השפעת מילוי משחזרת מבוסס מלט על התכונות המכניות ויציבות עמודי פחם בכרייה בקירות פתוחים

הפיכת פסולת מכרות למערכת תמיכה

כריות פחם פתוחות משאירות לעיתים כמויות עצומות של פחם יקר מתחת למדרונות הסופיים שלהן, כיוון שהוצאתו עלולה להחליש את הקרקע ולהפעיל קריסות קרקע. המחקר הזה בוחן כיצד "מילוי משחזרת מבוסס מלט" מהונדס במיוחד — המורכב בעיקר מפסולת מכרות — יכול לשמש לתמיכה בטוחה במדרונות אלה ובו־זמנית לאפשר חילוץ גדול יותר של פחם. לקוראים המעוניינים בשימוש במשאבים נקי יותר, בכרייה בטוחה יותר ובמיחזור יצירתי של פסולת תעשייתית, העבודה מספקת דוגמה ממשית לאופן שבו הנדסה יכולה להפוך חיסרון לנכס מבני.

מדוע עמודי פחם חשובים לבטיחות

בכרייה בקיר גבוה החיתוך יוצר מנהרות אופקיות בשכבת הפחם החשופה לאורך קיר המכרה, ומשאיר עמודי פחם מוצקים — שנקראים עמודים — שיחזיקו את הסלע שמעליהם. עמודים אלה קריטיים למניעת עיוותים או קריסה של המדרון, אך השארתם במקומם מונעת את אחזורו של כמות גדולה של פחם. במכרה פתוח בסין, שימוש מוקדם בכרייה מסוג זה ללא מילוי הוביל לשקיעת קרקע על במות וכבישי הובלה, והגביר חששות לגבי היציבות לטווח ארוך. השאלה שהחוקרים העלו הייתה: האם אפשר להחליף חלקית את תפקוד עמודי הפחם על ידי מילוי החללים החפור בהם במשחה מצמיתה מבוקרת, כך שניתן יהיה להוציא יותר פחם בצורה בטוחה?

בניית ושבירת עמודים מזעריים

כדי להתחקות אחרי השאלה, הצוות שיחזר במעבדה את מערכת הפחם–מילוי באמצעות דגמי קובייה של פחם שנלקחו ממכרה אמיתי. הם יצקו משחה מבוססת מלט שנעשית מאבני פסולת כתושות, אפר פחם, מלט ומים משני צדי הפחם, ויצרו סנדוויץ' של "מילוי–עמוד פחם–מילוי". על ידי שינוי שני פרמטרים עיקריים — גובה המילוי ביחס לעמוד הפחם (יחס המילוי) ובעוצמת המשחה עצמה — הם יכלו לראות עד כמה המילוי אכן סיפק תמיכה. הדגמים הללו נלחצו בתא פלדה חזק שחיקהה דחק חיצוני הדומה להגבלה הצמודה בקיר גבוה אמיתי, בעוד כלים מדדו את תגובת הפחם והמילוי ככל שהעומס עלה.

כיצד המילוי משנה את אופן הכשל של הפחם

עקומות מתח–עיוות — טביעות האצבע של האופן שבו חומר נושא עומס — חשפו סיפור בחמישה שלבים: דחיסת נקבוביות, נשיאת עומס אלסטית על ידי הפחם, היווצרות וסיפוח סדקים, הכשל הראשי של הפחם ולבסוף, במקרים מסוימים, המשך נשיאת עומס על ידי הפחם הודות למגבלות שמפעיל המילוי. ביחסי מילוי נמוכים ובעוצמות משחה נמוכות, התברר שהפחם התנהג גרוע יותר מאשר פחם ללא כל מילוי; המילוי לא הגביל במלואו את העמוד ובמקום זאת העביר את הכשל לחלק העליון, הפחות נתמך, שהתמוטט באופן פיצוץ לפירורים. ככל שהמילוי הוגדל והוכשר לחזק יותר, דפוס הכשל השתנה. היווצרות סדקים התפזרה באופן שווה יותר דרך העמוד, נפיחות צידית גדולה פחתה, ובעוד שיחס מילוי של 95% עם משחה חזקה הראה סדקים שטחיים קטנים בלבד והפחם נותר לרוב שלם.

ממילוי פסיבי לשותף פעיל

ממצא מרכזי הוא שהמילוי עושה יותר מאשר לתפוס מקום. כאשר הוא קצר מדי מכדי לגעת בסלע התקרה, הוא יכול רק לדחוף בחזרה באופן פסיבי אחרי שהפחם כבר נפח החוצה, ומציע הגנה מוגבלת. אך כאשר המילוי מספיק גבוה כדי ליצור מגע עם התקרה — בפועל יחס מילוי של 100% — הוא הופך לשותף מבני פעיל. הוא מתחלק בחלק מהעומס האנכי, מתרחב לצדדים תחת דחיסה ולוחץ על עמוד הפחם עוד לפני הופעת סדקים משמעותיים, ובכך מציב את הפחם במצב מאמץ תלת־ממדי נוח יותר. בניסויים, חוזק הכשל של עמודי הפחם עלה בהתמדה עם עליית יחס המילוי ועוצמתו, ואז קפץ ברגע שהושג מגע עם התקרה, והעמודים שמרו על יכולת נשיאת עומס מסוימת גם לאחר הכשל הראשוני. סימולציות נומריות של מדרון המכרה כולו אישרו שמילוי מלא וחזק הקטין בחדות את עיוות העמודים, הקטין את האזורים הפגועים במדרון ואפשר את החליפה הבטוחה של כל הפחם שבין הפתחים.

משמעויות לכרייה בטוחה ונקייה יותר

ללא מומחיות מיוחדת, המסר המרכזי הוא שלצורת המילוי של החללים שנחפרו יכולה לעצב בצורה מכרעת הן את הבטיחות והן את יעילות המשאבים. המחקר מראה שמילוי משחזרת מבוסס מלט ומתוכנן היטב — במיוחד כשהוא מגיע ונוגע בתקרה באופן תקיף — יכול להמיר את העבר כהטמנה של פסולת למערכת תמיכה מהונדסת. הוא יכול לאפשר למכרות פתוחים לחלץ כמעט את כל הפחם שמתחת למדרונות, תוך שמירה על תזוזות קרקע קטנות וצמצום הסיכון לכשל מדרון. במציאות, הכותבים מציינים כי מהנדסים עדיין נדרשים להתגבר על אתגרים טכניים, כגון התכווצות ופתחים קטנים בתקרה, באמצעות תוספים או זריקות משניות. אבל המסקנה הבסיסית ברורה: שימוש חכם במילוי יכול לסייע למכרות לשחזר יותר משאבים, לייצב את המדרונות שלהם ולמנוע ולמיחזר כמויות עצומות של פסולת סלעית באותו הזמן.

ציטוט: Han, L., Chen, X., Chen, T. et al. Impact of cemented paste backfill on mechanical properties and stability of coal pillars in open pit highwall mining. Sci Rep 16, 5717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36528-9

מילות מפתח: כרייה בקיר גבוה, מילוי משחזרת מבוסס מלט, יציבות עמודי פחם, עוות משופע, מיחזור פסולת מכרות