دراسة خصائص التشوه وتقنية الدعم للممرات في حقل إجهاد عميق ومعقد

لماذا تهم أنفاق المناجم العميقة الجميع

لا يزال جزء كبير من الكهرباء والوقود الصناعي الذي نعتمد عليه يأتي من الفحم المستخرج من أعماق باطن الأرض. ومع تزايد عمق المناجم للوصول إلى الحُجَر المتبقية، يجب أن تتحمّل الأنفاق التي تنقل العمال والمعدات والفحم ضغوطًا هائلة من الصخور المحيطة. عندما تتشوه تلك الصخور أو تنهار، قد ينتج عن ذلك إصلاحات مكلفة، فقدان إنتاج، أو حوادث قاتلة. تستكشف هذه الدراسة سبب التشوه الشديد لممرات المناجم العميقة في تخطيطات تحت أرضية معقّدة، وتقدّم طريقة جديدة للحفاظ على ثبات وسلامة هذه الممرات الحيوية.

متاهة من الأنفاق تحت ضغطٍ شديد

ركز الباحثون على منجم فحم حيث تقع الأنفاق الرئيسية على أكثر من 800 متر تحت السطح وتشكل متاهة ثلاثية الأبعاد. تتقاطع ممرات السكة وممرات الأحزمة وبنايات التخزين والممرات الواصلة بزوايا وأحجام مختلفة. تزعج هذه التقاطعات، وخصوصًا التقاطعات الكبيرة الملقبة "بأقسام أنف الثور"، حالة الإجهاد الطبيعية في الصخور المحيطة. بدلاً من ضغط بسيط ومتساوٍ على نفق مستقيم، تتعرض الصخور عند التقاطعات لدفع وجذب متداخل من عدة اتجاهات، مما يجعل التنبؤ والسيطرة أصعب بكثير.

كيف وأين تبدأ الصخور في الفشل

لفهم هذا السلوك الخفي، بنى الفريق نموذجًا حاسوبيًا ثلاثي الأبعاد مفصلاً لشبكة أنفاق المنجم وطبقات الصخور. قاموا بمحاكاة عملية اقتطاع كل ممر ومتابعة استجابة الصخور. كشف النموذج عن "مناطق بلاستيكية" — مناطق حول الأنفاق دُفعت فيها الصخور إلى ما وراء مقاومتها وبدأت تتشوه بشكل دائم. في المقاطع المستقيمة من الأنفاق، كانت هذه المناطق المتضررة بسماكة بضعة أمتار. لكن عند التقاطعات المعقدة، تداخلت المناطق الضعيفة الناشئة عن أنفاق مختلفة وتوسعت، لتصل إلى أعماق تصل إلى 6.6 متر داخل الصخر. تعني هذه "التمدّد بفعل التراكب" أن القوس الصخري الذي يفترض أن يحمل الحمولة يصبح أسمك وأكثر رخاوة وأصعب في السيطرة.

أنماط الإجهاد التي تحرك تشوه الأنفاق

بعيدًا عن مجرد رسم خرائط التلف، فحص الباحثون كيف يتغير شكل حقل الإجهاد حول الأنفاق. ركزوا على مقياس يُدعى الإجهاد الانحرافي، الذي يلتقط مقدار تشويه شكل الصخر بدلاً من مجرد ضغطه. في الأنفاق البسيطة والمستقيمة، تشكلت مناطق ذات إجهاد انحرافي مرتفع على شكل هلالين على جانبي الفتحة، قرب الجدار. أما عند التقاطعات، فقد اتسعت هذه الهلالات وانتقلت إلى أعماق أكبر داخل الصخر، وأصبحت غير متناظرة بشكل قوي من جانب لآخر. حيث ارتفع الإجهاد الانحرافي الذروي، ازدادت سماكة المنطقة البلاستيكية (المتضررة). قامت الدراسة بتكميم هذا الارتباط: عندما تجاوز هذا الإجهاد حوالى 12.6 ميغاباسكال، نما نطاق التلف ليبلغ كامل 6.6 أمتار. بعبارة عملية، الأماكن التي تتقاطع فيها الأنفاق هي بالضبط المواقع التي من المرجح أن تتشقق فيها الصخور، تتشوه وتهدد نظم الدعم.

استراتيجية دعم من ثلاث خطوات لأنفاق أكثر أمانًا

إدراكًا أن الدعامات التقليدية ذات الطبقة الواحدة لا تستطيع التكيّف مع مثل هذه الظروف، صمّم المؤلفون نظام دعم "تعاوني" جديدًا مُكيفًا لشبكات الأنفاق العميقة والمعقّدة. أولًا، تُغطى الصخور المُنشأة حديثًا سريعًا بطبقة خرسانة مرشوشة، يتبعها مسامير قصيرة لربط الصخور السطحية معًا، ثم مزيد من الخرسانة. ثانيًا، تُركّب كابلات مرساة طويلة بنمط متزاحف يصل إلى ما وراء نطاق التلف البالغ 6.6 أمتار إلى صخور أكثر ثباتًا، مكونة أقواس ضغط متداخلة تساعد الصخور والدعم على التصرف كوحدة واحدة. أخيرًا، يتم حقن ملاط أسمنتي عالي الضغط في الشقوق، لربط الصخور المكسورة وتحسين تماس الصخور مع المراسي. يتوافق هذا النهج المرحلي ومتعدد الطبقات مع آلية فشل الصخر — من التصدّعات السطحية المبكرة إلى التلف القصي الأعمق — بحيث يقوّي كل طبقة الطبقة التالية.

نتائج واقعية في منجم قيد التشغيل

اختُبر النظام الجديد في نفس المنجم العميق الذي قدّم دراسة الحالة. رصد الفريق مقدار تحرك سقوف وأرضيات وجدران أنفاق رئيسية على مدى عدة أشهر، وقاس أحمال كابلات المراسي. مقارنةً بتصميم الدعم السابق في المنجم، انخفض مجموع تشوه السقف والأرضية بحوالي النصف، وانخفض تقارب الجوانب بمقدار مماثل. قُصّر الزمن اللازم لوصول الأنفاق إلى شكل مستقر إلى نحو 45 يومًا، وبقيت القوى في الكابلات دون حدود السلامة بكثير. للخلاصة بالنسبة للقارئ غير المتخصص: يمكن لتصميم متعدد الطبقات ومنضبط أن يحوّل شبكة أنفاق عميقة وخطيرة إلى بنية يمكن إدارتها وتدوم طويلاً — ما يحسّن سلامة العمال وموثوقية أنظمة الطاقة التي تعتمد على هذه المسارات تحت الأرض.

الاستشهاد: Li, Sj., Lu, Wy., Ma, Xc. et al. Study on deformation characteristics and support technology of roadway in deep complex stress field. Sci Rep 16, 7373 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38267-3

الكلمات المفتاحية: التعدين العميق تحت الأرض, استقرار الأنفاق, أنظمة دعم الصخور, هندسة ممرات الفحم, حقل الإجهاد تحت الأرض