Water Seepage Induced Deformation and Stability Control of Weakly Cemented Soft-Rock Roadway

في أعماق ما تحت سطح الأرض، حيث ينقب عمال المناجم في الفحم لشق أنفاق طويلة للوصول إلى طبقات غنية، لا تكون الأرض كتلة صلبة وغير قابلة للتغيير. ففي أمايات عديدة، تكون الصخور المحيطة بهذه الأنفاق لينة، هشة، ومتماسكة بفضل مادة لاصقة طبيعية ضعيفة. يُعرف هذا بالصخر الناعم ضعيف التماسك. وعندما تتسرب المياه عبر الأرض وتلامس هذه الصخور، تبدأ عملية بطيئة ولكنها مدمرة؛ إذ تعمل المياه كمذيب، فتذيب الروابط الضعيفة وتتسبب في انتفاخ المعادن داخل الصخر وتليينه، تماماً مثل الإسفنجة التي تمتص الماء. هذا التحول يحول الصخر من دعامة هيكلية إلى مادة طينية ضعيفة تكافح للحفاظ على شكلها. وبالنسبة للمهندسين المكلفين بالحفاظ على بقاء هذه الأنفاق تحت الأرض مفتوحة وآمنة، فإن هذا التفاعل بين الماء والصخر يمثل أحد أصعب التحديات التي يواجهونها. فإذا فشلت الصخور، يمكن للنفق أن ينهار، مما يؤدي إلى حصار المعدات والعمال، أو ببساطة يصبح ضيقاً جداً بحيث لا يمكن استخدامه.

لقد وضع باحثون من معهد (CCTEG) لأبحاث تعدين الفحم وجامعة هونان للعلوم والتكنولوجيا هدفاً لفهم كيفية حدوث هذا الفشل بدقة في منجم فحم محدد في نينغشيا بالصين. وقد ركزوا على نفق يُعرف باسم طريق النقل 110803، حيث تتكون الصخور المحيطة به من صخر طيني (argillaceous soft rock)، وهو نوع من المواد الغنية بالطين وحساس بشكل خاص للماء. وجمع الفريق بين عمليات التفتيش الميداني، والاختبارات المختبرية، والمحاكاة الحاسوبية لمراقبة سلوك النفق بمرور الوقت. واكتشفوا أن مشاكل النفق لم تكن تتعلق فقط بضعف الصخور، بل كانت تتعلق بتفاعل متسلسل محدد يحفزه الماء. تحتوي الصخور على كميات عالية من المعادن الطينية التي تتمدد عندما تبتل، مما يخلق ضغطاً داخلياً. وفي الوقت نفسه، تضعف المياه من قدرة البراغي المعدنية والكابلات المستخدمة لتثبيت الصخور في مكانها. لقد كان نظام الدعم الأصلي، الذي اعتمد على هذه البراغي، ببساطة غير قوي بما يكفي لمقاومة الصخور المنتفخة وفقدان التماسك الناتج عن الماء.

لاحظ الباحثون أن النفق لم يفشل دفعة واحدة، بل مر بثلاث مراحل متميزة من الحركة. أولاً، كانت هناك فترة من التغير السريع حيث بدأ السقف والأرضية يتحركان نحو بعضهما البعض بسرعة. تبع ذلك مرحلة من التشوه المتسارع، حيث زادت سرعة الحركة مع استمرار الصخور في التلين وبدء نظام الدعم في فقدان تماسكه. وأخيراً، تباطأت الحركة، لكنها لم تتوقف حقاً؛ إذ استمر النفق في التحرك والاستقرار لشهور، مما يشير إلى حالة من عدم الاستقرار طويل الأمد. في بعض أجزاء النفق، ارتفعت الأرضية للأعلى بأكثر من 700 ملم، بينما هبط السقف بنحو 300 ملم. كما انضغطت جوانب النفق نحو الداخل بأكثر من 600 ملم. كان هذا التشوه الهائل مدفوعاً بمجموعة من العوامل التي سماها الفريق "مياه واحدة وثلاث نقاط ضعف". "المياه الواحدة" كانت التسرب المستمر الذي أدى لتليين الصخور. و"نقاط الضعف الثلاث" كانت الأساس الضعيف حيث ثبتت البراغي، والطبقة الضعيفة التي نقلت قوة شد البراغي إلى الصخر، والقوة المنخفضة العامة للكتلة الصخرية نفسها.

ولحل هذه المشكلة، اقترح الفريق استراتيجية جديدة وصفوها بـ "عزل واحد وتقوية ثلاثية". تضمنت الخطوة الأولى، وهي العزل، منع وصول الماء إلى الصخور الناعمة. وقد حققوا ذلك عن طريق حقن "الجراوت" (مادة تشبه الإسمنت السائل) في عمق الصخور قبل وبعد حفر النفق لسد مصادر المياه. كما قاموا برش طبقة من الخرسانة فوق أسطح الصخور المكشوفة لإنشاء حاجز عازل للماء. أما الجزء الثاني من الاستراتيجية، فقد تضمن تقوية نظام الدعم بثلاث طرق محددة. فقد قاموا بتحسين أساس التثبيت باستخدام مواد خاصة مقاومة للماء يمكنها الإمساك بالصخر بقوة حتى في الظروف الرطبة. وقووا الطبقة التي تنقل قوة البراغي باستخدام صفائح أكبر وأكثر صلابة وطبقة خرسانية أكثر سمكاً. وأخيراً، زادوا من القوة الإجمالية للكتلة الصخرية باستخدام كابلات عالية القوة وحقن المزيد من "الجراوت" لربط الصخور معاً، مما خلق نظام دعم مغلقاً بالكامل يثبت السقف والجوانب والأرضية في مكانها.

عندما طبق الفريق هذا الأسلوب الجديد على النفق، كانت النتائج فورية ومذهلة. ففي الأجزاء التي كان فيها نظام الدعم القديم قائماً، استمر النفق في التشوه بشكل ملحوظ، حيث تحرك السقف والأرضية بنحو نصف متر خلال بضعة أشهر. وفي المق المقابل، أظهرت الأجزاء التي عززت بأسلوب "العزل الواحد والتقوية الثلاثية" الجديد حركة شبه معدومة؛ حيث تحرك السقف والأرضية بأقل من 50 ملم خلال فترة 80 يوماً، وتحركت الجوانب بنحو 30 ملم فقط. كما انخفض انفصال الصخور (وهي الفجوة التي تتكون بين طبقات الصخر أثناء تباعدها) إلى جزء ضئيل جداً مما كان عليه سابقاً. ظلت البراغي والكابلات ثابتة، وحافظ النفق على شكله. أثبتت الدراسة أنه من خلال فهم الطريقة المحددة لتفاعل الماء والصخور الناعمة، ومن خلال تصميم نظام دعم يعالج كلاً من الماء ونقاط الضعف الهيكلية، يمكن للمهندسين الحفاظ على استقرار وسلامة هذه الأنفاق العميقة تحت الأرض على المدى الطويل. ويقدم هذا النهج مساراً واضحاً لعمليات التعدين في المناطق التي تهدد فيها المياه والصخور الناعمة استقرار الأرض.