מחקר על טכנולוגיית בקרה של הסלע הסביבתי באמצעות חיתוך תקרה ושחרור לחצים למילוי צידי כביש בשימור מנהרה לצד גוב בפאנל כרייה בגובה גדול

שמירה על מנהרות תת-קרקעיות פתוחות ובטוחות

מכרות פחם עמוקים מסתמכים על מנהרות ארוכות להעברת אנשים, מכונות ופחם. אך לאחר הסרת הפחם, הסלע שמעל יכול לזוז וללחוץ על המנהרות, וליצור סיכונים בטיחותיים וכשלים כלכליים משמעותיים. מחקר זה מתמקד במכרה פחם בסין ושואל שאלה מעשית: כיצד יכולים המהנדסים לתכנן את אזור הכרייה והתמיכות כך שמנהרה מרכזית תישאר פתוחה בבטחה לסיבוב הכרייה הבא, במקום להיות מוחרמת ולהיבנות מחדש?

למה חשוב להשאיר מנהרה אחת

מכרות מודרניים משתמשים לעתים בפאנלים כרייה גבוהים מאוד שמסירים שכבות פחם עבות במעבר יחיד, מה שמעלה תפוקה אך גם מפריע מאוד לסלע הסובב. באופן מסורתי, המחפרים משאירים עוגן פחם עבה לשמירה על המנהרות הסמוכות. עוגן זה, עם זאת, משאיר פחם יקר מתחת לפני הקרקע ומחייב חפירה נוספת. טכניקה הנקראת שימור מנהרה לצד הגוב מציעה אלטרנטיבה חכמה: לשמור מנהרה בצמוד לאזור הקריסה הממולא (ה"גוב") ולהחליף את עוגן הפחם בקיר צידי מיוחד. אם מנהרה זו תישאר יציבה, המכרה משיב יותר פחם, מצמצם עלויות פיתוח ומשפר את היעילות הכוללת.

כשאין התאמה בין הסלע לקיר

המחברים מנתחים מה קורה כשמהנדסים סומכים על הקיר הצידי בלבד. בפאנלים גבוהים ורחבים, שכבות הסלע שמעל מתעוותות ונשברות על מרחק גדול יותר, ויוצרות לחצים חזקים ומשתנים. הקיר הצר חייב לספוג חלק גדול מהעומס הזה. אם הקיר חזק אך נוקשה מדי, מתקיים בניית מאמץ קיצונית בתוכו, מה שעלול לגרום לסדקים או לקרעים. אם הוא חלש יותר, הוא עלול להתבלט וללחוץ על חלל המנהרה, לדחוס את התקרה והקירות פנימה. במקרים אחרים, קיר חזק יחד עם תקרה חלשה גורמים לחיתוך ולנפילת סלע מעל המנהרה, מה שמוביל לנפילות מקומיות. בקיצור, בניית קיר לצד הגוב בלבד אינה מספיקה כדי להתמודד עם תנועת סלע אלימה מעל שכבת כרייה עבה.

חיתוך התקרה לריכוך העומס

כדי להתמודד עם הבעיה, החוקרים מקדמים גישה משולבת שהם קוראים לה "תמיכה משופרת בתוספת שחרור לחץ באמצעות חיתוך תקרה". הרעיון הוא לחתוך באופן יזום חריץ משופע דרך הסלע הקשה שמעל המנהרה, בצד הגוב. החתך מוחלש את הקשר בין תקרת המנהרה לשכבות הסלע המרכזיות, ומדריך את הסלע שמעל להישבר ולקרוס אל עבר הצד הממולא במקום לתלוש מעל הכביש כמו קורה זקוף ונוקשה. במקביל מחוזקת המנהרה בדפוס צפוף של בריגות סלע, כבלים פלדתיים, תומכים הידראוליים וקיר בטון צידי שיכול לשאת עומס אך גם לאפשר תנועה מבוקרת.

מציאת נקודת האיזון באמצעות בדיקות וירטואליות

באמצעות סימולציות תלת־ממדיות מכווננות למכרה האמיתי (חזית העבודה 2507), הקבוצה שינתה שלושה פרמטרים תכנוניים: עד כמה גבוה החיתוך בתקרה, זווית החיתוך ורוחב הקיר הצידי. הם עקבו אחר כמות שנקראת מאמץ דיאוורטי — מדד משולב של מידת העיוות בסלע — כדי לראות היכן הסלע נוטה להיכשל. הסימולציות הראו שחיתוך תקרה של בערך 15 מטרים, המגיע לכ־70% משכבת הגג העיקרית, הוריד משמעותית את המאמץ סביב המנהרה. זווית חתך של 15 מעלות יצרה חלוקת עומס מאוזנת בין צד הפחם המוצק לבין הקיר הצידי, וקידמה קריסה מסודרת של הסלע לתוך הגוב במקום בלוקים תלויים מסוכנים. לגבי הקיר, רוחבים של 0.5–1.0 מטר השאירו אותו חלש מדי וגרמו לעיוותים חמורים, בעוד שרוחב של כ־1.5 מטר נתן את השילוב הטוב ביותר של חוזק וגמישות.

הוכחה ממעקב בשטח

העיצוב המותאם נבדק לאחר מכן במכרה. ציוד מדידה עקב אחר תנועות התקרה, כוחות בכבלי העיגון ולחצים על קיר הבטון ככל שחזית הכרייה התקדמה והמנהרה לצד הגוב נותרה מאחור. שקיעת התקרה בצד החיתוך נותרה מתחת לכ־120 מילימטר, ועומסי הכבלים ולחצי הקיר עלו לשיאים ואז התייצבו מתחת למגבלות התכנוניות. התנהגות זו הראתה שהחיתוך בתקרה צמצם בהצלחה את העומס שנישא ישירות על המנהרה ושהתמיכות המחוזקות פעלו יחד, במקום להיות מועמסות יתר או להיכשל בפתאומיות.

מה פירוש הדבר לכרייה בטוחה וחכמה יותר

ללא מומחיות טכנית, המסקנה היא שחיתוך מבוקר מראש של סלע קשה שמעל המנהרה, בשילוב תמיכה חזקה אך גמישה, יכול לשמור על נתיבי תת־קרקע חיוניים פתוחים גם כאשר פרוסות ענק של פחם מוסרות בקרבת מקום. על ידי בחירת גובה החיתוך, זווית החיתוך ורוחב הקיר המתאימים, מהנדסים יכולים לקבוע כיצד הסלע ישבר וכיצד העומס יחולק. במקרה זה, חיתוך תקרה בגובה 15 מטר, בזווית 15 מעלות וקיר צידי ברוחב 1.5 מטר יצרו מנהרה יציבה ושמישה לצדו של הגוב. משמעות הדבר היא שחזור פחם גדול יותר, פחות מנהרות חדשות לכרות וסביבת עבודה בטוחה יותר עבור העובדים בעומק.

ציטוט: Weiyong, L., Shengjun, L., Yaohui, S. et al. Research on surrounding rock control technology of roof cutting and pressure relieving for roadside filling in gob-side entry retaining of large mining height panel. Sci Rep 16, 6698 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37916-x

מילות מפתח: כריית פחם, תמיכת סלע, חיתוך תקרה, מנהרת צד-גוב, יציבות תת-קרקעית