מנגנון ויישום של עיגון בקידוח מורחב בצורת דמוי-כסף הפוך בקרקע צמנטית חרסית

שמירה על מנהרות מכרה שבירות במקום

לעומק האדמה, רבות ממנהרות מכרה הפחם עוברות דרך סלע רך עשיר בחרסית הנוטה לנפיחה, להליכה (creep) ולהתפוררות עם הזמן. תומכות פלדה מסורתיות ואפילו ברגי סלע מודרניים לעיתים מאבדים את אחיזתם כשהסלע החלש מתעוות, מה שמגדיל את הסיכון לקריסות תקרה ותיקונים יקרים. המחקר הזה בוחן שיטה חדשה ל"עיגון" ברגי תמיכה בצורה בטוחה יותר על ידי עיצוב סופו של חור הקידוח עצמו, כך שהסלע והשרף ננעלים בפועל כמו יתד, ושומרים על יציבות המנהרות לאורך זמן.

מדוע קשה כל כך להחזיק מנהרות בסלע רך

רבות ממנהרות הפחם בסין חצובות בסלע חרסיתי או מצומד בחרסית המכיל מינרלים שמתחלשים במגע עם מים. סלעים אלה מלוכדים בצורה גרועה, בעלי חוזק נמוך ונוטים לנפוח ולהפוך לבוציים בפניית מים. תחת הלחץ הכרוך בכרייה, קירות ותקרת המנהרה זוחלים ומתעוותים. שלדי פלדה שנראים בתחילה יעילים עלולים להידחס לתוך רצפת המנהרה כאשר היא מתנפחת, בעוד התקרה משתפלת וסדוקה. ברגי סלע, שהפכו כיום לשיטת התמיכה העיקרית, נועדו לקשר יחד שכבות סלע חלשות. אך בסביבה זו, השרף המשמש להדבקת הברגים לדופן החור לעתים מתנתק מהסלע, במיוחד תחת רטט ולחות, מה שגורם לאובדן כוח העיגון במהירות.

עיצוב סופו של החור כיתד הפוך

החוקרים התרכזו ברעיון פשוט אך עוצמתי: במקום להשאיר את תחתית חור הברג גלילית, הם מרחיבים אותה לצורת יתד הפוך באמצעות כלי הרחבה מיוחד. הברג ואז מודבק לתוך חלל מורחב זה עם שרף. למעשה, הברג כבר לא נשען רק על דבק לאורך דופן חלקה; הוא נעול מכנית לתוך כיס רחב יותר של סלע. הצוות בנה מודל מכני שמחלק את הברג לשלוש אזורים לאורך אורכו: מקטע חופשי קרוב לפתיחת המנהרה, מקטע עיגון רגיל, ומקטע עיגון מורחב בתחתית. באמצעות משוואות מכניקת סלעים הם הראו כי כיס בצורת יתד מגביר משמעותית את כוחות החיתוך והאחיזה בממשק בין השרף לסלע, ומעלה את ההתנגדות הצירית של הברג גם כאשר חלקים אחרים מתחילים להחליק.

ממשוואות למודלים במעבדה ומבחני משיכה

כדי לבדוק את הקונספט, הצוות יצר דגמי קיר מנהרה מוקננים בחומרים מעורבים לחיקוי סלע רך וחסר חוזק. הם קדחו חורי ברגים בתוך צינורות PVC ולאחר מכן הרחיבו ידנית את תחתית החור ליצירת יתדות הפוכות באורכים, בקטרים ובזוויות שונות. תוך שימוש בשרף מכרות נפוץ (K2335), הם בדקו תחילה עד כמה השרף נמעך ומתייצב בחללים המורחבים. כאשר היתד היה גדול מדי או ארוך מדי, חלקי שרף נותרו מעורבבים בצורה לקויה ולא התקשתו כראוי. הם הגדירו "יחס התקשות" כדי לכמת כמה מן השרף התקשה במלואו. השילוב הטוב ביותר התגלה כמרחק הרחבה של 100 מ"מ, קוטר מקסימלי של 58 מ"מ, וזווית יתד של 9°, שהשיג יחס התקשות של 92.9%, כלומר החדר התמלא בצפיפות ובאחידות.

אחיזה חזקה יותר לפני ואחרי כישלון

בהמשך, החוקרים ערכו במעבדה מבחני משיכה, השווים ברגים רגילים לברגים מעוגנים בכיסי יתד הפוך, כולם עם אורך עיגון כולל זהה. בשני המקרים, כוח המשיכה התגבר עם ההדחק עד להגעה לשיא, ואז ירד כאשר החל החלקה בין השרף לסלע. אצל הברגים הרגילים הירידה היתה חדה והכוח הנשאר היה נמוך, בעיקר מוחזק על ידי חיכוך החלקה חלש. בניגוד לכך, ברגים בכיס היתד הפוך נשאו כוח שיורי גבוה גם לאחר תחילת ההחלקה כיוון שהצורה המורחבת חסמה מכנית את הוצאה מלאה. סימולציות מספריות תמכו בממצאים: תחת עומס זהה של 160 kN, מתח הגזירה הממוצע לאורך אזור העיגון עלה בכ-47% בעיצוב היתד, ומה שמעניין — המתח רוכז באופן מועיל סמוך לאזור המורחב במקום רק בתחתית החור.

הוכחה רעיונית במכרה פחם אמיתי

הצוות לאחר מכן יישם את השיטה מתחת לאדמה במנהרת סלע רך במכרה פחם במחוז שאנשי. הם קדחו והרחיבו את תחתיות החורים באמצעות כלי כנף יחיד שתוכנן על ידם, דחפו מחסניות שרף לתוך כיסי היתד וערבבו אותן עם הברג עד שהשרף מילא ואחז גם בסלעים שסדוקים וגם בשלמים. ניטור של שלושה ברגי תקרה הראה כי כוחות ציריים עלו כאשר הסלע הסביבה התעוות אך לאחר מכן התייצבו ברמות גבוהות, ללא איבוד תמיכה מהיר שנצפה לעיתים בעיגון קונבנציונלי. מדידות שקיעת תקרה אישרו שמנהרות הנתמכות בברגים עם יתד הפוך הראו שקיעה קטנה בהרבה מאשר אלה עם ברגים סטנדרטיים, מה שמעיד על מנהרה בטוחה ויציבה יותר.

מה משמעות הדבר לבטיחות במכרות

לקורא הלא מקצועי, המסקנה המרכזית היא שעיצוב מחדש של קצה חור הברג יכול לעשות הבדל גדול בבטיחות המנהרה. בעיבוד כיס קטן בצורה יתד בצורת סלע ובהכשרתו עם שרף ופלדה, מהנדסים יוצרים מעין ראש עיגון תת-קרקעי שקשה יותר להוציאו ופחות נועד להיחלש עם הזמן. המחקר מראה שעם מימדים שנבחרים בקפידה, העיצוב הזה לא רק מעלה את חוזק ההחזקה ההתחלתי אלא גם שומר על הרבה מהחוזק הזה גם לאחר שהחלקה החלה. עבור מכרות פחם החוצים סלע שביר ורגיש למים, עיגון משופר כזה יכול להפחית קריסות תקרה, לצמצם עלויות תחזוקה ולשפר את הבטיחות בעבודות התת-קרקעיות.

ציטוט: Zhang, H., Li, G., Xu, Y. et al. Mechanism and application of reaming anchorage of inverted wedge-shaped hole bottom in argillaceous cemented roadway. Sci Rep 16, 5094 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7

מילות מפתח: מנהרת סלע רך, עיגון בעזרת בורג סלע, מנהרת מכרה פחם, חור ברג צלול, תמיכת קרקע