بحث حول تقنية ضبط الصخور المحيطة لقطع السقف وتخفيف الضغط عند الحشو على جانب الخبث في الاحتفاظ بممر جانب الخبث في لوح تعدين عالي الارتفاع

الحفاظ على أنفاق تحت الأرض مفتوحة وآمنة

تعتمد مناجم الفحم العميقة تحت الأرض على أنفاق طويلة لنقل العمال والآلات والفحم. لكن بعد استخراج الفحم، قد تتحرك الصخور العلوية وتضغط على هذه الأنفاق، ما يسبب مخاطر سلامة كبيرة وخسائر اقتصادية. تركز هذه الدراسة على منجم صيني وتطرح سؤالاً عملياً: كيف يمكن للمهندسين تصميم المنطقة المستخرجة والدعامات بحيث يبقى ممر رئيسي مفتوحاً بأمان لجولة التعدين التالية، بدلاً من التخلي عنه وإعادة بنائه من جديد؟

لماذا يهم الاحتفاظ بممر واحد

تستخدم المناجم الحديثة غالباً ألواح تعدين عالية جداً تزيل طبقات سميكة من الفحم في تمريرة واحدة، ما يزيد الإنتاج لكنه يزعزع الصخور المحيطة بشدة. تقليدياً يترك العمال كتلة سميكة من الفحم كماسكة لحماية الأنفاق القريبة. لكن هذا العمود يحجز فحمًا ثمينًا تحت الأرض ويجبر على تشييد أنفاق إضافية. تقنية تسمى الاحتفاظ بممر جانب الخبث تقدم خياراً أذكى: إبقاء ممر بجانب منطقة الانهيار المستخرجة (الـ «خبث») واستبدال عمود الفحم بجدار طرفي مبنًى خصيصاً. إذا ظل هذا الممر مستقراً، يستعيد المنجم مزيداً من الفحم، ويقلل تكاليف التطوير، ويحسن الكفاءة العامة.

عندما لا تكفي الصخور أو الجدار

يحلل المؤلفون ما الذي يخطئ عندما يعتمد المهندسون على الجدار الطرقي وحده. في الألواح العالية والعريضة، تنحني وتتصدع طبقات الصخور العلوية على امتداد أكبر، مولدة ضغوطاً قوية ومتغيرة. يجب على الجدار الضيق امتصاص جزء كبير من هذا الحمل. إذا كان الجدار قوياً لكنه جامد جداً، يمكن أن يتراكم داخله إجهاد شديد يؤدي إلى تشققه أو انقسامه. أما إذا كان أضعف، فقد يتضخم ويضغط مساحة الممر، مضغوطاً السقف والجانبين إلى الداخل. في حالات أخرى، يؤدي جدار قوي مع سقف ضعيف إلى قص وتساقط الصخور فوق الممر، مسبباً انهيارات موضعية للسقف. باختصار، بناء جدار بجانب الخبث وحده لا يكفي لمواجهة حركة الصخور العنيفة فوق طبقة سميكة مستخرجة.

قطع السقف للسيطرة على الحمل

لمعالجة هذه المشكلة، يروّج الباحثون لنهج مركب يسمونه «دعم محسن زائد قطع السقف لتخفيف الضغط». الفكرة هي قطع شق مائل مسبقاً عبر الصخور الصلبة فوق الممر، على جانب الخبث. يضعف هذا القطع الارتباط بين سقف الممر وطبقات الصخور الرئيسية، موجهاً الصخور العلوية لتنكسر وتسقط تجاه الجانب المستخرج بدلاً من أن تتدلى فوق الممر كعارضة صلبة ضخمة. في الوقت نفسه، يقوى الممر نفسه بنمط كثيف من مسامير الصخر، والكابلات الفولاذية، والدعامات الهيدروليكية، وجدار خرساني طرفي قادر على تحمل الأحمال مع السماح بقليل من الحركة الخاضعة للضبط.

البحث عن نقطة التوازن عبر الاختبارات الافتراضية

باستخدام محاكاة حاسوبية ثلاثية الأبعاد ومعايرة وفقاً للمنجم الفعلي (وجه العمل 2507)، نوّع الفريق ثلاثة معايير تصميم: ارتفاع قطع السقف، زاوية القطع، وعرض الجدار الطرقي. تتبعوا مقداراً يسمى الإجهاد الانحرافي — مقياس مركب لشدة تشوه الصخور — لرؤية أماكن فشل الصخور الأكثر احتمالاً. أظهرت المحاكاة أن قطع سقفي بحوالي 15 متراً، يصل إلى نحو 70 بالمئة من طبقة السقف الرئيسية، خفّض بشكل كبير الإجهاد حول الممر. أنتجت زاوية قطع 15 درجة توزيعاً متوازناً للحمل بين جانب الفحم الصلب والجدار الطرقي، مما شجّع انهيار الصخور المنظم نحو الخبث بدلاً من تكوين كتل متدلية خطرة. أما بالنسبة للجدار، فكانت عرضات 0.5 إلى 1.0 متر ضعيفة جداً مما أدى إلى تشوه شديد، بينما أعطى عرض نحو 1.5 متر أفضل توازن بين القوة والمرونة.

دليل من المراقبة الواقعية

ثم اختُبر التصميم المحسن في المنجم. قاست الأجهزة حركة السقف، وقوى في كابلات المرساة، والضغط على الجدار الخرساني مع تقدم وجه التعدين وترك ممر جانب الخبث خلفه. ظل غوص السقف على جانب قطع السقف تحت نحو 120 مليمتر، وارتفعت أحمال الكابلات وضغوط الجدار إلى ذروات ثم استقرت دون تجاوز حدود التصميم. أظهرت هذه السلوكيات أن قطع السقف خفّض بنجاح الحمل الذي تحمله مباشرة الممر وأن الدعائم المقواة عملت معاً بدلاً من أن تُحمّل زيادة مفرطة أو تفشل فجأة.

ماذا يعني هذا لتعدين أكثر أماناً وذكاءً

للغير متخصصين، الخلاصة أن «الكسر المسبق» المدروس للصخور الصلبة فوق ممر، مقترناً بدعم قوي لكنه مرن، يمكن أن يبقي الطرقات الأساسية تحت الأرض مفتوحة حتى عند إزالة شرائح هائلة من الفحم مجاوراً. باختيار ارتفاع قطع مناسب، وزاوية قطع، وعرض جدار مناسب، يمكن للمهندسين توجيه كيفية تفتت الصخور وكيفية تقاسم الحمل. في هذه الحالة، أدى قطع سقفي بارتفاع 15 متراً وبزاوية 15 درجة وجدار طرقي بعرض 1.5 متر إلى ممر مستقر وقابل لإعادة الاستخدام بجانب الخبث. وهذا يعني استرداد المزيد من الفحم، وحفر أنفاق أقل، وبيئة عمل أكثر أماناً للعمال تحت الأرض.

الاستشهاد: Weiyong, L., Shengjun, L., Yaohui, S. et al. Research on surrounding rock control technology of roof cutting and pressure relieving for roadside filling in gob-side entry retaining of large mining height panel. Sci Rep 16, 6698 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37916-x

الكلمات المفتاحية: تعدين الفحم, دعم الصخور, قطع السقف, ممر جانب الخبث, استقرار تحت الأرض