تحسين موضع الطريق تحت الأرض ومقطع العرض تحت تراكب أعمدة فحم متبقية وتجويفات منجَمة مجاورة في طبقات فحم متقاربة

لماذا تهم الطرق تحت الأرض في الحياة اليومية

لا يزال الكثير من الكهرباء التي تشغل المنازل والمصانع والمدن يأتي من الفحم المستخرج من أعماق الأرض. للوصول إلى هذه الطبقات بأمان، يضطر المهندسون إلى حفر أنفاق طويلة أو ممرات عبر الصخر. إذا وُضعت هذه الممرات في مكان خاطئ أو صُممت بشكل غير مناسب، فقد ينهار الصخر المحيط مهدداً عمال المناجم ومقطوعاً الوصول إلى الموارد القيمة. تبحث هذه الدراسة في منجم فحم صيني عن كيفية اختيار كل من الموقع الأكثر أماناً وشكل المقطع العرضي الأكثر أماناً لهذه الممرات عندما تكون عدة طبقات فحم قريبة من بعضها والبعض من الطبقة العلوية قد تم استخراجها بالفعل.

طبقات الصخر والفحم المتروك

في كثير من حقول الفحم، لا يوجد الفحم في طبقة واحدة سميكة بل في عدة طبقات مكدسة مثل كعكة متعددة الطبقات. في منجم مِيْهُواجِينغ، الطبقتان الرئيسيتان، المسماة رقم 2 ورقم 3، تفصل بينهما مسافة 12 متراً فقط. لقد تمت بالفعل عملية استخراج الطبقة العلوية رقم 2 في لوحين كبيرين، لكن تُرك كتلة عرضها 60 متراً من الفحم دون استخراج فيما بينهما كعمود داعم. وعلى جانبي هذا العمود توجد فراغات مستخرَجة منه المنجم، تُسمى تجاويف أو غوفات، انهارت وامتلأت الآن بصخور مكسّرة. معاً، يغيّر العمود الصلب والتجاويف الأضعف كيفية حمل وزن الصخور العلوية ونقله إلى الطبقة الأدنى رقم 3، حيث تُخطط الممرات الجديدة.

قياس سلوك الصخر عبر الزمن

تحقق الباحثون أولاً مما إذا كان عمود الفحم العلوي يقوم بدوره. راقبوا ممراً قائماً في الطبقة رقم 2 على مدار نحو عامين بعد توقف التعدين هناك. سجّلت الأدوات مقدار انفصال السقف ومقدار تحرك الجدران والأرضية بعضها نحو بعض. أظهرت القياسات حركات صغيرة فقط: انفصال السقف نحو واحد إلى اثنين سنتيمتر في أقصى حالاته، وتقارب الجوانب والأرضية عادة حول خمسة إلى عشرة سنتيمترات. وبما أنه لم يكن هناك تعدين جديد جارٍ بالقرب من الموقع، فقد عكست هذه التشوهات البطيئة والمتواضعة حالة مستقرة طويلة الأمد تحت حمل ثابت. وقد دلّ ذلك على أن العمود العرضي بقدرة 60 متراً كان قوياً بما يكفي لتحمل الوزن العلوي والحفاظ إلى حد كبير على هيكل الصخر أعلاه.

تعقّب كيف تنتقل القوى عبر الصخر

بعد ذلك استخدم الفريق نظرية كلاسيكية من ميكانيكا الصخور تعامل الصخر تحت الطبقة كمتصفحة نصف‑مرنة متجانسة — وسط عميق ومتصّل — ويطبق حمولات في الأعلى لحساب الإجهادات على العمق. مثلوا عمود الفحم والتجاويف المجاورة كسلسلة من مقاطع حمل مبسطة، كل منها بكثافة مختلفة تعكس تركيز الإجهاد تحت العمود وتخفف الإجهاد في مناطق الانهيار. باستخدام تعابير رياضية وأدوات حاسوبية، رسموا خرائط للإجهاد العمودي والأفقي والإجهاد القاطع في الصخر أدناه. أظهرت النتائج نمطاً واضحاً: تحت العمود الصلب مباشرةً تركزت الإجهادات، بينما انخفضت تحت التجاويف المشكلة منطقة ذات تناقص في الإجهاد. في الطبقة الأدنى رقم 3، كان الإجهاد العمودي أعلى مباشرة تحت العمود وأدنى تقريباً على مسافة 13 متراً من حافته، تحت المنطقة المقابلة للتجويف. تغيرت الإجهادات الأفقية بدرجة أقل لكنها أيضاً أشارت إلى بيئة ألطف بعيداً عن العمود، بينما كانت الإجهادات القاطعة أقوى قرب حواف العمود.

اختيار موقع حفر النفق الجديد

من منظور عملي، يرغب المهندسون في وضع الممر حيث يكون الصخر تحت إجهاد منخفض ومتوازن نسبياً، ليكون أقل عرضة للانضغاط أو الانهيار. بالاعتماد على منحنيات الإجهاد المحسوبة، خلص المؤلفون إلى أن الحزام المثالي لممر الطبقة رقم 3 الجديد يقع ضمن منطقة تناقص الإجهاد العمودي، قليلاً تحت التجويف بدلاً من أسفل العمود مباشرة. الحد الأدنى المطلق في الإجهاد العمودي يحدث على بعد نحو 13 متراً من حافة العمود، لكن هذا الموقع سيترك مزيداً من الفحم دون استخراج. وبموازنة السلامة مع استرداد الموارد، يوصون بوضع الممر على بعد 10 أمتار من حافة العمود، لا يزال داخل منطقة الإجهاد المنخفضة ولكن أقرب إلى الفحم المتبقي، ما يقلل الهدر مع الحفاظ على بيئة إجهاد ملائمة.

لماذا يغيّر شكل النفق استقرار الصخر

الموقع هو جزء من القصة فقط؛ فشكل فتحة النفق يتحكم أيضاً في كيفية استجابة الصخر. باستخدام نموذج عددي ثلاثي الأبعاد (FLAC3D)، بنى الباحثون مقطعاً افتراضياً للمنجم، بما في ذلك الطبقتين والعمود والتجاويف المنهارة وممر سفلي في الموقع المفضل. اختبروا أربعة أشكال للمقطع العرضي مع الحفاظ على نفس العرض والارتفاع: قوس نصف دائري بجدران مستقيمة، قوس مكوّن من ثلاثة مراكز (قوس أعقد مكوّن من ثلاثة منحنيات)، شبه منحرف، ومستطيل. بعد محاكاة حفر كل نفق، فحصوا كيف أعيد توزيع الإجهادات حوله وعمق المناطق التي تَلَين الصخر أو فشلت، مكونة منطقة بلاستيكية أو مكسورة. في جميع الحالات، شهد السقف والأرضية أعلاه وأسفله ارتخاءً في الضغط، بينما شهدت الجدران الجانبية بعض تراكم الإجهاد المتجدد.

إيجاد التصميم الأكثر أماناً وبساطة

أظهر المقارنة أن الأشكال المقوسة تتعامل مع الحمل أفضل من الأشكال ذات السطح العلوي المستقيم. كان للقوس نصف الدائري بجدران مستقيمة أدنى تركيز إجهادي على جانبه الأكثر تحميلًا وأقل أعماق فشل في السقف والأرضية والجوانب. وأدى القوس المكوّن من ثلاثة مراكز أداءً قريباً جداً من حيث الاستقرار، بينما أظهرت الأنفاق شبه المنحرف وخاصة المستطيل ذروة إجهادات أعلى ومناطق فشل أعمق بكثير، مما يعني تكسر وضعف أكثر للصخر المحيط. وبما أن قوس الثلاثة مراكز أكثر تعقيداً هندسياً من ناحية القطع والدعم تحت الأرض، ويتطلب ضبطاً دقيقاً لعدة أنصاف أقطار ونقاط اتصال، فقد رآه المؤلفون أقل عملية للتنفيذ الروتيني. لذلك يوصون بالقوس نصف الدائري ذو الجدران المستقيمة كمقطع عرضي مفضّل: فهو يوفر استقراراً قوياً تحت التأثير المشترك للعمود والتجاويف وفي الوقت نفسه يظل بسيطاً نسبياً للبناء والدعم في الميدان.

خلاصة لأمن وكفاءة أعلى في تعدين الفحم

للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن اختيارات تصميم صغيرة تحت الأرض — تحديد مكان النفق بالضبط وشكله — يمكن أن تحدث فرقاً كبيراً في السلامة والكفاءة. في هذا المنجم بالذات، تُظهر الدراسة أن ترك عمود فحم قوي في الطبقة العلوية، ثم وضع الممر السفلي قليلاً تحت المنطقة المنهارة بدلاً من أسفل العمود، يخلق بيئة إجهاد أهدأ. ويساعد تشكيل النفق بجدران مقوسة وسقف مستدير الصخر المحيط على "التدفق" بسلاسة حول الفتحة، محدِّداً الضرر. وبينما ستختلف المسافات والأبعاد الدقيقة من موقع لآخر، فإن النهج المركب المتمثل في رسم خريطة لنقل الإجهاد بين الطبقات ومقارنة أشكال الأنفاق يوفر خارطة طريق لتصميم ممرات تحت أرضية أكثر أماناً للعمال وأكثر حفاظاً على موارد الفحم.

الاستشهاد: Ren, Y., Li, J., Li, Y. et al. Optimizing roadway location and cross section under superposition of residual coal pillars and adjacent goafs in close distance coal seams. Sci Rep 16, 13983 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44345-3

الكلمات المفتاحية: تصميم ممرات مناجم الفحم, عمود الفحم المتبقّي, استقرار الأنفاق تحت الأرض, ميكانيكا الصخور العددية, التعدين متعدد الطبقات