מחקר ניסיוני על התפתחות העיוותים בדחיסה ומאפייני המשרעת האנרגטית של מסות סלע מרוסקות מדורגות

מדוע סלע מרוסק חשוב מתחת לאדמה

לעומק בתוך מכרות פחם, מנהרות נשארות לעתים חלקית מלאות בערמות של סלע מרוסק. עד כמה ההריסות האלה נדחסות ועד כמה הן משחררות אנרגיה כאשר הן זזות יכול להשפיע על כך שהגז יתפזר בבטחה או שיצטבר ויצרף סיכון לפיצוץ. המחקר בוחן כיצד תערובות שונות של חלקי סלע גדולים וקטנים נדחסות, כיצד משתנות הנקודות הריקות ביניהן וכמה אנרגיה סמויה משתחררת בעת הדחיסה — ידע שיכול להפוך את הכרייה לבטוחה ויעילה יותר.

כיצד סחטו את הסלע והאזינו לו

החוקרים אספו סלע חול דק־גרגיר ממכרה פחם בסין וטחנו אותו לחלקיקים בטווחי גודל חמישה, ממספר מילימטרים ועד 25 מילימטר. באמצעות נוסחה מתמטית הנקראת מדד דירוג (gradation index) יצרו חמישה תערובות שונות, החל מתערובות שמורכבות בעיקר מחלקיקים קטנים ועד לעיין עם גושים גדולים יותר. כל מדגם במשקל 2.4 קילוגרם נשפך לתוך צילינדר פלדה חזק ודוחס מלמעלה, בעוד הצדדים הוחזקו כנוקשים — בדומה לאופן שבו סלע מרוסק בחלל שנכבש על ידי משקל הסלע שמעליו נדחס. במקביל, חיישנים אקוסטיים רגישים "האזינו" לגלים אלסטיים זעירים שנוצרו כאשר חלקיקים החלקו, משפשפים או נשברו, והפכו אותות אלה לספירות ולערכי אנרגיה שמתארים כיצד שלד הסלע נעשה מחדש פנימית.

שלושה שלבי דחיסה

באמצעות מעקב אחרי מתח ויעוץ (strain) מצאו הצוות כי כל התערובות עברו שלושה שלבי דחיסה ברורים. ראשית הופיע שלב ראשוני, שבו חלקיקים בסידור רופף החלקו, הסתובבו והתיישבו בעמדות חדשות, מה שגרם לקיצור מהיר תחת מתח יחסית נמוך. לאחריו הגיע שלב ליניארי, בו המבנה נהיה יציב יותר ועמסה נוספת ייצרה יחס כמעט קווי בין מתח לעיוות; בשלב זה נשברו חלקיקים ויצרו מגעים קרובים יותר משטחต่อ־משטח בין הגרגירים. לבסוף הופיע שלב לכידה פלסטי, שבו מסת הסלע נהייתה נוקשה ועמידה להמשך קיצור: מתח נוסף גרם רק לעיוות קטן נוסף אך לריסוק מקומי אינטנסיבי יותר. תערובות עשירות בחומר דק הגיעו לשלב המאוחר יותר מהר והותירו אותן תקופות ארוכות יותר בשלב הנוקשה הסופי, בעוד שתערובות עשירות בגסים דרשו מתחים גבוהים יותר כדי להשיג את אותו קיצור.

כיצד משתנים החללים והגדלים החלקיקיים

הריקות בין החלקיקים הצטמצמו בתבנית של שלושה שלבים שהלכה והשתקפה בשלבי העיוות: ירידה מהירה, ירידה איטית יותר ואז כמעט מישור כאשר החומר התקרב למצב הצפוף ביותר שלו. מדגמים עם יותר חלקיקים גדולים התחילו עם יותר מקום ריק ואיבדו שטח פתוח כולל גדול יותר, אך היחס הריק שלהם ירד מהיר יותר במתח נמוך. לאחר הדחיסה, ניפוי הראה שכל התערובות יצרו הרבה שברי דקים חדשים הקטנים מ‑2.5 מילימטר, בעוד שהחלק היחסי של החלקיקים הגדולים ירד בצורה חדה. מדד פרקטלי של מורכבות גודל החלקיקים עלה בכל מדגם, והערכים הסופיים התקבצו לטווח צר יחסית, מה שמרמז כי הדחיסה נוטה להחליק הבדלים ראשוניים בין התערובות. עם זאת, תערובות עשירות בגסה סיימו עם התפלגויות גודל מעט פשוטות יותר (פחות מפורקות) מאשר תערובות עשירות בדק.

לחישות ובקיעות אנרגטיות בתוך ההריסות

מדידות האקוסטיקה חשפו שגם דפוסי שחרור האנרגיה עקבו אחרי שלושת השלבים. בשלב המוקדם האותות היו תכופים אך חלשים, מה ששיקף חיכוך והתאמות קטנות בין הגרגירים. במהלך השלב הליניארי גדל מספר האירועים וסך האנרגיה באופן משמעותי כאשר חלקיקים גדולים החלו לסדוק והמבנה הפנימי התארגן מחדש. בשלב הסופי ירד מספר האירועים, אך פרצי אנרגיה יחידניים נעשו חזקים הרבה יותר, קשורים לשבירתם החולפת של שברי גדולים שנותרו בתוך מסגרת שכבר נוקשה. תערובות עם יותר חלקיקים דקים יצרו הרבה יותר אירועים בעלי אנרגיה נמוכה, בעוד שתערובות דומיננטיות בגסים ייצרו פחות אבל פרצים אנרגטיים בהרבה, והדגימו מעבר מ"הרבה לחישות שקטות" ל"נפיחות נדירות ושקטות" ככל שתמהיל הגרגירים השתנה.

מסקנות לגבי בטיחות במכרה

בסך הכל המחקר מראה שאופן דירוג הסלע המרוסק — כמה חומר דק לעומת גושים גסים — משפיע במידה רבה על האופן שבו הוא נדחס, כיצד סגירת החללים מתרחשת, כיצד מתפתחים לחצים צדדיים וכיצד משתחררת האנרגיה המאוחסנת. במשך הזמן, תערובות התחלתיות שונות נוטות להתכנס למצבי צפיפות ותפרקות דומים, אך הן עוברות דרכים מכאניות ואנרגטיות שונות עד להגעה לשם. למהנדסי מכרות, הבנת מסלולים אלה עוזרת לחזות כיצד אזורי החלל הידלדלו יתכווצו, כיצד מסלולי הגז יפתחו או ייסגרו ומתי עלולות להתרחש ריכוזי לחץ ואנרגיה מסוכנים — וכך מספקת בסיס מדעי לתכנון טוב יותר של ניקוז גז ושליטה באסונות סלע וגז במכרות פחם עמוקים.

ציטוט: Peiyun, X., Wuyi, Y., Shugang, L. et al. Experimental study on the compaction deformation evolution and energy dissipation characteristics of graded broken rock mass. Sci Rep 16, 6606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36352-1

מילות מפתח: דחיסת סלע מרוסק, חלל כריית פחם, חומרים גרגירים, פליטת קול (אקוסטית), מניעת אסונות גז