מנגנוני אבולוציית אנרגיה ומניעת סיכונים בגרניט עמוק תחת העמסה מחזורית: מקרה מבחן ממכרה הזהב סנשנדאו

מדוע סלע עמוק חשוב לבטיחות מתחת לפני הקרקע

כשהמאגרים הקלים לזיהוי ולהפקה אזלו, חברות צריכות לרדוף אחרי עפרות קילומטרים מתחת לפני השטח, שם הסלע נתון ללחצים עצומים. בתנאים קיצוניים אלה מנהרות עלולות לסדוק בפתאומיות, לשחרר קטעי סלע או אפילו להתפוצץ בצורה אלימה, מה שמעמיד את העובדים בסכנה קשה. מחקר זה בוחן כיצד גרניט קשה בעומקים אוגר ומשחרר אנרגיה כשהכרייה מתקדמת לאורך זמן, וכיצד תמיכות חכמות הסופגות אנרגיה יכולות להפוך כשל פוטנציאלי אלים לתזוזות מבוקרות וניהוליות.

כוחות חבויים במכרה זהב עמוק

המחקר מתמקד במכרה הזהב סנשנדאו בסין, שם מנהרות שוכנות למעלה מקילומטר מתחת לפני הקרקע. החוקרים מדדו תחילה את המתח הטבעי בסלע סביב על־ידי קידוח בארות ושחרור מבוקר של הלחץ המשוחרר. הם מצאו שהסלע נלחץ יותר מצדדיו מאשר מלמעלה, כאשר כוחות אופקיים חזקים משמעותית בהשוואה לעומס האנכי שנוצר ממשקל הסלע שמעל. לחצים אלה גדלים בקירוב בקו ישר עם העומק, ויוצרים שדה מתח שבשליטתו האופקית מעצב את האופן שבו מנהרות מעוותות ונכשלות ככל שהכרייה מתקדמת.

שחזור תנאי העומק במעבדה

כדי להבין כיצד סלע שחווה מתח זה מתנהג כאשר הוא מועמס ומוסרח באופן חוזרני, הצוות חתך לבני גרניט מהמכרה ובחן אותן במכונה ייעודית להעמסה בת שלוש כיוונים. ההתקן יכול לשלוט באופן עצמאי בלחץ בשלושה כיוונים, לחקות את מצב המתח האמיתי מתחת לאדמה במקום מצב מפושט. הם סימולצו תנאים שקולים לעומקים בין 500 ל‑2000 מטר ודחפו ושיחררו את הדגימות מספר פעמים לאורך ציר אחד תוך החזקת שני הכיוונים האחרים קבועים, ועקבו אחר עיוות, סדיקה וכשלים של הגרניט במהלך מעגלי העמסה מרובי מחזורים.

כיצד הסלע מאחסן ומשחית אנרגיה

הניסויים מראים שגרניט תחת העמסה חוזרת אינו פשוט קופץ בחזרה כמו גומייה אלסטית. במקום זאת, עיוותים קבועים מצטברים בעיקר לאורך כיווני הדחיסה וההתרחבות החזקים ביותר, וגדלים בקירוב בצורה אקספוננציאלית עם כל מחזור, בעוד שהכיוון הביניים משתנה בעדינות רבה יותר. מבחינת אנרגיה, חלק מהעבודה שנעשית על הסלע מאוחסן כאנרגיה אלסטית הניתנת לשחרור, וחלק נאבד באופן בלתי הפיך לתהליכים כמו סדיקה מיקרוסקופית וחיכוך כאשר הגרגרים מחליקים זה על גבי זה. בתחילת ההעמסה, הגרניט מאחסן בעיקר אנרגיה אלסטית; ככל שהלחצים מתקרבים לנקודת היפוי שלו, חלק גדול יותר מהאנרגיה המוזרמת מומר לנזק, עם היווצרות וחיבור סדקים. בסמוך ולעתים מעבר לשיא החוזק, רוב האנרגיה הנוספת נספגת על ידי נזק נוסף במקום להשתחרר בפתאומיות, דבר שמצביע על מנגנון "המרת אנרגיה הנגרמת על‑ידי נזק" שיכול או לדכא או להניע כשל בהתאם לאופן שבו תומכים את הסלע.

הפיכת תובנות אנרגטיות לתמיכות טובות יותר

בהסתמך על ממצאים אלה, המחברים מציעים לתכנן מערכות תמיכה סביב אנרגיה במקום רק סביב חוזק. הם מעריכים כמה אנרגיה עודפת מצטברת באזור הפגוע של הסלע סביב מנהרה כאשר היא נחפרת תחת מתח עמוק. מערכות התמיכה—ובמיוחד ברגי סלע—נבחרות כך שיכולת הספיגה הכוללת שלהן תעלה על ערך זה עם מרווח בטיחות. בסנשנדאו, הם שיפרו ברגי "ספליט‑סט" המבוססים על חיכוך על‑ידי התאמת גודלם ואורכם ובהזרקת חומר איטום כימי המופעל במים בתוך הצינורות, שמתרחב ומתקשח כדי להדק את הברגים כנגד הסלע. ניסויי משיכה בשטח הראו כי הברגים המשודרגים יכלו לספוג הרבה יותר אנרגיה לפני כישלון מאשר תצורות סטנדרטיות.

מנהרות עמוקות בטוחות יותר באמצעות שליטה אנרגטית חכמה

כאשר מערכת התמיכה המשופרת הסופגת אנרגיה הותקנה בכביש תחבורה בעומק 1050 מטרים, ניטור לאורך 12 ימים הראה ששני העומסים על הברגים ורמות הרטט ירדו ויצבו, והבעיות כמו קילוף קירות והתמוטטויות מקומיות צומצמו משמעותית. בפשטות, הגרניט סביב המנהרה עדיין מאחסן אנרגיה תחת מתח עמוק, אבל התמיכות המוחזקות והגמישות יותר כעת סופגות ומפזרות חלק גדול מהאנרגיה הזאת דרך יתירות מבוקרת במקום לאפשר לה להניע כשל סלע פתאומי ואלים. גישה תכנונית מבוססת אנרגיה זו מציעה דרך מעשית לכרייה עמוקה בטוחה ואמינה יותר בכל מקום שבו מהנדסים חייבים לחצוב חללים בסלע קשה ותחת מתח גבוה.

ציטוט: Yin, Y., Ye, H., Peng, C. et al. Energy evolution mechanisms and hazard prevention in deep granite under cyclic loading: a case study from Sanshandao gold mine. Sci Rep 16, 8775 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40308-w

מילות מפתח: כרייה עמוקה, מניעת פיצוץ סלע, חפירת מנהרות בגרניט, תמיכות סופגות אנרגיה, העמסה מחזורית