Stability analysis of surrounding rock and dam body of underground reservoir under the influence of faults

في أعماق الأرض، حيث استُخرج الفحم لعقود من الزمن، تظل مساحات شاسعة فارغة. هذه الغرف المجوفة، المعروفة باسم "الغوُاف" (goafs)، غالباً ما تُعتبر مخاطر، لكن المهندسين في المناطق التعدينية التي تعاني من ندرة المياه يرون فيها خزانات محتملة. ومن خلال تحويل هذه المساحات الجوفية المهجورة إلى خزانات تخزين، يمكن للمعدنين احتجاز المياه الجوفية ومياه المناجم، وتحويل ناتج ثانوي للاستخراج إلى مورد حيوي للإنتاج والترميم البيئي. ومع ذلك، فإن الصخور المحيطة بهذه المساحات ليست غلافاً صلباً وثابتاً؛ بل هي لغز جيولوجي معقد، غالباً ما تكون متصدعة بفعل الشقوق الطبيعية ومزاحة بفعل الصدوع الجيولوجية الضخمة — وهي انكسارات عميقة في قشرة الأرض حيث تنزلق الكتل الصخرية فوق بعضها البعض. وعندما يستمر التعدين بالقرب من هذه الصدوع، يهدد التوازن الدقيق للخزان الجوفي. فوزن الصخور فوقها، وضغط المياه المحتجزة بداخلها، وحركة الأرض نفسها، تتفاعل جميعها في رقصة خطيرة من القوى. وإذا فشلت الصخور، فقد ينهار الخزان أو يتسرب، مما يحول الحل إلى كارثة. إن فهم كيفية تغير هذه القوى وكيفية الحفاظ على استقرار الصخور هو الفرق بين مصدر مياه آمن وفشل كارثي.

لقد شرع الباحثون في فهم كيفية تأثير التعدين بالقرب من الصدع بدقة على استقرار مثل هذا الخزان الجوفي. وركزوا على سيناريو محدد حيث يتحرك وجه التعدين (المنطقة النشطة التي يُقطع منها الفحم) باتجاه خط صدع. وباستخدام محاكاة حاسوبية قوية، بنوا نموذجاً افتراضياً للبيئة تحت الأرض، مكتملاً بطبقات من الصخور، وخط صدع، وضغط المياه الموجود في أعماق الأرض. سمح لهم هذا النموذج بمراقبة سلوك الصخور بينما يتقدم وجه التعدين، خطوة بخوة، وكأنهم يشاهدون الأمر بالحركة البطيئة. وكان اهتمامهم منصباً بشكل خاص على الفرق بين التعدين على جانب واحد من الصدع مقابل الجانب الآخر، وكيف يتغير الإجهاد — وهو الضغط الداخلي داخل الصخر — كلما اقترب الحفر من الكسر في الأرض.

كشفت المحاكاة عن نمط واضح في كيفية تفاعل الصخور. فعندما يقترب وجه التعدين من الصدع من جانب واحد، يُعرف بـ "الجدار المعلق" (hanging wall)، يعمل الصدع نوعاً ما كحاجز، حيث يحجز بعض الإجهاد. في هذا السيناريو، يظل الصخر المحيط بمساحة تخزين المياه مستقراً نسبياً. ومع ذلك، يتغير الوضع بشكل دراماتيكي عندما يحدث التعدين على الجانب الآخر، وهو "الجدار السفلي" (footwall). هنا، لا يحجز الصدع الضغط، بل يقوم بتركيز الإجهاد. ومع تقدم وجه التعدين، يتراكم الضغط بشدة ضد خط الصدع. ويؤدي هذا التركيز إلى تشوه الصخور وتصدعها بسهولة أكبر، مما يخلق خطراً مرتفعاً لانهيار مساحة تخزين المياه. ووجد الباحثون أنه كلما اقترب التعدين من الصدع، وكلما صغر حجم عمود الفحم المتبقي بين المنجم والصدع، أصبح هذا الإجهاد أكثر حدة. وتبدأ الصخور في الاستسلام، مكونة منطقة من المواد المحطمة التي تتوسع نحو الخارج، مما يهدد سلامة الخزان.

ومع استمرار التعدين، تصبح التأثيرات على المياه نفسها بالغة الأهمية بقدر أهمية الإجهاد الواقع على الصخور. أظهرت المحاكاة أنه مع تشقق وتحرك الصخور بالقرب من الصدع، تفتح المسارات لتدفق المياه. ويبدأ ضغط المياه المسامية، وهو ضغط المياه المحتجزة في الفراغات الصغيرة بين حبيبات الصخر، في الارتفاع بسرعة على طول خط الصدع. وهذا الارتفاع ليس ثابتاً؛ بل يحدث في قفزات مفاجئة مع تكسر الصخور وتكون قنوات جديدة. وعندما تعمل جبهتان للتعدين بالتتابع، يكون الاضطراب أكبر؛ حيث يتسبب المرور الثاني للتعدين في ارتفاع الضغط مرة أخرى، مما يخلق قناة مباشرة لاندفاع المياه عبر الصدع إلى مساحة التخزين. هذا الارتفاع المفاجئ في تدفق المياه، مقترناً بضعف الصخور، يخلق عاصفة مثالية لعدم الاستقرار، مما قد يؤدي إلى خرق في احتواء الخزان.

ولمواجهة هذه المخاطر، اختبر الباحثون حلاً هندسياً محدداً ضمن محاكاتهم: تعزيز الصخور بالبراغي والكابلات. لقد قاموا بنمذجة تركيب قضبان وكابلات فولاذية يتم حفرها عميقاً في الصخر وشدها لتمسك الطبقات المتصدعة معاً. وكانت النتائج مذهلة؛ فبإضافة هذا التعزيز، تمكن الباحثون من تقليل حجم المنطقة المحطمة في الصخر بشكل كبير، حيث تقلصت مساحة فشل الصخور بأكثر من النصف، وتم الحفاظ على عمق الضرر عند مستوى يمكن السيطرة عليه. كما ساعد التعزيز في تقليل تركيز الإجهاد، مما أدى إلى توزيع الضغط بشكل أكثر توازناً عبر الكتلة الصخرية بدلاً من تركزها في نقطة واحدة خطيرة. والأهم من ذلك، أن نظام الدعم قلل من الحركة الرأسية للصخور، مما منع أرضية الخزان من الهبوط والتصدع بشكل أكبر، كما خفض ضغط المياه، مما أدى فعلياً إلى إغلاق المسارات التي قد تسمح للمياه بالاندفاع عبر الصدع.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما تشكل الصدوع تهديداً خطيراً لاستقرار الخزانات الجوفية، إلا أنه يمكن إدارة تأثيرها باستخدام النهج الهندسي الصحيح. ويكمن المفتاح في فهم السلوك المحدد للصخور على كلا جانبي الصدع وتطبيق دعم مستهدف قبل أن يصبح الضرر غير قابل للإصلاح. ومن خلال استخدام البراغي والكابلات لتقوية الصخور، يمكن للمهندسين التحكم في حركة الصدع ومنع الانطلاق المفاجئ لضغط المياه الذي يؤدي إلى الفشل. يوفر هذا العمل مساراً واضحاً لتصميم خزانات جوفية آمنة في المناطق المعرضة للصدوع، مما يضمن بقاء المياه المخزنة في أعماق الأرض آمنة ومتاحة للمجتمعات التي تعتمد عليها. وتقدم هذه النتائج مخططاً عملياً لتحويل التحديات الجيولوجية للتعدين إلى أساس مستقر للحفاظ على المياه.