מנגנון הכשל של הסלע הסובב ושליטה סינרגטית של תמיכה חזקה–שחרור לחצים במנהרות בעונת שכבות פחם קרובות

מדוע מנהרות פחם בטוחות חשובות

בעומק התת־קרקעי, הכרייה תלויה במנהרות צרות כדי להגיע לשכבות הפחם. כאשר הסלע סביב המנהרות הללו זז או נשבר לפתע, הדבר עלול לגרום להתפוצצויות מסוכנות, קריסות וסגירות יקרות. מחקר זה בוחן מצב מאתגר במכרה סיני שבו שתי שכבות פחם קרובות אחת לשנייה והמנהרות התחתונות שוכנות מתחת לאזורי כרייה קודמים ולעמודי פחם שנותרו. הכותבים מסבירים מדוע הסלע בצד אחד של המנהרות נשבר ביתר קלות, ובוחנים שיטה משולבת שמחזקת את דפנות המנהרה ובו בזמן מפחיתה בעדינות את הלחץ המצטבר בסלע הסובב.

מתח נסתר משכבות כרייה קודמות

באזור הכרייה ג׳יאופינג, שכבת פחם אחת כבר נחצבה, והשאירה חללים ריקים המכונים גואפים ועמודי פחם נוקשים התומכים בגג. שכבה עמוקה יותר נחצבת כעת מתחתיה. משקל הסלע שמעל ועמודי הפחם הנוקשים אינם לוחצים על המנהרות התחתונות באופן אחיד. במקום זאת, המתח מתרכז בצד שמתחת לעמוד הפחם, בעוד הצד השני נמצא מתחת לאזור ששוחרר בחלקו. מים החודרים לגואף הישן עלולים גם להחליש פחם וסלע, ולהגביר את הסיכון שקומות או קירות יאבדו מעמידותם לאורך זמן. חישובים ומדידות גיאולוגיות מראים שהנזק מהשכבה העליונה מגיע לעומק של כ־10 עד 15 מטרים, מספיק כדי להשפיע על מיקום ותכנון המנהרות החדשות.

בחירת מסלול מנהרה טוב יותר

על פי תורת מכניקת הסלע, הצוות העריך עד כמה רצפת השכבה התחתונה סודקה בעבר על ידי הכרייה והעומס המרוכז של עמודי הפחם שנותרו. לאחר מכן הם השוו דרכים שונות ליישר את המנהרה התחתונה ביחס לעבודות הקודמות. אם המנהרה התחתונה חופפת לאזור המתח הגבוה מתחת לעמוד, היא חשופה לעומס חזק ולא אחיד. אם מזיזים אותה החוצה, היא עדיין עלולה לשכון בתוך אותו אזור. האפשרות המיטבית היא להזיז את המנהרה התחתונה פנימה לעבר החלל שנחצב קודם, שם הלחץ שוחרר בחלקו. פריסת הזחילה הפנימית הזו ממעטת את החשיפה לסלע שנמצא בעומס הכבד ותורמת להפחתת הנטייה הטבעית לכך שצד אחד של המנהרה ית-Deform יותר מהשני.

תמיכה חזקה בתוספת שחרור לחץ

תמיכה טובה של המנהרה נותרה חיונית. המכרה אימץ סכמת "תמיכה חזקה" באמצעות ברגים פלדה צפופים, רצועות פלדה, רשת חוטים וברגי כבלים במתיחה גבוהה המעוגנים בגג ובקירות. המערכת הזו מהדקת את הסלע הסדוק ומאפשרת לסלע הרדוד סביב הפתח לפעול כקליפה נושאת אחת. כדי לצעוד צעד נוסף, החוקרים הוסיפו שלב של "שחרור לחץ חזק": בקעו חורים ארוכים בזווית מתוך המנהרה אל תוך הסלע והפחם שמעל ושאבו מים בלחץ גבוה כדי ליצור סדקים מבוקרים. ניתוח זהיר של האינטראקציה בין לחץ הנוזל לשדה המתח הטבעי הוביל לבחירת זוויות הקידוח כך שסדקים יתחילו וישתררו בלחץ שאיבה יחסי נמוך, ויפתחו נתיבי פינוי למתח ולאנרגיה הרחק מהמנהרה.

צפייה בתגובת הסלע

הצוות השתמש בסימולציות ממוחשבות ובמדידות תת־קרקעיות כדי לראות כיצד הסלע הגיב תחת עומס איטי ובהשפעות פתע, המדמות אירועי רעידות קטנים. בתנאים סטטיים, המנהרה המחוזקת התעקמה במעט בלבד והתזוזות נשארו מתחת לתקני הבטיחות, אם כי הלחצים וכוחות הברגים היו בבירור גבוהים יותר בצד עמוד הפחם. כאשר נוספו במודלים עומסי פגיעה, צפו שני דפוסים. הפגיעות שפגעו בעיקר מעל הגג נטו לגרום לסדיקת מתיחה במרכז הגג. פגיעות בקרבת הפינה שבה נפגשים הגג והקיר גרמו לסחיסה משופעת גדולה של הקיר ולשקיעה כוללת של הגג, מצב נזק חמור יותר. לאחר השבר ההידראולי, סקרים חשמליים הראו אזורי התנגדות נמוכה רחבים שבהם נוצרו סדקים מלאי מים, מה שאימת כי הסלע הוחלש והמתח הוסט. מד גובה בשטח תיעד שכוחות הברגים והכבלים נשארו בטווחים בטוחים ושהאזור ה"מרופף", אף שגדל, נשלט על ידי מערכת התמיכה.

מסקנות לבטיחות במכרה

במכרה הנבדק, העבודה מראה שעומס לא אחיד הנגרם על ידי עמודי פחם שנותרו הוא הסיבה העיקרית לכך שצד אחד של מנהרות השכבה התחתונה נכשל ביתר קלות. על ידי מיקום המנהרה באזור שבו הלחץ שוחרר, עיגון יציב של הסלע הסמוך ושימוש בשבר הידראולי מכוון כדי לפנות לחצים עמוקים, מהנדסים יכולים לשמור על העיוותים בתוך גבולות בטוחים גם כאשר הסלע חווה זעזועים קטנים. הכותבים טוענים שאסטרטגיה משולבת זו של תמיכה חזקה יחד עם שחרור לחץ חזק, מגובה במעקב קפדני, מציעה דרך מעשית לשאיבה בטוחה ויעילה יותר של פחם במכרות אחרים עם שכבות מצטברות ותנאי מתח מורכבים.

ציטוט: Yu, S., Suo, Y., Cai, C. et al. Failure mechanism of surrounding rock and synergistic control of strong support-strong pressure relief for lower-seam roadways in close-distance coal seam groups. Sci Rep 16, 15843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46700-w

מילות מפתח: כריית פחם, יציבות מנהרות, התפוצצות סלע, שבר הידראולי, סימולציה נומרית