زاوية الحفر المعقولة وتطبيق التكنولوجيا للتمهيد بكسر الأسقف السميكة والصلبة قبل حفر ممرات الجانب الخاوٍ في الطبقات فائقة السُمك

جعل التعدين العميق للفحم أكثر أمانًا

في بعض أكبر مناجم الفحم في الصين، يجب إبقاء الأنفاق تحت الأرض مفتوحة بجوار الفراغات الكبيرة المتبقية بعد استخراج الفحم. تُعرف هذه الممرات باسم ممرات جانب الخاوٍ، وهي ضرورية للتهوية والنقل. لكن عندما تتدلى فوق هذه الفراغات أسقف صخرية سميكة وصلبة للغاية، فقد تنهار فجأة وتسقط، مما يسحق الدعائم ويشوّه الممرات. تبحث هذه الدراسة في طريقة لإضعاف هذا السقف الصلب مسبقًا، باستخدام حفر موجه بزاوية مدروسة وتكسير قائم على ثاني أكسيد الكربون، بحيث ينكسر الصخر بطريقة مسيطر عليها باتجاه بعيد عن الممر بدلاً من الانهيار بعنف فوقه.

لمَ تشكل الأسقف السميكة تهديدًا خفيًا

في الطبقات فائقة السُمك التي تزيد عن 20 مترًا، يترك التعدين تجاويف فارغة كبيرة. فوقها، توجد طبقة رقيقة وضعيفة تحت سقف صخري أكثر سمكًا وقوة. وبما أن الصخر المكسور في منطقة الفراغات (الفراغ المستخرج) لا يملأ المساحة بالكامل، يمكن أن يشكل السقف السميك بروزًا صلبًا وطويلًا يصل إلى الفحم المتبقي الذي يدعم الممر. عندما ينكسر هذا اللوح المتدلي ويدور أخيرًا، فإنه يفرض حملاً إضافيًّا على جدران وأرضية الممر، مما يثني العوارض الفولاذية، ويقصف كابلات التثبيت، ويضغط أركان الفحم، وأحيانًا يكاد يغلق النفق. وثقت ملاحظات الحقل في منجم ماداوتو ترنحًا شديدًا للسقف وتقلّصًا في الجدران ونتوءًا في الأرضية تحت مثل هذه الظروف عندما لم يُستخدم أي علاج تمهيدي للسقف.

كسر السقف حيث يسبب أقل ضرر

يقترح المؤلفون قلب هذه المشكلة: بدلًا من الرد بعد فشل السقف، يتم إحداث شرخ مقصود في السقف الصلب والسميك مسبقًا قبل حفر الممر الجديد بجانب الخاوٍ. من خلال حفر ثقوب طويلة من ممر مجاور بزاوية مختارة ثم تكسير الصخر على طول هذه الثقوب، يمكنهم إجبار الكتل الصخرية الأساسية على الانكسار والسقوط إلى المنطقة المستخرجة بالفعل بدلاً من السقوط فوق الممر الجديد. باستخدام نموذج إنشائي يعامل الصخر العلوي كطبقات من العوارض، يظهر أن زاوية هذه الشروخ المسبقة تتحكم في مكان انكسار السقف وكيفية انحنائه وكيفية انتقال القوى جانبًا إلى الفحم. عندما توجه اتجاه الشق الكتل نحو الفراغ، يتحمل الممر أحمالًا من صخور تنثني بلطف على مسافة أبعد، بدلاً من جناح صلب معلق مباشرة فوقه.

إيجاد أفضل زاوية للحفر

للنقل من الفكرة إلى قواعد التصميم، بنى الفريق نموذجًا رياضيًا مفصّلًا لكيفية انحناء كتل السقف ودفعها على جدار الفحم عند زوايا شق مختلفة. ثم استخدموا محاكاة حاسوبية (FLAC3D) لرؤية كيف تتغير الإجهادات ومناطق التلف حول الممر عندما تزداد زاوية الحفر من عدم وجود شق، مرورًا بـ60° و70° و80°، وصولًا إلى 90° وما بعدها قليلاً. تم فحص مؤشرين رئيسيين: حجم المنطقة البلاستيكية (المشوّهة بشكل دائم) في الفحم والسقف، وقياس لطاقة التشوه المخزنة (J2) التي تشير إلى مقدار «طاقة النابض» المنتظرة للانطلاق. مع ازدياد زاوية التمهيد بالشق من 60° إلى 90°، انخفض قمة الضغط الجانبي على جدار الفحم بنحو 18%، وتقلصت منطقة الفشل البلاستيكي من حوالي 32 م إلى 20 م، وانخفضت قيم J2 في كل من الفحم والسقف بشكل ملحوظ. ومع ذلك، عندما تجاوزت الزاوية 90°، أميلت الكتل المكسورة إلى الضغط مباشرة على الممر مرة أخرى، موسعةً منطقة التلف ومُسحِقة الفحم بحيث لم يعد قادرًا على تحمل الحمولة بأمان.

تكسير السقف بثاني أكسيد الكربون فوق الحرج

بقيادة هذه الحسابات، اختار الباحثون ارتفاع شق يصل إلى الطبقة السقفية الأساسية (حوالي 45 م فوق الطبقة) وزاوية حفر شبه رأسية 90° كأمثل حل. في ممر 2209 بمنجم ماداوتو، حفَروا مجموعات من الآبار العميقة على الجانب الأقرب إلى الفراغ واستخدموا ثاني أكسيد الكربون في الحالة فوق الحرجة لتكسير السقف. يُخزن CO2 كسائل كثيف في خرطوشات محكمة؛ عند تفعيله، يتمدد بسرعة إلى غاز، ويفتح الشقوق في الصخر بطريقة أكثر تحكمًا وبصدمة منخفضة مقارنة بالمتفجرات. أكدت عمليات التفتيش الميدانية للآبار واختبارات حقن المياه أن الشقوق اتصلت جيدًا بين الآبار، مكوِّنة حزامًا مستمرًا مُضعفًا فوق الممر شجع كتل السقف على الانكسار والسقوط في الفراغ مع تقدم الوجّه.

من الانهيار العنيف إلى الحركة المُتحكَّم بها

بالمقارنة بين ممرين متشابهيْن خلافًا للحفر المسبق—أحدهما بدون تمهيد والآخر بمعالجة قائمة على CO2—كان الفرق واضحًا. بدون التمهيد بالشَق، بلغ ترنح السقف ما يقرب من نصف متر أثناء الحفر وأكثر من متر أثناء التعدين؛ كما تحرّكت الجدران والأرضية مئات المليميترات، مما استلزم إصلاحات متكررة. مع التمهيد بالشَق عند 90°، انخفضت حركة السقف أثناء الحفر إلى بضعة سنتيمترات فقط، وخلال التعدين تراجعت تشوهات السقف وعمود الفحم والفحم الصلب والأرضية بنسبة 75–82%. بقيت جدران الممرات ناعمة نسبيًا، وظل السقف سليماً، وكانت حالات فشل الدعم نادرة. للقراء غير المتخصصين، الخلاصة واضحة: باختيار زاوية الحفر المناسبة وتمهيد السقف الصلب مسبقًا، يستطيع المهندسون «توجيه» مكان انكسار الصخر—باتجاه الفراغ بدلًا من فوق النفق—مما يحوّل انهيارًا مفاجئًا وخطيرًا إلى هبوط أرضي أكثر أمانًا ومتحكمًا.

الاستشهاد: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

الكلمات المفتاحية: استقرار ممرات مناجم الفحم, التمهيد بكسر السقف, ممر جانب الخاوٍ, تكسير الصخور بثاني أكسيد الكربون, طبقات الفحم فائقة السُمك