تأثير تركيز الكتلة وعمر المعالجة على الخصائص الميكانيكية وتطور الضرر في حشو رمل الرياح

ملء الفراغات الخفية للحفاظ على سلامة المناجم

في أعماق بعض محاجر الفحم السطحية تكمن أنفاق وفراغات قديمة تحت الأرض، تُسمى جوَفًا، تركتها عمليات تعدين سابقة. إذا لم تُدعَم هذه الفراغات الخفية بشكل مناسب، فقد ينهار أو يهبط السطح أعلاه، مهددًا العمال والمعدات والمجتمعات القريبة. يستعرض هذا البحث كيفية تحويل رمل صحراوي منطوي على الريح إلى مادة حشو قوية وموثوقة تستطيع دعم الصخور فوق هذه الفراغات القديمة بأمان، مع إعادة تدوير مخلفات محلية وتقليل الاعتماد على رمل الأنهار النادر.

تحويل رمل الرياح إلى مادة داعمة

ركّز الباحثون على رمل الرياح—الرمل الناعم المنفوش الذي تحمله الرياح والمتوافر في شمال غرب الصين—كمكوّن رئيسي لحشو المناجم. مزجوا هذا الرمل واللويس (تربة غنية بالطين الناعم) مع مادة ربط مكوّنة من الأسمنت والرماد المتطاير، ثم أضافوا الماء للحصول على معجون قابل للضخ. بعد ضخه في الفراغات تحت الأرض، يتصلب هذا الخليط ليصبح "صخرًا صناعيًا" يدعم الطبقات الواقعة أعلاه. لتقييم أداء هذه المادة، أعدّ الفريق أسطوانات بحجم معياري بنسب تركيز كتلة مختلفة (نسبة المواد الصلبة في الخليط) تتراوح من 74% إلى 80%، وتركها تتعالج لأزمنة مختلفة من 3 إلى 28 يومًا.

اختبار القوة والصلابة والفشل

تعرضت العينات المتصلبة لضغط في جهاز انضغاط حتى فشلت، بينما كانت المستشعرات تلتقط أصوات التشققات الدقيقة داخل المادة. أظهرت هذه الاختبارات أن كلًا من الحمل الذي تتحمله العينات (القوة) ومقدار صلابتها (مقدار التشوه تحت الحمل) ارتفعا باطراد مع زيادة كثافة الخليط. عند تركيز كتلة 80% ومعالجة لمدة 28 يومًا، بلغت المادة أعلى قيم للقوة والصلابة. كما كان للزمن أثر: لم تنمُ القوة بشكل خطي، بل زادت بسرعة خلال الأسبوعين الأولين ثم تباطأت، مع استمرار تفاعل الأسمنت والرماد المتطاير مع الماء وربط الحبيبات ببعضها.

الاستماع للتشققات وتتبع الطاقة

لفهم أفضل لآلية فشل المادة، استخدم الفريق رصد الانبعاثات الصوتية—أي "الاستماع" إلى نشاط الشقوق الميكروسكوبية—وحللوا كيفية تخزين وإطلاق الطاقة الميكانيكية أثناء التحميل. عند التركيزات الأدنى، بدأت التشققات مبكرًا وانتشرت تدريجيًا عبر العينة، مولدة إشارات صغيرة عديدة وفشلًا أكثر مطّاطية. عند التركيزات الأعلى، كان البنية الداخلية أكثر انتظامًا وترابطًا، فاستطاعت المادة تخزين طاقة مرنة أكبر، مثل نابض مضغوط. قبل الفشل مباشرة، أُطلقَت هذه الطاقة المخزنة فجأة، مسببة دفعة من الإشارات الصوتية المكثفة وكسرًا هشًا حادًا. مع ازدياد التركيز، ارتفعت نسبة الطاقة المدخلة المخزنة على شكل طاقة مرنة، بينما انخفضت نسبة الطاقة المبتلة في الضرر الدائم والاحتكاك، ما يكشف تحولًا نحو فشل أقوى لكنه أكثر مفاجأة.

رؤية البنية الداخلية

فحص الباحثون أيضًا البنية الداخلية للمادة بمظهر مجهر قوي. في الخلائط ذات المحتوى الصلب الأقل، لم يستطع المُلزم ملء الفراغات بين حبيبات الرمل والتربة تمامًا؛ فنتجت بنية رخوة ومسامية مع مسارات عديدة لتكوّن وانتشار الشقوق. مع زيادة تركيز الكتلة تكونت المزيد من نواتج التفاعل وملأت هذه الفراغات، رابطًة الجزيئات في شبكة أكثر كثافة واتساقًا. عند أعلى تركيز، بدا الحشو مضغوطًا وذو ربط جيد، مع عدد أقل بكثير من المسام. تتطابق هذه الصورة الميكروسكوبية مع نتائج الاختبارات الميكانيكية: البنى الأكثر كثافة وترابطًا أدت إلى قوة وصلابة أعلى، لكنها أيضًا فشلت بشكل أكثر هشاشة ومفاجأة عند التحميل المفرط.

ما معنى هذا لتعدين أكثر أمانًا وأنظف

للغير متخصصين، الرسالة بسيطة: من خلال ضبط نسبة المواد الصلبة في الخليط ومدة المعالجة بعناية، يمكن للمهندسين تحويل رمال الصحراء الوفيرة إلى دعم قوي ومتوقع للأعمال التعدينية القديمة تحت الأرض. تخلق النسب الأعلى ومدة المعالجة الكافية "صخرًا صناعيًا" أكثر كثافة واتساقًا يتحمل أوزانًا أكبر ويوفر دعمًا أكثر موثوقية، وإن كان يميل إلى الفشل فجأة إذا تجاوزت الأحمال حدوده. تقدم هذه الرؤى إرشادًا عمليًا لمصممي المناجم عند اختيار وصفات الخلط وأزمنة المعالجة لموازنة السلامة واستخدام المواد والأثر البيئي في مناجم الفحم السطحية.

الاستشهاد: Zhao, G., Zhang, Y., Zhang, G. et al. Effects of mass concentration and curing age on the mechanical properties and damage evolution of aeolian sand backfill. Sci Rep 16, 6321 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37254-y

الكلمات المفتاحية: حشو المناجم, رمل الرياح, استقرار الفراغات تحت الأرض, قوة الحشو المجمّد, التعدين السطحي للفحم