מנגנון עליית העיוות הפוכה בסורג פחם בתולי בהשוואה לסורג העמודה בכניסה לצד הגוב במחצלת פחם עבה במיוחד

מדוע מנהרות תת-קרקעיות עלולות להיסגר בפתאומיות

ככל שמכרות הפחם חופרים לעומק רב יותר ורודפים שכבות עבות יותר, המהנדסים חותכים מנהרות ארוכות לצד חללים ריקים עצומים שנשארו לאחר הכרייה. המעברים הללו חייבים להישאר פתוחים לאוויר, לאנשים ולמכונות, אך הם יושבים בסלע תחת לחצים עצומים. המחקר הזה חוקר התנהגות מסתורית ומסוכנת שנצפתה במכרה סיני: במקום שקיר המנהרה שלצד החלל שנכרה יהיה זה שנכשל יותר, קיר הפחם "הבתולי" לכאורה החזק יותר מציג עיוות גדול יותר. הבנת הסיבה לכך חיונית לבטיחות ויעילות גבוהה יותר בכרייה תת-קרקעית.

צורה חדשה של "סחיטת" מנהרה

במכרות פחם מודרניים בסין, שכבות פחם עבות במיוחד של מעל 15 מטר לעתים נכרתות בשיטת התמוטטות עליונה ממוכנת מלאה (top-coal caving). לאחר הסרת פאנל פחם, הסלע שמעליו מתמוטט לחלל הריק ויוצר אזור מפורק המכונה גאנג (gob gangue). לאחר מכן חופרים מנהרות חדשות, המכונות כניסות לצד הגוב, קרוב לגאנג כאשר נשאר רק עמוד פחם צר ככרית. באופן מסורתי, המהנדסים מצפים שקיר המנהרה הפונה לגאג (צד עמודת הפחם) יתעוות יותר מאשר הקיר הפונה לסלע שלא נגעו בו (צד הפחם הבתולי). עם זאת, ניטור בפאנל 8211 של שכבה בעובי 15.1 מטר הראה את ההיפך: לאחר כ־50 ימים, הקיר בצד הפחם הבתולי החל לנוע פנימה יותר מהצד של עמודת הפחם — תופעה שהמחברים מכנים "עליית עיוות הפוכה" (RDI).

צפייה בהתמוטטות איטית של הסלע

הקבוצה תיעדה תחילה את הנעשה מתחת לפני השטח. הם מדדו כמה כל קיר מנהרה התכנס לאורך זמן, בדקו נזק לאומים, כבלים ומסגרות תמיכה, והשתמשו במצלמות בבורנכים כדי לראות עד כמה העומק שבו הפחם נסדק. שני צידי המנהרה הראו נזק חזק, אך כל עמודת הפחם בעובי 8 מטר סדקה לחלוטין, בעוד שהפחם הבתולי הראה אזור חיצוני שנשבר בעומק כ־4.3 מטר וליבה פנימית חזקה יותר. מדדי לחץ חשפו שחלקה המרכזי של העמודה נשא עומסים מתונים בלבד, מה שמרמז על החלשות קשה, בעוד שהפחם הבתולי העמוק נשא לחצים הקרובים ללחץ המקורי בשטח. שילוב זה — סלע שטחי שניזוק קשות משני הצדדים אך אזור פחם בתולי עמוק יחסית שעדיין חזק — יצר את הבסיס לתנועות הבלתי צפויות.

ניסויים ממוחשבים על חידה קבורה

כדי לפענח את המנגנון, החוקרים בנו מודל נומרי תלת־ממדי מפורט של המכרה באמצעות תכונות סלע ומצעדי כרייה מציאותיים. הם שינו שלושה גורמים עיקריים: עד כמה הגאנג שהתמוטט בלחץ הפנה בצד על עמדת עמודת הפחם, כמה רחבה העמודה, ומתי נחפרה המנהרה ביחס לכרייה מעליה. הסימולציות הראו ש־RDI מופיעה רק כאשר גובה מגע הגאנג עם העמודה גבוה מספיק — המגע חייב לעלות יותר מ־20 מטר. בנקודה זו, הסלע השבור בגאנג מתנהג כתמיכה צדדית קשיחה, מחזק את עמודת הפחם כך שהיא מתעוותת פחות כלפי המנהרה. בינתיים, שכבות הסלע שלמעלה שהן עדיין שלמות מתכופפות כלפי מטה לכיוון המנהרה ולוחצות בעוצמה רבה יותר על קיר הפחם הבתולי. התוצאה היא לחצים אופקיים ואנכיים גבוהים יותר בריב הפחם הבתולי, שדוחק אז יותר לחלקה הפנימי של המנהרה מאשר צד העמודה.

מה גודל העמודה ותזמון באמת משנים

רוחב עמודת הפחם ותזמון חפירת המנהרה השפיעו על עוצמת ה־RDI, אך לא על האפשרות שהיא תתרחש. כאשר גובה מגע הגאנג גבוה, עמודה צרה (למשל 5–8 מטר) נתמכת בקלות על ידי צד הגאנג ומראה תזוזה פנימית יחסית קטנה, בעוד שקיר הפחם הבתולי חווה עיוות גדול בהרבה. ככל שהעמודה נרחבת יותר (בסביבות 30 מטר ומעלה), הלחצים והנזקים משני הצדדים מתאזנים והתנועות של שני הקירות מתקרבות זו לזו. גם התזמון חשוב: אם המנהרה נחפרת זמן קצר אחרי כריית הפאנל העליון — בעוד הסלעים שמעל עדיין מתיישבים — העמודה נוטה לזוז לכיוון הגאנג, מה שמקטין עוד יותר את תזוזתה הפנימית לתוך המנהרה ומגביר את ה־RDI. לאחר שהשכבות העליונות מתייצבות, ה־RDI נחלשת אך אינה נעלמת כל עוד גובה תמיכת הגאנג נשאר גדול.

כיצד מהנדסים יכולים לשמור על פתיחת המנהרה

בהתבסס על התובנות הללו, המחברים ניסו מספר סכמות חיזוק במודל שלהם ואחר כך בשטח. הוספת עוד ברגים קצרים לבדה לא עצרה את קיר הפחם הבתולי מלהתעוות יותר. האסטרטגיה היעילה ביותר הייתה לחזק את שני הקירות עם ברגים ארוכים יותר בתוספת כבלים בעלי קיבולת גבוהה, שנתנו לפחם החיצוני הניזוק דרך "להיתפס" בסלע עמוק וחזק יותר. זה חילק את העומס באופן שווה יותר בין עמודת הפחם לפחם הבתולי. מדידות שדה אחרי התקנת תמיכה משולבת זו הראו שהעיוותים של המנהרה היציבו תוך כחודש, ושני הקירות סיימו בתזוזות פנימיות דומות והרבה פחותות — בהתאם לדרישות הבטיחות והתפעול.

מה משמעות הדבר לכרייה עמוקה של פחם

ללא מומחיות עמוקה, המסר המרכזי הוא שבשכבות פחם עבות ועמוקות מאוד, הקיר שנראה בטוח במפת המתווה עלול להיכשל ראשון. הצבר הגרוסי (rubble) בגאב שנכרה, במקום להיות תוצר פסיבי, יכול לתמוך בעמודת הפחם כל כך טוב שהצד שבמבט ראשון נראה שלם הופך להיות הקישור החלש תחת גג סלע מתכופף. על ידי זיהוי גובה תמיכת הגאנג כגורם המפעיל והצגת אופן האינטראקציה בין רוחב העמודה, התזמון והחיזוק, המחקר מספק נוסחה ברורה יותר לתכנון תמיכות שישמרו מעברים תת-קרקעיים חיוניים פתוחים ואת הכריינים בטוחים יותר.

ציטוט: He, W., Chen, D. & Zhu, H. Mechanism of reverse deformation increase in the virgin coal rib compared to the pillar rib of the gob-side entry in an extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 5724 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35947-y

מילות מפתח: כרייה תת-קרקעית של פחם, עיוות סלע, בקרת קרקע, תכנון עמודות פחם, כניסה לצד הגוב