دراسة حول قانون توزيع مجال الإجهادات نتيجة التعدين تحت دعامة فحم معزولة في طبقة فحم متقاربة وموقع ممر منجم معقول

لماذا شكل الإجهادات تحت السطح مهم

في أعماق الأرض، تعتمد مناجم الفحم على أنفاق ضيقة أو ممرات لنقل الأشخاص والمعدات والهواء. في العديد من الحقول الفحمية الصينية تتقارب طبقات الفحم، لذا عندما يُستخرج نطاق واحد، تتعرض الصخور أعلاه وأسفله للاضطراب. تدرس هذه الورقة ما يحدث تحت "جزيرة" متبقية من الفحم في طبقة عليا وتطرح سؤالاً عملياً ذا عواقب بالغة: أين يجب على المهندسين وضع الممر الجديد في الطبقة السفلية ليبقى مستقراً وآمناً على المدى الطويل؟

طبقات الصخور وقطع الفحم المتبقية

ركز الباحثون على منجم في مقاطعة قويتشو بالصين، حيث تم استخراج طبقة علوية (تسمى رقم 1) تاركة دعامة فحم سميكة ومعزولة بين فراغين منهارين ومضغوطين (غوفس). على عمق يقارب 12 متراً توجد طبقة أرقى أدناه (رقم 3)، حيث يجب حفر ممر تعدين جديد. لأن الطبقات متقاربة والمنجم عميق، فإن الإجهادات الناجمة عن التعدين السابق لا تختفي ببساطة — بل تتركز حول دعامة الفحم المعزولة وتنتقل نزولاً عبر الصخور، مغيرة سلوك الطبقة السفلية. فهم هذا النمط ضروري لاتخاذ قرار مكان الممر بحيث يتشوه الصخر المحيط بلطف بدل أن يفشل بعنف.

رسم خريطة للقوى غير المرئية داخل الصخر

لمتابعة كيفية انتقال الإجهاد عبر الصخور تحت الدعامة، جمع الفريق بين ثلاث مقاربات. أولاً، بنوا نموذجاً ميكانيكياً تحليلياً يعامل الصخر أسفل الطبقة العلوية كوسط مرن محمَّل بوزن الطبقات العلوية، ودعامة الفحم، والحطام المضغوط في المناطق المستخرجة. يمنح هذا النموذج معادلات توضح كيفية تغير الإجهادات الأفقية والعمودية والقصية مع العمق. بعد ذلك استخدموا FLAC3D، وهو برنامج محاكاة عددية شائع، لإنشاء منجم رقمي ثلاثي الأبعاد متكامل يشمل الدعامة العلوية والغوفس والطبقة السفلية. أخيراً، قارنوا النتائج النظرية والعددية مع ملاحظات ميدانية وبيانات قياس من المنجم الحقيقي. اتفقت الطريقتان جيداً، مبينتين تركيزاً قوياً للإجهاد عند حواف الدعامة المعزولة ونمط إجهادي على شكل سرج في صخور القاعدة.

إيجاد منطقة الهدوء تحت الدعامة

أظهرت المحاكاة أن إجهاد دعامة الفحم المعزولة لا يضغط ببساطة إلى الأسفل بصورة رأسية. بل ينتشر بشكل مائل داخل صخر القاعدة ويضعف تدريجياً مع العمق. قرب الطبقة العلوية، تكون الفروق بين الإجهادات الضاغطة الرئيسية كبيرة وتظهر نمط ذروتين على جانبي خط منتصف الدعامة. ومع تعمق المستوى، يتحول هذا الذروبان إلى قمة واحدة أكثر استواءً. من اللافت أنه عند مستوى الطبقة السفلية رقم 3 مباشرة تحت منتصف الدعامة، كان الفرق بين الإجهادات الرئيسية صغيراً نسبياً — أقل بكثير من المناطق تحت حواف الدعامة أو قرب حدود الغوف. هذا يعني أن الصخر هناك أقل عرضة للقص والتشقق الشديدين، مما يشير إلى "منطقة هادئة" طبيعية لوضع الممر.

كيف يغير موقع الممر تضرر الصخر

لاختبار تأثير موقع الممر على الضرر، محاك الباحثون أنفاقاً مقطوعة عند إزاحات جانبية مختلفة تحت الدعامة. فحصوا مقدارين مرتبطين: إجهاد الانحراف (الذي يحفز التشوهات المغيرة للشكل) والمنطقة البلاستيكية (حيث استسلم الصخر وتعرض لضرر دائم). عندما وُضع الممر مباشرة تحت خط منتصف الدعامة، كان نمط إجهاد الانحراف حوله شبه متماثل، وتكونت المنطقة البلاستيكية على شكل هالة مدمجة تقريباً بيضاوية تتركز على السقف والجوانب. ومع نقل الممر خطوة بخطوة نحو أي جانب، انقلاب نمط الإجهاد وامتد، وتطورت المنطقة البلاستيكية من تلك البيضاوية المنظمة إلى شكل مشوه شبيه بالفراشة امتد نحو غوف الأرض القريب. في هذه المواقع غير المركزية، تواصلت مناطق الضرر مع المناطق المضعفة أعلاه، ما زاد كثيراً من خطر تشوه كبير وغير متساوٍ وجعل التدعيم أكثر صعوبة.

اختيار أنسب منطقة للممر

انطلاقاً من هذا الفهم، استخدم الباحثون إطار عمل "فشل على شكل فراشة" لتقسيم المنطقة الممكنة للممر إلى ثلاث مناطق بناءً على مؤشرين: نسبة الإجهادات الرئيسية وفارقها. منطقة واحدة تهيمن عليها نسبة إجهاد عالية ومهيأة للفشل غير المستقر على شكل فراشة؛ وأخرى تتأثر بقوة بالمؤشرين معاً وتعتبر الأسوأ لتخطيط الممر. الثالثة، المسماة R‑III، تتوافق مع مواقع تكون فيها كل من نسبة الإجهاد وفارق الإجهاد صغيرة نسبياً. في دراسة الحالة هذه تقع المنطقة المثلى مباشرة تحت دعامة الفحم المعزولة. أظهر ممر مُستخرج هناك ومدعوم بكابلات سقف طويلة وبراغٍ سلوك تشوه يمكن إدارته في المراقبة الميدانية: بقي إغلاق السقف‑الأرضية وتقارب الجوانب ضمن حدود مقبولة على مدى فترة رصد 40 يوماً. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أنه من خلال "إخفاء" الممر في أهدأ جزء من مجال إجهاد معقد — مباشرة تحت الدعامة بدلاً من جانبها — يمكن للمهندسين تحسين السلامة وتقليل مشاكل الصيانة في طبقات الفحم العميقة والمتقاربة.

الاستشهاد: Shu, S., Wang, W., Liu, C. et al. Study on the mining stress field distribution law beneath isolated coal pillar in close coal seam and reasonable location of the roadway. Sci Rep 16, 12281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40452-3

الكلمات المفتاحية: دعامة الفحم, ممر تحت الأرض, إجهادات الصخور, ثبات المنجم, محاكاة عددية