دراسة تأثير تخفيف الإجهاد في الفراغ الناتج عن طبقة فحم مُستَخرَجة قريبة وحفر الممر على الصخر المحيط

لماذا يهم الإجهاد تحت الأرض

تضطر المناجم الحديثة إلى الحفر أعمق للوصول إلى احتياطيات الفحم المتبقية، حيث يتصرف الصخر بطرق معقدة وأحياناً غير متوقعة. عندما يُقطع نفق كبير تحت طبقة فحم قديمة سبق استغلالها، قد ينهار الصخر المحيط أو يبقى مستقراً اعتماداً على كيفية انتقال الإجهاد عبر الطبقات. تدرس هذه الورقة مشروعاً واقعياً في شرق الصين لفهم كيف يمكن لمنطقة فراغ مغمورة ومتدهورة تركتها عمليات التعدين السابقة أن تساعد فعلياً في حماية ممر جديد واسع جداً أدناه، وما أنواع الدعائم التي تحافظ على سقف النفق آمناً للعمال.

طبقات الصخر فوق نفق واسع

ركز الباحثون على ممر كبير يُعرف بالقطع المفتوح، عرضه تقريباً ضعف عرض نفق منجم تقليدي ويقع على عمق 12 إلى 18 متراً تحت طبقة فحم قديمة مستغلّة. بين طبقات الفحم توجد فراشات من الحجر الرملي والطين الرملي والطين، لكل منها مقاومات مختلفة. من خلال حفر أنوية وتقييم جودتها، وجد الفريق أن بعض صخور السقف كانت ذات قوة متوسطة، بينما كانت أخرى، خاصة قرب قاع الطبقة القديمة، ضعيفة ومنهارة بشدة. معرفة أي الطبقات قوية وأيها هشة أمر أساسي، لأن هذه الطبقات معاً تشكل العارضة الصخرية التي يجب أن تجسر الفتحة الجديدة.

كيف تغيّر الطبقة المُستخرَجة سابقاً الحمل

باستخدام محاكاة حاسوبية، أعاد المؤلفون إنشاء تسلسل استخراج طبقة الفحم العلوية ثم حفر الممر السفلي. بعد استخراج الطبقة العلوية تُرك خلفها فراغ—منطقة خالية مملوءة جزئياً بصخور السقف المنهارة. لم تُزِد هذه المنطقة الحمل على الممر السفلي؛ بل عملت كمنطقة لتخفيف الإجهاد. الصخر بين أرضية الفراغ وسقف النفق الجديد تعرض لإجهاد أقل بكثير، عادة بضعة ميغاپاسكال، مقارنة بالصخور المحمّلة بشدة على الجانبين. بقي شريط صخري بسماكة نحو ثلاثة أمتار بين الفتحتين غير مُنكسر، وبقيت كابلات السقف الطويلة المثبتة فوق النفق مُرسّخة داخل صخر مضغوط ومستقر، بينما عملت المسامير الأقصر في منطقة شد أقرب إلى الفتحة.

نماذج أنفاق وانهيار السقف بالحركة البطيئة

لاختبار هذه الأفكار عملياً، بنى الفريق نموذجاً مصغراً بحجم متر يمثل الصخر الطبقي وطبقات الفحم باستخدام مواد قائمة على الرمل. استخرجوا أولاً الطبقة العلوية في النموذج ثم زادوا ببطء الوزن الضاغط من الأعلى لمحاكاة الدفن الأعمق. مع تزايد الحمولة انكسر السقف فوق الطبقة العلوية تدريجياً من عارضة ثابتة إلى كتل مفصلية ثم إلى قوس يشبه البناء من الصخور المنهارة. بمجرد أن تجاوز الحمل عتبة معينة، انهار السقف العلوي تماماً، مكوّناً كومة مستقرة جانباها مائلة بحوالي 60 إلى 65 درجة. أظهرت الحساسات المدمجة قرب موقع الممر المستقبلي أن الإجهادات في القاع تحت الفراغ تغيرت في نهاية المطاف من ضغط إلى شد ثم استقرت عند قيم ثابتة، مؤكدة أن المنطقة المستخرَجة سابقاً تخلت إلى حد كبير عن حملها.

مراقبة تراكم الإجهاد مع توسع الممر

ثم حاكى الباحثون حفر الممر الكبير نفسه على مراحل، معاكسةً كيفية قطعه تحت الأرض. أظهرت مقاييس الإجهاد في سقف النموذج أن كل خطوة في توسيع النفق تسببت في موجة جديدة من الاضطراب، مع تفاوت الإجهادات الضاغطة والشدية قبل أن تستقر تدريجياً. حمل مركز السقف، مباشرة فوق الممر، أعلى إجهادات شد، وزادت هذه الإجهادات أكثر عند تطبيق حمل إضافي من الأعلى. ومع ذلك، كانت منطقة الشد العالية تقع في الغالب ضمن مدى عمل المسامير الأقصر، بينما كانت الكابلات الأطول مُرسّخة أعمق في صخر مضغوط عمل كعمود فقري متين. دعمت الملاحظات الميدانية بكاميرا ثقبية في المنجم الحقيقي هذه الصورة: لم تُرَ سوى عدد قليل من الشقوق الدائرية في السقف، وظلت معظم الصخور المحيطة بالفتحة سليمة.

ما الذي يعنيه هذا لتعدين أعمق وأكثر أماناً

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن طبقة فحم مستخرَجة قديمة فوق نفق جديد ليست دائماً تهديداً؛ إذا فُهمت بشكل صحيح، يمكن أن تخفف الضغط وتساعد في حماية الفتحة أدناه. في هذه الحالة، خلق الفراغ فوق الممر الكبير عازلاً منخفض الإجهاد، بينما ضمن التصميم الدقيق للمسامير والكابلات ربط الطبقات الضعيفة المتشققة قرب النفق بالصخور الأقوى أعلاه. من خلال الجمع بين حفر الأنوية، والنمذجة العددية، والنماذج المخبرية المصغرة، وفحوصات الكاميرا الميدانية، تُظهر الدراسة أن الممرات الفرعية الواسعة جداً يمكن أن تبقى مستقرة في ظروف عميقة عندما تُرسم خرائط الطبقات ومسارات الإجهاد بدقة ويُكيّف الدعم وفق مناطق الإجهاد الحقيقية.

الاستشهاد: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

الكلمات المفتاحية: التعدين الفحم تحت الأرض, استقرار الصخور, دعم الممر, تخفيف إجهاد الفراغ, الأنفاق العميقة