מחקר ניסיוני ויישום הנדסי של תמיכת בולטים בהתבסס על פיצוץ פחם ההזזה בקנה מידה גדול בגוש הפחם

עוצרי התת-קרקע

בעומק התת-קרקעי, מכרות פחם אינם מקומות שקטים ויציבים. שכבות סלע לוחצות ומזיזות, ולפעמים קיר הפחם לצד מנהרה פורץ לפתע פנימה בזעזוע מסוכן המכונה פיצוץ פחם. מחקר זה בוחן סוג מסוים של אירוע שבו לוח פחם גדול מחליק לתוך המנהרה בעוד התקרה והרצפה נשארות כמעט ללא פגע. המחברים מראים כי אופן התקנת הבולטים המתכתיים בקיר הפחם — ובעיקר הזווית והעובי שלהם — יכול להיות ההבדל בין התמוטטות אלימה לבין מנהרה יציבה, והם בודקים עיצוב תמיכה חדש במכרה אמיתי.

כאשר הפחם מחליק כמו שטיח

בסוג התאונה הנבדק כאן, כל קיר הפחם הסמוך למנהרה יכול לפתאום לפרוץ קדימה ולחסום את המעבר מבלי למחוץ את התקרה או הרצפה. הבולטים והרשת שהותקנו בפחם עשויים אפילו להיראות ברובם ללא נזק. הבעיה טמונה במשטח המגע המוסתר בין הפחם לסלע הסובב: כאשר הלחץ נבנה ומשוחרר בפתאומיות, הפחם יכול להחליק לאורך המישור החלק הזה, בדומה לשטיח המחליק על רצפה מלוטשת. כדי לשמור על ביטחון העומלים, מערכת התמיכה צריכה לחזק את משטח המגע הזה ולספוג חלק מהאנרגיה המשוחררת במקום להסתמך רק על נעיצת הפחם במקום.

בדיקת בולטים במעבדה

כדי להבין כיצד עיצוב הבולטים יכול להתנגד טוב יותר להחלקה זו, החוקרים בנו תבנית פלדה המדמה שני בלוקים של סלע עם מרווח ביניהם שמייצג את ממשק הפחם–סלע. הם השתמשו במוטות מתכת משתי סגסוגות בשילוב שלושה עוביים שונים, וערכו מבחני משיכה מבוקרים. המוטות הותקנו בארבע זוויות יחסית לכיוון ההחלקה: 30°, 45°, 60° ו-90° (חוצה). על ידי משיכת חצאי התבנית במכונת בדיקה הם יכלו לצפות כיצד המוטות נכשלים ולמדוד כמה כוח ואנרגיה כל סידור יכול לעמוד בהם לפני השבירה.

מדוע הזווית והעובי חשובים

הניסויים חשפו דפוס ברור. כאשר המוטות הוצבו בזוויות של 30° או 45° לכיוון ההחלקה, הן נטו להימתח ולבסוף להישבר בחוזק מתיחה, בדומה לחוט שנמתח עד שהוא נקרע. במקרים אלה המוטות נשאו עומסים גבוהים יותר וספגו יותר אנרגיה לפני הכשל. בזוויות חדות יותר של 60° ו-90° המוטות נטו להיחתך על ידי ההחלקה — כשל מסוג גזירה שדרש כוח פחות ואגר פחות אנרגיה. בכל הזוויות, מוטות עבים נשאו באופן עקבי עומס רב יותר וספגו יותר אנרגיה מאשר דקים. בין כל התצורות שנבדקו, מוטות המונחים בכ-45° סיפקו את הביצועים הטובים ביותר באופן כללי, בשילוב בין אופיין כשל מועדף לבין חוזק גבוה וספיגת אנרגיה גדולה.

מהדגם אל המכרה

הצוות נשאף ליישם תובנות אלה לקו העבודה 7305 במכרה קונגזואנג בסין, מבצע עמוק עם לחצים קרקעיים גבוהים וסיכון ידוע לפיצוצי פחם. נתיב החזרת האוויר — מנהרה מרכזית לאוורור ולגישה — נתמך במקור בדפוס סטנדרטי של בולטי תקרה, בולטים צדדיים, כבלים ורשת פלדה. בהסתמך על ניסוייהם, מהנדסים שיפרו את פריסת הבולטים כך שרבים מהבולטים יקבלו חיתוך עם מישור המגע פחם–סלע בזוויות שלא יעלו על 45°, וחלק העיגון שלהם יגיע לסלע מוצק בתקרה או ברצפה. זה יצר ״כלוב״ תלת־ממדי סביב קיר הפחם, הגדיל את החיכוך לאורך מישור ההחלקה, פיזר לחצים מרוכזים, וסיפק דרך מובנית לבולטים להימתח ולספוג אנרגיה בעת זעזוע במקום להישבר בצורה פריכה.

דרכי גישה תת-קרקעיות בטוחות יותר

היישום בשדה של תכנית התמיכה החדשה צמצם משמעותית החלקות פחם גדולות לתוך המנהרה ושיפר את היציבות של המנהרה, והכל מבלי להוסיף מכשירים מיוחדים או עלות משמעותית. עבור הקהל הכללי, המסר המרכזי פשוט: על-ידי בחירה מדוקדקת של עובי הבולטים, ובעיקר באיזו זווית הם חוצים את משטח ההחלקה הצפוי, מהנדסי מכרה יכולים להפוך מערכת תמיכה קשיחה ורגישה לכשל למערכת שמתנהגת יותר כמו בולם זעזועים. בעוד שהשיטה עדיין צריכה נבדוק לסוגים אחרים של פיצוצי פחם, היא מציעה מסלול מעשי לקראת דרכי גישה תת-קרקעיות בטוחות ואמינות יותר במכרות פחם עמוקים.

ציטוט: Wang, C., Ma, S. Experimental study and engineering application of bolt support based on large-scale sliding coal bump in coal body. Sci Rep 16, 9766 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38743-w

מילות מפתח: פיצוץ פחם, בולטי סלע, תמיכה במנהרה תת-קרקעית, בטיחות מכרה, תמיכה סופגת אנרגיה