التحقيق في العوامل المؤثرة على الإجهاد الرأسي أمام خط الاقتطاع في تعدين الكتلة بالتساقط

لماذا التنقيب العميق قد يكون محفوفاً بالمخاطر

غالباً ما تمتد مناجم النحاس الحديثة إلى أعماق كبيرة تحت سطح الأرض، محفورة تجاويف ضخمة لاستخراج الخام ذو الدرجة المنخفضة بتكلفة منخفضة. نهج شائع يُدعى تعدين الكتلة بالتساقط يسمح للجاذبية بأن تقوم بمعظم العمل: يقوم المهندسون باقتطاع كتلة ضخمة من الخام بحيث تنهار وتسقط إلى الأنفاق أدناه. لكن مع إزالة الصخور تتغير القوى داخل الجبل. إذا تراكمت هذه القوى في مواضع غير مناسبة، قد تتشقق الأنفاق أو تنهار أو تتداعى، مما يعرض العمال والمعدات للخطر. تركز هذه الدراسة عن كثب على العوامل التي تتحكم في تراكم هذه القوى الخطرة حتى يمكن تصميم المناجم العميقة لتبقى آمنة لعقود.

تشققات وانهيارات وجبل تحت ضغط

تركز البحث على منجم بولانغ للنحاس في الصين، حيث رصد المهندسون أضراراً جسيمة تحت الأرض. أمام جبهة التعدين — «خط الاقتطاع» حيث تُزال الصخور بنشاط — عانت الأنفاق من سقوط الأسقف، وانهيار الجدران الجانبية، وتشقق أعمدة الدعم الخرسانية. اضطرت هذه المشكلات إلى إنشاء طرق جديدة وأعاقت الإنتاج. مثل هذه الملاحظات أوضحت أن ضغط الصخور كان يتراكم أمام الحفر المتقدم، لكن لم يتضح بالضبط لماذا يحدث ذلك، أو مدى امتداد هذه المنطقة المجهدة، أو أي خيارات تصميم منجم تجعل الوضع أفضل أو أسوأ.

صورة بسيطة لقوى غير مرئية

لفهم ما كان يحدث، انطلق المؤلفون من فكرة كلاسيكية في هندسة الصخور: عندما تستأصل فراغاً تحت الأرض، يميل الصخر الباقي إلى تشكيل قوس طبيعي يحمل الوزن أعلاه. حول هذا القوس تضغط بعض المناطق بينما تسترخي أخرى. باستخدام مبادئ ميكانيكا بسيطة، اعتبر الفريق منطقة الاقتطاع فتحة مستطيلة وحسب كيف ينبغي أن يتزايد الانضغاط أو الإجهاد الرأسي حولها. أظهر تحليلهم أن ثلاثة عوامل هي الأهم: مدى عرض امتداد الاقتطاع، وعمق وجوده تحت السطح، وقوة الكتلة الصخرية واحتكاكها. وُقِع أن الفتحات الأعرض والأعمق ستنشئ مناطق إجهاد أقوى أمام جبهة التعدين، وأن الصخور الأضعف والأكثر انزلاقاً من المتوقع أن تطور منطقة تضرر أكبر.

اختبار الجبل في مختبر افتراضي

المعادلات وحدها لا تستطيع أن تلتقط التعقيد الكامل لجسم خام حقيقي، لذا بنى الباحثون نموذجاً حاسوبياً ثلاثي الأبعاد مفصلاً لمنجم بولانغ. أعادوا إنتاج مخطط مستوى الاقتطاع والإنتاج، وخصائص الصخور المقاسة، وحقل الإجهاد القائم في المكان والمسيطر عليه بالانضغاط التكتوني الجانبي القوي. ثم حاكو الاقتطاع خطوة بخطوة ورصدوا كيف تغير الإجهاد الرأسي في الصخر. أظهر المنجم الافتراضي تكون قمة إجهاد واضحة على بعد عدة أمتار أمام خط الاقتطاع المتقدم، مع تغيّر موقع وارتفاع هذه القمة مع نمو الاقتطاع ومع تغيّر عمق الحفر.

ما الذي يحدد مكان فشل الصخر

أكدت المحاكاة أن امتداد الاقتطاع والعمق هما الرافعتان الرئيسيتان اللتان تتحكمان في تراكم الإجهاد الخطير. مع زيادة الامتداد، ارتفع أقصى إجهاد رأسي أمام جبهة التعدين في البداية لكنه استقر في النهاية، مما يوحي بأن الصخر المغطي شكل قوساً جديداً مستقراً ولم يعد قادراً على نقل حمل أكبر. أما العمق الأكبر فكان ينتج باستمرار كلا من أقصى إجهادات أعلى ومنطقة أطول من الصخر المنهار والمتضرر الممتد أمام الحفر. عندما بدل الفريق زاوية الاحتكاك الداخلية — مقياس لسهولة انزلاق شظايا الصخر بجانب بعضها — وجدوا أن الصخور ذات الاحتكاك المنخفض طورت منطقة فشل أطول، بينما حصر الاحتكاك العالي الضرر في منطقة أقصر، على الرغم من أن أقصى الإجهاد نفسه تغير بشكل طفيف فقط.

من الأرقام إلى تصاميم أكثر أماناً

توافقت قياسات الحقل في بولانغ، بما في ذلك حركة الأرض والتشقق المرصود، بشكل جيد مع تنبؤات النموذج: أظهرت الأقسام الأعمق من المنجم تشوهات نفقية أكبر ونقلاً أقوى للإجهاد من مستوى الاقتطاع إلى مستوى الإنتاج. بدمج النظرية والمحاكاة وبيانات الحقل، يستنتج المؤلفون أن تركيز الإجهاد الرأسي أمام خط الاقتطاع — وحجم منطقة التضرر الناتجة عنه — تحكمها أساساً عمق الاقتطاع وامتداده واحتكاك الصخور. بالنسبة لمخططي المناجم، يعني هذا أن الاختيار الدقيق لعمق وعرض الاقتطاع، وتكييف أنظمة الدعم مع جودة الصخور المحلية، يمكن أن يقللا كثيراً من احتمال الفشل المفاجئ، مما يساعد على ضمان بقاء مناجم الكتل الكبيرة منتجة وآمنة على حد سواء.

الاستشهاد: Cao, Y., Hua, X., Zhai, S. et al. Investigating the factors influencing vertical stress ahead of the undercutting line in block caving. Sci Rep 16, 11505 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39231-x

الكلمات المفتاحية: تعدين بالكتل, التعدين تحت الأرض, إجهاد الصخور, استقرار المنجم, النمذجة العددية