قانون التوزيع والسيطرة على المقياس الثاني لإجهاد المشتت في الاحتفاظ بممر بجانب الفراغ (gob-side entry retaining)

لماذا تهم هذه القصة تحت الأرض

عميقاً تحت السطح، يتعين على مناجم الفحم الحديثة حفر أنفاق تظل آمنة حتى مع إزالة الفحم المجاور. طريقة متزايدة الانتشار، تُسمى الاحتفاظ بممر بجانب الفراغ، تسمح للعمال بإعادة استخدام نفق بدل تركه خلف جدار من الفحم غير المستخرج. هذا يوفر موارد ثمينة لكنه يجعل النفق المتبقي عرضة للانضغاط والانهيار مع تحرك الصخور السقفية. تُظهر هذه الدراسة من منجم فحم عميق في الصين كيف يمكن لطريقة جديدة لتتبع إجهاد الصخور أن تتنبأ بمواقع الفشل المحتملة — وكيف يمكن للدعومات الأذكى أن تحافظ على هذه الممرات مستقرة من بداية التعدين وحتى نهايته.

إبقاء ممر على قيد الحياة بجانب فراغ منهار

في الاحتفاظ بممر بجانب الفراغ، يزيل المنقبون الفحم على طول جبهة الحائط الطولي مع الحفاظ على ممر مباشرة بجانب الفراغ المستخرج، أو "الجوب". بدلاً من ترك عمود فحمي سميك كحاجز، يبنون جداراً اصطناعياً يُعرف بجسم الحشو على طول الحافة بين الممر والجوب. يجب أن يقوم جسم الحشو بعدة وظائف في آنٍ واحد: تحمل الحمولة بسرعة أثناء انهيار السقف، تحمل ضغط كبير دون الانكسار، وإغلاق الممر أمام الغازات والصخور السائبة. حلل الفريق لوحاً بعمق 690 متراً في منجم شينتشوانغ، حيث تم الاحتفاظ بممر مستطيل الشكل بجانب الجوب ودعمه بجسم حشو أسمنتي بعرض متر واحد بالإضافة إلى مسامير وصواميل صخرية وأسلاك شد في الصخور المحيطة.

رصد كيفية تراكم وتحول إجهاد الصخور

بدلاً من الاكتفاء بمراقبة مستويات الضغط البسيطة، ركز المؤلفون على كيفية تغير شكل الصخر تحت الحمولة، مستخدمين مقداراً يُدعى المقياس الثاني للإجهاد المشتت — هنا عُومل ببساطة كمقياس شامل لمدى تشوه الصخر ودفعه نحو الفشل. باستخدام نماذج حاسوبية مفصّلة، محاكوا كامل دورة حياة الممر: من الحفر المبكر، مروراً بفترة التعدين المكثف قرب الجبهة، وصولاً إلى المرحلة اللاحقة حين يزداد تماسك الجوب خلفه. تتبعوا كيفية تشكل هذه القياسات كحلقات حول النفق، وكيف تحركت ذرواتها نحو عمق أكبر في السقف وجدار الفحم مع تقدم التعدين، وكيف نمت المناطق البلاستيكية (المشوهة بشكل دائم) ثم استقرت.

ثلاث مراحل من الخطر حول الممر

في المرحلة المبكرة، قبل وصول جبهة التعدين إلى الممر بفترة طويلة، تشكل الإجهاد حول الفتحة حلقة غير متكافئة مع قمم متواضعة على عمق نحو 2.5 متر في كل من السقف وجانب الفحم الصلب. قرب السطح، كانت الإجهادات منخفضة نسبياً، متطابقة مع نطاق مُرخي بالفعل بفعل الحفر. مع اقتراب الجبهة ومرورها (المرحلة الوسطى)، تعرضت الصخور لاضطراب أقوى بكثير: تضخمت القمم وتحركت أعمق، إلى نحو 4.5 متر في السقف و3.5 متر في ضلع الفحم، وتشكّلت أحزمة ضيقة من الإجهاد العالي قرب زاوية السقف على جانب الفحم. في المرحلة المتأخرة، بعد أن ابتعدت الجبهة بعشرات الأمتار وأصبح الركام المنهار في الجوب أكثر تماسكاً، خفت الإجهادات في الطبقات الضحلة على جانب الجوب، لكن منطقة القمة العميقة عند زاوية السقف على جانب الفحم استمرت في الاتساع والتكثيف قبل أن تستقر في نهاية المطاف.

كيف يشارك الجدار الصناعي الحمولة

تصرف جسم الحشو بشكل مختلف عن الصخر الطبيعي. ارتفع الإجهاد داخله تقريباً بشكل خطي من جانب الجوب نحو جانب الممر، مما يعكس كيف تولى تدريجياً العبء بدلاً من الفحم المزال. ومع ازدياد المسافة خلف جبهة العمل وتماسك الجوب، ضعفت ميول تركّز الإجهاد داخل جسم الحشو، مما يعني أن الركام المكسور المحيط بدأ يساهم في دعم السقف. أظهرت الحسابات الميكانيكية أنه، بالنظر إلى خصائص الصخور وسلوك السقف، يمكن لجسم حشو بعرض متر واحد وبقوة تقارب 20 ميغاباسكال أن يوفر مقاومة كافية لتشجيع تكسر السقف بطريقة متحكم بها بدلاً من تكوين لوح متدلٍ طويل وثقيل.

تصميم دعائم تصل إلى البقع الساخنة المخفية

من خلال رسم الخرائط لمواقع ظهور قمم الإجهاد وكيف تحركت، حدّد الباحثون مناطق "يجب السيطرة عليها" في السقف وفي ضلع الفحم الصلب على بعد عدة أمتار خلف جدار الممر. تقوي المسامير القصيرة التقليدية الصخور الضحلة والمتحللة أساساً، لكنها تقدم فاعلية محدودة لهذه المناطق العميقة الخطرة. لذلك صمّم الفريق نظام دعم مركب: مسامير صخرية وشبك كثيفة في السقف الضحل والضلوع؛ جدار لوح أسمنتي مرن ومسامير داخلية لشد جسم الحشو؛ وكابلات تثبيت طويلة مائلة بحيث تمر مباشرة عبر أحزمة الإجهاد العالي التي كشفها المقياس. أظهرت المراقبة الميدانية أنه، في ظروف التعدين الحقيقية، تم احتواء تشوه الممر أقل من نحو 30 سنتيمتراً بينما انضغط جسم الحشو بأقل من 10 سنتيمترات، مؤكدة أن النفق ظل صالحاً للخدمة طوال دورة التعدين.

ماذا يعني هذا لتعدين أكثر أماناً وكفاءة

تُظهر الدراسة أن النظر في كيفية قصّ الصخور وتشوهها — بدلاً من التركيز فقط على مدى الضغط عليها — يمكن أن يحدّد أماكن الفشل العميقة المحتملة حول ممر معاد استخدامه. من خلال محاذاة المراسي الطويلة مع هذه القمم الإجهادية المخفية ومنح جدار الحافة العرض والقوة المناسبين، يمكن للمهندسين الحفاظ على فتح الأنفاق بجانب الفراغات المستخرجة دون إهدار الفحم في أعمدة سميكة. عملياً، يعني ذلك استرجاع موارد أفضل، حفرات جديدة أقل، وظروف عمل أكثر أماناً، وكل ذلك مسترشد بفهم أدق لكيفية استجابة الصخور تحت الأرض مع تقدم عملية التعدين.

الاستشهاد: Jiang, D., Guo, J., Sun, G. et al. Distribution law and control of the second invariant of deviatoric stress in gob-side entry retaining. Sci Rep 16, 12803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37680-y

الكلمات المفتاحية: الاحتفاظ بممر بجانب الفراغ, استقرار ممرات مناجم الفحم, إجهاد الصخور والانهيار, دعم الحافة بالحشو, المحاكاة العددية في التعدين