تطور النفاذية وتنظيم البنية الدقيقة لكتلة التسقيل بالطين والأسمنت تحت شروط التسرب والجهد المزدوجة

لماذا توقيف الماء في المناجم مهم

تكافح المناجم العميقة تحت الأرض عدوًا دائمًا: مياه غير مرغوب فيها تتسرب عبر شقوق الصخور. إذا لم تُتحكم بهذه المياه فقد تغمر الأنفاق، توقف الإنتاج، وتعرّض حياة العاملين للخطر. حل واعد هو حقن خليط من الطين والأسمنت داخل الصخر لتشكيل جدار تحت أرضي يعيق الجريان. تسأل هذه الدراسة سؤالًا عمليًا لكنه حاسم: إلى أي مدى يحبس هذا الجدار الطيني‑الأسمنتي الماء مع مرور الزمن بينما يتعرض للضغط الصخري وتتآثره حركة المياه الجوفية؟

بناء درع تحت الأرض

عمل الباحثون على «كتلة مسقولة» مكوّنة من طين أحمر وأسمنت عادي وماء—مواد متاحة على نطاق واسع وذات أثر بيئي نسبيًا محدود. أعدّوا أسطوانات صلبة من هذا الخليط بثلاث نسبة أسمنت مختلفة: 50%، 70%، و90% بالكتلة. تمثل هذه الأسطوانات الحاجز المتصلب الذي يتكوّن في المنجم بعد حقن المادة في الصخور المحيطة. بعد معالجة العينات لما يقرب من شهر، وضع الفريق العينات في جهاز خاص يمكنه ضغطها من جميع الجوانب، ودفع الماء عبرها تحت ضغط، ومتابعة سهولة مرور الماء على مدى عدة ساعات.

رصد حركة الماء عبر المسارات الدقيقة

في نظام الاختبار، تعرّضت العينات لنوعين من القوى في آنٍ واحد. ضغط الماء دفع السائل عبرها، مقلدًا تسرب المياه الجوفية نحو المنجم، بينما ضغط خارجي «محيط» ضغط المادة كما تفعل الصخور المتراكمة أعلاها في الواقع. قاس العلماء سرعة تدفق الماء، ومدى سهولة مروره (النفاذية)، ومقدار الفراغات الموجودة داخل المادة (المسامية). في بداية كل اختبار، ملأ الماء بسرعة المسام الأكبر، ارتفعت معدلات التدفق وبلغت النفاذية ذروتها. على مدار الساعتين التاليتين، ضيّق الضغط المحيطي المادة تدريجيًا، مصغّرًا المسام ومحدّدًا قنوات الماء حتى استقرت التدفقات والنفاذية عند قيم أدنى وثابتة.

كيف تغيّر نسبة الأسمنت متاهة الداخل

لمعرفة ما يجري على مقياس مجهري، استخدم الفريق الرنين المغناطيسي النووي، وتحليل حيود الأشعة السينية، والمجهر الإلكتروني لفحص البنية الداخلية قبل وبعد الاختبار. وجدوا أن زيادة نسبة الأسمنت ضيّقت بشكل كبير متاهة المسام الداخلية. الانتقال من 50% إلى 90% أسمنت قلّص كلًا من النفاذية والحجم الكلي للمسام، وحوّل توزيع المسام من ممرات أكبر إلى مسام دقيقة في الغالب. ملأت نواتج التصلب الكيميائية الفجوات بين جزيئات الطين، محولة شبكة نسبياً مفتوحة إلى هيكل كثيف مع طرق مائية أقل ترابطًا. كانت عينات 50% أسمنت تحتوي على مسام متوسطة إلى كبيرة مرتبطة ببعضها لتشكّل قنوات فعالة لتدفق الماء، بينما كانت عينات 90% أسمنت ممتلئة بمسام دقيقة أبطأت التدفق إلى حد كبير.

شدّ الحبل بين الماء والضغط

كشفت الدراسة أن أداء الحاجز يتحكم فيه تنافس بين ميل الماء لفتح الممرات وميله الضغط لغلقها. ضغط الماء الأعلى يمنح السائل طاقة أكبر لتآكل وتوسيع المسام، محولًا العديد من المسام الدقيقة إلى مسام أكبر ورافِعًا النفاذية. في المقابل، ضغط الحصر الأعلى يضغط المادة، مغلقًا المسام متوسطة الحجم ومعزّزًا سيطرة الممرات الضيقة التي تقاوم الجريان. حدّد توازن هذين التأثيرين ما إذا كان الحاجز يصبح أكثر تسريبًا أو أكثر إحكامًا مع الوقت. وبما أن كيمياء الأسمنت تتحكم أيضًا في سهولة انضغاط أو تآكل المسام، فإن التركيب المعدني للكتلة المتصلبة يُعد رافعة مهمة للمهندسين.

خيارات عملية لمناجم أكثر أمانًا وصداقة للبيئة

بالنسبة لغير المتخصصين، النتيجة بسيطة: من خلال ضبط نسبة الأسمنت المختلطة بالطين، يمكن للمهندسين تصميم حواجز تحت أرضية تسمح بمرور ضئيل جدًا من الماء، أو تتيح تدفقًا محدودًا حيث لا يكون الانسداد الكامل مطلوبًا. يقترح المؤلفون استخدام نحو 90% أسمنت في مواقع المناجم التي تحدّ مياه جوفية رئيسية وتحتاج إلى أقوى حاجز قليل النفاذية؛ وحوالي 70% أسمنت حيث يُراد توازن بين حماية معتدلة والتكلفة؛ وفقط 50% أسمنت في المناطق منخفضة المخاطر ذات ضغط مائي متواضع. في الجوهر، تربط هذه الدراسة ما يحدث في المسام المجهرية غير المرئية بقرارات عملية حول سلامة المناجم وحماية البيئة، مبيّنة كيف يمكن لجدار طيني‑أسمنتي مصمم بعناية أن يبقي الماء في مكانه.

الاستشهاد: Lujun, C., Yaoxiang, W., Kun, W. et al. Permeability evolution and microstructural regulation of clay cement grouted body under coupled seepage and stress conditions. Sci Rep 16, 9758 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39995-2

الكلمات المفتاحية: حقن الخامات في المناجم, السيطرة على المياه الجوفية, حواجز الطين والأسمنت, نفاذية الصخور, السلامة تحت الأرض