس التفجيرات تهز الممر نفسه. يمكن للاهتزاز القوي أن يدفع الصخور التي هي بالفعل تحت إجهاد حول النفق إلى ما بعد نقطة حرجة، مما يؤدي إلى تشوه مفاجئ «كارثي» بدلًا من حركة تدريجية يمكن التحكم بها.

تحويل حركة الصخور إلى توازن طاقة

لفهم متى قد يحدث هذا الفشل المفاجئ، اعتبر المؤلفون السقف المطبق فوق الممر كعوارض بسيطة مستندة على دعاماتها. كتبوا معادلة للطاقة الكلية المخزنة والمطلقة في هذا العارض، بما في ذلك انحناء الصخر، وزن الطبقات العلوية، مقاومة أنظمة الدعم مثل المسامير، والدفع الإضافي من اهتزازات التفجير. باستخدام فرع من الرياضيات يُدعى نظرية الكارثة، حولوا هذا التعبير الطاقي إلى نموذج «المِقَوسة» القياسي الذي يصف الأنظمة التي تظل هادئة ثم تقفز فجأة إلى حالة جديدة بمجرد عبور الظروف عتبة معينة. في هذا الإطار، تعمل كمية المتفجرات وقوة الدعم كمقابض تحكم، بينما يكون انحراف السقف هو استجابة النظام.

كمية المتفجرات الآمنة؟

من نموذج المِقَوسة، استنتج الفريق صيغًا لحِمل تفجيري حرج ومن ثم شحنة متفجرات حرجة للسقف. إذا كانت الشحنة الفعلية أقل من هذه القيمة، يمكن للسقف امتصاص الاضطراب والبقاء مستقرًا؛ وإذا تجاوزت الشحنة هذه القيمة، يتنبأ النموذج بفقدان مفاجئ للثبات. استخدموا نهجًا مشابهًا للجدران الجانبية، التي يمكن أن تفشل من خلال مزيج من التشقق العمودي والانزلاق على طول منطقة مضعفة. هنا بنى المؤلفون نموذجًا ميكانيكيًا لكتلة محتملة انزلقت من الفحم والصخر، وكتبوا مرة أخرى تعبيرًا للطاقة الكلية، وطبقوا نظرية الكارثة للحصول على حد شحنة حرجة ثانٍ لثبات الجدران الجانبية. في كلتا الحالتين، تُظهر النتائج أن الشحنات الأكبر، والمسافات الأقصر من مصدر التفجير، والصخور أو الدعامات الأضعف كلها تخفض الحد الآمن.

ما الذي علّمته منجم سونغشان للنموذج

مسلحين بقياسات مخبرية لقوة الصخور، وقياسات ميدانية لاهتزازات التفجير، وشكل ممر وجه العمل 2205 في منجم سونغشان، حسب الباحثون قيم شحنة حرجة محددة. من الناحية النظرية كان بإمكان السقف المطبق أن يتحمل ما يقرب من 100 كيلوغرام من المتفجرات لكل دورة تفجير، بينما حدّت الجدران الجانبية الأكثر هشاشة الشحنة الآمنة إلى نحو 93 كيلوغرامًا. كان المنجم يستخدم في البداية 26 كيلوغرامًا فقط لكل دورة لتجنب الضرر، مما أبطأ العمل. مسترشدين بالمعايير الجديدة، زاد المهندسون الشحنة إلى نحو 79 كيلوغرامًا — أقل بكثير من الحد المحسوب لكنه كافٍ لتحسين الكفاءة. أظهرت المراقبة هبوطًا طفيفًا إضافيًا في السقف (5 مليمترات) وحركة متواضعة في الجدران الجانبية (11 مليمترًا) في الأيام التي أعقبت التفجير، مما أكد بقاء الممر مستقرًا.

قواعد عملية لتفجير أكثر أمانًا

لغير المتخصصين، الرسالة الرئيسية أنه لا تحدث حالات الانهيار الخطرة في الأنفاق تحت التفجير بشكل عشوائي: فهي تظهر عندما تدفع طاقة الاهتزاز نظام الصخور إلى ما وراء نقطة تحول يمكن تعريفها رياضيًا. من خلال الجمع بين قياسات خواص الصخور، هندسة النفق، قوة الدعم، واهتزازات التفجير، تقدم هذه الدراسة صيغًا للحد الأقصى للشحنة المتفجرة الآمنة لكل من السقف والجدران الجانبية. كما تبرز رافعات واضحة للسلامة: زيادة الدعم، نقل التفجيرات إلى مسافات أبعد عن الممر، تقسية الصخور الضعيفة بتقنيات مثل الحقن بالخرسانات، وتقييد الشحنة لكل تفجير. عند تطبيقها معًا، تساعد هذه الأفكار المناجم على استخدام التفجيرات العميقة القوية للتحكم في ضغط السقف مع الحفاظ على سلامة الممرات تحت الأرض — والناس العاملين فيها.

الاستشهاد: Guo, D., Chen, J., Wang, H. et al. Catastrophic instability criterion for roadway roof and sidewall rock mass under deep-hole roof blasting in Songshan coal mine. Sci Rep 16, 6448 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36794-7

الكلمات المفتاحية: التفجير ذو الحفر العميقة, ممر منجم الفحم, ثبات كتلة الصخور, دعم السقف والجدران الجانبية, نظرية الكارثة