الإجهاد والنشاط الميكروزلزالي في أسقف صلبة فوق طبقات فحم سميكة عند سرعات تعدين متغيرة

لماذا تهم سرعة التعدين تحت الأرض

على أعماق كبيرة تحت السطح، تتقدم مناجم الفحم الكبيرة يوميًا، محفورةً أنفاقًا طويلة عبر صخور سميكة. قد يبدو مدى سرعة تقدم جبهة القطع خيارًا بسيطًا مرتبطًا بالإنتاجية، لكنه يغير أيضًا طريقة انحناء الصخر العلوي وتهيّؤه للتشقق وتخزين الطاقة. في المناجم ذات السقف القوي والجامد فوق طبقات الفحم السميكة، قد يجعل الإيقاع الخاطئ الصخر يتصرف كزنبرك مشدود، مما يزيد خطر الفشل العنيف المفاجئ المعروف باندفاعات الصخور. تستكشف هذه الدراسة كيف يؤثر تغيير معدل التعدين على الإجهاد في الصخر والهزات الصغيرة تحت الأرض، وكيف يمكن لتعديل السرعة أن يحافظ على سلامة العمال والمعدات وفي الوقت نفسه استخراج الفحم بكفاءة.

التحدي المتمثل في سقف حجري ثقيل

تركز البحث على منجم فحم في الصين حيث توجد طبقة رملية صلبة وسميكة فوق حزمة فحم تزيد سمكها عن خمسة أمتار. هذا السقف القاسي لا ينكسر ويسقط بسهولة مع إزالة الفحم. بدلاً من ذلك، يعلّق فوق الفراغ، مكوّنًا عتبات طويلة معلّقة. مع استمرار التعدين تنحني هذه العتبات وتحبس كميات كبيرة من الطاقة المرنة. إذا تراكمت طاقة زائدة، قد ينكسر أجزاء من السقف أو الفحم المجاور فجأة، مطلقةً طاقات تبدو كهزّات صغيرة يمكن أن تسبب أضرارًا جسيمة. ونظرًا لأن المناجم الحديثة تعمل أيضًا على أعماق كبيرة، فإن الضغط الطبيعي من الصخور العليا مرتفع بالفعل، مما يجعل من الأهمية بمكان فهم كيف يغير وتيرة التعدين نمط الإجهاد.

استخدام النماذج وأجهزة الاستشعار لمراقبة السقف

لدراسة هذه المشكلة، جمع الفريق بين المحاكاة الحاسوبية والقياسات الميدانية. بنوا نموذجًا ثلاثي الأبعاد لجزء المناجم والصخر المحيط، ثم حاكوا التعدين بمعدلات تقدم مختلفة، من البطيء إلى السريع. تتبع النموذج كيف تغير الإجهاد الرأسي في السقف الصلب وكمية الطاقة المرنة المتجمعة مع تقدم الجبهة. بالتوازي، استخدم المنجم شبكة من أجهزة الاستشعار الحساسة تحت الأرض لتسجيل الأحداث الميكروزلزالية، وهي هزّات طفيفة ناتجة عن انزلاقات أو تصدعات صغيرة في الصخر. بمقارنة خرائط الإجهاد والطاقة المحاكية مع أنماط الهزات المسجلة، تمكن الباحثون من رؤية كيف غيرت سرعة التعدين كلًا من تراكم الطاقة وأين ومتى من المرجح أن يفشل الصخر.

ماذا يحدث عند زيادة سرعة التعدين

أظهرت المحاكاة أن التعدين الأسرع يترك وقتًا أقل لتفريق الإجهاد في السقف واسترخائه. مع زيادة معدل التقدم، يقترب ذروة الضغط أمام جدار الفحم أكثر من الفراغ المستخرج، ويصبح نمط الإجهاد في السقف أقل انتظامًا. في الوقت نفسه، تنمو الطاقة المرنة المخزنة في السقف الصلب بشكل حاد مع السرعة، متبعةً ميلًا شبه أسي. كما يلعب الفراغ المستخرج (الجوغاف) دورًا رئيسيًا: قرب حافته تكون الطاقة في السقف أعلى، وتزيد هذه الطاقة بسرعة مع تسارع التعدين. تجعل هذه الظروف وقوع فشلات عالية الطاقة أسهل في السقف الجامد والفحم المجاور، مهيأةً لمناسبات ميكروزلزالية قوية واحتمال اندفاع الصخور.

كيف تكشف الهزّات الصغيرة عن خطر مخفي

أكدت سجلات الميكروزلزالات نتائج النموذج. مع زيادة التقدم اليومي، ارتفع عمومًا كل من عدد الهزات وإجمالي طاقتها. عند معدلات تقدم منخفضة، تحدث المزيد من الأحداث أمام وجه العمل، أمام جدار الفحم. عند سرعات أعلى، انتقلت الأحداث لترتكز خلف الجبهة، حيث تمتد مسافات السقف المعلقة أكبر وتكون تراكمات الطاقة أقوى. عندما كان التقدم اليومي أقل من نحو 4.8 متر، كانت أعداد الهزّات وطاقاتها تميل للزيادة مع السرعة. فوق ذلك، ظل المستوى العام مرتفعًا، وزاد احتمال وقوع أحداث عالية الطاقة. من خلال تتبع كيفية تغير هذه الأنماط عبر الزمن والمكان، تمكن الفريق من ربط نطاقات معينة من سرعات التعدين بمخاطر أعلى أو أدنى في أجزاء مختلفة من اللوحة.

اختيار سرعات أكثر أمانًا لمناطق المخاطر المختلفة

باستخدام المعلومات الجيولوجية وسلوك السقف وتأثير المناطق المستخرجة المجاورة، قسم الباحثون الجزء إلى نِطاقات ذات مخاطر اندفاع صخري منخفضة ومتوسطة وعالية. ثم حللوا كيف تغيرت طاقة الهزّات وتكرارها مع التقدم اليومي في كل نطاق. أظهرت النتائج عتبات واضحة: في المناطق منخفضة المخاطر، حافظ الحد الأقصى للتقدم يوميًا دون 6.4 مترًا على طاقة الهزّات وأعدادها عند مستويات معتدلة نسبيًا، بينما أدى التسارع إلى زيادات حادة. في المناطق المتوسطة، ظهرت سلوكيات مماثلة عند نحو 4.8 متر في اليوم. وبناءً على ذلك أوصى الفريق بمعدلات تقدم قصوى قدرها 6.4 و4.8 و3.2 متر في اليوم للمناطق منخفضة ومتوسطة وعالية المخاطر على التوالي.

خلاصات عملية لتعدين أكثر أمانًا

عندما اتبع المنجم حدود السرعة المفصلة المطبقة على كل نطاق، ظل كل من تكرار وطاقة الأحداث الميكروزلزالية منخفضين نسبيًا، ولم تحدث اندفاعات صخرية عالية الطاقة خلال فترة الدراسة. للمتلقي العام، الرسالة الأساسية هي أن سرعة التعدين ليست مجرد أهداف إنتاجية. في طبقات الفحم السميكة ذات سقف صلب، يمكن لمعدل تحرك جبهة التعدين أن يحول الصخر العلوي إلى زنبرك مشدود وخطير أو يسمح له بإطلاق الطاقة أكثر رفقًا. من خلال ضبط معدلات التعدين بعناية وفق مستوى الخطر المحلي، يمكن للمشغلين موازنة الكفاءة مع السلامة وتقليل احتمال حدوث فشلات صخرية مفاجئة ومضرة تحت الأرض.

الاستشهاد: Gu, ST., Guo, ZY., Jiang, BY. et al. Stress and microseismic activity in hard roof thick coal seams under varying mining rates. Sci Rep 16, 15117 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44826-5

الكلمات المفتاحية: تعدين الفحم, اندفاع الصخور, المراقبة الميكروزلزالية, معدل التعدين, إجهاد السقف