بحث حول تقنية متكاملة لإعادة بناء هيكل الدعم والتحكم في الدعم في منطقة عالية الخطورة لطريق الفحم العلوي في طبقة فحم سميكة

لماذا تهم أنفاق الفحم الأكثر أمانًا

في أعماق طبقات الفحم السميكة، يسافر العمال وينقلون الفحم عبر أنفاق طويلة تحت الأرض. في بعض الأماكن تعاني هذه الأنفاق من هبوط في السقف، وتفتت الجدران وسقوط مفاجئ للفحم والصخور، مما يعرض العمال للخطر ويبطئ الإنتاج. تدرس هذه الدراسة أسباب شدّة هذه المشاكل في مقاطع عالية الخطورة وتختبر طريقة جديدة لتقوية الصخر بحيث تظل الأنفاق أكثر أمانًا وثباتًا مع مرور الوقت.

من أين تبدأ المشاكل

تركز الأبحاث على طريق كبير في منجم فحم صيني يمر عبر طبقة فحم سميكة جدًا. في هذا السياق يمر النفق عبر الفحم بدلاً من الصخر القوي، ويكون الفحم فوق وبجانب الفتحة ضعيفًا ومتحطمًا. تؤدي الفوالق الطبيعية في الصخر والثقل الكبير من الطبقات أعلاه إلى تركيز الإجهاد حول النفق، مما يؤدي إلى انفصال السقف، وانهيارات السقف، وانتفاخ الجدران الجانبية والحاجة إلى إصلاحات مستمرة. غالبًا ما فشلت أساليب الدعم السابقة، مثل الحقن البسيط وملاجئ الأنابيب، لأن الملاط لم يستطع اختراق الفحم الضيق ولم يتمكن من خلق هيكل دعم قوي وموحد.

كيف يتحرك النفق ويتشوه

لفهم هذا السلوك، جمع الفريق قياسات ميدانية واختبارات مختبرية ونمذجة ميكانيكية. اعتبروا الفحم فوق سقف الطريق كعوارض محملة وأظهروا أن هبوط السقف يزداد بسرعة مع اتساع عرض النفق ومع ضعف الفحم. ووجدوا أيضًا أن السقف والجدران الجانبية لا تتشوهان بمعزل عن بعضهما. عندما يلين الفحم الجانبي ويدفع إلى الداخل، فإنه يوسع الفتحة فعليًا، مما يزيد هبوط السقف. وبالمقابل، يؤدي زيادة حركة السقف إلى ضغط الجدران الجانبية أكثر. يساعد هذا الترابط بين الحركة العلوية والجانبية في تفسير فشل الدعم الموضعي الجزئي في كثير من طبقات الفحم السميكة.

اختبارات باستخدام أنفاق افتراضية

باستخدام محاكاة حاسوبية ثلاثية الأبعاد، غيّر الباحثون عاملين رئيسيين: سماكة الفحم المتبقي فوق النفق وقوة ذلك الفحم. زيادة سمك طبقة الفحم فوق السقف زادت هبوط السقف لكنها قللت ارتفاع القاع، بينما تغيرت حركة الجدران الجانبية قليلًا. أما رفع مقاومة الفحم العلوي فقلل بشدة كلًا من هبوط السقف والحركة الداخلية للجدران، رغم أن نمط الإجهاد العام تغير بشكل طفيف فقط. أظهرت الحسابات أن الشقوق والمناطق البلاستيكية في الصخر تتشكل أولاً بالقرب من السقف ثم تنتشر أعمق، مع تلف مميز على شكل «فراشة» بالقرب من الجدران الجانبية، مما يبرز الحاجة إلى تقوية نطاق واسع بدلاً من قشرة رقيقة فقط.

طريقة جديدة لدعم المناطق الضعيفة

مستوحين من هذا الفهم، صمم المؤلفون نظام دعم مركب يستخدم أنابيب حقن متقدمة مع ملاطٍ وشبكة من البراغي والكابلات. قبل حفر النفق إلى منطقة عالية الخطورة، يحفر العمال صفوفًا من الأنابيب الفولاذية في الفحم أمام الواجهة ويضخّون ملاطًا سريع التصلب. يتصلب هذا الملاط بسرعة داخل وحول الأنابيب، ويخيط الشقوق ويحول الفحم المتحطم إلى كتلة أكثر صلابة. ومع استمرار الحفر، تربط البراغي والكابلات السقف والجدران المقواة في إطار حامِل واحد. أظهرت النماذج الحاسوبية لتخطيطات مختلفة أن تباعد أنابيب متوسط يوفر تقريبًا نفس تقليل الحركة مثل تخطيط كثيف جدًا، لكن بتكلفة أقل.

دليل من المنجم العامل

ثم طبق الفريق المخطط المختار في الطريق الفعلي. رصدوا هبوط السقف، وتلاقي الجدران الجانبية، وارتفاع القاع، وانفصال الطبقات بين الصخور، وقوى البراغي والكابلات. بعد الحفر والدعم بالطريقة الجديدة، بقي هبوط السقف حوالي 110 مم، وحركة الجدران الجانبية حوالي 80 مم، وكان ارتفاع القاع ضئيلًا جدًا. ظل انفصال الطبقات فوق السقف بعيدًا عن مستويات التحذير، وأصبحت الأحمال في البراغي والكابلات ثابتة وأقل مما كانت عليه في التصميم القديم. وبما أن الملاط اكتسب قوة خلال دقائق، تمكنت الفرق من التقدم أسرع بعدة أضعاف مما كان عليه من قبل مع الحفاظ على مسافة آمنة بين واجهة النفق والمنطقة المعززة.

ماذا يعني هذا للعمال

بعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة أن جعل الفحم الضعيف حول النفق يتصرف كقوس وجدار واحد مرتبط جيدًا يمكن أن يقلل كثيرًا من سقوط السقف والانهيارات الخطيرة. من خلال تقوية الفحم مسبقًا بأنابيب محشوة بالملاط ثم ربط السقف والجانبين معًا بالبراغي والكابلات، يمكن للطريق أن يحمل الحمل الثقيل من فوق بحركات أقل وقوى دعم أدنى. يجادل المؤلفون بأن هذا النهج المتكامل يوفر دليلاً عمليًا لحفر أنفاق أكثر أمانًا وكفاءة في طبقات الفحم السميكة ذات الظروف الجيولوجية المماثلة، مما يقلل كلًا من مخاطر السلامة ومتطلبات الصيانة في تعدين الفحم تحت الأرض.

الاستشهاد: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

الكلمات المفتاحية: ثبات طريق الفحم, دعم السقف, تعزيز بالحقن, مسامير وصواميل الصخور وكابلاتها, سلامة التعدين تحت الأرض