מכרות פחם מודרניים לעתים קרובות נסמכים על פיצוצים מבוקרים להקלת הלחצים בסלע שמעל המנהרות ולמניעת התפרצויות סלע מסוכנות. אך כל פיצוץ גם משדר גל זעזוע חזק במרחב התת־קרקעי. המחקר הזה עוסק בשאלה פרקטית בעלת השלכות חיים או מוות: כמה חומר נפץ ניתן להשתמש בו בבטחה לפני שהגג או קירות הצד של מנהרת המכרה יתמוטטו באופן פתאומי, ואיך מהנדסים יכולים לצפות את נקודת ההתהפכות הזאת מראש?
תמונה של מנהרה תת־קרקעית בלחץ Figure 1.
החוקרים התמקדו במכרה פחם עמוק בסונגשאן, סין, שבו גג המנהרה מורכב מסנסונה עבה ומושכב בשכבות וקירות הצד מעץ הפחם יחסית רכים וחלשים. כדי להוריד את המתח הקיצוני שנוצר בעבודה הכרייה, מהנדסים מקדחים בורות עמוקים בגג לפני חזית העבודה וממלאים אותם בחומר נפץ. בעת הפיצוץ המטענים גורמים בכוונה לסדוק ולהחליש את הגג החזק כך שייפגע באופן מבוקר, במקום לקרוס בפתאומיות וללא אזהרה. עם זאת, אותם פיצוצים גם רועדים את המנהרה עצמה. רטט חזק יכול לדחוף את הסלע שכבר במתח סביב המנהרה מעבר לנקודה קריטית, ולהפעיל עיוות פתאומי ו"קטסטרופלי" במקום תזוזה הדרגתית וניתנת לניהול.
הפיכת תנועת הסלע לאיזון אנרגיה
כדי להבין מתי הכשל הפתאומי הזה עשוי להתרחש, המחברים התייחסו לגג השכבתי מעל המנהרה כקורה פשוטה היושבת על תמיכותיה. הם ניסחו משוואה עבור סך האנרגיה המאוחסנת והמשתחררת בקורה זו, כולל כיפוף הסלע, משקל השכבות שמעל, ההתנגדות של מערכות התמיכה כגון עוגנים, והדחף הנוסף משדות הרטט של הפיצוץ. באמצעות ענף מתמטי שנקרא תורת הקטסטרופות הם המריאו את הביטוי האנרגטי הזה למודל סטנדרטי מסוג "קאפ" שמתאר מערכות הנשארות שקטות ואז קופצות פתאומית למצבן חדש ברגע שהתנאים חוצים סף. במסגרת זו כמות חומר הנפץ וחוזק התמיכה פועלים ככפתורי שליטה, בעוד סטיית הגג היא תגובת המערכת.
כמה חומר נפץ זה יותר מדי? Figure 2.
מהמודל הקאפ נגזרו נוסחאות לעומס פיצוץ קריטי וממנו חישבו מטען נפץ קריטי עבור הגג. אם המטען בפועל נמוך מהערך הזה, הגג יכול לספוג את ההפרעה ולשמור על יציבותו; אם הוא חורג מהערך, המודל חוזה אובדן יציבות פתאומי. גישה דומה הופעלה לגבי קירות הצד, שיכולים לקרוס משילוב של סדיקה אנכית והחלקה לאורך איזור מוחלש. כאן בנו המחברים מודל מכני של בלוק פוטנציאלי החלקי מפחם וסלע, ניסחו שוב ביטוי של סך האנרגיה והחילו את תורת הקטסטרופות כדי לקבל גבול מטען קריטי שני ליציבות קירות הצד. בשני המקרים התוצאות מראות שמטענים גדולים יותר, מרחקים קצרים יותר ממקור הפיצוץ, וסלע או תמיכות חלשים יותר — כל אלה מורידים את הסף הבטוח.
מה לימד המכרה סונגשאן את המודל
מצוידים במדידות מעבדה של חוזק הסלע, במדידות שדה של רטטי פיצוץ ובגיאומטריה של רחבת העבודה 2205 במכרה סונגשאן, חשבו החוקרים ערכים ספציפיים של מטען קריטי. הגג השכבתי יכול תאורטית לעמוד בכמעט 100 קילוגרם חומר נפץ לכל מחזור פיצוץ, בעוד שקירות הצד השבריריים יותר הגבילו את המטען הבטוח לכ־93 קילוגרם. בתחילה השתמש המכרה רק ב־26 קילוגרם למחזור כדי להימנע מנזק, מה שהאט את העבודה. בהדרכת הקריטריונים החדשים הגדילו המהנדסים את המטען לכ־79 קילוגרם — הרבה מתחת למגבלה המחושבת אך מספיק גבוה לשיפור היעילות. ניטור הראה שקיעת גג נוספת קטנה בלבד (5 מילימטר) ותזוזת קיר צד מתונה (11 מילימטר) ביום־יומיים אחרי הפיצוצים, ואישר שהמנהרה נותרה יציבה.
כללים מעשיים לפיצוץ בטוח יותר
עבור מי שאינו מומחה, המסר המרכזי הוא כי כשלונות מנהרות מסוכנים תחת פיצוץ אינם מקריים: הם מתעוררים כאשר אנרגיית הרטט דוחפת את מערכת הסלע מעבר לנקודת מפנה מתמטית הניתנת להגדרה. על ידי שילוב מדידות של תכונות הסלע, גיאומטריית המנהרה, חוזק התמיכה ורטט הפיצוץ, המחקר הזה מספק נוסחאות למטען הנפץ המקסימלי הבטוח הן לגג והן לקירות הצד. הוא גם מדגיש ידיות ברורות לשיפור הבטיחות: לחזק את התמיכה, להזיז את הפיצוצים רחוק יותר מהמנהרה, לקשיח סלעים חלשים באמצעות טכניקות כמו הזרקת גראוטינג, ולהגביל את המטען לכל פיצוץ. יישום משולב של רעיונות אלה מסייע למכרות להשתמש בפיצוצים עמוקים רבי עוצמה לשליטה בלחץ הגג תוך שמירה על שלמות המנהרות התת־קרקעיות — והאנשים העובדים בהן — בשלום.
ציטוט: Guo, D., Chen, J., Wang, H. et al. Catastrophic instability criterion for roadway roof and sidewall rock mass under deep-hole roof blasting in Songshan coal mine.
Sci Rep16, 6448 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36794-7
מילות מפתח: פיצוץ בורות עמוקים, מנהרת מכרה פחם, יציבות מסלע, תמיכה בגג ובקירות הצד, תורת הקטסטרופות
