آلية واستراتيجيات السيطرة على ارتطاخ القاع غير المتماثل في ممرات طبقات الفحم فائقة السمك تحت إجهاد مرتفع

لماذا يرتفع قاع المنجم فجأة أحيانًا

عميقًا تحت الأرض، تعتمد مناجم الفحم على أنفاق طويلة لنقل الأشخاص والهواء والفحم. في بعض طبقات الفحم فائقة السمك في الصين، يمكن أن ينتفخ صخر قاع هذه الأنفاق فجأة إلى أعلى بنحو نصف متر، ضاغطًا على المعدات ومهددًا سلامة العمال. تدرس هذه الدراسة سبب حدوث هذا "الرفع غير المتكافئ للقاع" تحت إجهاد عالٍ جدًا، وكيفية منعه، باستخدام الواجهة العاملة في منجم تساوجياتان كنموذج ميداني طبيعي بالحجم الكامل.

ما الذي يحدث تحت طبقة الفحم السميكة

في المنجم الذي جرى دراسته، يزيد سمك طبقة الفحم عن عشرة أمتار وتقع على عمق عدة مئات من الأمتار تحت السطح. عندما تُزال شريحة كبيرة من الفحم مثل هذه، تترك فراغًا واسعًا أو منطقة خرسانة (الجوّف) فوق المنطقة المستخرجة. الصخور الرقيقة مباشرة فوق الفحم تنهار، لكنها لا تملأ هذه الفراغات بالكامل. الطبقات الصخرية الأسمك والأعلى تنكسر إلى صفائح كبيرة تنحني وتدور وتتراكم بطرق غير متساوية. على الجانب الذي تُترك فيه كتلة واقية من الفحم (العمود) لدعم السقف، تشكل هذه الصفائح هيكلًا متدرجًا ومائلًا. في الجانب المقابل، حيث يستمر الفحم الصلب، يبقى الصخر أعلاه أكثر انتظامًا. يصبح هذا الهيكل السقفي غير المتكافئ مصدر قوى شديدة الاختلال داخل وحول الممر.

ضغط غير متساوٍ لقاع الممر

جمع المؤلفون قياسات تحت الأرض ومحاكيات حاسوبية ونمذجة ميكانيكية لتتبع كيفية تشوه الممر مع تقدم عمليات التعدين. وجدوا أن ارتطاخ القاع أكبر بكثير من هبوط السقف، وأن هذا الرفع أحادي الجانب بقوة: تبدأ الشقوق والنتوءات على جانب الفحم الصلب وتنتشر نحو جانب العمود. أظهرت الأجهزة الموضوعة في جدران الممر أنه مع مرور واجهة التعدين، يتعرض الصخر بجانب العمود للضغط أشد بكثير من الصخر على جانب الفحم الصلب. على بعد حوالي 60 مترًا خلف الواجهة، يكون الإجهاد بالقرب من جانب العمود أعلى بأكثر من 20 بالمئة. في الوقت نفسه، يصل أقصى ارتطاخ للقاع إلى نحو 47 سنتيمترًا ويتحوّل أعلى نقطه بشكل ملحوظ نحو جانب الفحم الصلب من الممر.

كيف تعيد القوى المائلة تشكيل الصخر

لتفسير هذا السلوك، بنى الباحثون تصورًا ميكانيكيًا لكيفية ضغط العتبات السقفية المكسورة على الفحم والقاع. فوق العمود، تشكل الكتل المنخفضة مستوى متدرّجًا يدفع بقوة إلى أسفل، بينما تعمل الكتل الأعلى كقوس مفصلي ينقل حملاً أكبر إلى هذا الهيكل المتدرج. هذا النظام المكوّن من "متدرج منخفض المستوى بالإضافة إلى مفصل عالٍ" يوجّه وزنًا إضافيًا إلى العمود ثم إلى القاع تحته. بالمقابل، يصبح مركز الممر جيب ضغط منخفض بعد الحفر. النتيجة هي تدرج حاد جانبي في الإجهاد عبر القاع — مثل تل طاقة مائل مع ضغط عالٍ تحت العمود وضغط منخفض تحت الممر.

من الضغط العالي إلى رفع أحادي الجانب للقاع

تحت هذا الحقل الاجهادي المائل، يتصرف صخر القاع قليلاً مثل معجون صلب يتحرك ببطء. عميقًا تحت العمود، يُسحق الصخر ويتعرض للقص على طول مسار مائل يمتد قطريًا نحو الممر. مدفوعًا بفارق الضغط بين جانب العمود عالي الإجهاد ومركز الممر المخفف، يُدفع هذا الصخر المتضرر تدريجيًا إلى الأعلى داخل الفراغ تحت الممر. ومع ذلك، يظل جانب العمود محصورًا بشدّة بصخور فوقية ثقيلة، لذا يظهر معظم الارتفاع المرئي على جانب الفحم الصلب الأقل تحصرًا. النتيجة نمط مميز: هبوط وتشقق شديد بجانب العمود، وقبة ارتطاخ للقاع منتقلة نحو الجدار المقابل.

كيفية السيطرة على القاع

استنادًا إلى هذا الفهم، يقترح المؤلفون استراتيجية وقاية مكوّنة من ثلاث خطوات. أولًا، يوصون بقطع وفتح تصدعات مسبقة في أجزاء من السقف على جانب العمود قبل أن تنهار وحدها، لتقصير العتبات الصخرية وتقليل القوى التي يمكنها نقلها. ثانيًا، يقترحون قطع شقوق في القاع بالقرب من الأضلاع، خصوصًا على جانب العمود، لقطع طريق الإجهاد الرئيسي من العمود إلى قاع الممر. ثالثًا، يصممون تدعيمًا أقوى ومتعمدًا غير متماثل للقاع، باستخدام مسامير أو مرابط أطول وأقوى على جانب الفحم الصلب لربط الطبقات السطحية المكسورة بصخور أعمق وأكثر استقرارًا. تهدف هذه التدابير مجتمعة إلى تقليل الضغط الدافع، وقطع مساره، وتقوية القاع حيث يكون أكثر عرضة للارتفاع.

ماذا يعني هذا لتعدين أكثر أمانًا

تُظهر الدراسة أن الارتطاخ الشديد الأحادي الجانب في مناجم الطبقات السميكة ليس مجرد مسألة صخور ضعيفة، بل نتيجة لكيفية تركيز طبقات السقف المكسورة فوق العمود للإجهاد إلى القاع. من خلال الكشف عن مسار التحميل المخفي وربطه بقياسات ميدانية حقيقية، يقدم العمل وصفة أوضح لمهندسي المناجم للحفاظ على الممرات مفتوحة: عالج بنية السقف، اكسر سلسلة الإجهاد، وعزز القاع بشكل غير متماثل. يمكن لتطبيق هذا النهج القائم على «المصدر-المسار-البنية» أن يساعد المناجم العاملة في طبقات فائقة السمك على الحفاظ على أنفاق أكثر أمانًا وثباتًا تحت إجهاد عالٍ.

الاستشهاد: Zhang, J., Sun, J., Wang, B. et al. Mechanism and control strategies for asymmetric floor heave in extra-thick coal seam roadways under high stress. Sci Rep 16, 14515 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45203-y

الكلمات المفتاحية: ممر منجم الفحم, ارتطاخ القاع, ميكانيكا الصخور, مراقبة الأرض, طبقة فحم سميكة