Zonal Synergistic Control of Surrounding Rock in Deep Soft-Rock Roadways Based on Strong–Weak Bearing Structures

صراع الجذب في أعماق الأرض

تخيل قشرة الأرض كبطانية ضخمة وثقيلة ملقاة فوق مرتبة ناعمة ومرنة. عندما نحفر نفقاً عبر هذه المرتبة للتنقيب عن الفحم، فنحن نقوم أساساً بسحب ثقب عبر البطانية. وزن البطانية الثقيل (الصخور فوقنا) يريد سحق الثقب وإغلاقه، بينما تحاول المرتبة الناعمة (الصخور المحيطة) الضغط نحو الداخل. هذا هو الصراع اليومي في التعدين العميق.

في عالم ميكانيكا الصخور، يعلم العلماء منذ زمن طويل أنه عندما تحفر نفقاً، فإن الصخور حوله لا تتكسر وتتوقف فحسب؛ بل تمر بتحول فوضوي. تبدأ قوية، ثم تصبح متضررة وضعيفة، وأخيراً تستقر في حالة "متبقية" حيث تظل محطمة ولكنها لا تزال قادرة على تحمل القليل من الوزن. فكر في الأمر مثل علبة صودا مجعدة: بمجرد سحقها، لا تعود بقوة العلبة الجديدة، لكنها لا تتحول فوراً إلى غبار. لا تزال تمتلك بعض السلامة الهيكلية. السؤال الكبير للمهندسين هو: كيف نبني نظام دعم يعمل مع هذه العلبة المجعدة، بدلاً من مجرد محاولة رفع الجبل بأكمله باستخدام عارضة واحدة ضخمة؟ إذا أخطأنا في ذلك، سينهار سقف النفق، ويرتفع الأرض، وتضغط الجدران نحو الداخل، مما يجعل المنجم غير آمن وغير قابل للاستخدام.

"ساندوتش" القوي-الضعيف-القوي

تتناول هذه الورقة مشكلة الحفاظ على استقرار أنفاق الصخور الناعمة العميقة من خلال اقتراح طريقة جديدة وذكية للنظر إلى الصخور المحيطة بالنفق. بدلاً من معاملة الصخر ككتلة واحدة فوضوية، يقترح المؤلفون التفكير فيه كـ "ساندوتش" مكون من ثلاث طبقات، حيث لكل طبقة وظيفة مختلفة.

المشكلة في الطريقة القديمة
تقليدياً، حاول المهندسون غالباً دعم النفق بمجرد تثبيت كل شيء بالبراغي أو ضخ الملاط (عجينة تشبه الإسمنت) في كل مكان. يرى المؤلفون أن هذا يخطئ الهدف. فقد وجدوا أن الصخور تنظم نفسها طبيعياً إلى ثلاث مناطق متميزة بعد حفر النفق، ومعاملة جميعها بنفس الطريقة يشبه محاولة استخدام مطرقة ثقيلة لإصلاح ساعة يد. فالصخور القريبة من الجدار تكون محطمة وضعيفة، والمنطقة الوسطى تحاول تماسك الأشياء معاً، والمنطقة العميقة لا تزال قوية ومستقرة.

نموذج "القوي-الضعيف" الجديد
طور المؤلفون نموذجاً رياضياً (باستخدام بعض الرياضيات المتقدمة تسمى نظرية المتغيرات المركبة) لإثبات أن الصخور تشكل ثلاث طبقات محددة:

1. الطبقة الداخلية الضعيفة: وهي الصخور الملاصقة لجدار النفق مباشرة. لقد تحطمت وهي في حالة "متبقية" — مثل علبة صودا مجعدة. إنها ضعيفة وتتشوه بسهولة.
2. الطبقة المتوسطة المستقرة: بالتحرك قليلاً نحو الخارج، تكون الصخور متضررة ولكنها لا تزال تحافظ على شكلها. تعمل كمنطقة عازلة، تنقل الإجهاد من الطبقة الداخلية الضعيفة إلى الطبقة الخارجية القوية.
3. الطبقة الخارجية القوية: في عمق الصخور، بعيداً عن النفق، لا تزال الصخور قوية وسليمة. هذه هي "الرافعة الحقيقية" التي تحمل الجبل.

تجادل الورقة بأن المفتاح لاستقرار النفق ليس مجرد حشو المزيد من البراغي في الطبقة الضعيفة؛ بل يتعلق بإنشاء نظام "تآزري مناطقي". وهذا يعني استخدام أدوات مختلفة لكل طبقة لمساعدتها على العمل معاً. الهدف هو منع الطبقة الضعيفة من التدهور، ومساعدة الطبقة الوسطى على نقل الحمل، والسماح للطبقة الخارجية القوية بالقيام بالعمل الشاق.

ما وجدوه: سحر "القوة المتبقية"
استخدم الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية (MATLAB و FLAC3D) لاختبار كيف تغير العوامل المختلفة هذه الطبقات. واكتشفوا عدة أمور حاسمة:

• "القوة المتبقية" هي المفتاح: حتى عندما تنكسر الصخور، فإنها تحتفظ ببعض القوة. كلما زادت "القوة المتبقية" للصخر المحطم، أصبحت الطبقات الثلاث أرق وأكثر أماناً. الأمر يشبه لو كانت علبة الصودا المجعدة مصنوعة من معدن أقوى قليلاً؛ فستحافظ على شكلها بشكل أفضل ولن تُسحق بسهولة.
• الضغط يزيد الأمر سوءاً: كلما كان النفق أعمق (إجهاد داخلي أعلى)، أصبحت هذه الطبقات أكثر سمكاً وخطورة. الإجهاد يدفع "المنطقة الضعيفة" إلى مسافة أبعد، مما يجعل استقرار النفق أصعب.
• الدعم يغير المعادلة: إضافة الدعم (مثل البراغي والملاط) لا يوقف حركة الصخور فحسب؛ بل يغير أيضاً شكل هذه الطبقات. إنه يضغط الطبقة الداخلية الضعيفة للداخل ويساعد الطبقة الخارجية القوية على تولي الحمل.

الاختبار الواقعي: منجم دينجي (Dingji Mine)
للتحقق مما إذا كانت هذه النظرية تعمل في العالم الحقيقي، اختبر الفريق نموذجهم في طريق صخري ناعم وعميق في منجم "دينجي" في الصين. صمموا نظام دعم محدداً بناءً على فكرة "الطبقات الثلاث":

• الحقن (Grouting): قاموا بضخ الملاط في الصخور بجوار جدار النفق مباشرة لتحويل "الطبقة الضعيفة" إلى شيء أقوى قليلاً.
• البراغي (Bolts): قاموا بتثبيت براغي فولاذية لربط "الطبقة المتوسطة" معاً.
• الكابلات (Cables): استخدموا كابلات فولاذية طويلة لتثبيت الصخور الضحلة بالطبقة الخارجية القوية والعميقة، مما سمح للصخور العميقة بحمل النفق فعلياً.

النتائج
كانت النتائج مبهرة. قبل تطبيق نظام الدعم الجديد هذا، كان النفق يتعرض لتشوهات سريعة. بعد تطبيق خطتهم "التآزرية المناطقية":

• المحاكاة الحاسوبية: أظهرت أن هبوط السقف انخفض بنحو 30%، وارتفاع الأرض انخفض بنسبة 31%، وانكماش الجدران انخفض بنسبة تقارب 49%. كما تقلصت منطقة الصخور المحطمة (المنطقة اللدنة) إلى حوالي متر واحد فقط.
• المراقبة الميدانية: راقبوا النفق لمدة 60 يوماً. كانت النتائج أفضل مما اقترحته المحاكاة. مقارنة بنفق غير مدعوم، انخفض هبوط السقف بنسبة 92.46%، وانخفض ارتفاع الأرض بنسبة 92.52%، وانخفض تقارب الجدران بنسبة 90.23%. توقف النفق عن التشوه واستقر بعد حوالي 28 يوماً.

الخلاصة
تخلص الورقة إلى أننا لا نحتاج إلى محاربة الصخور؛ بل نحتاج إلى فهم "شخصيتها". من خلال إدراك أن الصخور تشكل طبقة داخلية ضعيفة، وطبقة وسطى مستقرة، وطبقة خارجية قوية، يمكن للمهندسين تصميم أنظمة دعم تساعد هذه الطبقات على العمل معاً. بدلاً من مجرد رفع السقف، يقوم نظام الدعم بتفعيل قوة الصخور المتبقية للحفاظ على سلامة النفق. إنه تحول من استخدام القوة الغاشمة إلى استراتيجية ذكية وتعاونية تحول النفق المنهار إلى نفق مستقر.