بحث حول تأثير حجم التلف في الردم المعهَد بالإسمنت تحت ظروف نسبة رمل/أسمنت عالية

لماذا يهم حجم الدعم تحت الأرض

تلجأ المناجم الحديثة في كثير من الأحيان إلى ضخ نوع من الصخور المصنعة، يُسمى الردم المعَهَد بالإسمنت، في الأنفاق الفارغة لمنع انهيار الأرض. يتكوّن هذا المَلاّط من مخلفات الصخور المسحوقة (النفايات)، والماء، وكمية صغيرة من الأسمنت. لأغراض السلامة، يحتاج المهندسون إلى معرفة مدى صلابة هذا الردم بدقة — لكن ذلك يتوقف ليس فقط على مكوّناته، بل أيضاً على حجم وشكل العينات التي يختبرونها مخبرياً. تطرح هذه الدراسة سؤالاً بسيطاً لكنه مهم: عندما نغيّر نسب الرمل إلى الأسمنت وشكل عينة الاختبار، كم تنحرف قياسات القوة لدينا عن القوة الحقيقية للمادة المدفونة في أعماق الأرض؟

كيف تستخدم المناجم الصخور المهدورة للحفاظ على السلامة

في تقنية الردم، يُمزج نفايات الصخور الناتجة عن معالجة الخام مع الماء والأسمنت ثم تُضخ إلى الفراغات الأرضية. بعد التصلّب، يدعم هذا المَلاّط السقف والجدران، ما يتيح استخراج المزيد من الخام دون التسبب في انهيارات خطيرة. تؤثر قوة هذا المَلاّط المتصلب — قدرته على مقاومة الضغط والسحق — مباشرةً في عرض وارتفاع الغرف تحت الأرض التي يمكن للمهندسين تصميمها. وبما أن العديد من المناجم تستخدم خليطاً غنياً بالرمل وفقيراً بالأسمنت (بنسب رمل–أسمنت عالية) لتقليل التكلفة، فقد تكون المادة الناتجة ضعيفة نسبياً. قياس هذه القوى المنخفضة بدقة على أجهزة الاختبار القياسية صعب، لذلك غالباً ما يغيّر الباحثون حجم أو شكل العينات المخبريّة. لكن هذه الراحة قد تُشوّه النتائج بصمت.

اختبار أشكال وخليط مختلفة

حضّر المؤلفون العديد من كتل الردم المعَهَد بالإسمنت باستخدام ثلاث نسب رمل إلى أسمنت (من 8:1 حتى 24:1) وثلاث محتويات صلبة (71–73 بالمئة)، محاكاةً لظروف المناجم الواقعية. ركزوا على ثلاثة أشكال بسيطة بنسب ارتفاع إلى عرض مختلفة: كتلة قصيرة وسميكة، ومكعب، وعمود عالي ونحيل. بعد 28 يوماً من المعالجة، ضُغطت كل عيّنة في مكبس حتى فشلت. ثم استخدم الفريق أدوات إحصائية لبيان مدى تأثير كل عامل — النسبة في الخلطة، والمحتوى الصلب، وشكل العينة — على القوة المقاسة. وبنوا أيضاً نماذج حاسوبية باستخدام برامج العناصر المنتهية للاطلاع داخل العينات وتصوّر كيفية تراكم الإجهادات قبل الفشل.

ما تكشفه الأشكال عن الإجهادات الخفية

أظهرت الاختبارات اتجاهات واضحة. عند انخفاض كمية الأسمنت (زيادة نسبة الرمل–أسمنت)، انخفضت القوة بشكل حاد — حتى ثلاثة أرباع عبر النطاق المختبر — لأن مادة الربط كانت أقل لتلصق الحبيبات معاً. زيادة المحتوى الصلب جعلت المَلاّط أقوى قليلاً عبر تقليل المسام الداخلية، لكن هذا التأثير كان محدوداً. لعب شكل العينة دوراً مفاجئاً وكبيراً: تحت نفس الخلطة والمحتوى الصلب، بدت الكتل القصيرة والسميكة الأقوى، والمكعبات أضعف قليلاً، والأعمدة الطويلة الأضعف. وكشفت مراقبة أنماط التشقق أن العينات القصيرة تميل للانقسام عمودياً، بينما فشلت العينات الطويلة على خطوط قطرية على شكل X، ما يشير إلى حالات إجهاد داخلية مختلفة.

لماذا تبدو الكتل القصيرة أقوى مما هي عليه في الواقع

لفهم هذه الاختلافات، فحص المؤلفون كيفية قيد ألواح التحميل أعلى وأسفل العينات للمادة. في الكتل الأقصر، منعت الاحتكاكات ضد هذه الألواح جوانب العينة قرب النهايات من الانتفاخ للخارج. أدى ذلك إلى خلق مناطق مخروطية الشكل مضغوطة بقوة عند كلا النهايتين تتداخل في المنتصف، مما وضع معظم المادة في حالة ضغط ثلاثية الأبعاد تجعلها تبدو أقوى مما هي عليه بالفعل. في الأعمدة الطويلة، كانت فقط مناطق رقيقة قرب الألواح محكومة جيداً؛ أما الجزء الطويل الأوسط فشعر بشكل أساسي بضغط أحادي الاتجاه، أشبه بالإجهاد الذي يتعرض له الردم تحت الأرض. أكدت المحاكاة الحاسوبية هذه الصورة، مبينة تركّزات إجهاد قوية قرب نهايات الكتل القصيرة وتوزع أكثر تجانساً للإجهاد في مركز الأعمدة الطويلة.

تحويل نتائج المختبر إلى قوة العالم الحقيقي

لأن أطول العينات هي الأقل تشويهاً بتأثيرات النهايات، فإن قوتها المقاسة تعكس أكثر ما يمكن القوة الحقيقية للردم في المنجم. باستخدام مجموعة البيانات الكاملة، بنى الباحثون علاقات رياضية تترجم القوة المقاسة للكتل القصيرة أو المكعبات إلى قيم مكافئة للعينات الطويلة. توفر صيغ التحويل هذه، الصالحة لنطاقات الخلطة والمحتوى الصلب المختبرة، مجموعة أدوات عملية للمهندسين: يمكنهم الاستمرار في استخدام أحجام عينات مريحة في المختبر ثم تصحيح النتائج لتتناسب بشكل أفضل مع سلوك المادة في المنجم. وبذلك تساعد الدراسة على ضمان أن يكون دعم الأنفاق تحت الأرض لا يقل تصميماً عن اللازم ما يهدد السلامة، ولا مبالغاً فيه ما يهدر الأسمنت والمال.

الاستشهاد: Jiang, D., Li, H. & Sun, G. Research on damage size effect of cemented paste backfill under high sand-cement ratio conditions. Sci Rep 16, 11215 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40983-9

الكلمات المفتاحية: ردم معَهَد بالإسمنت, دعم أرضية المنجم, تأثير الحجم, نسبة رمل–أسمنت, قوة الضغط