دراسة تأثير تخفيف الضغط ونطاق الحماية لتعدين طبقة واقية سفلية بعيدة المدى بناءً على المحاكاة الفيزيائية المماثلة وPFC3D

لماذا يهم تحسين سلامة تعدين الفحم

لا يزال الفحم يزوّد نسبة كبيرة من كهرباء الصين، لكن استخراجه من باطن الأرض قد يطلق انفجارات مفاجئة من الغاز والصخور تُعرض العمال للخطر. تبحث هذه الدراسة كيف يمكن لتعدين طبقة فحم واحدة عميقة أن يخفف بلطف الضغط في طبقة أعلى منها، مما يجعل تصريف الغاز أسهل ويجعل جولة التعدين التالية أكثر أمانًا. من خلال الجمع بين نماذج فيزيائية مخبرية ومحاكاة حاسوبية متقدمة، يرسم الباحثون كيف تتصدع الصخور بين الطبقتين وتنحني وتستقر مع تقدم عملية التعدين.

طبقتان من الفحم تعملان معًا

تركز الدراسة على منجم الفحم رقم 6 في مقاطعة خنان، حيث تقع طبقة أعمق تُعرف بـWu 8 على عمق نحو 72 مترًا تحت طبقة علوية تسمى Ding 5.6. الفكرة هي تعدين الطبقة السفلية أولًا كـ"طبقة واقية". عند إزالة هذه الطبقة، يتحوّل وزن الصخور المتراكمة أعلاها، مما يغيّر الضغط في الطبقة العلوية ويفتح مسارات دقيقة لتهريب الغاز المحبوس. إذا تمكن المهندسون من توقع مكان امتداد وتأثير تخفيف الضغط هذا، يمكنهم وضع آبار لتصريف الغاز والتخطيط للتعدين المستقبلي في الطبقة العلوية بطريقة أكثر أمانًا وكفاءة.

منجم مصغّر في المختبر

لمراقبة ما يحدث تحت الأرض خارج نطاق الرؤية، بنى الفريق نموذجًا فيزيائيًا كبيرًا بطول نحو ثلاثة أمتار وارتفاع متر ونصف يحاكي الطبقات الصخرية الحقيقية فوق طبقة Wu 8. باستخدام الرمل والجبس وكربونات الكالسيوم والمِكا لتمثيل أنواع الصخور المختلفة، أعادوا خلق الطبقات المكدَّسة ثم "قاموا بتعدين" الطبقة السفلية خطوة خطوة. مع تقدم واجهة العمل في النموذج، رصدوا كيف انهارت الصخور العليا وأين فتحت الشقوق. تشكلت الشقوق في هيئة شبه منحرفة واسعة تنمو صعودًا وخارجًا، مرّت بمراحل بدء ونمو، ثم أغلقت جزئيًا مع انضغاط الصخور المكسورة.

صخور افتراضية وقوى غير مرئية

لا تستطيع النماذج المخبرية التقاط كل التفاصيل، لذا استخدم الباحثون أيضًا محاكاة حاسوبية ثلاثية الأبعاد تعتمد على الجسيمات، والمعروفة باسم PFC3D، لتتبع أنماط الإجهاد والكسور في كتلة الصخور بأكملها. في هذا المنجم الافتراضي، تمثل الصخور والفحم بآلاف الجسيمات المترابطة الصغيرة التي تتبع قوانين الحركة في تداخلها. مع تقدم واجهة العمل المحاكاة، يسجل البرنامج كيف تتغير الإجهادات الرأسية والأفقية على ارتفاعات مختلفة، وكيف تتصل الشقوق لتكوّن شبكات، وكيف تتحرك طبقة الفحم العلوية. تُظهر النتائج أن الإجهادات الرأسية قرب المنطقة المُستخرجة ترتفع إلى نحو أربعة أضعاف الإجهادات الأفقية، ثم تنخفض، مما يشكّل منطقة تخفيف ضغط تضيق مع الارتفاع وتتخذ شكل منصة شبه منحرفة فوق المساحة المنهارة.

كيف تنحني وتمتد الطبقة العلوية

تكشف المحاكاة أيضًا كيف تتشوه الطبقة المحمية Ding 5.6. يتحول نمط الإزاحة تدريجيًا إلى هبوط على شكل وعاء فوق الطبقة السفلية المستخرجة. في المراحل المبكرة، عندما تتقدم واجهة العمل أقل من نصف طولها، يكون الهبوط صغيرًا وشكله إهليلجي. مع استمرار التعدين، يزداد عمق وعرض الهبوط، مع أكبر هبوط مباشرة فوق مركز المساحة المنهارة. في نهاية المطاف، يصبح قاع "الوعاء" مسطحًا مع انضغاط الصخور المتراكمة أعلاه وتباطؤ معدل الهبوط الإضافي. من خلال تتبع تغير سمك الطبقة المحمية، يحسب الفريق معدل تشوه التمدد؛ وعندما يتجاوز هذا المعدل قيمة حدية، يعتبر الفحم قد ارتاح تمامًا من الضغط ويصبح أقل عرضة للانفجار العنيف.

رسم منطقة آمنة تحت الأرض

بدمج نتائج التشوه والإجهاد، يحدد المؤلفون الشكل الثلاثي الأبعاد لمنطقة الحماية الفعالة بتخفيف الضغط. وجدوا أن المنطقة المسترخية في الطبقة العلوية لا تمتد مباشرة فوق المنطقة المُستخرجة بل تنزاح إلى الداخل على طول كل من الطول والعرض لواجهة العمل. على طول الطول، تبدأ المنطقة المحمية وتنتهي بنحو 35–40 مترًا داخل حدود التعدين الفعلية؛ وعلى العرض، تتراجع بحوالي 11–14 مترًا. داخل هذه المنطقة المنزوحة، ينخفض الإجهاد الرأسي إلى ما دون قيمة حرجة تقدر بحوالي 16.9 ميغاباسكال ويتجاوز معدل تشوه التمدد المعيار المستخدم في قواعد السلامة الصينية. من الناحية العملية، توفر الدراسة لمديري التخطيط في المناجم زوايا ومسافات واضحة تحدد أين يمكن تنفيذ تصريف الغاز والاستخراج المستقبلي للطبقة العلوية بمخاطر أقل لحدوث انفجارات الفحم والغاز.

الاستشهاد: Zhan, K., Liu, Z., Wei, D. et al. Study on pressure-relief effect and protection scope of long-distance lower protective seam mining based on similar physical simulation and PFC^3D. Sci Rep 16, 15927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47414-9

الكلمات المفتاحية: تعدين طبقة الفحم, تصريف الغاز, شقوق الصخور, سلامة المنجم, المحاكاة العددية