מחקר על השפעת הקלה בלחץ ות范围 ההגנה של כריית שכבת פחם עליונה מרוחקת בהתבסס על סימולציה פיזית דמוייתית ו-PFC3D

מדוע כרייה בטוחה חשובה

פחם עדיין מספק חלק משמעותי מהחשמל בסין, אך כרייתו יכולה לגרום לשחרורים פתאומיים של גז וסלע המסכנים את העובדים. מחקר זה בוחן כיצד כרייה של שכבה תחתונה עמוקה יכולה להקל בעדינות על הלחץ בשכבה עליונה, להקל על ניקוז הגז ולהפוך את הסבב הבא של הכרייה לבטוח יותר. בשילוב של מודלים פיזיים במעבדה וסימולציות מחשב מתקדמות, החוקרים מיפו כיצד הסלע בין השכבות נסדק, כפוף וישתחרר ככל שהכרייה מתקדמת.

שתי שכבות פחם שפועלות יחד

המחקר מתמקד במכרה מספר 6 במחוז חנאן, שם שכבה עמוקה יותר הידועה כ־Wu 8 נמצאת כ־72 מטרים מתחת לשכבה עליונה בשם Ding 5.6. הרעיון הוא לכרות תחילה את השכבה התחתונה כ״שכבת הגנה״. בעת הסרת שכבה זו, המשקל של הסלע שמעליה משתנה, הלחץ בשכבה העליונה משתנה ונפתחים שבילים זעירים המאפשרים לגז כלוא להימלט. אם מהנדסים יכולים לחזות היכן ובאיזו רמת עומק אפקט ההקלה בלחץ מתפרש, הם יכולים למקם קידוחי ניקוז גז ולתכנן כרייה עתידית בשכבה העליונה באופן בטוח ויעיל יותר.

מכרה מוקטן במעבדה

כדי לצפות במה שמתרחש מתחת לפני הקרקע, הצוות בנה מודל פיזי גדול באורך של כשלושה מטרים ובגובה של מטר וחצי המדמה את שכבות הסלע האמיתיות מעל שכבת Wu 8. באמצעות חול, גבס, פחמתי־סידן ומיקה כדי לייצג סוגי סלע שונים, הם שיחזרו את השכבות המונחות ואז "כרו" את השכבה התחתונה שלב אחר שלב. ככל שחזית העבודה של המודל התקדמה, תועד כיצד הסלע שמעליה קרס והיכן נפתחו סדקים. הסדקים יצרו מצולע טרפזי רחב שגדל כלפי מעלה והחוצה, עבר שלבי יזומה וצמיחה ואז נסגר חלקית כאשר הסלע השבור נדחס.

סלעים וירטואליים וכוחות בלתי נראים

מודלים מעבדתיים אינם יכולים ללכוד כל פרט, לכן החוקרים השתמשו גם בסימולציות מחשב תלת־ממדיות מבוססות חלקיקים, המכונות PFC3D, כדי לעקוב אחר דפוסי מאמץ וסדיקה במסת הסלע כולה. במכרה הווירטואלי הזה הוצגו הסלע והפחם באמצעות אלפי חלקיקים קטנים מלובדים, האינטראקציות שלהם כפופות לחוקי התנועה. ככל שחזית העבודה הווירטואלית התקדמה, התוכנית רשמה כיצד משתנים המאמצים האנכיים והאופקיים בגבהים שונים, כיצד הסדקים מתחברים לרשתות וכיצד השכבה העליונה זזה. התוצאות מראות שמאמצים אנכיים בסמוך לאזור המחצבה עולים לכ־ארבעה פעמים המאמץ האופקי, ואז יורדים, חותכים אזור הקלה בלחץ שמתצר באופן צר יותר עם הגובה ומשנה צורת פלטפורמה טרפזית מעל הגואף.

כיצד השכבה העליונה נמתחת ומתכופפת

הסימולציות מדגימות גם כיצד השכבה המוגנת Ding 5.6 מתעוותת. דפוס ההזזה שלה הופך בהדרגה לשקיעה בצורת קערה מעל השכבה התחתונה שנכרה. בהתחלה, כאשר חזית העבודה התקדמה פחות ממחצית אורכה, השקיעה קטנה ובצורת אליפסה. ככל שהכרייה נמשכת, השקיעה מעמיקה ומתרחבת, כאשר הנשירה הגדולה ביותר נמצאת ישירות מעל מרכז הגואף. בסופו של דבר קרקעית ה"קערה" מתיישרת כאשר הסלע שמעליה נדחס וקצב שקיעת השכבה מצטמצם. על ידי מעקב אחר שינוי עובי השכבה המוגנת, הצוות חישב שיעור עיוות התרחבות; כאשר שיעור זה חורג מרף מסוים, הפחם נחשב מוחלט להלום לחץ ופחות חשוף לכשל אלים.

שרטוט אזור בטוח מתחת לפני הקרקע

בהשוואת תוצאות העיוות והמאמץ, המחברים משרטטים את הצורה התלת־ממדית של אזור ההגנה היעיל על ידי הקלה בלחץ. הם מוצאים שהאזור המרוכך בשכבה העליונה אינו מתפרש בדיוק מעל האזור שנכרה אלא מזוז פנימה לאורך האורך והרוחב של חזית העבודה. לאורך האורך, אזור ההגנה מתחיל ומסתיים כ־35–40 מטר בתוך גבולות הכרייה בפועל; לאורך הרוחב, הוא נסוג בכ־11–14 מטר. בתוך אזור ההזחה הזה, המאמץ האנכי יורד מתחת לערך קריטי של כ־16.9 מגהפסקל ושיעור עיוות ההתרחבות חורג מהתקן הנהוג בכללי הבטיחות הסיניים. במובן מעשי, המחקר מספק למתכנני המכרה זויות ומרחקים ברורים המגדירים היכן ניתן לבצע ניקוז גז וכרייה עתידית של השכבה העליונה עם סיכון מופחת של התפרצויות פחם וגז.

ציטוט: Zhan, K., Liu, Z., Wei, D. et al. Study on pressure-relief effect and protection scope of long-distance lower protective seam mining based on similar physical simulation and PFC^3D. Sci Rep 16, 15927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47414-9

מילות מפתח: כריית שכבת פחם, ניקוז גז, סדקים בסלע, בטיחות במכרה, סימולציה נומרית