بحث في آليات التشوه في الأنفاق العميقة وتطبيق دعامة من نوع أساس الخوازيق والوحدات

الحفاظ على سلامة الأنفاق تحت الأرض

تُعد الأنفاق العميقة تحت الأرض شرايين لمناجم الفحم الحديثة، تنقل الهواء النقي والعمال والمعدات الثقيلة. لكن على أعماق كبيرة، قد تضغط الصخور المحيطة ببطء وتتشقق وتنكفئ أرضية النفق، مما يهدد كلًّا من السلامة والإنتاجية. تنظر هذه الدراسة بدقة إلى نفق نقل مشوّه في منجم فحم بمنطقة منغوليا الداخلية وتختبر طريقة جديدة لتثبيت الصخور باستخدام مزيج من خوازيق في الأرض ووحدات دعم معيارية، تعمل بالتكامل مع مسامير وكابلات الصخور التقليدية.

عندما يبدأ الأرض بالتحرك

يقع النفق الذي فُحِص في هذا العمل على عمق نحو 420 مترًا تحت السطح داخل طبقة فحم سميكة ومستقرة إلى حد كبير. ومع ذلك، كانت الأرضية متصدعة ومرتفعة بشكل غير منتظم، والسقف مترهّل، وجدران النفق الجانبية (الأضلاع) منتفخة. كانت أخطر مشكلة هي ارتفاع أرضية النفق على جانب الفحم الصلب، وهو ما شوّه الممر وعَرّض المركبات المارة للخطر. كما لوحظت أضرار في جانب عمود الفحم أيضاً، بينما كانت حالة السقف وجدار الفحم الصلب أقل تأثرًا نسبياً. تشير هذه الأنماط إلى أن التوازن الأصلي للقوى في الكتل الصخرية العميقة قد اختل بسبب الحفر.

كيف تكسر الإجهادات تحت الأرض النفق

لفهم سبب تشوّه النفق، جمع الباحثون عينات ميدانية، وأجروا اختبارات مختبرية على أنوية الصخور، وقياسات إجهاد ميدانية في الموقع. وجدوا أن الإجهادات الأفقية الطبيعية في الصخور كانت أقوى من الإجهادات الرأسية الناتجة عن الوزن العلوي. باستخدام هذه القياسات، بنوا نموذجًا رقميًا ثلاثي الأبعاد للصخر المحيط بالنفق. أظهرت المحاكاة أن حفر النفق يعيد توزيع الإجهاد، مكوّنًا مناطق ضغط شديد ومناطق شد حول الفتحة وفي أعماق الصخر. والنتيجة هي نطاق حلقي من الصخر حول النفق يدفع إلى ما يتجاوز حدّه المرن، حيث يبدأ بالتشوه الدائم والتصدّع.

لماذا تقوس الأرضية للأعلى بشكل غير منتظم

ثم استخدم الفريق نموذجًا ميكانيكيًا مبسّطًا لأرضية النفق، معالجينه كعصا (عوارض) مستندة على مناطق أكثر رخاوة عند كل طرف. أظهروا أن مقدار وموقع ارتفاع الأرضية يعتمدان بقوة على أمرين: عرض مناطق «الانسياب البلاستيكي» المرخّصة على كل جانب من الأرضية، ومدى تركّز الإجهاد هناك. عندما يكون الجانبان متشابهين، تنتفخ الأرضية في الوسط أكثر. لكن إذا كان لأحد الجانبين منطقة مضعفة أوسع أو تركّز إجهاد أعلى، ينتقل أكبر تحرّك متجهًا نحو ذلك الجانب ويزداد حجمه. في حالتهم، كان جانب الفحم الصلب هو الأكثر تأثيرًا، مما يفسر ارتفاع الأرضية غير المتماثل الملاحظ في المنجم.

طريقة جديدة لتدعيم الصخور

نظرًا لأن المسامير والكابلات التقليدية وحدها لم تستطع احتواء التشوه، اقترح الباحثون مفهوم دعم جديد: دعم من نوع أساس الخوازيق والوحدات. تُثقب خوازيق فولاذية في أرضية النفق وتغطى بغطاء مسطح يحمل وحدات دعم هيدروليكية معيارية. تعمل هذه الدعامات بالتكامل مع المسامير والكابلات الموجودة في السقف والجدران. تحسّن الخوازيق ظروف الإجهاد في الأرضية، وتقطع تدفق المادة البلاستيكية للصخر المضعّف تحت النفق، وتوفر قاعدة مستوية ومستقرة حتى تعمل الدعامات بشكل عمودي وفعّال. في الوقت نفسه، تشارك هذه الوحدات الحِمل وتوزّعه، مما يقلل تراكم الإجهاد على طول الجدران الجانبية.

تحويل الانضغاط الخطير إلى أرضية مستقرة

أظهرت المحاكاة العددية لنظام الدعم المشترك تحسّنًا ملحوظًا. انخفضت حركات السقف والأرضية بأكثر من 80 إلى 90 في المئة، وتقلّصت إزاحات الجدران الجانبية بحوالي ثلاثة أرباع أو أكثر. انكسر النطاق الحلقي المستمر للصخر المتضرر بشدة حول النفق إلى مناطق أصغر ومعزولة، وخصوصًا في الأرضية حيث انقطع الانفعال البلاستيكي عند صفوف الخوازيق وتناقص بنسبة تصل إلى نحو 80 في المئة. ببساطة، يحول نظام الدعم الجديد نفقًا مضغوطًا ومتحركًا بشدّة إلى نفق تقل فيه حركات الصخور إلى مقياس السنتيمترات وتحمل فيه الخوازيق والدعامات الإجهاد بأمان. بالنسبة لعمليات التعدين العميقة، توفّر هذه المقاربة وسيلة واعدة للحفاظ على أنفاق النقل الحيوية مفتوحة ومستقرة وآمنة.

الاستشهاد: Gou, L., An, D., Song, Y. et al. Research on deformation mechanisms in deep excavation tunnels and the application of the pile foundation-unit-type support. Sci Rep 16, 12233 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43056-z

الكلمات المفتاحية: تشوه النفق, ارتفاع أرضية النفق, التعدين تحت الأرض, دعم الصخور, أساس الخوازيق