מחקר על מאפייני העיוות וטכנולוגיית התומכים בדרכים תת-קרקעיות בשדה עומס עמוק ומורכב

מדוע מנהרות מכרות עמוקות חשובות לכולנו

חלק גדול מהחשמל והדלק התעשייתי שעליהם אנו מסתמכים עדיין מגיע מפחם הנכרה במעמקי הקרקע. ככל שהמכרות מתקדמים לעומק כדי להגיע לשכבות שנותרו, המנהרות שמובילות עובדים, ציוד ופחם צריכות לעמוד בלחצים עצומים מהסלע הסובב. כאשר הסלע מעוות או מתמוטט, התוצאה יכולה להיות תיקונים יקרים, אובדן תוצר או תאונות קטלניות. המחקר הזה בוחן מדוע דרכים תת-קרקעיות במכרות עמוקים ובסידורים תת-קרקעיים מסובכים מעוותות כל כך בחומרה, ומציג דרך חדשה לשמור על קווי החיים האלה יציבים ובטוחים.

מבוך מנהרות תחת לחץ קיצוני

החוקרים התמקדו במכרה פחם שבו המנהרות הראשיות נמצאות במעמק של למעלה מ-800 מטר ויוצרות מבוך תלת־ממדי. דרכי מסילה, דרכי חגורה, ממגורות אחסון ומעברים מקשרים נפגשים בזוויות ובממדים שונים. הצמתים האלה, ובמיוחד הצמתים הגדולים שמכונים "אף־שור" (bull-nose), מפריעים לשדה הלחץ הטבעי בסלע הסובב. במקום לחיצה פשוטה ואחידה על מנהרה ישרה, הסלע בצמתים חווה דחיסות ומתיחות חופפות ממספר כיוונים, מה שהופך את החיזוי והשליטה לקשים הרבה יותר.

איך והיכן הסלע מתחיל להיכשל

כדי להבין התנהגות נסתרת זו, הצוות בנה מודל ממוחשב תלת־ממדי מפורט של רשת המנהרות ושכבות הסלע. הם סימולצו את תהליך חפירת כל דרך וצפו כיצד הסלע הגיב. המודל חשף "אזורים פלסטיים" — אזורים סביב המנהרות שבהם הסלע נדחף מעבר לעמידותו ומתחיל לעוות באופן תמידי. בחלקים ישרים של מנהרה, אזורים פגועים אלה היו בעובי של כמה מטרים. אך בצמתים מורכבים, האזורים המוחלשים מכל מנהרה חופפו והתרחבו, והגיעו לעומקים של עד 6.6 מטרים לתוך הסלע. התופעה הזו של "התרחבות על־ידי חפיפה" משמעותה שקשת העומס שהייתה אמורה לשאת את העומס הופכת לעבה יותר, רופפת יותר וקשה יותר לשליטה.

דפוסי עומס שמניעים את העיוות במנהרה

מעבר למיפוי הנזק בלבד, החוקרים בחנו כיצד צורת שדה הלחץ משתנה סביב המנהרות. הם התרכזו במידה הנקראת מתח דיאוואטורי (deviatoric stress), שמגלה עד כמה הסלע מעוות בצורה ולא רק נדחס. במנהרות פשוטות וישרות נוצרו אזורי מתח דיאוואטורי גבוהים בצורת סהר משני צידי הפתח, קרוב לקיר. בצמתים, לעומת זאת, חצאי הסהר הללו התרחבו, הוסטו לעומק הסלע והפכו לא-אחידים בעוצמה מצד לצד. באזורים שבהם המתח הדיאוואטורי הגיע לשיא, האזור הפלסטי (הפגוע) התעבה גם הוא. המחקר כימד את הקשר הזה: כאשר מתח זה חצה כ-12.6 מגה־פאסקל, אזור הנזק התרחב לכלל 6.6 המטרים. במונחים מעשיים, המקומות שבהם מנהרות מצטלבות הם בדיוק אלה שבהם הסלע עלול לסדוק, לעוות ולסכן את מערכות התמיכה.

אסטרטגיית תמיכה בשלושה שלבים למנהרות בטוחות יותר

בהכרה שמערכות תמיכה מסורתיות בשכבה יחידה אינן מסוגלות להתמודד עם תנאים כאלה, המחברים תכננו מערכת תמיכה "שיתופית" חדשה המותאמת לרשתות מנהרות עמוקות ומורכבות. ראשית, הסלע שנחפר טרי נסגר במהירות עם שכבת בטון מרוסס, ואחריה התקנת עוגנים קצרים לקיבוע שכבת הסלע העליונה, ואז שכבת בטון נוספת. שנית, כבלי עיגון ארוכים מותקנים בתבנית מזוינת המגיעה מעבר לאזור הנזק של 6.6 מטרים אל תוך סלע יציב יותר, ויוצרת קשתות לחיצה חופפות שעוזרות לסלע ולתמיכה לפעול כיחידה. לבסוף, הזרקת גרואטינג בלחץ גבוה משקלת סלארי מלט לסדקים, קושרת סלע שבור ומשפרת את המגע בין הסלע לעוגנים. הגישה המרובדת הזו, במספר שלבים ושכבות, מתוזמנת להתאים לאופן שבו הסלע נכשל — מהסדיקה המשטחית המוקדמת ועד לנזק גזירי עמוק — כך שכל שכבה מחזקת את הקודמת.

תוצאות בשטח במכרה פעיל

המערכת החדשה נבדקה באותו מכרה עמוק ששימש כמקרה המחקר. הצוות ניטר את התזוזות של התקרות, הרצפות והקירות במנהרות מרכזיות במשך מספר חודשים ומדד את העומסים בכבלי העיגון. בהשוואה לתכנון התמיכה הקודם של המכרה, ההתעוותות המשולבת של תקרה ורצפת המנהרה ירדה בכמעט מחצית, וגם ההתכנסות הצדדית של הקירות פחתה בערך באותו שיעור. הזמן שנדרש להגיע לצורת יציבה של המנהרות קוצץ לכ־45 ימים, והכוחות בכבלים נשארו הרבה מתחת לגבולות הבטיחות שלהם. לקורא מן השורה, המסקנה היא שמעצב טוב, רב־שכבתי ומותאם בזמן יכול להפוך רשת מנהרות עמוקה ובלתי יציבה לסtructure ניתנת לניהול ועמידה לאורך זמן — משפר את הבטיחות של הכורים ואת האמינות של מערכות האנרגיה התלויות בדרכים תת‑קרקעיות אלה.

ציטוט: Li, Sj., Lu, Wy., Ma, Xc. et al. Study on deformation characteristics and support technology of roadway in deep complex stress field. Sci Rep 16, 7373 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38267-3

מילות מפתח: כרייה תת-קרקעית עמוקה, יציבות מנהרות, מערכות תמיכה בסלע, הנדסת דרכי פחם, שדה עומסים תת-קרקעי