מחקר על השפעת הפחתת מאמץ בגובה נמוך בין שכבות פחם מסוקרות והפרעות חפירת מנהרה על הסלע הסובב

מדוע מאמץ תת‑קרקעי חשוב

מכרות מודרניים נאלצים להגיע לעומקים גדולים יותר כדי לנצל מאגרי פחם שנותרו, שם הסלע מתנהג בצורה מורכבת ולעתים בלתי צפויה. כאשר חותכים מנהרה גדולה מתחת לשכבת פחם ישנה שכבר נכרה, הסלע הסובב עשוי לקרוס או להישאר יציב בהתאם לאופן שבו המאמץ משתנה בשכבות. מחקר זה בוחן פרויקט ממשי במזרח סין כדי להבין כיצד אזור ריק וקרס שנשאר ממכרה קודם יכול למעשה להגן על מנהרה רחבה נוספת שמתחתיו, ואילו סוגי תמיכות שומרים על בטיחות תקרת המנהרה לעובדים.

שכבות סלע מעל מנהרה רחבה

החוקרים התמקדו במנהרה גדולה הידועה כפתיחה פתוחה (open‑off cut), שרוחבה בערך כפול מרוחב מנהרת מכרה טיפוסית ונמצאת 12 עד 18 מטרים מתחת לשכבת פחם ישנה שכבר נכרה. בין שכבות הפחם יש שכבות של אבן חול, סילטסטון ובוצין, שכל אחת מהן בעלת חוזק שונה. באמצעות קידוח גלעינים והערכת איכותם מצא הצוות שחלק מסלעי התקרה הם בעוצמה ממוצעת, בעוד שאחרים, במיוחד סמוך לקרקעית שכבת הפחם הישנה, חלשים מאוד ושבורי מאוד. ידיעת אילו שכבות חזקות ואילו שבירות חיונית, כי השכבות יחד יוצרות את קרן הסלע שצריכה לגשר על הפתח החדש.

כיצד שכבת פחם שנכרתה משנה את העומס

באמצעות סימולציות ממוחשבות שיחזרו המחברים את רצף הכרייה של שכבת הפחם העליונה ולאחר מכן את חפירת המנהרה התחתונה. לאחר שנכרה השכבה העליונה נותרה גוּף—אזור ריק המלא חלקית בסלע תקרה שקרס. גוּף זה לא הגדיל את הלחץ על המנהרה התחתונה; במקום זאת פעל כאזור הקלה במאמץ. הסלע שבין רצפת הגוּף ותקרת המנהרה החדשה חווה מאמץ נמוך בהרבה, בדרך כלל רק כמה מגה‑פסקל, לעומת הסלעים בעלי העומס הכבד בצדדים. רצועת סלע בעובי כשלושה מטרים בין שתי הפתחים נשארה בלתי שבירה, וכבלי גג ארוכים המעוגנים מעל המנהרה נשארו בתוך סלע דחוס ויציב, בעוד בולטים קצרים פעלו באזור מתיחה הקרוב יותר לפתיחה.

מנהרות מדגם והתמוטטות תקרה בהילוך איטי

כדי לבדוק רעיונות אלה פיזית, הקים הצוות דגם מוקטן בקנה‑מידה מטרי של שכבות הסלע ושכבות הפחם באמצעות חומרים מבוססי חול. הם כרו תחילה את השכבה העליונה בדגם ולאחר מכן הגבירו בהדרגה את המשקל הלוחץ מלמעלה כדי לחקות קבורה עמוקה יותר. ככל שהעומס גדל, תקרת השכבה העליונה נשברה בהדרגה מקרן נקבעת לחסימות ממוקדות ואז לקשת מאבן חפושה של סלע שנפל. כאשר העומס עבר סף מסוים, תקרת העליונה קרסה לחלוטין, ויצרה תל של סלע יציב שמרכזה שיפועי הצד בערך 60–65 מעלות. חיישנים המוטמעו סמוך למיקום המנהרה העתידית הראו שמאמצים ברצפה מתחת לגוּף השתנו לבסוף מדחיסה למתיחה ואז התייצבו לערכים קבועים, ואישרו שהאזור שניכרתה ממנו השכבה ישנה הפריד מרוב העומס.

צפייה בבניית מאמץ בעת הרחבת המנהרה

החוקרים סימולצו אחר כך את חפירת המנהרה הגדולה עצמה בשלבים, המשקפת את אופן החיתוך התת‑קרקעי. מדדי המאמץ בתקרת הדגם הראו שכל שלב של הרחבת המנהרה גרם לגל חדש של הפרעה, כאשר מאמצי דחיסה ומתיחה מתחלפים לפני שהם מתייצבים בהדרגה. מרכז התקרה, ישירות מעל המנהרה, נשא את מאמצי המתיחה הגבוהים ביותר, ומאמצים אלה עלו עוד יותר כאשר הוחל עומס נוסף מלמעלה. עם זאת, אזור המתיחה הגבוה הזה שכאשר רובו בתוך טווח הבולטים הקצרים, בעוד שהכבלים הארוכים היו מעוגנים עמוק יותר בתוך סלע דחוס ששימש כעמוד שדרה איתן. תצפיות שטח עם מצלמת באר במכרה האמיתי תמכו בתמונה הזו: נראו רק מספר סדקים מעגליים בתקרה, ורוב הסלע סביב הפתח נשאר שלם.

מה משמעות הדבר לכרייה עמוקה ובטוחה יותר

לקורא שאינו מומחה, המסר המרכזי הוא ששכבת פחם ישנה שנכרתה מעל מנהרה חדשה אינה תמיד איום; אם מבינים אותה נכון, היא יכולה למעשה להקל על הלחץ ולעזור להגן על הפתח שמתחתיה. במקרה זה, הגוּף מעל המנהרה הגדולה יצר כרית מתח נמוכה, בעוד שעיצוב קפדני של בולטים וכבלים הבטיח ששכבות החלשות והשבורות קרוב למנהרה יקושרו לסלע חזק יותר שמעליהן. על ידי שילוב קידוחי ליבה, תכנון מספרי, דגמים מעבדתיים מוקנים ובדיקות מצלמה באתר, המחקר מראה שגם מנהרות תת‑קרקעיות רחבות מאוד יכולות להישאר יציבות בתנאים עמוקים כאשר שכבות הסלע ונתיבי המאמץ ממופים במלואם והתמיכה מותאמת לאזורי המאמץ בפועל.

ציטוט: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

מילות מפתח: כריית פחם תת‑קרקעית, יציבות סלע, תמיכת מנהרות, הפחתת מאמץ בגוּף פחמי, מנהרות עמוקות