دراسة حول آلية انقلاع جدار الفحم في جبهة استخراج عالية الارتفاع بناءً على نظرية الطيّ التحولي

لماذا تهم حالات فشل جدار الفحم المفاجئة

في مناجم الفحم الحديثة تحت الأرض، تتيح جبهات الاستخراج الأعلى إزالة كميات أكبر من الفحم في مرور واحد، مما يزيد الإنتاج لكنه يرفع أيضًا خطر انهيارات جوانب مفاجئة تُعرف بانقلاع الجوانب. يمكن لهذه الفشلات المفاجئة أن تقذف الفحم إلى مناطق العمل، وتُتلف الآلات الثقيلة، وتهدد حياة العمال. تتعمق هذه الدراسة في أسباب حدوث مثل هذه الفشلات فجأة، مستخدمة مزيجًا من النمذجة الرياضية، وتحليل الطاقة، والمحاكاة الحاسوبية لتبين كيف يخزن جدار الفحم الطاقة بهدوء حتى يصل إلى نقطة حرجة وينهار دون سابق إنذار.

قشرة خفية حول النفق المعدني

يجادل المؤلفون أن الفحم بجانب جبهة استخراج كبيرة لا يتصرف ككتلة صلبة كاملة بل كقشرة رقيقة تلف الفتحة. مع انضغاط السقف والأرضية للجدار المكشوف، تنتفخ هذه القشرة تدريجيًا نحو النفق، لا سيما في ارتفاع منتصف الطبقة. أظهرت ملاحظات ميدانية في منجم صيني أن الشقوق والانفصالات تميل للتركيز في هذا القسم الأوسط، ما يدعم فكرة أن فشل الفحم حول الجبهة يحدث بنمط كروي تقريبًا بدلًا من لوح مسطح. يجعل التفكير في الفحم كقشرة وصف كيفية تركّز الإجهادات من جميع الاتجاهات في منطقة محدودة تكون مهيأة لعدم الاستقرار أسهل.

تراكم الطاقة قبل الكسر

بدل التركيز فقط على مدى قوة الضغط على الفحم، تتتبع الدراسة كيف تتراكم أنواع مختلفة من الطاقة داخل قشرة الفحم. يتشوه جزء من الفحم بشكل مرن، مثل نابض مضغوط يمكنه إطلاق طاقة، بينما تتشوه أجزاء أخرى بشكل بلاستيكي، مغيرة شكلها بشكل دائم وتمتص الطاقة. مع تشكل وانتشار شقوق صغيرة، يصبح جزء أكبر من القشرة منطقة بلاستيكية تمتص الطاقة، بينما تحتفظ المنطقة المرنة المحيطة بمخزون متنامٍ من طاقة التشوه. يظهر الباحثون رياضيًا أنه بمجرد أن تصل الطاقة المخزنة في المنطقة المرنة إلى عتبة معينة، يمكنها فجأة أن تتدفق إلى المنطقة المشقوقة. في تلك اللحظة، لا تستطيع القشرة الحفاظ على شكلها، ويحدث انقلاع الجوانب في اندفاع سريع.

نقطة الانقلاب موصوفة بنموذج الطي

لالتقاط هذا التحول المفاجئ، يستخدم الفريق إطارًا رياضيًا يُسمى نموذج كارثة الطي. بعبارات بسيطة، يوصف سلوك جدار الفحم كنظام يمكنه أن يسلك مسارين مختلفين: مسار مستقر حيث ينمو التشوه ببطء، ومسار غير مستقر حيث يسبب دفع صغير إضافي قفزة إلى حالة مشوهة بشدة. العامل التحكمي الرئيسي هو المعدل الذي تُمدُّ به الطاقة إلى الفحم من إجهادات التعدين وضغط الغاز. طالما أن القوى الخارجية يجب أن توفر طاقة إضافية، يتشوه الجدار تدريجيًا. لكن عندما تصبح الطاقة المحررة من الأجزاء المرنة للفحم كافية لدفع المزيد من التشقق بنفسها، يصل النظام إلى توازن حرج. عند هذه النقطة الحرجة، يمكن لأي اضطراب طفيف، مثل قطع جديد بواسطة القاطع، أن يحفز قفزة من الاستقرار إلى الانهيار المفاجئ.

دعم من التجارب العددية

اختبر الباحثون أفكارهم بمحاكاة حاسوبية مفصّلة لجبهة طولية في طبقة فحم سميكة تتضمن شريطًا أضعف من التراب. باستخدام نموذج العناصر المميزة، لمحوا عملية التعدين خطوة بخطوة وتتبّعوا حركة الفحم أمام الجبهة وأماكن تراكم الإجهادات. أظهرت النتائج أن الحركة الأفقية والضرر يتركزان حول منتصف الطبقة، مكونين منطقة منتفخة تتسع إلى الخارج بنمط نصف كروي تقريبي. يتطابق هذا النمط مع مفهوم القشرة والفشل الكروي من النظرية، مشيرًا إلى أن جدار الفحم بالفعل يجمع التشوه والطاقة في المنطقة المركزية حتى يصبح غير مستقر. تعمل وجود شريط التراب على تحريك وتكثيف هذه المنطقة الفاشلة، مما يبرز كيف يمكن للطبقات الضعيفة الرقيقة تركّز الضرر.

ما يعنيه ذلك لتعدين أكثر أمانًا

بربط انقلاع الجوانب بعتبة طاقة، تنتقل الدراسة من وصف الضرر المرئي بعد وقوعه إلى التنبؤ بموعد اقتراب جدار الفحم من حالة خطرة. يقترح النموذج أن رصد مؤشرات تراكم الطاقة، مثل الإجهادات الناجمة عن التعدين وضغط الغاز، يمكن أن يساعد في تحديد اقتراب النظام من نقطة الانقلاب. عمليًا، يمكن للمهندسين ضبط صلابة الدعائم، تغيير ارتفاع الاستخراج، أو استخدام تدابير تحرير الضغط لتقليل إدخال الطاقة وإبعاد جدار الفحم عن المنطقة الحرجة. ببساطة، تُظهر الدراسة أن الانهيارات المفاجئة لجدران الفحم ليست أحداثًا عشوائية، بل نتيجة تراكم هادئ للطاقة داخل قشرة هشة يمكن، ويجب، مراقبتها والسيطرة عليها.

الاستشهاد: Li, G., Zhang, H., Li, M. et al. Study on coal wall spalling mechanism of large mining height working face based on folding mutation theory. Sci Rep 16, 15277 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46075-y

الكلمات المفتاحية: انقلاع جدار الفحم, انقلاع الجوانب, تحرير الطاقة, التعدين بالطريقة الطولية, سلامة مناجم الفحم