מנגנון ופרקטיקה הנדסית ליציבות תקרה בשימור מעבר צידי גובה משני במכרות עמוקים

מדוע חשוב לשמור על מנהרות המכרה פתוחות

מכרות פחם עמוקים מתבססים על רשת מנהרות להעברת אנשים, אוויר וציוד. בדרך כלל רבות מן המנהרות האלה מוזנחות ונחפרות חדשות ככל שהכרייה מתקדמת, מה שגורם לעלויות וסיכונים גבוהים. המחקר בוחן דרך חכמה יותר למיחזור בטוח של מנהלות קיימות במכרות עמוקים מאוד, מה שמקטין עלויות ומפחית את נפח הסלע שיש לכרות, תוך הגנה על העובדים מפני קריסות תקרה ותזוזות קרקע מסוכנות.

מיחזור מנהרות במקום לוותר עליהן

כאשר לוח כרייה של פחם מנוקב, נותר אזור ריק וקרוס המכונה גובה (goaf) ודרך רוחבית לצדו. בפרקטיקה המסורתית המנהרה הזאת לעתים ננטשת לאחר שימוש יחיד. המחברים מתמקדים ברעיון חדש יותר שנקרא שימור מעבר צידי גובה משני, שבו אותה מנהרה משמשת מחדש כנתיב אוורור לטווח הארוך ללוח הכרייה הבא. הצעד המרכזי הוא לבנות קיר מלאכותי שני מחומרי מילוי לאורך קצה הגובה החדש, כך שהמנהרה תימצא לבסוף בין שני קירות מלאכותיים. סידור זה מאפשר ונטילציה גמישה בצורת Y לאזורי גז גבוהים ומפחית את הצורך בחפירת מנהרות חדשות, מה שמקטין גם עלויות וגם הפרעות.

תזוזות סלע גדולות מעל המנהרה

רחוק מעל המנהרה, שכבות סלע עבות פועלות כקורות עצומים המתכופפות, נסדקות ומשקעות ככל שהפחם מוסר. המחקר מגדיר זאת כ"מבנה גדול" ומראה שהוא אינו מתייצב אחרי צעד כרייה יחיד: גושי הסלע המרכזיים מעל המנהרה עוברים שלושה שלבי שבירה והתאקלמות לפני שהם יציבים. בלוק מרכזי אחד, המתואר במאמר כבלוק C, מתגלה כקריטי. אם בלוק זה נשאר נתמך על ידי הסלעים והמילויים שמסביב, העומסים שמגיעים למנהרה הם בקירוב ניתנים לניהול. אם הוא מתהפך אל החלל שנחפר, עם זאת, הוא עלול להכות את המנהרה בלחץ פתאומי, מה שיוביל לעיוות חמור או אפילו לכשל במערכת התמיכה.

המבנה הקטן ששומר על ביטחון האנשים

קרוב יותר למנהרה, המחברים מגדירים "מבנה קטן" המורכב מתקרת המנהרה המיידית, שני גופי המילוי, סלעי הרצפה והתמיכות הפנימיות מפלדה וכבלים. בשונה משכבות הסלע המרוחקות יותר, מערכת זו נדרשת לשאת עומסים לא אחידים מאוד לצידו של הגובה. הצוות מציע רעיון בקרה "ארבע-ב-אחד": המילויים מגבילים את הצדדים ועוזרים לקטוע את הסלעים העליונים; בולטים וכבלים תוחמים ומחברים את שכבות התקרה; חיזוק הרצפה מתנגד להתנפחות כלפי מעלה; וקשתות ותמיכות פנימיות משתפות בעומסים הנותרים. אם כל אחד מהרכיבים חלש מדי — או אפילו חזק מדי וצפוף במקום הלא נכון — המערכת עלולה לכשל כאשר העומסים נעים ומתרכזים. המחברים גוזרים נוסחאות תכנוניות לבחירת רוחב וחוזק המילוי כך ששני הקירות יחלקו את העומס במקום להיכשל זה אחרי זה.

מנוסחאות למכרה עמוק ממשי

החוקרים ממירים את המודל המכניקלי לעיצוב קונקרטי עבור חזית עבודה בעומק 610 מטרים מתחת לפני הקרקע. באמצעות תכונות סלע נמדדות ומידות כרייה, הם מחשבים כמה רחב וכמה חזק צריך להיות כל קיר מילוי, וכמה יש לצמצם את רוחב המנהרה והתקרה התלוייה כדי להקל על המתח. לאחר מכן מתקינים דפוס צפוף של בולטים תקרתיים וכבלים ארוכים, קשתות פלדה, טיפול ברצפה ומילוי בצורת מלט מותאם. במהלך כריית שני הלוחות — הראשון והשכן השני — הם עוקבים אחר סדקי תקרה, מתחים במילויים ועיוות המנהרה באמצעות מצלמות בקידוחים, תאי לחץ ותחנות תזוזה. המדידות מראות שהמילויים השניים מקבלים עליהם עומסים עולים בשלבים ולבסוף מתייצבים, כאשר המילוי השני נושא את החלק הגבוה יותר כפי שחזו. קירות המנהרה והתקרה נשארים בגבולות תזוזה מקובלים, אם כי הרצפה עדיין מתנפחה וזקוקה לגיזום.

מה המשמעות לעתיד הכרייה העמוקה

באופן פשוט, המחקר מראה שניתן לשמור על שימוש בטוח במנהרה בין שני אזורי כרייה ריקים במכרה פחם עמוק מאוד, בתנאי שהתנהגות הסלע מעל מובנת ומערכת התמיכה מעוצבת כיחידה מתואמת. על ידי התאמת רוחב המנהרה, מידות המילוי ושליטת התקרה, פחם הצד שנחצב ושני הקירות המלאכותיים יכולים לפעול יחד כדי לתמוך בסלעים שמעל. גישה זו חוסכת חפירה, תומכת בנתיבי אוויר לטווח ארוך ומקטינה קונפליקטים בין כרייה לבין חפירה. המחברים מציינים שהשיטה עדיין מורכבת ולאו דווקא הזולה ביותר נכון לעכשיו, אך היא מציעה מסגרת מוכחת שעבודות עתידיות יכולות לפשט ולהתאים לתנאים תת-קרקעיים מאתגרים נוספים.

ציטוט: Wu, J., Chen, J. & Xie, F. Mechanism and engineering practice of roof stability for secondary gob-side entry retaining in deep mines. Sci Rep 16, 9518 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39802-y

מילות מפתח: כרייה עמוקה של פחם, יציבות מנהרות, תמיכת סלע, קירות מילוי, שימור מעבר צידי לגובה