دراسة حول الطبقات الرئيسية وتنبؤ تشوه السطح لعمليات التعبئة بالحقن لفصل الغطاء الصخري في اللوحة المجاورة بناءً على نظرية العتبة الأساس

لماذا يغوص السطح فوق مناجم الفحم

في مناطق تعدين الفحم المتعددة، شهد الناس تشققات تمتد عبر جدران المنازل، وانخفاضات في الطرق تشبه الحواجز الصغيرة، والتواءً في بعض الجسور. غالباً ما تكون هذه التغيرات ناجمة عن انحناء وتكسر بطيء في الطبقات الصخرية العميقة عندما يُزال الفحم. تستكشف هذه الدراسة طريقة لتنبؤ والسيطرة على هذا الغوص السطحي عبر ملء الفراغات الخفية في الصخور بالملاط بعناية، بحيث يستمر التعدين مع تقليل الضرر على السطح.

التشققات تحت الأرض والأضرار على السطح

عند استخراج طبقة الفحم، يفقد الصخر الصلب أعلاها الدعم الكامل. بعض الطبقات الصلبة، المسماة بالطبقات الرئيسية، تعمل كعوارض صلبة تحمل وزن كل الصخور والتربة أعلاها. مع إزالة الفحم، تنحني هذه الطبقات وأحياناً تتشقق، وتنتقل الحركة تدريجياً نحو السطح. في منجم شياديان في الصين، أدى هذا بالفعل إلى تشققات في جدران المباني وطرق غير مستوية وخطر ظهور صدوع أرضية جديدة. ومع تعمق وتوسع عمليات استخراج طبقات الفحم، أصبح فهم حركة هذه الطبقات الرئيسية أمراً أساسياً لحماية المنازل والطرق والأنظمة البيئية المحلية.

ملء الفراغات الخفية لدعم السقف

إحدى الطرق الشائعة للحد من الغوص تسمى الحقن للفصل. بعد فتح مساحة جراء التعدين، تظهر فراغات صغيرة غالباً بين الطبقات الصخرية فوق الطبقة المستخرجة. يحفر المهندسون آباراً من السطح ويضخون الملاط في هذه الفراغات الخفية. بعد تصلبه، يعمل الملاط كدعم يساعد في حمل الحمولة ويمنع انحناء الطبقات المفرط. تركز الدراسة على مجموعة من مناطق العمل الطويلة، أو اللوحات، في منجم شياديان حيث يطبق هذا الحقن. يجري فحص متغيرين تحكميين بسيطين بالتفصيل: كمية الملاط المحقون، المعبر عنها بنسبة الحقن إلى الإنتاج، وعرض كل لوحة مستخرجة.

الطبقات الصخرية كمِـعْـدَل لـ "عتبة مدفونة"

لوصف كيفية انحناء الطبقات الرئيسية، تعامل الباحثون معها كعجلة مرنة تستند على قاعدة نابضة. في هذه الصورة، العتبة تمثل الطبقة الصلبة، والطبقات والأطوار الأطرى والملاط أسفلها تتصرف كفرشة من النوابض. استخدم الفريق طريقة رياضية مختصرة تسمى طريقة المعامل الابتدائي لحساب كيفية انحراف العتبة عبر عدة مناطق: الفحم الصلب، والحطام المفكك، والصخر والملاط المضغوط بإحكام. جمعوا هذا مع محاكاة حاسوبية تصف كيف يتكسر الصخر ويستقر مع تقدم التعدين. بمطابقة أشكال العتبة المحسوبة مع النتائج العددية، تمكنوا من تقدير صلابة كل منطقة وربط تلك الصلابة بمتغيرات تصميم عملية مثل عرض اللوحة وكمية الملاط.

من انحناء تحت الأرض إلى غوص السطح

معرفة مقدار انحناء الطبقات الرئيسية هي جزء من القصة فقط. ربط الباحثون هذا الانحناء بشكل سطح الأرض باستخدام طريقة قائمة على الاحتمالات تنشر تأثير الحركة تحت الأرض صعوداً، وخدعة "الارتفاع المكافئ" التي تستبدل المنحنيات المعقدة بكتل مستطيلة بسيطة. في اللوحات الفردية وفي اللوحات المجاورة التي لا تشترك في نفس العرض، عملوا على حساب كيف ينمو ويميل ويصبح أكثر أو أقل انحداراً الحوض الناتج عن الهبوط على السطح. أظهرت اختبارات ببيانات رصد حقيقية من اللوحة 3119 أن التنبؤ بأقصى غوص لسطح الأرض اختلف عن القياسات بحوالي ستة بالمئة فقط، وهو ما يُعتبر دقيقاً للغاية لظروف الحقل.

إيجاد نافذة تشغيل آمنة للمناجم

تُظهر النتائج اتجاهات واضحة يمكن لمخططي المناجم استخدامها. زيادة كمية الملاط تقل عمومًا من مدى انحناء الطبقات الرئيسية وتراجع السطح، بينما يؤدي توسيع اللوحة إلى مزيد من الانحناء وتعمق الحوض. عندما تكون اللوحات المجاورة ذات عروض مختلفة، يصبح نمط الغوص غير منتظم وقد ينتقل أعمق نقطة أقرب إلى المنشآت الحساسة. مع ذلك، باختيار نسبة حقن مناسبة يمكن تذويب ذلك الاختلال إلى حد كبير. في حالة شياديان، أنتجت نسبة حقن إلى إنتاج تقارب 45 بالمئة للوحة 3119 انحناءً شبه متماثل في الطبقات الرئيسية وحركة سطحية معتدلة.

ماذا يعني هذا لمجتمعات التعدين

بالنسبة للأشخاص الذين يعيشون فوق مناجم الفحم، تقدم الدراسة وسيلة لتقليل خطر تعرض منازلهم وطرقهم لأضرار جسيمة مع تقدم عمليات التعدين. من خلال معاملة الطبقات الصلبة كعتبة مدعومة وربط النموذج مباشرة بعوامل يمكن التحكم بها مثل عرض اللوحة وحجم الملاط، تُمكن هذه الطريقة المهندسين من التنبؤ أين وبأي مقدار سيغوص السطح قبل أشهر. يمكنهم عندئذ تعديل خطط التعدين، وتقوية المباني في المناطق العالية الخطر، أو تغيير مخططات الحقن قبل ظهور المشكلات. ومع أن المواقع الحقيقية تعتمد أيضاً على تفاصيل مثل ضغط وتوقيت الحقن، يوفر هذا العمل خطوة مهمة نحو استخراج الفحم تحت الأرض بشكل أكثر قابلية للتنبؤ وأقل إضراراً.

الاستشهاد: Shibao, L., Yan, L., Huaidong, L. et al. Study on key strata and surface deformation prediction for overburden separation grouting mining in adjacent panel based on foundation beam theory. Sci Rep 16, 14926 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44188-y

الكلمات المفتاحية: تعدين الفحم, هبوط الأرض, الحقن بالملاط, الطبقات الصخرية, تشوه السطح