دراسة تجريبية وتطبيق هندسي لدعم بالبراغي قائم على اندفاع انزلاقي واسع النطاق للفحم داخل كتلة الفحم

إحكام كبح الممرات تحت الأرض

عميقاً تحت السطح، لا تكون المناجم الفحمية أماكن هادئة ومستقرة. طبقات الصخور تضغط وتتحرك، وأحياناً يدفع جدار الفحم المجاور للنفق فجأة إلى الداخل في ارتداد خطير يُعرف بانفجار الفحم. تبحث هذه الدراسة في نوع محدد من الحوادث حيث ينزلق لوح كبير من الفحم إلى داخل النفق بينما يظل السقف والأرضية شبه سليمة. يبيّن المؤلفون أن طريقة تركيب البراغي المعدنية في جدار الفحم — وخاصة زاويتها وسمكها — يمكن أن تكون الفارق بين انهيار عنيف وممر مستقر، ويختبرون تصميماً جديداً للدعم في منجم حقيقي.

عندما ينزلق الفحم كالسجادة

في نوع الحادث الذي فُحص هنا، قد يهجم جدار الفحم بالكامل المجاور للنفق فجأة إلى الأمام ويغلق الممر دون سحق السقف أو الأرضية. قد تبدو البراغي والشبك المثبتة في الفحم إلى حد بعيد غير متضررة. تكمن المشكلة في السطح الخفي للتماس بين الفحم والصخور المحيطة: عندما تتراكم الإجهادات وتتحرر فجأة، يمكن للفحم أن ينزلق على امتداد هذه السطح الأملس، تماماً مثل سجادة تنزلق على أرضية مصقولة. لحماية العاملين، يحتاج نظام الدعم إلى تقوية هذا سطح التماس وامتصاص جزء من الطاقة المُطلقة بدلاً من محاولة تثبيت الفحم فقط.

اختبار البراغي في المختبر

لفهم كيف يمكن لتصميم البراغي مقاومة هذا الانزلاق بشكل أفضل، بنى الباحثون قالباً فولاذياً يحاكي كتلتين من الصخر مع فجوة بينهما تمثل واجهة الفحم–الصخر. استخدموا قضبان معدنية مصنوعة من سبيكتين لتمثيل البراغي، بثلاثة أقطار مختلفة، وأجروا اختبارات سحب محكومة. وُضِعت القضبان بزوايا أربعة بالنسبة لاتجاه الانزلاق: 30°، 45°، 60°، و90° عمودياً. من خلال سحب نصفي القالب بعيداً عن بعضهما في ماكينة اختبار، تمكنوا من رصد كيفية فشل القضبان وقياس مقدار القوة والطاقة التي يتحملها كل إعداد قبل الكسر.

لماذا تهم الزاوية والسمك

كشفت التجارب عن نمط واضح. عندما وُضعت القضبان بزاوية 30° أو 45° بالنسبة لاتجاه الانزلاق، كانت تميل إلى الامتداد ثم الانقسام تحت الشد، على نحو يشبه سلكاً يُسحب حتى ينكسر. في هذه الحالة، حملت القضبان أحمالاً أعلى وامتصت طاقة أكبر قبل الفشل. عند زوايا أكثر انحداراً مثل 60° و90°، كانت القضبان تتعرض للقص نتيجة الانزلاق، وهو نمط فشل يتطلب قوة أقل ويخزن طاقة أقل. عبر جميع الزوايا، حملت القضبان الأثخن أحمالاً أكبر وامتصت طاقة أكثر باستمرار من النظائر الأرق. من بين جميع التكوينات المختبرة، قدمت القضبان الموضوعة عند نحو 45° أفضل أداء عام، موازنة نمط فشل ملائم مع قوة وامتصاص طاقة عاليتين.

من النموذج إلى المنجم

ثم طبّق الفريق هذه الرؤى في واجهة العمل 7305 في منجم كونجتشوانغ للفحم في الصين، وهو عمل عميق يتعرض لإجهادات أرضية قوية ومعروف بمخاطر انفجارات الفحم. كان الممر العائد — نفق رئيسي للتهوية والوصول — مدعوماً أصلاً بنمط قياسي من براغي السقف، وبراغي الجنب، وكابلات، وشبك فولاذي. استناداً إلى تجاربهم، أعاد المهندسون تصميم ترتيب البراغي بحيث تقطع العديد من البراغي سطح تماس الفحم–الصخر بزوايا لا تتجاوز 45°، ووصلت أقسام الترسخ الخاصة بها إلى صخر صلب في السقف أو الأرضية. خلق هذا قفصاً ثلاثي الأبعاد حول جدار الفحم، مما زاد الاحتكاك على سطح الانزلاق، ونشر الإجهادات المركزة، ووفّر طريقة مدمجة للبراغي للتمدد وامتصاص الطاقة أثناء الارتداد بدلاً من الانكسار بشكل هش.

طرق أكثر أماناً تحت الأرض

أدى التطبيق الميداني لمخطط الدعم الجديد إلى تقليل كبير في الانزلاقات الكبيرة للفحم إلى داخل النفق وتحسين استقرار الممر، كل ذلك دون إضافة أجهزة غريبة جديدة أو تكلفة كبيرة. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية بسيطة: باختيار سليم لسمك البراغي، والأهم من ذلك، للزاوية التي تقطع بها سطح الانزلاق المحتمل، يمكن لمهندسي المناجم تحويل نظام دعم قاسٍ وعرضة للفشل إلى نظام يتصرف أكثر مثل مخمد للصدمات. ومع أن النهج لا يزال بحاجة إلى اختبار لأنواع أخرى من انفجارات الفحم، فإنه يقدم مساراً عملياً نحو ممرات تحت أرضية أكثر أماناً وموثوقية في المناجم الفحمية العميقة.

الاستشهاد: Wang, C., Ma, S. Experimental study and engineering application of bolt support based on large-scale sliding coal bump in coal body. Sci Rep 16, 9766 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38743-w

الكلمات المفتاحية: انفجار الفحم, مسامير الصخر, دعم الطرق تحت الأرض, سلامة المناجم, دعم ماص للطاقة