آلية عدم الاستقرار في أرضية حُجر الفحم المدفونة عميقًا تحت تأثيرات التعدين وتحسين تخطيط ممرات الاستخراج

لماذا تهم ممرات المناجم الأكثر أمانًا

تنتج مناجم الفحم العميقة تحت الأرض أكثر من الوقود فقط؛ فهي تخلق أيضًا أنماطًا معقدة من الضغوط في الصخور المحيطة. إذا اختلت هذه الضغوط، فقد تتشقق الأرضية، ويتدفق الماء، ويتسرب الغاز، وقد تتشوه الأنفاق التي يعتمد عليها العمال أو تنهار. تبحث هذه الدراسة في كيفية استجابة الصخر تحت طبقة فحم عميقة عندما يُستخرج الفحم، وكيف يمكن لمصممي المناجم وضع ممرات صرف الغاز في مواضع تحافظ على سلامة الأشخاص والبنية التحتية.

كيف يضغط التعدين على الصخر

عندما يُنقَب طول ممتد من الفحم، يترك خلفه فراغ يُسمى المسطح المستخرج (goaf) وينهار السقف فوقه في نهاية المطاف. وزن الصخور العلوية لا يختفي؛ بل يعاد توزيعه على الركائز المتبقية من الفحم وإلى الأسفل نحو الأرضية. باستخدام نموذج فيزيائي مبسط يعامل الأرضية كمساحة نصف مستمرة من الصخر، حسب المؤلفون كيفية انتشار الإجهادات الرأسية والأفقية والانزلاقية تحت المنطقة المستخرجة. وجدوا أن الإجهاد الرأسي يكون الأعلى تمامًا تحت أعمدة الفحم وينخفض مع العمق، متراجعًا بشكل حاد في الخمسة أمتار الأولى ثم أبطأ بعد ذلك. في أعماق الأرضية يستقر الإجهاد باتجاه المستوى الطبيعي الذي كان موجودًا قبل بدء التعدين.

نمط إجهادي تحت الأرض مميز

بالنسبة لمنجم حقيقي في شانشي، الصين، أدخل الفريق خصائص الصخر المحلي والعمق — حوالي 730 مترًا تحت السطح — في معادلاتهم ثم استخدموا محاكاة رقمية للتحقق المتقاطع من النتائج. أظهرت الطريقتان أن الإجهاد الرأسي تحت المنطقة المستخرجة يتخذ نمطًا مميزًا على شكل «M» عند عرضه عبر الأرضية: قمتان عاليتان تحت أعمدة الفحم ومنخفض في الحوض تحت مركز المسطح المستخرج. كلما تعمقت في الأرضية، تتصغر هذه القمم ويصبح حقل الإجهاد العام أكثر تجانسًا. وأشارت الحسابات أيضًا إلى أن أسرع تراجع في الإجهاد الإضافي يحدث حول 10 أمتار تحت الأرضية. وما وراء هذا العمق، تتلاشى اضطرابات التعدين ويتصرف الصخر بشكل أقرب إلى الأرض غير المزعزعة.

اختيار أفضل عمق وموقع

بما أن ممرات صرف الغاز يجب أن توضع في الأرضية تحت طبقة الفحم، فإن موقعها بالنسبة لهذا الحقل الإجهادي المتغير أمر حاسم. باستخدام صيغة معروفة لفشل الصخور، قدّر المؤلفون أن التعدين يمكن أن يتلف الأرضية حتى عمق حوالي 16.5 مترًا. للبقاء تحت هذه المنطقة المتشققة ولكن مع البقاء قريبًا بما يكفي من أجل صرف الغاز بفعالية، اختاروا عمق ممر قدره 17 مترًا تحت طبقة الفحم. بعد ذلك، اختبروا أربعة مواقع أفقية مختلفة في النماذج الحاسوبية: مباشرة تحت مركز المنطقة المستخرجة، قليلاً داخل عمود الفحم، تمامًا تحت حافة العمود، وعلى بعد 30 مترًا خارج العمود. لكل حالة، فحصوا ذروة الإجهادات الرأسية والأفقية وحجم وشكل مناطق الصخر البلاستيكية (المتضررة بشكل دائم) حول الممر.

إيجاد الهدوء تحت الأرض

أظهرت المحاكاة أن كل موقع للممر يواجه بيئة إجهادية مختلفة للغاية. الممر الموضوع مباشرة تحت الواجهة العاملة يواجه أحمالًا رأسية وأفقية مرتفعة ومنطقة ضرر على شكل فراشة في الصخر المحيط. إزاحة الممر إلى الداخل تحت عمود الفحم تقلل الإجهاد الرأسي ولكن قد تترك ضررًا كبيرًا أعلاه وأسفله. وضع الممر تمامًا عند حافة العمود يخلق إجهادات غير متساوية من جانب إلى آخر، مما يعرضه لخطر تشوه غير متماثل. في المقابل، الممر المزاح 30 مترًا خارج عمود الفحم يقع في منطقة هادئة نسبيًا: كل من ذروات الإجهاد الرأسي والأفقي أقل، وقشرة الصخر المتضررة لا تتجاوز حوالي 2 متر سمكًا، وهو الأصغر بين الخيارات.

تحققات ميدانية في منجم عامل

لاختبار ما إذا كان التصميم يعمل عمليًا، راقب الباحثون ممر صرف غاز بُني على عمق 17 مترًا تحت الأرضية وبإزاحة 30 مترًا من عمود الفحم في منجم شانشي. باستخدام مجسات فوق صوتية وكاميرات هابطة في الجسور، قاسوا مدى امتداد الشقوق في الصخر المحيط وتتبعوا كيفية تحرك جدران الممر والسقف والأرضية مع مرور الوقت. بلغت منطقة الشقوق حدًا أقصى حوالي 1.9 متر — قريب جدًا من عمق 2 متر الذي توقعته المحاكاة — وتباطأت تشوهات الممر واستقرت بعد عدة أسابيع، وبقيت ضمن الحدود المقبولة. هذا التطابق الوثيق بين النظرية والنماذج الحاسوبية وبيانات المجال يعزز الثقة بأن التخطيط المقترح يوفر وسيلة متينة للحفاظ على استقرار ممرات الاستخراج العميقة مع تلبية احتياجات صرف الغاز.

ما يعنيه هذا لتعدين المستقبل

بعبارات عملية، تُظهر الدراسة أن موقع وضع الممر تحت طبقة الفحم يمكن أن يصنع الفارق بين ممر يستقر ببطء وممر متضرر بشدة. من خلال فهم كيفية إعادة التعدين تشكيل «مشهد الضغوط» الخفي في الأرضية، يمكن للمهندسين وضع الممرات عمدًا خارج مناطق الضغط والتشقق الأقوى. بالنسبة لطبقات الفحم العميقة ذات الضغوط العالية المشابهة لتلك في شانشي، يبدو أن وضع ممرات الاستخراج على عمق حوالي 17 مترًا تحت الأرضية وبما يقارب 30 مترًا بعيدًا عن أعمدة الفحم يوفر حلًا أكثر أمانًا واقتصادية للتوفيق بين التحكم في الغاز والاستقرار البنيوي.

الاستشهاد: Chen, X., Ma, R., Zhou, Y. et al. Instability mechanism of deeply buried coal seam floor under mining effects and optimization of extraction roadway layout. Sci Rep 16, 8558 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39341-6

الكلمات المفتاحية: تعدين الفحم العميق, استقرار صخر الأرضية, ممر صرف الغاز, إعادة توزيع الإجهاد, سلامة المنجم