מחקר ניסיוני על מנגנון התפשטות הזרקת חומר בחללים סדוקים בסלע

שמירה על בטיחות המערות התת-קרקעיות

חללים תת-קרקעיים עמוקים — כמו אלה שבהם ממוקמות משאבות במכרות פחם — חייבים לעמוד בלחצים עזים מהסלע שסביבם. אם הסלע מתחיל לסדוק ולהזוז, הקירות עלולים לתפוח בעשרות סנטימטרים, מה שמסכן ציוד, עובדים ואת כל הפרויקט. מחקר זה בוחן כיצד "להדביק" סלע שבור בחזרה באמצעות חומר מילוי מבוסס מלט, כך שחללים תת-קרקעיים ארוכים יישארו יציבים ובטוחים לאורך שנים רבות.

חדר משאבות תחת מתח קיצוני

החוקרים התרכזו בחדר משאבות גדול במכרה וואנפו בסין, שנמצא עמוק יותר מ-800 מטר מתחת לפני הקרקע. למרות מערכת תמיכה כבדה של בולטים פלדה, כבלים וציפוי בטון, קירות ותקרת החדר המשיכו להתעוות. במהלך ניטור שנמשך יותר מ-450 ימים, הקיר הימני זז פנימה עד כ-751 מילימטרים — כמעט רוחב דלת ביתית — והרצפה התנפחה ביותר מ-30 סנטימטר. קידוחים בסלע שמסביב הראו אזור "פגוע קשה" עם סדיקות רבות בעומק עד 7 מטרים, אזור מעבר בינוני, ולאחר מכן סלע שלם. הבולטים והכבלים הקיימים היו מעוגנים בעיקר באזור השבור, ולכן לא יכלו לפתח את כוחם המלא.

כיצד החומר המוזרק מתפשט דרך סלע שבור

כדי להבין איך לחזק מחדש סלע שנפגע כך, הקבוצה בנתה מערך מעבדה גדול שיכול להכיל קטעי סלע סדוקים מלאכותיים באורך 1.2 מטר. הם הזריקו לתוכם חומר מילוי מלטי ואז חימצו אותם לחתיכות כדי לבדוק כמה חזק כל חלק נהיה ביחס למרחק מנקודת ההזרקה. נחקרו שתי משתנות יום-יומיות: גודל חתיכות הסלע וכמה מיימי היה התערובת (יחס מים-למלט). בכל המקרים, חוזק לחיצה — כמה כוח סחיטה החומר יכול לעמוד בו — ירד ככל שהחומר התפשט הרחק מנקודת ההכנסה.

שלושה אזורי חוזק סביב בולט

ניסויי החוזק גילו שלושה אזורים מובחנים סביב אזור המילוי. הקרוב ביותר לנקודת ההזרקה, "אזור ירידה ראשוני" עד כ-400 מילימטר הראה חוזק גבוה שנחלש במהירות. מכ-400 עד כ-1000 מילימטר הופיע "אזור ירידה הדרגתית", שבו החוזק ירד בקצב איטי יותר. מעבר לכך נמצא "אזור הקצה", שבו האיכות והחוזק ירדו שוב. תבנית זו משקפת כיצד החומר זורם ומתיישב: בקרבת הכניסה הוא דחוס וטוב; רחוק יותר הוא זז לאט יותר, מתפלג במעט תחת כוח המשיכה ותופס יותר חללים אוויריים, מה שמשאיר חומר חלש יותר בקצה החיצוני.

מדוע גודל חתיכות הסלע חשוב יותר מתערובת מיימית

שינוי גודל חתיכות הסלע המפורקות התברר כחשוב יותר מאשר שינוי מידת המיימיות של התערובת. חתיכות גדולות יצרו מרווחים רחבים יותר שאפשרו לחומר המילוי לנוע רחוק יותר, והרחיבו את מרחק ההתפשטות היעיל מ-800 מילימטר בחתיכות קטנות עד 1000 מילימטר בגדולות ביותר. עם זאת, חתיכות גדולות מאוד יצרו גם יותר ממשקים חלשים שבהם יכולים להיווצר סדקים. שינוי יחס מים-למלט השפיע במידה מתונה יותר על המרחק שהחומר הגיע אליו — מרחק ההתפשטות נשאר קרוב למטר — אך הוא השפיע במידה רבה על החוזק והאחידות הכוללת. תערובת בינונית (יחס מים-למלט של 0.5) נתנה איזון טוב: חומר חזק ואחיד יחסית בלי יותר מדי חללים אוויריים.

מהניסויים במעבדה לבטיחות במכרה אמיתי

בהסתמך על תובנות אלה, המהנדסים שינו את עיצוב התמיכה של חדר המשאבות. הם הוסיפו בולטים ממולאים בחומר בצורה משולבת ודאגו שאורך הבולט והכבלים יגיע לפחות מטר אחד מעבר לאזור הפגוע קשה לתוך סלע שלם. הם גם קבעו להשתמש ביחס מים-למלט של 0.5 בהזרקה בשטח. לאחר שישה חודשים של ניטור חדש, תזוזות הקיר הימני ירדו מיותר מ-750 מילימטרים לכמעט 40 מילימטר — צמצום של כ-95 אחוז. במלים פשוטות, הזרקה מתוכננת בקפידה הפכה חדר תת-קרקעי שהיה מתעוות בחומרה לחלל יציב, והדגישה כיצד הבנת התפשטות החומר ושבירת הסלע מתורגמת ישירות למהנדסה תת-קרקעית בטוחה ואמינה יותר.

ציטוט: Zhang, C., Li, D., Zhang, X. et al. Experimental study on grouting diffusion mechanism of fractured rock. Sci Rep 16, 5226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35539-w

מילות מפתח: תמיכת סלע תת-קרקעית, הזרקה, סלע סדוק, הנדסת מכרות פחם, יציבות הסלע