دراسة خصائص الاهتزاز لقطع الصخور الصلبة المشقوقة مسبقًا بواسطة رأس الحفر

لماذا يهم تشقق الصخور تحت الأرض

مع تعمق المناجم والأنفاق داخل الصخور الصلبة، تُدفع الآلات التي تقطع تلك الصخور إلى حدودها. تواجه رؤوس الحفر — الآلات الكبيرة ذات الرؤوس الدوارة — قوى هائلة، واهتزازًا كثيفًا، وتآكلًا سريعًا عند اقتحامها للصخور الصلبة. تستعرض هذه الدراسة فكرة بسيطة لكنها قوية: إذا قمت بتشقق الصخور عمدًا مسبقًا، هل يمكن أن تجعل عملية القطع أكثر سلاسة وأمانًا وأقل ضررًا للآلات؟

كسر الصخور بطريقة ذكية

بدل الاعتماد فقط على القطع بالقوة، استخدم الباحثون طريقة تُسمى التشقق الميكانيكي المسبق. أولًا تُثقب فتحات في واجهة الصخر. ثم يُدخل جهاز هيدروليكي على شكل إسفين في كل فتحة ويُدفع ببطء إلى الخارج. لأن الصخر أضعف بكثير في الشد منه في الضغط، يؤدي هذا الدفع الخارجي المستمر إلى فتح تشققات مسيطَر عليها تمتد من الفتحات نحو السطح. وبفعّالية، تُحوّل واجهة الصخر إلى شبكة من خطوط الفشل المسبقة بحيث عندما يصل رأس الحفر لاحقًا فإنه يقطع صخرًا مضعفًا ومجزأً بدلًا من جدار صلب غير متصدع.

بناء جدار صخري وآلة افتراضيين

لدراسة هذه العملية بأمان وبشكل موفر، بنى الفريق نماذج حاسوبية مفصلة بدل الاعتماد فقط على الاختبارات تحت الأرض. مثلوا جدار الصخر كمجموعة كثيفة من الجسيمات الافتراضية المترابطة بحيث يمكن لتلك الروابط أن تتكسر وتكوّن تشققات. أتاح لهم ذلك محاكاة كيفية بدء التصدعات وانتشارها عند دفع الإسفين الهيدروليكي داخل الفتحات المثقوبة. بالتوازي، أنشأوا نموذجًا ثلاثي الأبعاد لرأس الحفر الحقيقي — بما في ذلك ذراع القطع المرن والطاولة الدوَّارة التي توجهه — ليروا كيف ينحني الجهاز ويهتز أثناء عمله.

إتاحة تفاعل الصخر والآلة

كانت الخطوة الأساسية جعل هذين النموذجين يتبادلان المعلومات في الوقت الحقيقي. بينما تحرك رأس القطع الافتراضي ودورانَه داخل الصخر، أعاد نموذج الصخر القوى الناتجة عن العديد من نقاط التلامس الصغيرة إلى نموذج الآلة. أعاد هذا التبادل ثنائي الاتجاه إعادة إنتاج كل من كيفية تفتت الصخر وكيف اهتزت الآلة استجابة لذلك. أجرى الباحثون سيناريوهين تحت ظروف قطع متماثلة: واحد بجدار صخري سليم وآخر حيث فتحت ثلاث فتحات مشقوقة مسبقًا، تمامًا كما في عملية التشقق المسبق الحقيقية.

أحمال أخف واهتزاز أهدأ

أظهرت المحاكاة أن التشقق المسبق يجعل مهمة رأس الحفر أسهل بشكل ملحوظ. في المتوسط، انخفض الحمل الكلي على رأس القطع بنحو 8 بالمئة، كما تقلصت تقلبات ذلك الحمل — القفزات المفاجئة التي يمكن أن تتلف الأجزاء — أيضًا. عند النظر إلى الاتجاهات بشكل منفصل، تراجعت القوى التي تسحب الآلة للأمام، وتدفعها جانبياً إلى داخل الصخر، وتضغطها لأعلى أو لأسفل كلها بعد وجود التشققات. عند تحويل إشارات الاهتزاز إلى مخططات ترددية، وجدوا أن معظم طاقة الاهتزاز تتركز في نطاق 20 إلى 30 هرتز. في هذا النطاق، انخفض الاهتزاز عند رأس القطع وذراع القطع والطاولة الدوارة بنحو 15 و9 و4 بالمئة على التوالي بعد التشقق المسبق، مما كشف عن تضعف متدرج وواضح للاهتزاز على طول الآلة.

التحقق من النموذج في العالم الحقيقي

للتأكد من أن النتائج الافتراضية تعكس الواقع، أجرى الباحثون اختبارات بالحجم الكامل باستخدام رأس حفر فعلي يقطع كتلًا من الحجر الطيني، مع فتحات مشقوقة مسبقًا وبدونها. ركبوا مجسات اهتزاز ثلاثية الاتجاه على رأس القطع والذراع وقارنوا القياسات مع نتائج المحاكاة. تطابقت شكل وقوة إشارات الاهتزاز، لا سيما في الاتجاه العمودي، بشكل وثيق؛ وكان الاتفاق الإحصائي عاليًا جدًا. أعطى ذلك ثقة في أن نموذج الصخر–الآلة المدمج يلتقط بحُسن صورة كيف يغيّر التشقق المسبق قوى القطع والاهتزاز.

ما يعنيه هذا للحفر المستقبلي في الأنفاق

بالنسبة للقارئ العادي، الخلاصة مباشرة: بتضعيف الصخور الصلبة بطريقة مسيطَر عليها قبل القطع، يمكنك تحويل عملية عنيفة ومطرقَة إلى عملية أكثر سلاسة وتوقّعًا. تقلل فتحات التشقق المسبقة الموضوعة بعناية صلابة كتلة الصخر، وتوجه طريقة انفصالها، وبذلك تخفّض كلاً من الحمل المتوسط والاهتزاز العنيف الذي تضطر رؤوس الحفر لتحمله. يمكن لذلك أن يطيل عمر الآلة، ويقلل تكاليف الصيانة، ويحسّن سلامة العمال، خاصة في الأنفاق العميقة عالية الإجهاد. ومع أن هناك حاجة لمزيد من العمل لتغطية التآكل طويل الأمد ونطاق أوسع من أنواع الصخور، تُظهر هذه الدراسة أن التحضير الذكي للصخر يمكن أن يكون مهمًا مثل قوة الآلة التي تقطعها.

الاستشهاد: Liu, H., Li, F., He, J. et al. Study on vibration characteristics of roadheader cutting pre-cracked hard rock. Sci Rep 16, 5933 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37089-7

الكلمات المفتاحية: حفر الصخور الصلبة في الأنفاق, اهتزاز رأس الحفر, التشقق الميكانيكي المسبق, قطع الصخور, التعدين تحت الأرض