טכנולוגיית חיזוק באמצעות השריית שכבות עבור תקרה מורכבת של פחם–סלע: מערכת טיפולים מבוססת ניסויי מודל

שמירה על בטיחות מנהרות מתחת לאדמה

ככל שמכרות הפחם מתעמקות, המנהרות שמעבירות אנשים, אוויר וציוד צריכות לעבור מתחת לשכבות כבדות של סלע שבור. כשהתקרה הסלעית מעל המנהרות זוושתת או קרסה, הדבר מהווה איום על הבטיחות והייצור. מחקר זה בוחן שיטה חדשה ל"הדבקת" השכבות החלשות יחד בשלבים, כך שתקרת המכרה תוכל לשאת שוב את משקלה בבטחה ולשמר את פתיחת המנהרות לטווח הארוך.

מדוע תקרות במכרות עמוקים קשות לתמיכה

במכרה הסיני שנבדק כאן, תקרת המנהרה אינה לוח אחיד אלא ערימת שכבות: פחם רך וסדוק בתחתית, חרסית חלשה מעליו ואבן חול חזקה יותר מלמעלה. עם הזמן ותחת לחצים כבדים, השכבות התחתונות נשברות ואינן מצליחות עוד להעביר את המשקל מעליהן אל הסלע החזק. תומכים מסורתיים כגון עוגנים ומערכות כבלים נאלצים אז לפעול בתוך סלע רופף ומתפורר, והתקרה ממשיכה לשקוע, להיסדק ולפעמים לשחרר חתיכות אל תוך המנהרה.

רעיון של "הזרקה ותפירה" בשכבות

החוקרים מציעים שיטת השריית שכבות שטפלה בתקרה בשני אזורים. תחילה מוזרקת תערובת נוזלית סביב עוגנים קצרים הממוקמים בפחם ובחרסית השבורים והשכיחים בקרבה לפני המנהרה. כשהתערובת מתקשה, היא קושרת את החתיכות הרופפות יחד לחגורה חזקה יותר שפועלת כקרן ראשונית מעל המנהרה. לאחר מכן, כבלים ארוכים יותר מגיעים אל אבן החול העמוקה והיציבה יותר, שם מוזרק גם מלט. כך, החגורה החזקה החדשה בחלק השטחי נתפרת באופן יציב לסלע היציב מעליה, ויוצרת מבנה מעודד-שיתוף שכבות במקום תמיכות מפוזרות ובודדות.

בדיקת הרעיון במודל מוקטן

כדי להבין כיצד הסכימה משנה את התנהגות התקרה, הצוות בנה מודל פיזי שמצמצם את הגאולוגיה והמנהרה המקוריים ביחס של חמישים. הם השתמשו בחול, מלט וגבס בתערובות שנבחרו בקפידה כדי לחקות את חוזק כל שכבת סלע, ואז חיתכו שתי מנהרות זהות במודל. במנהרה אחת השתמשו בעיצוב התמיכה המקורי, בעוד שבשנייה הוסיפו את ההשריה השכבתית החדשה. תחת העמסה מבוקרת מצלמות עקבו אחרי תזוזות התקרה והקירות, חיישנים מדדו מתחים ומכשירי רתע קטנים הקשיבו לאירועי סדיקה זעירים בתוך המודל בזמן שנלחץ.

מה השתנה בתוך התקרה המחוזקת

ההבדלים בין שתי המנהרות היו בולטים. במקרה שלא טופל, מרבית תזוזת התקרה התרחשה בשכבות השטחיות, סדקים התחברו זה לזה והתקרה מעל המנהרה נשברה לבלוקים. המתחים זזו באופן בלתי יציב למעלה, ורשמו אירועי סדיקה חזקים רבים. בהשריית שכבות, שקיעת התקרה ירדה מכ־8.5 יחידות במודל לכ־2 בלבד, והסדיקה נשארה מפוזרת ודקה במקום להתרכז וליצור חגורה שבורה. המתחים הפכו לאחידים יותר, כאשר השכבות המוסגרות באמצעות המלט יכולות כעת לחלוק עומס עם אבן החול העמוקה, בעוד רצפת המנהרה וקירותיה נשארו בטווחי תנועה מקובלים.

הוכחה במכרה פעיל

הצוות יישם לאחר מכן את קונספט התמיכה הזה במנהרה אמיתית במכרה שויליאנדונג. הם השוו קטע שהשתמש בעיצוב התמיכה המקורי עם קטע סמוך שטופל גם בהשריית שכבות. בקטע המקורי, הקירות הצדדיים נדחסו פנימה ביותר מארבעים סנטימטר והרצפה והתקרה התקרבו זו לזו ביותר מחמישים סנטימטר, עם דיווחים על נפילות תקרה ועוגנים שבורים. בקטע המושרה התנועה הצדית קוצצה בערך בחצי והסגירה בין תקרה לרצפה ירדה לכ־12 סנטימטר בלבד. התקרה הנתמכת נשארה שלמה, העוגנים והכבלים המשיכו לפעול כמתוכנן, והתחזוקה השוטפת הקלה משמעותית.

מה המשמעות מבחינת כרייה בטוחה יותר

ללא צורך במומחיות עמוקה, המסר המרכזי הוא שהמחקר מראה כיצד הזרקה ממוקדת של חומרים מתקשים, המתבצעת בשכבות, יכולה להפוך ערימת סלעים מתפוררת מעל מנהרה לקבוצת קרני עבודה משולבות. במקום להסתמך רק על הוספת ברזל ותמיכות חיצוניות, השיטה מתקן את הדרך שבה המשקל מועבר משכבות חלשות אל החזקות. במקרה זה היא הקטינה באופן משמעותי שקיעת תקרה, סדיקה ותזוזות תת-קרקעיות. זה הופך מנהרות פחם עמוקות לבטוחות יותר לנסיעה ולזולות יותר לתחזוקה, ומציע מדריך מעשי לייצוב מנהרות נוספות החצובות דרך סלע מעורב ושבור.

ציטוט: Liao, Z., Li, P., Zhao, X. et al. Layered grouting reinforcement technology for coal–rock composite roof: A treatment system based on model experiments. Sci Rep 16, 15002 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46016-9

מילות מפתח: מנהרת מכרה פחם, חיזוק תקרה, השריה (grouting), יציבות תת-קרקעית, מכניקת סלע