Mechanical Deterioration and Micro-macro Damage Evolution Mechanisms of Underground Reservoir Coal-Pillar Dams Subjected to Drying-Wetting Cycles

المعركة الخفية تحت أقدامنا

تخيل قشرة الأرض ليس كأرضية صلبة وثابتة، بل كإسفنجة عملاقة مسامية مكونة من الصخور والفحم. في أعماق الأرض، ترك عمال المناجم وراءهم كهوفاً واسعة وفارغة تسمى "الغووف" (goafs) بعد انتهائهم من استخراج الفحم. ينظر العلماء الآن إلى هذه المساحات المهجورة كمنجم ذهب محتمل لنوع مختلف من الكنوز: تخزين الطاقة. الفكرة هي إغراق هذه المناجم القديمة بالمياه لإنشاء خزانات ضخمة تحت الأرض. عندما تشرق الشمس أو تهب الرياح، نضخ المياه للأعلى؛ وعندما نحتاج إلى الكهرباء، نتركها تندفع عائدة للأسفل لتدوير التوربينات. إنها خطة عبقرية لتخزين الطاقة المتجددة، ولكن هناك عقبة.

الجدران التي تحجز هذه البحيرة الضخمة تحت الأرض مكونة من أعمدة الفحم المتبقية. هذه الأعمدة تتعرض باستمرار للبلل ثم الجفاف مع ارتفاع وانخفاض مستويات المياه، وهي عملية يسميها العلماء "دورات التجفيف والترطيب". فكر في الأمر كإسفنجة تغمسها في الماء، ثم تعصرها، وتتركها تجف في الشمس، ثم تغمسها مرة أخرى. بمرور الوقت، يمكن لهذا البلل والتجفيف المتكرر أن يجعل الإسفنجة تتفتت. في عالم الجيولوجيا، يعد "تأثير الإسفنجة" هذا مصدر قلق كبير لأنه إذا ضعفت أعمدة الفحم أكثر من اللازم، فقد ينهار السد تحت الأرض بأكمله. تغوص هذه الورقة البحثية في كيفية حدوث هذا التفتت بالضبط، باستخدام أجهزة استماع عالية التقنية وماسحات مغناطيسية لرؤية ما يحدث داخل الفحم على المستوى المجهري.

قصة العمود المتفتت

إذاً، ماذا فعل الباحثون حقاً؟ لقد أخذوا قطعاً من الفحم من منجم حقيقي في الصين (منجم داليوتا للفحم) وأخضعوها لـ "علاج سبا" صارم كان في الواقع اختبار تعذيب. قاموا بنقع الفحم في الماء، وتجفيفه في فرن عند درجة حرارة 60 مئوية، وكرروا هذه الدورة حتى أربع مرات. بعد ذلك، قاموا بضغط كتل الفحم المبللة والجافة في آلة ضخمة تحاكي الضغط الثقيل للأرض فوقها (باستخدام ضغوط تبلغ 2، 4، 6، و8 ميجا باسكال). وأثناء الضغط، استمعوا إلى الفحم باستخدام ميكروفونات فائقة الحساسية (مستشعرات الانبعاث الصوتي) وأجروا "فحوصات رنين مغناطيسي" لداخل الفحم (باستخدام الرنين المغناطيسي النووي) لرؤية كيف تتغير الثقوب الصغيرة داخل الفحم.

إليكم ما وجدوه، وهو أمر صادم بعض الشيء: في المرة الأولى التي تنقع فيها الفحم وتجففه، يتلقى الضربة الأكبر.

لم يضعف الفحم قليلاً فحسب؛ بل ضعف بشكل ملحوظ فوراً. فبعد دورة واحدة فقط، انخفضت قدرة الفحم على التماسك (قوة الضغط) بنسبة 17% تقريباً في ظروف الضغط المنخفض. وبحلول الوقت الذي أنهوا فيه أربع دورات، انخفضت القوة بنسبة 33% تقريباً. الأمر يشبه قطعة البسكويت التي تصبح رطبة في المرة الأولى التي تغمسها فيها في الحليب؛ الغمسة الثانية والثالثة تجعلها أكثر طراوة، لكن الغمسة الأولى هي التي تفقدها قرمشتها. لاحظ الباحثون أيضاً أن "الغراء" الخاص بالفحم (المسمى التماسك) كان أول ما ذهب، حيث انخفض بنسبة 36% تقريباً بعد أربع دورات، بينما لم يتغير "قبضته" (زاوية الاحتكاك الداخلي) إلا قليلاً، حيث انخفضت بنسبة 3% فقط. يخبرنا هذا أن الماء يذيب المواد اللزجة التي تمسك جزيئات الفحم ببعضها البعض بسرعة أكبر بكثير مما يغير طريقة احتكاك الجزيئات ببعضها البعض.

لكن السحر الحقيقي حدث عندما استمعوا إلى "صراخ" الفحم أثناء ضغطه.

صوت التكسر:
استخدم الباحثون مستشعرات الانبعاث الصوتي (AE) للاستماع إلى الشقوق الصغيرة التي تتكون داخل الفحم. وجدوا أنه كلما مر الفحم بمزيد من دورات البلل والجفاف، بدأت "الصرخات" (الأصوات عالية السعة) تحدث في وقت أبكر بكثير من عملية الضغط. بعبارات بسية، استسلم الفحم وبدأ في التكسر مبكراً. كما تتبعوا رقماً يسمى "قيمة b"، وهو بمثابة تقرير درجات عن حجم الشقوق. القيمة العالية لـ b تعني وجود الكثير من الشقوق الصغيرة غير الضارة؛ والقيمة المنخفضة لـ b تعني وجود عدد أقل، ولكنها شقوق أكبر بكثير وخطيرة. وجدت الورقة أنه مع زيادة بلل وجفاف الفحم، انخفضت قيمة b. وهذا يشير إلى أن الفحم كان يتحول من تكوين مليون شق صغير يمكن السيطرة عليه إلى تكوين عدد قليل من الشقوق الضخمة والكارثية التي يمكن أن تسبب انهيار الهيكل بأكمله.

التحول الكبير: من التمزق إلى الانزلاق:
ربما كان الاكتشاف الأكثر إثارة للاهتمام هو كيفية تكسر الفحم فعلياً. في البداية، كان الفحم يميل إلى التكسر عن طريق التمزق (شقوق شد)، مثل تمزيق قطعة من الورق. ولكن بعد دورات متكررة من البلل والجفاف، تغير نمط الفشل تماماً. بدأ الفحم يتكسر عن طريق الانزلاق فوق بعضه البعض (شقوق قص)، مثل مجموعة من أوراق اللعب تنزلق عن الطاولة. استخدم الباحثون رسماً بيانياً خاصاً (RA مقابل AF) لإثبات ذلك. وجدوا أن نسبة كسور "الانزلاق" قفزت من حوالي 64% في الفحم الجاف إلى أكثر من 80% في الفحم الذي خضع لأربع دورات. لقد حول الماء هيكل الفحم الداخلي إلى منزلق زلق، مما جعله أكثر عرضة للانزلاق والفشل.

تأثير الإسفنجة المجهري:
أخيراً، نظروا داخل الفحم باستخدام الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، والذي يعمل كأشعة سينية للمياه والمسام. وجدوا أن الفحم يتكون في الغالب من ثقوب صغيرة (مسام مجهرية). ومع ذلك، عملت دورات البلل والجفاف مثل إزميل مجهري. إذ أذاب الماء الجزيئات المعدنية الصغيرة التي كانت تمسك هذه الثقوب الصغيرة معاً. ومع ذوبان هذه المعادن وتساقطها، اندمجت الثقوب الصغيرة وتوسعت لتصبح ثقوباً متوسطة وكبيرة. انخفضت نسبة المسام الصغيرة من 95.6% إلى 88.5%، بينما نمت المسام الكبيرة الخطيرة من نسبة ضئيلة بلغت 0.6% إلى 4.4%. الأمر كما لو أن الماء أكل الجدران بين الغرف الصغيرة، محولاً إياها إلى قاعة واحدة ضخمة وغير مستقرة.

الخلاصة

تشير هذه الورقة إلى أن الخطر الأكبر على هذه الخزانات الموجودة تحت الأرض ليس مجرد أن الفحم يصبح مبللاً، بل أن "الدورة" المتمثلة في البلل والجفاف تغير جوهرياً طريقة تكسر الفحم. إنه لا يضعف فحسب؛ بل يغير شخصيته. يتحول من مادة تتمزق إلى مادة تنزلق، ويبدأ في الفشل في وقت أبكر بكثير مما قد نتوقع. الدورات القليلة الأولى هي التي تسبب أكبر قدر من الضرر، حيث تذيب "الغراء" الداخلي وتحول المسام الصغيرة إلى نقاط ضعف كبيرة. وبينما يساعد الضغط الثقيل للأرض (الضغط المحيط) في إبقاء الفحم متماسكاً قليلاً، إلا أنه لا يستطيع منع هذا التحول بالكامل.

بالنسبة للمهندسين الذين يبنون محطات الطاقة تحت الأرض هذه، فإن النتيجة واضحة: لا يمكنك النظر إلى الفحم مرة واحدة فقط. يجب عليك أن تأخذ في الاعتبار حقيقة أنه في كل مرة يرتفع فيها مستوى الماء وينخفض، يصبح الفحم أكثر انزلاقاً وأكثر عرضة للانزلاق. المرات القليلة الأولى التي يحدث فيها ذلك هي الأكثر حرجاً، وإذا لم تصمم المشروع مع مراعاة هذا الضعف الأولي السريع، فقد يواجه النظام بأكمله خطراً. لا تقول الدراسة إن المشروع مستحيل، لكنها تقول إننا بحاجة إلى توخي الحذر الشديد بشأن مدى عرض تلك الأعمدة الفحمية للحفاظ على سلامة المياه والطاقة.