بحث حول المحاكاة العددية لاستقرار الصخور المحيطة بممر عميق باستخدام نموذج رخاوٍ متقدم للاجهاد استناداً إلى معيار هوك-براون

لماذا تهم الصخور المحيطة بالأنفاق

مع وصول المناجم وأنفاق النقل تحت الأرض إلى أعماق متزايدة، تُدفع الصخور المحيطة بهذه الفتحات إلى حافة الانهيار. عندما تبدأ هذه الصخور في التشقق والانتفاخ، يمكن أن تنحني الدعامات الفولاذية، وتغمر الأنفاق بالحطام، وتعرّض العمال لمخاطر جسيمة. تسأل هذه الدراسة سؤالاً عملياً ذو تبعات كبيرة على السلامة والاقتصاد: هل يمكن لنماذج حاسوبية أذكى أن تساعد المهندسين على التنبؤ بكيفية تصرف الصخور العميقة بعد الحفر، لكي يصمموا أنظمة دعم تتوافق فعلاً مع الواقع؟

تجاوز سلوك الصخور البسيط

تعامل طرق التصميم التقليدية الصخور غالباً كما لو كانت مادة بسيطة شبه مرنة تضعف بطريقة مباشرة بمجرد فشلها. لكن الملاحظات من المناجم العميقة تظهر سلوكاً أكثر تعقيداً: بعد بلوغ القوة القصوى، قد تفقد الصخور صلابتها، وتفقد القوة والالتصاق، وتتصدع، وحتى تنتفخ في الحجم مع تحرك وتشابك الشظايا المكسورة. يركز المؤلفون على نموذج «تليين إجهاد متقدم» يسمى IMASS، المبني على قاعدة معروفة لقوة الصخور تُعرف بمقياس هوك–براون. يحاول IMASS التقاط أربعة سلوكيات رئيسية بعد الفشل: فقدان الالتصاق والقوة الشدية، زيادة الاحتكاك بين القطع المكسورة، تليين تدريجي للصلابة، والانتقال من كسر هش إلى تدفق أكثر لبونة يشبه السلوك البلاستيكي.

كيف يمثل النموذج الجديد الصخر المتشقق

يمثل نموذج IMASS قصة حياة كتلة صخرية حول النفق على مراحل. تأتي أولاً حالة القوة الذروية السليمة، حيث لا تزال الصخرة متماسكة. عندما يصبح الإجهاد عالياً جداً تدخل المادة مرحلة ما بعد الذروة: تتشكل الشقوق، تنخفض القوة التلاصقية، لكن الشظايا ما تزال متشابكة وكثيفة نسبياً. مع المزيد من التشوه تتحرك المنظومة نحو حالة نهائية، حيث تعاد ترتيب القطع المكسورة، وقد تصل المسامية إلى نحو 40%، وتتصرف الصخرة أكثر ككومة حبيبات. يربط النموذج هذه المراحل بكميات قابلة للقياس مثل مؤشر جودة الصخر الجيولوجي، وقوة الانضغاط المقاسة مختبرياً، ومعامل يصف سرعة تراكم إجهاد القص البلاستيكي. كما يسمح بتطور الصلابة المرنة وميل الصخر للتوسع (الانتفاخ الحجمي أثناء القص) مع تقدم الضرر.

اختبار أي خصائص الصخور لها التأثير الأكبر

لمعرفة كيف تؤثر هذه المكونات على استقرار النفق، بنى المؤلفون نموذجاً عددياً ثلاثي الأبعاد لممر عميق يقع على عمق نحو 1000 متر أسفل السطح، بمقطع شبه دائري نموذجي. نفذوا محاكاة منهجية مع تغيير مجموعة واحدة من الخصائص في كل مرة. بتغيير جودة الصخر من ضعيف إلى جيد، راقبوا كيف تدهورت الالتصاق والقوة الشدية، كيف زاد الاحتكاك الداخلي، وكيف تطور مدى مناطق التشوه البلاستيكي والانزياحات حول النفق. ثم فعّلوا وأوقفوا تليين معامل المرونة، واستكشفوا تأثير الانتفاخ القصي (مقدار انتفاخ كتلة الصخر أثناء القص)، وعدلوا معامل الهشاشة الذي يتحكم في سرعة انتقال المادة من قوية وصلبة إلى ملسوة تماماً. تظهر النتائج أن الانزاحات والضرر حسّاسان جداً لتليين المعامل والانتفاخ عندما تكون الصخرة ضعيفة وهشة، لكن بدرجة أقل بكثير عندما تكون كتلة الصخر أقوى وأكثر استمراراً.

دمج العديد من علامات التحذير في درجة واحدة

بدلاً من الاعتماد على مؤشر واحد مثل حركة جدار النفق أو «الدائرة الرخوة» النظرية، يقترح المؤلفون مؤشر استقرار مركب يدمج عدة مقاييس في درجة واحدة بين 0 و1. يشملون حجم منطقة البلاستيك، الإجهاد الكلي، مستوى وتوزيع الإجهاد الذروي، مقدار تراجع الالتصاق، وشدة الانتفاخ. باستخدام طريقة اتخاذ قرار منظمة (عملية التحليل الهرمي) مصححة بمخطط وزن قائم على الإنتروبيا، يعطون أوزاناً منطقية لكل عامل، مع إيلاء أهمية أكبر لحجم منطقة البلاستيك وتركيز الإجهاد. بعد تطبيع كل الكميات، يحسبون مؤشرًا واحدًا يمكنه تصنيف النفق إلى مستقر، هامشي، غير مستقر بشكل حرج، أو معرض لخطر انهيار كبير، ويوجه تدابير الدعم المناسبة.

تطبيق النموذج في منجم حقيقي

طبق الفريق بعد ذلك نموذج IMASS المتقدم إلى جانب نموذج تليين إجهاد تقليدي على ممر عميق بصخور طرية في منجم فحم كوانديان بالصين، حيث الصخور رملية ومكسورة بشدة. قارنوا الانزلاقات المحاكاة، أعماق الفشل، أنماط الإجهاد، والانتفاخ مع القياسات الميدانية. تنبأ النموذج التقليدي بتشوه أقل بكثير ومنطقة فشل أصغر مما لوحظ في الموقع، مما أعطى مؤشر استقرار متفائل بشكل مبالغ فيه مع انحراف نحو القيمة المقاسة بنحو 162%. على النقيض، أنتجت محاكاة IMASS انزلاقات أكبر، ومناطق بلاستيكية أوسع، وانتفاخ أقوى، وتطابقاً أقرب بكثير للواقع؛ فاختلاف مؤشر الاستقرار عنها كان نحو 26% فقط، وحدد بشكل صحيح أن الممر في حالة خطر مرتفع.

ماذا يعني ذلك من أجل أنفاق أكثر أماناً

الرسالة لغير المتخصصين بسيطة: الصخور حول الأنفاق العميقة لا تتصدع ثم تتوقف فحسب—إنها تليّن، وتنتفخ، وتُعيد تنظيم نفسها تدريجياً، وهذه الفروق الدقيقة مهمة للسلامة. يوفر نموذج IMASS، عبر تتبعه لفقدان الصلابة، والانتفاخ، والهشاشة، صورة أكثر واقعية لكيفية انتشار الضرر حول الحفر ومدى قرب المنظومة من عدم الاستقرار. وعند دمجه في مؤشر استقرار واحد، تتيح هذه الصورة الأغنى للمهندسين اختيار أنظمة دعم أقوى أو أكثر اقتصاداً بثقة أكبر. مع إشارتهم إلى أن العمل المستقبلي يجب أن يتضمن الأحمال الديناميكية والمياه الجوفية وتأثيرات الزمن، تُظهر دراستهم أن النماذج العددية الأكثر دقة قادرة على تضييق الفجوة بين التنبؤ وما يحدث فعلاً تحت الأرض.

الاستشهاد: Wang, R., Wu, R., Xu, J. et al. Research on numerical simulation of surrounding rock stability of deep roadway with advanced strain softening model based on Hoek-Brown criterion. Sci Rep 16, 11910 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39882-w

الكلمات المفتاحية: استقرار الممرات العميقة, تليين كتلة الصخر, المحاكاة العددية, تصميم الدعم تحت الأرض, معيار هوك-براون