دراسة حول التشوه الكبير وفشل أرضية أنفاق الصخور الطرية الغنية بالمياه

لماذا قد ترتفع أرضية نفق المنجم فجأة

يجب أن تظل الأنفاق العميقة تحت الأرض في مناجم الفحم مستقرة للحفاظ على سلامة العمال واستمرارية حركة المعدات. في بعض المناجم، تنتفخ أرضية النفق تدريجياً لأعلى، ما يعرّج القضبان ويشقّ هياكل الدعم. تبحث هذه الدراسة في مشكلة من هذا النوع في منجم فحم صيني، حيث يمر النفق عبر صخور طرية مشبعة بالمياه. سعى الباحثون لفهم سبب ارتفاع الأرضية بمقدار عدة أمتار وكيف يمكن لطريقة تدعيم جديدة أن توقف ذلك في المستقبل.

نفق متعرض للمشاكل في أعماق الأرض

ركز الفريق على الطريق الرئيسي الجناح الشمالي في منجم هونغتشي للفحم في شاندونغ، الصين. هذا النفق النقل، بعرض وارتفاع يقاربان أربعة أمتار، مقطوع عبر طبقة من الطين الحجري الطري ويقع فوق طبقة من الحجر الجيري المعبّأة بمياه جوفية مضغوطة. أظهرت الفحوص الميدانية تسرب مياه شديد عند التقاء الأنفاق، وكانت أرضية النفق قرب مصدر المياه قد ارتفعت بما يصل إلى 2.5 متر. انحنت القضبان الفولاذية على شكل S، تشقق البطانة الخرسانية، وانكسرت المسامير في الجدران، مما دلّ على أن الصخر المحيط بالنفق لم يعد يقدر على الحفاظ على شكله.

صخور طرية تنهار بالماء

لفهم سبب ضعف الأرضية، اختبر الباحثون عينات من الطين الحجري من أرضية النفق. وجدوا أنها تحتوي على كمية كبيرة من المعادن الطينية التي تجذب الماء ويمكن أن تنتفخ وتضعف عند البلل. تحت المجهر بدا الصخر مساميًا وغير متماسك جيدًا، مع العديد من الحبيبات الصغيرة وملاط ضعيف بينها. في اختبارات النقع البسيطة، بدأت قطع الطين الحجري تتفكك بعد دقيقة واحدة فقط تحت الماء واستمرت بالتفتت مع امتصاص المزيد من الماء. بينت هذه النتائج أن الصخر لم يكن طريًا فحسب، بل سهل التلف بالماء، مما يجعله عرضة بشكل خاص للانتفاخ وفقدان القوة.

نماذج حاسوبية للمياه التي تدفع الأرضية لأعلى

بعد ذلك أنشأ الفريق نموذجًا حاسوبيًا ثلاثي الأبعاد للنفق وطبقات الصخر المحيطة. لمحوا ضغوطًا مائية مختلفة في طبقة الحجر الجيري العميقة تحت الأرضية، من الظروف الجافة وحتى الضغط العالي المقاس. تتبّع النموذج مقدار تحرك سقف ونَفْسِ النفق وكمية الصخر المحيط التي تجاوزت حدّ قوتها. في الظروف الجافة ارتفعت الأرضية قليلاً فقط وكان الضرر سطحيًا. عندما رُفِع ضغط المياه إلى القيمة الحقيقية تحت الأرض نما الانتفاخ المحاكى للأرضية إلى نحو 2.5 متر، وتعمّق نطاق الصخر المتضرر تحت الأرضية إلى أكثر من ستة أمتار، بينما تحرّك السقف بالكاد. أظهر ذلك أن ضغط المياه من الأسفل، وهو يؤثر على الطين الحجري الضعيف أساسًا، كان الدافع الرئيسي لفشل الأرضية.

صورة مبسطة لكيفية فشل الأرضية

باستخدام أفكار من نظرية ضغوط التربة، رسم الباحثون صورة ميكانيكية لحركة الأرضية. قسموا الأرضية إلى منطقة ضحلة، حيث ضعفت الصخور بفعل التسرب، ومنطقة أعمق تتأثر بشدة بالمكمن المضغوط. في هذه الصورة تُدفع كتل من الصخر المليّن على جانبي أرضية النفق إلى الداخل والأعلى تحت الوزن المشترك للصخور الفوقية والدفع التصاعدي للمياه. أشارت حساباتهم إلى أن عمق الفشل الحرج يصل إلى نحو 4.5 متر. بعبارة أبسط، شريحة سميكة من الصخر المليّن أسفل قاعدة النفق تُدفع لأعلى وللداخل، مسببة انتفاخ الأرضية إلى داخل مساحة النفق.

نظام تدعيم طبقي يبعد المياه

استنادًا لهذا الفهم صمّم الفريق نظام تدعيم جديدًا مكيّفًا مع منطقتي العمق. في المنطقة الضحلة ركبوا مسامير محقونة أقصر لربط الصخور المتراخية معًا وسد الشقوق. في المنطقة الأعمق استخدموا كابلات مسامير محقونة طويلة للارتكاز في الصخر الأقوى والحد من الحركة حيث يكون ضغط المياه أعلى. بُني قوس خرساني مقلوب في أرضية النفق وربط بدعائم فولاذية على شكل U على طول الجدران، محولاً البطانة كلها إلى حلقة مغلقة تقاوم الضغط من الأسفل بشكل أفضل. يهدف هذا التصميم إلى قطع الاتصال المباشر بين المياه الجوفية وأضعف الطين الحجري مع توزيع الأحمال بشكل أكثر توازنًا.

من أرضية مرتفعة إلى حركة محكومة

طُبّق مخطط التدعيم الجديد في نفق رابط قريب له نفس نوع الصخور وظروف المياه. خلال شهرين من المراقبة ظل هبوط السقف وحركة الجدران صغيرين، وارتفعت الأرضية بمقدار 33 مليمترًا فقط قبل أن تستقر، بدلًا من الأمتار التي شوهدت سابقًا. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن فهم كيف يضعف الماء الصخور تحت الأرض وكيف يدفع الماء المضغوط أرضيات الأنفاق يمكن أن يؤدي إلى تدعيمات طبقية مستهدفة تقلل كثيرًا من حركة الأرض الخطرة في المناجم العميقة.

الاستشهاد: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

الكلمات المفتاحية: انتفاخ الأرضية, صخور طرية, مياه جوفية, دعم الأنفاق, منجم فحم