יישום שדה וחוק הדיפוזיה של סנפוח בביסול מי רצפה במכרה פחם

מדוע עצירת שיטפונות במכרה חשובה

מכרות פחם עמוקים מתחת לפני הקרקע לא רק חופרים בסלע — הם גם חותכים דרך נהרות חבויים הלוכדים תחת לחץ. אם המים האלו פורצים פתאום לתעלות, הם עלולים להציף ציוד, לסכן חיים ולסגור מקורות אנרגיה. מחקר זה בוחן כיצד לאטום טוב יותר את הסדקים מתחת לשכבת הפחם באמצעות תערובות מלט מתוכננות בקפידה, כך שמי תהום לחוצים יישארו במקום והפועלים יוכלו לעבוד בבטחה.

איטום סדקים נסתרים עם "סלע נוזלי"

לשלוט בחדירת מים מאקוויפרי רצפה מהנדסים לעתים קרובות מזריקים סנפוח שאפשר להזרים, העשוי ממלט או ממלט מעורבב עם חימר, לתוך הסלע. נוזל זה מטפטף לתוך סדקים ונקבוביות דקות ואז מתקשה למחסום מוצק. המחברים התמקדות בשני שאלות מעשיות: כיצד לבחור את הנוסחה הטובה ביותר לסנפוח, וכיצד התערובת הזו מתפשטת בפועל בתוך סלע שסוע תחת לחץ מים גבוה. הם בדקו תערובות מלט נקי ותערובות מלט–חימר במעבדה, ואז השתמשו בסימולציות ממוחשבות ובמכרה אמיתי כדי לראות כיצד תערובות אלו מתנהגות מתחת לפני הקרקע.

מציאת הנוסחה הנכונה

במעבדה הצוות ערבב עשרות תערובות קטנות שהשתנו בצפיפות ובכמות המים, המלט והחימר. הם מדדו חמש תכונות מרכזיות שיש להן משמעות בשדה: עד כמה בקלות הסנפוח זורם, כמה מים נוספים מחלחלים ממנו, כמה "אבנית" מוצקה נשארת לאחר ההתקשות, כמה זמן הוא מתייצב וכמה חזקה הופכת הבלוק המתקשה. תערובות צפופות זורמות בדרך כלל לאט יותר אך יצרו חומר מוצק וחזק יותר, בעוד שתערובות קלות שחררו יותר מים ונדרשו זמן ארוך יותר להתייצבות. לאזן בין פשרות אלו, החוקרים בחרו תערובת מלט נקייה אחת ותערובת מלט–חימר אחת כאופטימליות: שתיהן שמרו על בריחת מים נמוכה, מילאו סדקים היטב והשיגו חוזק מספק בלי להתקשות כל כך מהר עד כדי שצוותי העבודה יאבדו זמן להזרים אותן.

כיצד הסנפוח מתפשט בסלע שסוע

בהמשך, הצוות בנה מודל מחשב מפורט של מסה סלעית שכוללת אזור מרוסק מלא בסדקים קטנים רבים וסדק ראשי גדול היכול לשאת מים. הם סימולו את שאיבת תערובת המלט–חימר הנבחרת לתוך המערכת הזו תוך התחשבות בזרימת נוזלים ובעיוות הסלע. הסימולציות הראו כי לחץ שאיבה גבוה דוחף את הסנפוח הלאה ובמהירות רבה יותר, אך הלחץ שלו יורד בהדרגה עם המרחק עד שהוא מתקרב ללחץ המים הטבעי. סדקים רחבים וסלעים בעלי חדירות גבוהה יותר מאפשרים לתערובת לנוע מהר יותר ולמלא אזור גדול יותר; במקרים מסוימים, ברגע שהתערובת הצטברה בכמות מספקת, היא "פורצת" לפתע אל הסדק הראשי, ומרחיבה במהירות את אזור האיטום לפני שהזרימה מאטה ומתייצבת בהדרגה.

יישום השיטה מתחת לאדמה

החוקרים לאחר מכן יישמו את התערובת האופטימלית שלהם במכרה פחם בסין שבו הרצפה שוכנת מעל שכבת גיר עשירה במים כ־140 מטר מתחת לפני הקרקע. הם קידחו שלוש קבוצות של חורים להזרקה והזרימו יותר מ־100,000 טונות של תערובת מלט–חימר תחת לחצים מבוקרים בקפידה. במעקב אחר כמות הסנפוח שכל חור ספג וכיצד הסלע קיבל מים במהלך בדיקות לחץ מעקב, הם איששו כי הסדקים והערוצים באזורים המסוכנים ביותר מולאו בצורה יעילה. חורים שנקדחו מאוחר יותר דרשו פחות סנפוח, מה שמעיד שההזרקות הקודמות חיזקו ואטמו כבר חלק ניכר מרשת הסדקים.

מה משמעות זאת עבור כרייה בטוחה יותר

ללא־מומחים, המסר המרכזי הוא ששיטפון מכרה הנגרם ממי תהום לחוצים אינו רק מזל רע — הוא תלוי מאוד באופן שבו המים יכולים לנוע דרך סדקים בלתי נראים מתחת לעבודה. מחקר זה מראה כי בכיול תערובת ה"סלע הנוזלי" ובהבנת אופן זרימתה תחת לחץ, מהנדסים יכולים לתכנן תוכניות סנפוח שאוטמות את הסדקים הללו בצורה אמינה יותר ובסיכון נמוך יותר. השילוב של בדיקות מעבדה, סימולציות מבוססות פיזיקה וניסויים בגודל מלא במכרה מצביע על דרכים צפויות ומודרניות יותר לשמור על כרייה עמוקה יבשה ובטוחה.

ציטוט: Zhengzheng, C., Fangxu, G., Tao, R. et al. Field application and diffusion law of grouting slurry in floor aquifer of a coal mine. Sci Rep 16, 8329 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-28535-z

מילות מפתח: בקרת מי במכרות פחם, תערובת סנפוח, אקוויפר רצפה, איטום סלעים שסעיים, סימולציה נומרית