Stability Assessment and Development of Stability Charts for Room and Pillar Mine Workings

في أعماق ما تحت سطح الأرض، غالبًا ما يواجه عمال المناجم لغزًا يبدو بسيطًا من الأعلى ولكنه غادر في الأسفل: كيف يمكن استخراج الصخور القيمة مع ترك ما يكفي منها خلفهم لدعم السقف. في طريقة تسمى "تعدين الغرف والأعمدة"، يقوم العمال بنحت أنفاق واسعة، أو "غرف"، ويتركون خلفهم أعمدة سميكة من الصخور، أو "أعمدة"، لدعم وزن الجبل أعلاه. تعمل هذه التقنية بشكل جيد مع طبقات الخام الرقيقة والمسطحة، لكنها تترك مشكلة حرجة؛ فمن أجل الوصول إلى أقسام جديدة من المنجم، يحتاج العمال إلى أنفاق دائمة وطويلة لنقل الأشخاص والآلات. يجب أن تظل هذه الأنفاق مفتوحة وآمنة لسنوات، حتى مع إزالة الصخور المحيطة بها. وإذا فشلت الأعمدة التي تدعم أنفاق الوصول هذه، فقد ينهار العمل بأكمله، مما يؤدي إلى حصار العمال والآلات. التحدي يكمن في معرفة الحجم الدقيق الذي يجب أن تكون عليه الغرف والأعمدة، وما إذا كان ملء المساحات الفارغة بالصخور العادمة يساعد أم يضر، خاصة عندما تختلف جودة الصخور من مكان لآخر.

وضع فريق من الباحثين في المعهد الهندي للتكنولوجيا في كهارغبور (IIT Kharagpur) هدفهم لحل هذه المشكلة المحددة لمنجم في الهند حيث تتغير جودة الصخور بشكل كبير. ركزوا على نوعين رئيسيين من الأعمدة: الأعمدة الأصغر التي تُترك بين الغرف المستخرجة، والأعمدة الأكبر والأقوى التي تحرس أنفاق الوصول الطويلة. إن الصخور في هذا المنجم ليست موحدة؛ حيث تُقاس قوتها بدرجة تسمى "مؤشر القوة الجيولوجية"، وتتراوح من 30 للصخور الأضعف إلى 60 للصخور الأقوى. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم تعدين غرف أكبر للحصول على المزيد من الخام، أو ما إذا كانوا بحاجة إلى ملء الغرف الفارغة بالحطام للحفاظ على استقرار الأرض. ولإيجاد الإجابة، لم يكتفوا بمراقبة المنجم فحسب، بل بنوا نسخة رقمية مفصلة له. وباستخدام النماذج الحاسوبية، قاموا بمحاكاة عملية التعدين تحت ستة عشر سيناريو مختلفًا، مع تغيير حجم الغرف، وجودة الصخور، وما إذا كانت المساحات الفارغة سيتم ملؤها بالصخور العادمة أم لا.

اكتشف الباحثون أن قرار ملء الغرف الفارغة ليس مجرد مسألة راحة؛ بل هو متطلب سلامة يعتمد كليًا على قوة الصخور. فعندما تكون الصخور أضعف، بدرجة قوة 40 أو أقل، يجب ملء الغرف الفارغة بالصخور العادمة لمنع الأعمدة من التصدع والفشل. وإذا حاول العمال ترك هذه الغرف فارغة في الصخور الضعيفة، فسوف يتراكم الضغط حتى تنكسر الأعمدة. ومع ذلك، عندما تكون الصخور أقوى، بدرجة تزيد عن 50، يمكن للأعمدة تحمل الوزن حتى بدون ملء الغرف. كما درست الدراسة حجم الغرف؛ فبينما يؤدي جعل الغرف أوسع من 6 أمتار إلى 8 أمتار إلى زيادة كمية الخام المستخرج بنسبة 9 في المائة فقط، إلا أنه تسبب في زيادة هائلة في الضغط على الأعمدة. وفي الصخور الأضعف، دفع حجم الغرفة الأوسع هذه الأعمدة إلى تجاوز نقطة الأمان، مما تسبب في انهيارها وفشلها.

ولجعل هذه النتائج مفيدة لمديري المناجم، أنشأ الباحثون مخططين بسيطين يعملان كدليل للتعدين الآمن. تقسم هذه المخططات ظروف التعدين إلى ثلاث مناطق: مستقرة، ومستقرة مع دعم، وغير مستقرة. إذا وقع مخطط التعدين في المنطقة المستقرة، فإن الأعمدة تكون قوية بما يكفي للوقوف بمفردها دون أي مساعدة إضافية. وإذا وقع في المنطقة الوسطى، فإن الأعمدة لا تزال آمنة، ولكن فقط إذا أضاف العمال دعماً اصطناعيًا مثل البراغي والشبكات السلكية. أما إذا وقع المخطط في المنطقة غير المستقرة، فإن الأعمدة من المرجح أن تفشل، ولا ينبغي استخدام نمط التعدين هذا على الإطلاق. وأظهرت المخططات أنه بالنسبة للصخور الأضعف، كان الخيار الوحيد الآمن هو استخدام غرف أصغر وملئها بالصخور العادمة. أما بالنسبة للصخور الأقوى، فقد كانت الغرف الأكبر ممكنة، ولكن فقط إذا كانت جودة الصخور عالية بما يكفي.

لم يتوقف الفريق عند عمليات المحاكاة الحاسوبية؛ بل تحققوا من تنبؤاتهم الرقمية مقابل بيانات حقيقية من المنجم. قاموا بتركيب أجهزة استشعار في الأعمدة الفعلية لقياس الضغط المتزايد بمرور الوقت وتتبع مدى حركة سقف الأنفاق. تطابقت القياسات الواقعية مع النماذج الحاسوبية بشكل وثيق، مما أكد دقة تنبؤاتهم. أظهرت أجهزة الاستشعار أن الضغط على الأعمدة يزداد ببطء وثبات، دون حدوث طفرات مفاجئة وخطيرة، مما منح الباحثين الثقة في موثوقية نماذجهم. ومن خلال تطبيق هذه المخططات الجديدة على أقسام محددة من المنجم، نجحوا في تقديم المشورة للمديرين حول الأماكن التي يجب فيها ملء الغرف والأماكن التي يمكن تركها فارغة. في أحد الأقسام ذات الصخور الأضعف، أوصوا بملء الغرف، وعمل المنجم بأمان. وفي قسم آخر ذي صخور أقوى، أوصوا بعدم الملء، وصمدت الأعمدة بقوة دون مواد إضافية.

يوفر هذا العمل أداة واضحة وعملية لمهندسي المناجم الذين يجب عليهم الموازنة بين الرغبة في استخراج المزيد من الخام والضرورة القصوى للحفاظ على سلامة العمال. وهو يثبت أنه لا توجد طريقة واحدة "مثلى" للتعدين؛ فالنهج الصحيح يعتمد تمامًا على القوة المحددة للصخور في ذلك الموقع. ومن خلال استخدام هذه الإرشادات الجديدة، يمكن لمشغلي المناجم اتخاذ قرارات مدروسة بشأن أحجام الغرف وأنظمة الدعم، مما يضمن بقاء الأنفاق الطويلة المستخدمة للوصول إلى الأجزاء العميقة من المنجم مفتوحة وآمنة لفترة طويلة. وتشير الدراسة إلى أن تجاهل جودة الصخور أو محاولة التلاعب في معايير الدعم يمكن أن يؤدي إلى الفشل، ولكن اتباع المخططات القائمة على البيانات يسمح باستخراج آمن وفعال لموارد الأرض.