זווית קידוח סבירה ויישום טכנולוגיה לטרום-סדיקה של תקרות עבות-קשות לפני חציבת מסילות בצד החלל בעומקים-על

להפוך כרייה עמוקה לבטוחה יותר

בכמה מהמכרות הגדולים בסין יש לשמור מנהרות תת-קרקעיות פתוחות ממש לצד חללים ענקיים שנשארו לאחר כריית הפחם. מעברים אלה, הנקראים מסילות בצד החלל (gob-side roadways), חיוניים לאוורור ולהובלה. אבל כשה"תקרות" עשויות סלעים עבים וקשים תלויות מעל הפתחים האלה, הן עלולות להתמוטט בפתאומיות ולקרוס, למחוץ תומכים ולעוות את המנהרות. המחקר חוקר דרך להחליש את התקרה הקשה מראש, באמצעות קידוח בזוויות מבוקרות ושבירה מבוססת פחמן דו-חמצני, כך שהסלע יתמוטט בצורה מבוקרת לעבר החלל המנוקב במקום לקרוס באופן אלים מעל המנהרה.

מדוע תקרות עבות הן איום חבוי

בשכבות פחם עבות-מאוד, בעובי המעלה על 20 מטר, הכרייה מותירה חללים גדולים. מעליהם שכבה דקה וחלשה שנמצאת מתחת לתקרת סלע עבה וחזקה בהרבה. מאחר שהסלע השבור באזור המנוקב (הגוף המנוקב, goaf) אינו ממלא במלואו את הנפח, התקרה העבה עלולה ליצור זרוע ממושכת וקשיחה המחליקה אל תוך הפחם שנותר לתמיכה במנהרה. כאשר הפלטה התלויה הזו נשברת ומסתובבת, היא מטילה עומס נוסף על קירות המנהרה ורצפתה, מכופפת קורות פלדה, שורטת כבלים עוגן, מכבסת עמודי פחם ולפעמים מאיימת לסגור את המנהרה כמעט לחלוטין. תצפיות שדה במכרה מדאוטו תיעדו שקיעת תקרה קיצונית, התקלפות קירות ותזוזות רצפה תחת תנאים כאלה כאשר לא נעשה טיפול טרום-סדיקה.

לשבור את התקרה במקום שבו זה מזיק הכי פחות

המחברים מציעים להפוך את הבעיה על ראשה: במקום להגיב לאחר כשל התקרה, לסדוק בכוונה את התקרה העבה והקשה מראש, לפני חציבת מסילת הצד החדשה. על ידי קידוח חורים ארוכים ממנהרה סמוכה בזווית שנבחרה ואז שבירת הסלע לאורך חורים אלה, ניתן לכפות על גושי הסלע המרכזיים להישבר ולקרוס לתוך האזור שכבר ננוקב במקום מעל המנהרה החדשה. באמצעות מודל מבני המטפל בסלע העליון כמערכת של קורות ערומות, הם מראים כי זווית הטרום-סדיקה שולטת היכן התקרה נשברת, כיצד היא מתכופפת ואיך הכוחות מועברים לצדדים אל תוך הפחם. כאשר כיוון הסדיקה מנווט את הגושים לעבר ה-goaf, העומס על המנהרה נוצר בעיקר על ידי כיפוף עדין של סלע מרוחק, במקום על ידי קנטילבר קשיח ישיר מעליה.

מציאת זווית הקידוח האופטימלית

כדי לעבור מהרעיוני לכללי עיצוב, הצוות בנה מודל מתמטי מפורט של אופן כיפוף גושי התקרה ודחיפתם אל קיר הפחם עבור זוויות סדיקה שונות. לאחר מכן הם השתמשו בסימולציות ממוחשבות (FLAC3D) כדי לראות כיצד הלחצים ואזורי הנזק סביב המנהרה משתנים כאשר זווית הקידוח עולה מאי-סדיקה, דרך 60°, 70°, 80° ועד 90° ומעט מעבר. נבדקו שני אינדיקטורים מרכזיים: גודל אזור הפלסטיקה (עיוות קבוע) בפחם ובתקרה, ומדד של אנרגיית עיוות מאוחסנת (J2) שמצביע כמה "אנרגיית קפיץ" ממתינה לשחרור. ככל שזווית הטרום-סדיקה גדלה מ‑60° ל‑90°, לחץ הצד השיא על קיר הפחם ירד בכ‑18% בערך, אזור הכשל הפלסטי הצטמצם מכ‑32 מ' ל‑20 מ' בקירוב, ו‑J2 גם בפחם וגם בתקרה ירד באופן מובהק. עם זאת, כאשר הזווית חרגה מ‑90°, הגושים הסדוקים נטו לדחוף שוב ישירות על המנהרה, מה שהרחיב את אזור הנזק וריסק את הפחם כך שהוא כבר לא יכול לשאת עומס בבטחה.

שבירת התקרה בעזרת CO2 על-ביקועי

בהנחיית חישובים אלה בחרו החוקרים גובה סדיקה שהגיע לשכבת המפתח של התקרה (כ‑45 מ' מעל השכבה) וזווית קידוח כמעט אנכית של 90° כאופטימלית. במנהרת 2209 במכרה מדאוטו קידחו קבוצות של אבקיונים עמוקים לאורך הצד הקרוב ל‑goaf והשתמשו בפחמן דו‑חמצני על‑ביקועי כדי לסדוק את התקרה. ה‑CO2 מאוכסן כנוזל צמיג בקרטושיות אטומות; כשהוא מופעל, הוא מתרחב במהירות לגז, ומפריד סדקים בסלע בצורה מבוקרת יותר ובמכה נמוכה בהשוואה לחומרי נפץ. בדיקות שדה של אבקיוני הקידוח ובדיקות הזרקת מים איששו שהסדקים התחברו היטב בין החורים, ויצרו רצועה מוחלשת רציפה מעל המנהרה שעודדה את גושי התקרה להישבר וליפול אל ה‑goaf ככל שהחזית התקדמה.

מתמוטטות אלימה לתנועה מבוקרת

השוואה בין שתי מנהרות דומות—אחת ללא טרום-סדיקה ואחת עם טיפול מבוסס CO2—הראתה הבדל בולט. ללא טרום-סדיקה, שקיעת התקרה הגיעה לכמעט חצי מטר במהלך חפירה ולמעלה ממטר במהלך הכרייה; הקירות והרצפה גם זזו במאות מילימטרים, ודורשו תיקונים חוזרים. עם טרום-סדיקה בזווית 90°, תנועת התקרה במהלך החפירה ירדה לכמה סנטימטרים בלבד, ובמהלך הכרייה ההתעוותויות של התקרה, עמוד הפחם, הפחם המוצק והרצפה הופחתו ב‑75–82%. קירות המנהרה נשארו חלקים יחסית, התקרה נשמרה בקו ותקלות בתמיכה הפכו להיות נדירות. למי שאינו מומחה, המסקנה ברורה: בבחירת זווית הקידוח הנכונה וטרום-סדיקה של התקרה הקשה מראש, מהנדסים יכולים "להורות" לסלע איפה להישבר—הרחק מהמנהרה במקום מעליה—ולהפוך התמוטטות פתאומית ומסוכנת לשקיעה מבוקרת ובטוחה של הקרקע.

ציטוט: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

מילות מפתח: יציבות מנהרות במכרות פחם, טרום-סדיקה של התקרה, מסלול בצד החלל (גוב-סייד), שבירת סלע בעזרת CO2, שכבות פחם עבות-מאוד