دراسة حول آلية وتقنيات الوقاية من الكوارث الدينامية في طبقات الفحم الشديدة السمك والقريبة من الوضع العمودي

لماذا يمكن أن يتحول تعدين الفحم العميق فجأة إلى خطر

مع استمرار العالم في الاعتماد على الفحم للطاقة والصناعة، تُجبر شركات التعدين على الحفر إلى أعماق أكبر وفي جيولوجيا أكثر تعقيدًا. في أجزاء من غرب الصين، تقف بعض أسمك طبقات الفحم شبه عمودية، ككتب موضوعة على الرف. أدى التعدين في هذه الطبقات القريبة من الوضع العمودي إلى حدوث «كوارث دينامية» عنيفة تحت الأرض — انهيارات صخرية مفاجئة وانفجارات صخرية يمكن أن تتلف المعدات وتهدد حياة العمال. تدرس هذه الدراسة داخل أحد هذه المناجم، منجم وودونغ في شينجيانغ، لفهم سبب وقوع هذه الكوارث وكيفية الوقاية منها.

طبقات الفحم واقفة على الحافة

في أذهان معظم الناس، تقع طبقات الفحم أفقياً إلى حد ما تحت الأرض. في وودونغ، مع ذلك، تبلغ سماكة الطبقتين الرئيسيتين 28 و40 متراً وتنحدر بزاوية تقارب 85–87 درجة، أي شبه عمودية. بينهما تقع كتلة صخرية ضخمة تُسمى سدادة صخرية. بينما يحفر عمال المناجم شرائح أفقية من الفحم على مستويات مختلفة، تُترك فراغات كبيرة (خواء المناجم) خلفها. في مثل هذه الطبقات الشديدة الانحدار، يعمل الجاذبية جانبياً بالإضافة إلى الأسفل، مما يفرض ضغوطاً غير معتادة على الأسقف والأرضيات والسدادة المركزية. أظهرت حوادث سابقة في هذه المنطقة — عدة انفجارات صخرية عالية الطاقة مرتبطة بالسدادة والسقف — أن هذه الهياكل يمكن أن تخزن وتطلق فجأة كميات هائلة من الطاقة.

كيف تخزن السدادات الصخرية والأسقف طاقة خفية

جمع الباحثون بين النمذجة الرياضية، والاختبارات المخبرية على عينات الصخور، والقياسات تحت الأرض، والنماذج الفيزيائية المقيّسة لتتبع كيف يتشوه الجسم الصخري مع تقدم أعمال التعدين. وجدوا أنه بمجرد إزالة الفحم حول السدادة، تتصرف السدادة ككمر معلق عملاق، ينحني ببطء نحو أحد الفراغات المُستخرجة. هذا الانحناء والدوران يضغط ويقوّس الفحم المتبقي على كل جانب، مبنيًا طاقة إجهاد داخل كل من السدادة والفحم. أظهرت الحسابات أن أول تشققات في السدادة تبدأ عندما يكون نحو 150 متراً مكشوفة، وأن الفشل واسع النطاق يتطور عندما يصل الارتفاع غير المدعوم إلى حوالي 350 متراً. وأكدت مراقبة الزلازل الدقيقة — أي «الاستماع» تحت الأرض لزلازل صخرية طفيفة — حدوث تلف شديد وأحداث عالية الطاقة في السدادة عند هذه الأعماق.

انقلاب الأسقف، انزلاق الأرضيات، والانهيار العنيف

تتصرف طبقات الصخور الرابضة فوق الفحم بنفس القدر من الأهمية. لأن الطبقات شبه عمودية، لا يُضغط السقف إلى الأسفل بالطريقة المعتادة؛ بل يميل إلى الميل نحو الفراغات. أظهرت نماذج الفريق ومحاكاة مختبرية كبيرة أن السقف الفوري يمكن أن يظل معلقاً بدون دعم لأكثر من 40 متراً قبل أن يفشل. وعندما يفشل، تنهار الطبقات العليا بشكل رئيسي بالانقلاب — مثل صفوف الكتب المتساقطة — بينما قد تنخفض أو تنزلق الطبقات السفلية أيضاً. تتدحرج الكتل المكسورة ثم تدور نحو الخواء، مكونة أحياناً دعائم مثلثية مؤقتة تنهار لاحقاً مرة أخرى. كما تُحمّل الأرضية تحت الطبقة السفلية ثم تُفرغ فجأة مع تقدم التعدين، مما يجعلها عرضة للقص والانزلاق. معاً، تخلق السدادات المنحنية والأسقف المعلقة والأرضيات الضعيفة إجهادات ثابتة قوية وعندما تنهار أخيراً، تؤدي إلى صدمات دينامية قوية يمكن أن تطلق انفجارات صخرية.

من فهم الخطر إلى تغيير الصخر

إدراك أن الكوارث تنشأ من مزيج من الإجهاد الثابت العالي والاضطراب الديناميكي المفاجئ دفع المؤلفين للتركيز على طرق لتصريف الطاقة قبل أن تُحدث ضرراً. الحل الذي اقترحوه هو إضعاف مناطق صخرية مختارة متعمداً باستخدام التفجير. يحفرون مجموعتين من الفحوصات — حفر ضحلة وعميقة — في كل من السقف والأرضية أمام واجهة التعدين، ثم يفجرون شحنات متحكم بها. هذا يخلق «منطقة عازلة» ثلاثية الأبعاد من الصخور المتشققة تعيد توجيه وتليّن الإجهادات الأفقية القادمة من السدادة والطبقات المحيطة. أظهرت المحاكيات الحاسوبية أنه مقارنة بعدم التفجير، يمكن لهذه الإجراءات أن تقلص الإجهاد الأفقي أمام واجهة الفحم بمقدار يصل إلى نحو خمس، مع أداء تفجير الحفر الضحلة أفضل في السيناريوهات التي اختبروها.

قياس ما إذا كان الحماية تعمل فعلاً

لاختبار التقنية تحت الأرض استخدم الفريق نوعين من المراقبة. أولاً، تتبعوا الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث طبيعياً عندما يتشقق الفحم والصخر. بعد التفجير، انخفضت مستويات الإشعاع في المنطقة المعالجة بنحو 30 بالمئة في الصخور وحوالي 13 بالمئة في الفحم، مما يشير إلى أن الإجهادات قد تقلصت. ثانياً، فحصوا بيانات الزلازل الدقيقة لشهر قبل وبعد التفجير. فور الانفجارات، ارتفع عدد وطاقة أحداث الزلازل الدقيقة بينما فتحت الشقوق وأُفرج عن الإجهاد المخزن. مع مرور الوقت انخفض كل من التكرار والطاقة، مما يشير إلى أن الكتلة الصخرية أصبحت أكثر استقراراً وأقل ميلاً للفشل العنيف.

جعل تعدين الفحم العميق والمنحدر أكثر أماناً

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن أخطر القوى في طبقات الفحم الشديدة السمك والقريبة من الوضع العمودي تكون إلى حد كبير غير مرئية: انحناء بطيء وتعليق لألواح صخرية هائلة يخزن الطاقة بهدوء حتى يحدث خلل ما. توضح هذه الدراسة أنه من خلال فهم مكان وكيفية تراكم تلك الطاقة — أساساً في السدادة الصخرية المركزية والأسقف المعلقة — يمكن للمهندسين التدخل مبكراً وإضعاف الصخور في مناطق مختارة بعناية. إذا نُفذ ذلك بشكل صحيح، يوفر هذا الضرر المسيطر عليه صمام أمان، يخفض الإجهاد، ويقلل حجم الإطلاقات المفاجئة، ويجعل الانفجارات الصخرية أقل احتمالاً. يقدم النهج مساراً عملياً نحو تعدين أكثر أماناً في بعض أكثر رواسب الفحم تحدياً في العالم.

الاستشهاد: Zhang, Y., Li, Q., Li, L. et al. Study on the mechanism and prevention techniques of dynamic disaster in nearly vertical extra-thick coal seams. Sci Rep 16, 6520 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37461-7

الكلمات المفتاحية: انفجار صخري, سلامة تعدين الفحم, طبقات فحم شديدة الانحدار, تفجير لتخفيف الإجهاد, فشل سدادة صخرية