تحليل العوامل المؤثرة على عرض منطقة البلاستيك واستقرار أشرطة الردم القائمة على الرمال الريحية

حماية الأراضي فوق المناجم الخفية

تقع العديد من مناجم الفحم مباشرة تحت القرى والطرق والأراضي الزراعية. عندما يُستخرج الفحم، قد تترهل طبقات الصخور أعلاه وقد يغوص سطح الأرض مسببًا تشقق المباني واضطراب النظم البيئية. تستكشف هذه الدراسة طريقة لدعم تلك الفراغات تحت الأرض باستخدام مادة ردم خاصة قائمة على الرمل، بحيث يمكن استخراج الفحم مع الحفاظ على الأرض والبنى التحتية أعلاه آمنة ومستقرة قدر الإمكان.

تحويل رمل الصحراء إلى دعم تحت أرضي

بدأ الباحثون بتطوير مادة ردم جديدة باستخدام الرمال الريحية — رمل ناعم يرسو بفعل الرياح في المناطق الصحراوية — كمكون رئيسي. في غرب الصين، هذا الرمل متوفر بكثرة وسهل الجمع ورخيص. جمعوه مع متبقيات صناعية من الرماد المتطاير نشطت كيميائياً بالجير والجبس حتى يتماسك إلى كتلة صلبة. أظهرت التجارب أن المعجون الناتج يتدفق بسهولة عبر الأنابيب ثم يتصلب إلى جسم صخري ذا صلابة معقولة، مما يجعله عمليًا للضخ داخل الفراغات المستخرجة تحت الأرض.

سلوك ردم الرمل تحت الضغط

لفهم كيفية أداء هذه المادة في أعماق الأرض، صنع الفريق عينات أسطوانية وضغطوها من جميع الجهات في جهاز اختبار قوي. من خلال تغيير الضغط المحيط، تمكنوا من محاكاة أعماق مختلفة في المنجم. مع زيادة الضغط المحيط بالعينات، أصبح الردم أقوى وتشوه أقل قبل الفشل. من هذه التجارب حسب العلماء خواص قوة رئيسية يحتاجها المهندسون، مثل مقدار إجهاد القص الذي يمكن للمادة مقاومته. ثم استُخدمت هذه القيم لتقدير مدى قوة شريط الردم عند تحمله لوزن مئات الأمتار من الصخور أعلاه.

رسم خريطة "الحافة اللينة" حول أشرطة الردم

في التعدين بأشرطة الردم، يُستخرج وجه العمل على نطاقات طويلة، تاركًا أشرطة صلبة متناوبة تعمل كعوارض تحت أرضية لتحمل السقف. بدلاً من ترك هذه الأشرطة كلها فحمًا، يبنى بعضها من ردم قائم على الرمل. باستخدام محاكاة حاسوبية لمنجم حقيقي في مقاطعة شانشي، درس الفريق ما يحدث داخل شريط الردم أثناء هبوط السقف. وجدوا أن كل شريط يطور قلبًا مركزيًا قويًا محاطًا على الجانبين بمنطقتين "بلاستيكيتين" حيث تَهَيَّأَت المادة وفقدت الكثير من قوتها. عرض هذه المناطق اللينة يزداد مع زيادة ارتفاع التعدين والعمق، لكنه يتقلص عند زيادة نسبة المساحة المعاد ملؤها.

قاعدة بسيطة تربط ظروف التعدين بأمان الشريط

بما أن عرض الحافة اللينة يعتمد على عدة عوامل معًا، استخدم الباحثون تركيبًا إحصائيًا لبناء معادلة تربطه بالعمق، وارتفاع الحصة التعدينية، ونسبة اللوحة المعاد ملؤها. سمح لهم ذلك بإدخال عرض منطقة البلاستيك في نظرية معتمدة تعتبر كل شريط ذا قلب قوي وجوانب ضعيفة، ولتكييف نظرية ثانية تصف كيف يتقاسم وزن الصخور الفوقية بين المناطق المملوءة والفارغة. نتج عن دمج هذه الأفكار، وللمرة الأولى، تعبير رياضي واضح يوضح مدى استقرار شريط ردم قائم على الرمل تحت شروط تعدين معينة.

تطبيق الطريقة في منجم حقيقي

ثم طُبقت طريقة التصميم الجديدة في وجه تعدين عامل على عمق نحو 300 متر تحت منازل متناثرة. اعتمادًا على حدود حركة سطح الأرض المسموح بها، حسب المهندسون عرض الفتحات الفارغة والأشرطة المملوءة. اختاروا أشرطة ردم بعرض 56 متر تفصلها فراغات مستخرجة بعرض 46 مترًا ونصبوا نظام دعم معياري لوضع وتثبيت الردم أثناء تماسكه. على مدى ما يقارب ثلاث سنوات من المراقبة، بقي الحد الأقصى لهبوط السطح وانفعالات الأرض ضمن الأهداف الصارمة، ولم يحدث أي ضرر للمباني أعلاه.

ماذا يعني هذا لتعدين الفحم الأكثر خضرة

تُظهر هذه الدراسة أن رمل الصحراء الناعم، الممزوج بالرماد المتطاير الصناعي، يمكن أن يتحول إلى مادة هيكلية موثوقة لدعم الفراغات تحت الأرض. من خلال ربط عمق التعدين وارتفاع الحصة ونسبة الردم بعرض المنطقة اللينة وقوة الشريط الكلية، يستطيع المهندسون تصميم أشرطة ردم تتحمل الصخور أعلاه بأمان مع استخدام مادة أقل من الردم الكامل. عمليًا، تقدّم الطريقة لمنتجي الفحم في المناطق الرملية طريقة لاسترداد الموارد بكفاءة أكبر، وحماية المجتمعات السطحية وإعادة تدوير النفايات، مما يقرب تعدين الفحم تحت الأرض خطوة نحو تشغيل أكثر "خُضرة".

الاستشهاد: Li, R., Zhao, H., Liu, P. et al. Analysis of influencing factors on the plastic zone width and stability of aeolian sand-based backfill strips. Sci Rep 16, 14444 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41520-4

الكلمات المفتاحية: التعدين بالردم, الرمال الريحية, هبوط الأرض, استقرار مناجم الفحم, ردم معجون