Long-Distance Impact Detonation of Energy-concentrating Interval Charges and Its Application in Tunnel Blasting

في أعماق الأرض، حيث تُنحت الأنفاق عبر الصخور الصلبة، تعتمد أعمال التنقيب على توازن دقيق بين القوة والدقة. ولتفتيت الصخور دون تحطيم جدران النفق أو هدر الطاقة، يستخدم المهندسون غالبًا تقنية تسمى "الشحن بالوسادة الهوائية" (air-deck charging). فبدلاً من ملء ثقب الحفر بالمتفجرات بالكامل، يتركون فجوات صغيرة من الهواء بين أقسام الشحنة؛ حيث يسمح هذا الترتيب لطاقة التفجير بالانتشار بشكل أكثر تجانسًا، مما يمنح الصخور فرصة أفضل للتصدع بشكل نظيف بدلاً من التفتت. ولعقود من الزمن، كانت الطريقة القياسية لتشغيل هذه الشحنات المنفصلة هي استخدام حبل رفيع ومرن مملوء بالمتفجرات عالية القدرة، يمتد على طول الثقب. ورغم فعاليتها، إلا أن هذه الطريقة معقدة في التركيب وتنطوي على مخاطر أمنية كبيرة. وفي السنوات الأخيرة، سعى المهندسون إلى إيجاد بديل أكثر أمانًا وموثوقية يمكنه تشغيل عدة أقسام متفجرة من نقطة واحدة دون الحاجة إلى حبال طويلة وهشة.

لقد استكشف فريق من الباحثين من جامعة شاندونغ للعلوم والتكنولوجيا وعدة مجموعات لإنشاء السكك الحديدية نهجًا جديدًا يستبدل الحبل التقليدي بنبضة مركزة من المعدن. ويركز عملهم على جهاز يقوم، عند تشغيله، بتوليد نفث معدني عالي السرعة ينتقل عبر ثقب النفق ليصطدم بالقسم التالي من المتفجرات. ويكمن التحدي في المسافة؛ فبينما ينتقل النفث المعدني، فإنه يتباطأ ويتشتت، تمامًا مثل تيار مائي يفقد ضغطه أثناء ابتعاده عن الخرطوم. أراد الباحثون معرفة المسافة الدقيقة التي يمكن للنفث المعدني قطعها قبل أن يصبح ضعيفًا جدًا بحيث لا يعود قادرًا على تشغيل الانفجار التالي، وما إذا كان بإمكانه تشغيل سلسلة من المتفجرات بشكل موثوق في بيئة نفق حقيقية.

وللإجابة على هذه الأسئلة، جمع الفريق بين النمذجة الحاسوبية المتقدمة والاختبارات الميدانية الفيزيائية. بدأوا بمحاكاة سلوك النفث المعدني أثناء تشكله وانتقاله عبر أنبوب فولاذي، والذي يحاكي ظروف ثقب الحفر في الأنفاق. وباستخدام برامج قوية، تتبعوا سرعة النفث والضغط الذي مارسه على المادة المتفجرة التي اصطدم بها. وكشفت عمليات المحاكاة أن النفث المعدني يتحرك بسرعة أكبر من الموجة الصدمية الناتجة عن الانفجار الأولي، ليصل إلى الشحنة التالية أولًا. وعندما يصطدم النفث بالمادة المتفجرة، فإنه يخلق بقعة صغيرة مكثفة من الحرارة والضغط، تُعرف باسم "البقعة الساخنة" (hot spot)، والتي تشعل المادة. وأظهرت النماذج الحاسوبية أن هذه العملية تعمل بشكل موثوق عبر مسافات تصل إلى 2.49 متر نظريًا، رغم أن الباحثين أشاروا إلى أن الظروف الواقعية قد تقلل من ذلك قليلاً.

ثم انتقل الفريق من الحاسوب إلى أرض الواقع لاختبار هذه النتائج. قاموا ببناء نموذج باستخدام أنابيب فولاذية غير درزية لمحاكاة القيود الضيقة لثقب تفجير النفق. ووضعوا أقسامًا من متفجرات المستحلب (emulsion explosive)، وهي نوع شائع الاستخدام في التعدين، على فترات محددة. تم تجهيز أحد الأقسام ببطانة خاصة على شكل مخروط مصممة لتركيز الانفجار في نفث معدني، بينما كانت الأقسام اللاحقة تنتظر التشغيل. في المجموعة الأولى من الاختبارات، وضعوا المتفجرات على مسافة 2.35 متر؛ وكانت النتيجة ناجحة، حيث قطع النفث المعدني المسافة كاملة، واصطدم بالشحنة الثانية، وتسبب في انفجارها دون فشل. وفي مجموعة ثانية من الاختبارات، رتبوا أربعة أقسام من المتفجرات مع وجود فجوات بطول متر واحد بينها؛ نجح النفث المعدني في تشغيل الأقسام الثلاثة الأولى، وحتى عندما بدأ النفث في التفكك، كانت الموجة الصدمية الناتجة عن الأقسام المنفجرة قوية بما يكفي لتشغيل الشحنة الأخيرة.

أكدت هذه التجارب أن النفث المعدني يمكنه تشغيل المتفجرات بشكل موثوق عبر مسافات طويلة، وهو ما يتجاوز بكثير قدرات الاختبارات السابقة قصيرة المدى. ووجد الباحثون أنه مع زيادة المسافة، تنخفض سرعة النفث، مما يؤدي بدوره إلى زيادة الوقت المستغرق لبدء الانفجار. ومع ذلك، حتى عند أقصى مسافة تم اختبارها وهي 2.35 متر، احتفظ النفث بما يكفي من الطاقة لتشغيل الانفجار. ويشير هذا الاكتشاف إلى أن هذه الطريقة قوية بما يكفي لاستبدال حبل التفجير التقليدي في العديد من سيناريوهات حفر الأنفاق.

وقد تم إثبات الآثار العملية لهذا الاكتشاف في مشروع نفق حقيقي. حيث استبدل فريق الإنشاءات حبال التفجير القياسية بهذه الأجهزة المركزة للطاقة لعشر دورات تفجير منفصلة. وكانت النتائج فورية وقابلة للقياس؛ فقد حسنت الطريقة الجديدة من استقرار التفجير، مما يعني استخدام الثقوب بشكل أكثر فعالية لتفتيت الصخور. وتحديدًا، ارتفع معدل "أنصاف الثقوب" (half-holes) — وهي العلامات النظيفة والمرئية التي تتركها عمليات التفجير الدقيقة على جدار النفق — بنسبة تقارب 5% مقارنة بالطريقة التقليدية. علاوة على ذلك، قللت هذه التقنية الجديدة من تكلفة المواد الاستهلاكية بنحو 3,000 يوان لكل دورة، وذلك أساسًا من خلال إلغاء الحاجة إلى حبال التفجير المكلفة وتقليل الوقت المطلوب للتركيب. وتخلص الدراسة إلى أن طريقة التفجير بالاصطدام بعيد المدى هذه توفر وسيلة أكثر أمانًا وكفاءة واقتصادية لتفجير الأنفاق، مما قد يغير كيفية تعامل المهندسين مع عمليات التنقيب العميقة في المستقبل.