بحث في تحليل الاستقرار وتقنيات التحكم في الطرقات تحت وجوه العمل المعزولة

لماذا تهم الطرقات تحت الأرض

عميقًا تحت شمال الصين، يعتمد عمال الفحم على طرُق تحت الأرض لنقل الناس والهواء والمعدات. إذا تشوّهت هذه الأنفاق أو انهارت، يجب على المنجم أن يبطئ أو يتوقف، مما يعرض العمال للخطر ويهدد مصدرًا رئيسيًا للطاقة. تفحص هذه الورقة حالة معقدة بشكل خاص: لوح فحم يجلس مثل "جزيرة" تحت مناطق تم تعدينها سابقًا ودمى من الفحم المتبقية. يوضح المؤلفون كيف تتركز الإجهادات الناتجة عن هذه الأعمال القديمة في الصخر ثم يصممون نظام دعم يحافظ على ثبات الممر الجديد وسلامته.

طبقات الأعمال القديمة والجديدة

تركز الدراسة على منجم يانغهوبان في مقاطعة شنشي، حيث يقع لوح فحم طويل وضيّق — المسمى وجه العمل 30,119 — تحت طبقة أخرى تم تعدينها بالفعل. فوقه فراغات (جوفات) وكتل صلبة من الفحم تركت كأعمدة متبقية. يولّد هذا التكوين "وجهًا معزولًا" محاطًا من ثلاث جهات بمناطق مستخرجة. يجب أن يمر الممر المعني، الذي يعيد تهوية الهواء من الوجه، تحت كل من مناطق الجوف منخفضة الإجهاد ودمى الفحم المتبقية ذات الإجهاد العالي. ونظرًا لأن صخور السقف والأرضية هي رماليات وطينيات قوية نسبيًا، لكن مجال الإجهاد غير متساوٍ للغاية، فستكون خطة دعم نفق موحدة غير آمنة ومهدرة.

كيف تضغط الدعامات المتبقية على الطبقات السفلية

يستخدم الباحثون أولًا نظرية ميكانيكا الصخور لفهم كيف تُنقل القوة من دعامات الفحم العلوية إلى الأسفل. يعاملون الدعامة كقِطعة صخرية محملة تضغط على أرضية أكثر سمكًا بكثير ويحسبون كيف ينتشر هذا الحمل المركّز مع العمق. تُظهر تحليلاتهم أنه مباشرةً تحت دعامة الفحم المتبقية، يتعرض الطبق السفلي لإجهاد رأسي يزيد بنحو 1.6 مرة عن مستوى الخلفية الطبيعي، وتمتد هذه النفوذ إلى أكثر من 60 مترًا جانبيًا على طول الطبقة السفلية. بعبارة أخرى، على الرغم من أن الطبقة العلوية قد تم تعدينها بالفعل، تواصل الدعامة المتبقية تركيز الوزن على الصخور والأنفاق أدناه، مخلّفة مناطق متميزة من زيادة الإجهاد وتخفيفه.

محاكاة الإجهاد والضرر والحركة

لمعرفة كيف تتفاعل هذه القوى حول الممر، بنى الفريق نموذجًا حاسوبيًا ثلاثي الأبعاد لطبقات الصخور وتسلسل التعدين باستخدام برنامج محاكاة عددية. قاموا "بتعدين" الطبقة العلوية لخلق جوفات ودعامات، ثم محاكاة حفر طبقة الفحم السفلية 3–1 وتقدم وجه 30,119 على مراحل. يكشف النموذج عن خمس مناطق واضحة تحت الأعمال العلوية: منطقتان منخفضتا الإجهاد تحت الجوفات، ومنطقتان لتركيز الإجهاد تحت الدعامة المتبقية الأولى والثانية، ومنطقة ضغط طبيعية تحت الفحم غير المستخرج. مع تقدم الوجه السفلي، يظهر الذروة الإضافية للحمل أمامه بشكل ثابت على بعد نحو ثمانية أمتار أمام الوجه، لكن حجمها يتغير بشدة مع الموقع: تكون الإجهادات أكبر تحت الدعامة المتبقية الأولى وأقل قليلًا تحت الثانية.

أين يتأذى الممر أكثر

تتابع المحاكاة أيضًا مقدار ما يخضع من الصخور حول الممر للانسياب أو التشقق ("المنطقة البلاستيكية") ومقدار حركة السقف والجدران نحو الداخل. عندما يقع الممر تحت مناطق إغاثة الإجهاد، تكون أحزمة التلف حوله ضحلة نسبيًا والتشوهات متواضعة. أما تحت الدعامة المتبقية الأولى، فالجمع بين الحمل المركز وضغط تقدم الوجه يعمّق منطقة الانكسار في السقف والجدران الجانبية ويدفع إلى هبوط سقف أكبر وتقارب جدران أكبر. تحت الدعامة الثانية، لا يزال التأثير خطيرًا لكن أخف: حركة السقف حوالي نصف ما هي تحت الدعامة الأولى، وحركة جدار الفحم الصلب تنخفض بأكثر من ثلاثة أرباع. تؤكد هذه التباينات أن سلوك الممر يحدد ليس فقط بنوع الصخور ولكن بتاريخ الإجهاد المعقّد المفروض بفعل التعدين السابق.

تصميم دعم حيث الحاجة أكبر

بتوجيه من هذه النتائج، يقسم المؤلفون الممر إلى نوعين من مناطق التحكم. في الامتدادات تحت الجوفات وقرب الإجهاد الطبيعي، يتبنون نمط دعم تقليدي باستخدام مسامير صخرية، وكابلات، وشبك. تحت المقاطع عالية الإجهاد المتأثرة بالدعامات المتبقية، يقوّون التصميم: مسامير سقف أكثر كثافة، رواسي كابل طويلة مرتبة بنمط تقوية، ومسامير إضافية على الجدران الجانبية لـ"خياطة" الدعامة والفواصل معًا. ثم يتحققون من الأداء تحت الأرض عن طريق مراقبة هبوط السقف وتقارب الجدران وحمولات المسامير والكابلات في عدة محطات أثناء تقدم الوجه. يبقى هبوط السقف المقاس ضمن نحو سنتيمتر واحد وتقارب الجدران ضمن بضعة مليمترات، بينما تظل أحمال الدعم بعيدة عن سعتها، مما يشير إلى هامش أمان مريح.

ماذا يعني هذا لتعدين أكثر أمانًا

عمليًا، تُظهر الدراسة أن الأنفاق تحت أوجه الجزر المعزولة يمكن الحفاظ على استقرارها إذا قام المهندسون أولًا برسم خريطة لكيفية إعادة تشكيل أعمدة الفحم والجوفات لمجال الإجهاد ثم خصّصوا الدعم لكل منطقة. بدلاً من الإفراط في التدعيم في كل مكان أو المخاطرة بالفشل في نقاط ساخنة مخفية، يركّز هذا النهج الدعم الثقيل حيث يكون الإجهاد أعلى ويستخدم أنظمة أخف حيث الصخر مخفف طبيعيًا. النتيجة في يانغهوبان هي ممر يبقى مفتوحًا وصالحًا للخدمة أثناء تقدم التعدين، موفّرًا نموذجًا لمناجم أخرى تضطر للعمل في طبقات فحم جديدة تحت شبكات معقدة من الأعمال القديمة.

الاستشهاد: Gao, X., Wang, Y. & Li, YM. Research on stability analysis and control technology of roadways in the underlying isolated island working face. Sci Rep 16, 9903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40307-x

الكلمات المفتاحية: استقرار ممشى منجم الفحم, وجه عمل جزيرة معزولة, إجهاد دعائم الفحم المتبقية, محاكاة التعدين العددية, تصميم دعم تحت الأرض