تقنية تدعيم التسريب الطبقي لغطاء الفحم–الصخر المركب: نظام معالجة قائم على تجارب نمذجة

الحفاظ على سلامة الأنفاق تحت الأرض

مع تعمق مناجم الفحم، يجب أن تمر الأنفاق التي تنقل الأشخاص والهواء والمعدات تحت طبقات ثقيلة من الصخور المتكسرة. عندما يهبط السقف الصخري فوق هذه الأنفاق أو ينهار، يهدد ذلك كلًا من السلامة والإنتاج. تنظر هذه الدراسة في طريقة جديدة لـ"لصق" تلك الطبقات الضعيفة معًا على مراحل، بحيث يستطيع سقف المنجم مرة أخرى تحمل وزنه بأمان والحفاظ على فتح ممرات الطرق لفترة طويلة.

لماذا من الصعب دعم أسقف المناجم العميقة

في المنجم الصيني الذي دُرِس هنا، لا يكون سقف النفق لوحًا صلبًا واحدًا بل تكدسًا من الطبقات: فحم لين ومتصدع في الأسفل، وطين حجر أضعف فوقه مباشرة، ورمل حجر أقوى في الأعلى. مع مرور الوقت وتحت ضغط كبير، تتحطم الطبقات السفلية ولا تعد قادرة على تمرير الوزن أعلاها إلى الصخر الأقوى. حينها تُضطر الدعامات التقليدية مثل المسامير الفولاذية والكابلات للعمل داخل صخر مفكك ومتفتت، ويستمر السقف في الهبوط والتشقق وأحيانًا سقوط أجزاء في الممر.

فكرة "الحقن والخياطة" الطبقية

يقترح الباحثون طريقة تسريب طبقية تعالج السقف في منطقتين. أولًا، يُحقن مزيج سائل حول مسامير قصيرة موضوعة في الفحم وطين الحجر المكسور سطحيًا. مع تصلب هذا المزيج، يربط القطع الفضفاضة معًا إلى شريط أقوى يعمل كعارضة أولية فوق النفق. بعد ذلك، تصل كابلات أطول إلى الرمل الحجري الأعمق والأكثر صلابة، ويُحقن الملاط هناك أيضًا. بهذه الطريقة، يُخاط الشريط السطحي المقوى حديثًا بإحكام بالصخر المستقر أعلاه، مكونًا هيكلًا مكدسًا متعاونًا بدلًا من رقع دعم معزولة.

اختبار الفكرة في نموذج مصغر

لفهم كيف يغير هذا المخطط سلوك السقف، بنى الفريق نموذجًا فيزيائيًا يصغر الجيولوجيا الحقيقية والنفق بمقياس خمسين مرة. استخدموا رملًا وأسمنتًا والجبس بمخاليط مختارة بعناية لمحاكاة صلابة كل طبقة صخرية، ثم قَطَعوا ممرين متطابقين في النموذج. استخدم ممر واحد تصميم الدعامة الأصلي، بينما أضاف الآخر التسريب الطبقي الجديد. تحت تحميل متحكَّم، تتبعت الكاميرات حركة السقف والجدران، وقاست الحساسات الإجهاد، واستمعت كاشفات اهتزاز صغيرة للأحداث الشَقِّية الدقيقة داخل النموذج أثناء تعرضه للضغط.

ما الذي تغير داخل السقف المدعوم

كانت الفروق بين الممرين لافتة. في الحالة غير المعالجة، حدثت معظم حركة السقف في الطبقات السطحية، واندماجت الشقوق معًا، وانكسر السقف فوق النفق إلى كتل. تحركت الإجهادات بشكل فوضوي صعودًا، وسُجلت العديد من أحداث التشقق القوية. مع التسريب الطبقي، انخفض هبوط السقف من نحو ثمانية ونصف وحدة في النموذج إلى وحدتين فقط، وبقيت الشقوق متناثرة وناعمة بدل أن تشكل حزامًا مكسورًا. أصبحت الإجهادات أكثر توازناً، حيث أصبحت الطبقات السطحية المملوءة بالملاط قادرة على مشاركة الحمولة مع الرمل الحجري الأعمق، بينما بقيت أرضية وجدران النفق ضمن حدود الحركة المقبولة.

إثبات الفعالية في منجم عامل

طبق الفريق بعد ذلك نفس مفهوم الدعم في ممر فعلي بمنجم شويليندونغ للفحم. قاموا بمقارنة قسم يستخدم الدعم الأصلي مع قسم مجاور تلقى أيضًا التسريب الطبقي. في القسم الأصلي، ضاقت الجدران الجانبية إلى الداخل بأكثر من أربعين سنتيمترًا وتحرك السقف والأرضية نحو بعضهما بأكثر من خمسين سنتيمترًا، مع تسجيل سقوط سقوف وكسر مسامير. في القسم المملوء بالملاط، انخفضت حركة الجدران الجانبية إلى حوالي النصف وتقلص إغلاق السقف–الأرضية إلى نحو اثني عشر سنتيمترًا فقط. ظل السقف المدعوم سليمًا، واستمرت المسامير والكابلات في العمل كما هو متوقع، وأصبح الصيانة المستمرة أخف بكثير.

ماذا يعني ذلك من أجل تعدين أكثر أمانًا

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن الدراسة تُظهر كيف يمكن أن يحول الحقن المستهدف بعناية للمواد المتصلبة، على مراحل، كومة من الصخور المتفككة فوق نفق إلى مجموعة من العوارض المتعاونة. بدلًا من مجرد إضافة مزيد من الفولاذ، تصلح الطريقة كيفية تمرير الوزن من الطبقات الضعيفة إلى الطبقات القوية. في هذه الحالة، خفضت بشكل كبير هبوط السقف والتشقق والحركة تحت الأرض. هذا يجعل ممرات الفحم العميقة أكثر أمانًا للملاحة وأرخص للصيانة، ويقدّم دليلًا عمليًا لتثبيت أنفاق أخرى محفورة عبر صخر مختلط ومكسور.

الاستشهاد: Liao, Z., Li, P., Zhao, X. et al. Layered grouting reinforcement technology for coal–rock composite roof: A treatment system based on model experiments. Sci Rep 16, 15002 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46016-9

الكلمات المفتاحية: ممر منجم الفحم, تدعيم السقف, التسريب بالملاط, الاستقرار تحت الأرض, ميكانيكا الصخور