מחקר על טכנולוגיה משולבת לשחזור מבנה נשיאה ושליטה בתמיכה באזורי סיכון גבוה במנהרת פחם עילית ביחידת פחם עבה

מדוע מנהרות פחם בטוחות חשובות

עמוק בתוך שכבות פחם עבות, עובדים נעים ומובילים פחם דרך מנהרות ארוכות תת-קרקעיות. במקומות מסוימים סובלות מנהרות אלה משקיעות בגג, קירות שמתפוררים ונפילות פתאומיות של פחם וסלע, מה שמסכן את הכריים ומאט את התפוקה. המחקר בוחן מדוע הבעיות הללו חמורות במיוחד בקטעים בסיכון גבוה ובוחן שיטה חדשה לחיזוק הסלע כך שהמנהרות ישמרו בטוחות ויציבות לאורך זמן.

מאיפה מתחילה הבעיה

המחקר מתמקד במנהרה גדולה במכרה פחם בסין החוצה שכבת פחם מאוד עבה. בסביבה זו המנהרה עוברת דרך פחם ולא דרך סלע יציב, והפחם שמעל ובצדדיה של התעלה חלש ושביר. כשלי שטח טבעיים בעמימות וסחיבת עומס כבד מהמפלסים מעל מרוכזים סביב המנהרה, וגורמים להפרדות בגג, נפילות גג, בליטות בדפנות והצורך בתיקונים תכופים. שיטות תמיכה קודמות, כגון גראוט פשוט וסככות צינורות, נכשלו לעתים קרובות כי הגראוט לא הצליח לחדור לפחם הדחוס ולא ליצור מבנה תמיכה מאוחד וחזק.

כיצד המנהרה זזה ומתעוותת

כדי להבין התנהגות זו, הצוות שילב מדידות שטח, ניסויים מעבדתיים ומידול מכני. הם טיפלו בפחם שמעל גג המנהרה כקורה מעמוסה והראו כי שקיעת הגג גדלה במהירות ככל שרוחב המנהרה גדל וככל שהפחם נחלש. הם גם מצאו שהגג והדפנות אינם מתעוותים בנפרד. כאשר הפחם הצדדי מרכך ודוחף פנימה, הוא מרחיב בפועל את הפתח, מה שמגביר את שקיעת הגג. בתמורה, תנועה נוספת של הגג מכווצת עוד יותר את הדפנות. תנועה מקושרת זו של חלקי עליונה וצדדית מסבירה מדוע תמיכה מקומית ונקודתית נכשלת לעתים קרובות בשכבות פחם עבות.

ניסויים במנהרות וירטואליות

באמצעות סימולציות ממוחשבות תלת-ממדיות, החוקרים שינו שני גורמים מרכזיים: עובי שכבת הפחם שנותרה מעל המנהרה ועוצמת הפחם ההיא. הגדלת עובי שכבת הפחם מעל הגג הגדילה את שקיעת הגג אך הקטינה את דחיפת הרצפה, בעוד שתנועת הדפנות כמעט לא השתנתה. העלאת העמידות של הפחם העליון הקטינה בחדות גם את שקיעת הגג וגם את התנועה הפנימית של הדפנות, אף על פי שתבנית הלחצים הכללית השתנתה רק מעט. החישובים הראו כי סדקים ואזורים פלסטיים בסלע נוצרו תחילה בסמוך לגג ואז התפשטו לעומק, עם נזק בצורת "פרפר" אופייני בסמוך לדפנות, מה שמדגיש את הצורך בחיזוק אזור רחב ולא רק בקליפה דקה.

דרך חדשה לחזק אזורים חלשים

בהנחיית הבנה זו, המחברים תכננו מערכת תמיכה משולבת המשתמשת בצינורות קדמיים עם גראוט וברשת עיגונים וכבלים. לפני חציית המנהרה לאזור בסיכון, העובדים קודחים שורות של צינורות פלדה לתוך הפחם מול פני החתך ומזריקים גראוט מהיר התקשות. הגראוט מתקשה במהירות בתוך ומסביב לצינורות, לתפור סדקים ולהפוך את הפחם השבור לבלוק מוצק יותר. ככל שהחציבה נמשכת, עיגונים וכבלים מקשרים את הגג המחוזק והדפנות למסגרת נשיאה אחת. מודלים ממוחשבים של תצורות שונות הראו כי מרווח צינורות בינוני סיפק כמעט את אותה הורדה בתנועה כמו פריסה צפופה מאוד, אך בעלות נמוכה יותר.

הוכחה ממכרה פעיל

הצוות יישם לאחר מכן את התוכנית הנבחרת במנהרה הריאלית. הם נמדדו שקיעת גג, התכנסות דפנות, דחיפת רצפה, הפרדות בין שכבות סלע ואת הכוחות בעיגונים ובכבלים. לאחר החציבה והתמיכה בשיטה החדשה, שקיעת הגג נשארה סביב 110 מ"מ, תזוזת הדפנות כ-80 מ"מ ודחיפת הרצפה הייתה זניחה. הפרדת שכבות מעל הגג נשארה רחוק מתרעות הסכנה, והעומסים בעיגונים ובכבלים התייצבו והיו נמוכים יותר מאשר בתכנון הקודם. מכיוון שהגראוט קיבל חוזק בתוך דקות, הצוותים יכלו להאיץ את ההתקדמות כמה פעמים מהר יותר מאשר קודם ושמרו מרחק בטוח בין פני החתך לאזור המוחזק.

מה המשמעות עבור הכרייה

במילים פשוטות, המחקר מראה שחיזוק הפחם החלש סביב מנהרה כדי שיפעל כקשת ודופן קשורים היטב יכול להפחית במידה רבה נפילות גג והתמוטטויות מסוכנות. על ידי חיזוק הפחם מראש באמצעות צינורות ממולאים בגראוט ואז קשירת הגג והדפנות יחד בעזרת עיגונים וכבלים, המנהרה יכולה לשאת את העומס הכבד שמעליה עם תזוזות קטנות יותר וכוחות תמיכה נמוכים יותר. המחברים טוענים כי גישה משולבת זו מספקת מדריך מעשי לחציבה בטוחה ויעילה יותר בשכבות פחם עבות בתנאים גיאולוגיים דומים, ומפחיתה הן את סיכוני הבטיחות והן את דרישות התחזוקה בכריית פחם תת-קרקעית.

ציטוט: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

מילות מפתח: יציבות מנהרות פחם, תמיכת גג, חיזוק בגראוט, עיגוני סלע וכבלים, בטיחות בכרייה תת-קרקעית