Study on the properties and reasonable width of a phosphogypsum backfill body for gob-side entry retaining in a thick coal seam

في أعماق الأرض، حيث ترقد طبقات الفحم بانتظار استخراجها، يواجه المهندسون معضلة مستمرة ومكلفة. فعندما يتم استخراج طبقة من الفحم، يميل السقف الذي يعلوها طبيعيًا إلى الانهيار. وللحفاظ على سلامة الأنفاق للعمل المستقبلي، يترك عمال المناجم تقليديًا جدرانًا سميكة من الفحم غير المستخرج لدعم السقف. وبينما يحافظ هذا على استقرار الأرض، فإنه يترك أيضًا جزءًا كبيرًا من المورد الثمين محبوسًا للأبد، عالقًا تحت الأرض كإجراء للسلامة. وهناك بديل أكثر كفاءة، يُعرف باسم "تثبيت مدخل جانب الفجوة" (gob-side entry retaining)، يتضمن حفر نفق جديد بجوار حافة المساحة الفارغة التي خلفتها عملية التعدين السابقة مباشرة. وبدلاً من ترك جدار من الفحم، يبني المهندسون جدارًا اصطناعيًا باستخدام مادة حشو خاصة. يدعم هذا الحاجز المصنوع يدويًا السقف بنفس كفاءة عمود الفحم، ولكنه يسمح للعمال باستخراج كل الفحم تقريبًا من الطبقة، محولين ما كان يُعتبر سابقًا نفايات إلى أرباح. ويكمن التحدي في إيجاد مادة قوية بما يكفي لحمل الأرض، وسهلة التدفق بما يكفي لضخها في المساحات الضيقة، وتكلفتها أقل من الخيارات التقليدية.

في منجم فحم في غويتشو بالصين، كان الباحثون يختبرون حلاً يحول مشكلة صناعية إلى أصل تعديني. تنتج المنطقة كميات هائلة من الفوسفوجيبسوم، وهو منتج ثانوي لتصنيع الأسمدة، والذي عادة ما يستقر في أكوام ضخمة تستهلك مساحات شاسعة من الأراضي. وتشكل هذه المادة مخاطر بيئية، بما في ذلك احتمال تلوث المياه الجوفية بالفلوريد والعناصر المشعة. وقد طرح الفريق، الذي يقوده مهندسون من معهد غويتشو للتكنولوجيا ومشغلو المناجم المحليون، سؤالاً بسيطًا: هل يمكن تحويل هذا المنتج العادم الوفير إلى المادة المثالية لبناء هذه الجدران النفقية الاصطناعية؟ لقد جمع بحثهم بين التجارب المختبرية والنمذجة الحاسوبية المعقدة لتحديد ليس فقط ما إذا كانت المادة تعمل، بل وأيضًا تحديد مدى السمك الذي يجب أن يكون عليه الجدار لضمان السلامة.

بدأ الباحثون بمعالجة الفوسفوجيبسوم الخام، الذي يصل في شكل مسحوق جاف من البلورات المتورقة، وتحويله إلى مادة بناء قابلة للاستخدام. وخلطوه بالماء وكميات صغيرة من الإضافات الكيميائية المصممة لجعل الخليط يتدفق بسلاسة ويتصلب بالسرعة المطلوبة. وفي المختبر، اختبروا عشرات المتغيرات، وعدلوا كميات مادة تسمى "الملدن الفائق" (superplasticizer) لتحسين التدفق، وكمية "القلوية" للتحكم في سرعة تصلب الخليط. ووجدوا أن مزيجًا محددًا هو الأفضل: بيئة منخفضة القلوية مقترنة بجرعة دقيقة من المادة الكيميائية المعززة للتدفق. سمحت هذه الوصفة للخليط بأن يظل سائلًا بما يكفي لضخّه في المساحة الضيقة بين جدار النفق والمنجم الفارغ، ومع ذلك تصلب ليصبح هيكلًا صلبًا بقوة ضغط تبلغ 12.5 ميجاباسكال بعد 28 يومًا. وكانت هذه القوة كافية لتلبية معايير السلامة الصارمة المطلوبة في التعدين تحت الأرض، مما أثبت أن النفايات المحلية يمكن أن تعمل بالفعل كبديل قابل للتطبيق لمواد الحشو التقليدية.

ومع تحديد خصائص المادة، انتقل الفريق إلى مسألة الحجم. ففي التعدين، كل متر من العرض له قيمته. فالجدار الأعرض أكثر أمانًا ولكنه يتطلب المزيد من المواد ويترك مساحة أقل لاستخراج الفحم. أما الجدار الأضيق فيوفر الموارد ولكنه يخاطر بالانهيار. ولإيجاد النقطة المثالية، استخدم الباحثون نهجين رياضيين مختلفين لتقدير الحمل الذي يجب أن يتحمله الجدار. اعتمد أحد الأساليب، الذي وصفوه بأنه أكثر تحفظًا وأمانًا، على حساب وزن طبقات الصخور فوق النفق وكيف سيضغط هذا الوزن على الجدار الجديد. وقارنوا ذلك بمنهج ثانٍ نظر في كيفية تحرك أو استقرار كتل الصخور الفردية. وأظهرت الحسابات أن القوة المطلوبة للجدار تعتمد بشدة على سمك طبقة الفحم التي يتم تعدينها وعلى وزن الصخور فوقها. واكتشف الباحثون أن سمك طبقة الفحم هو العامل الأكثر تأثيرًا بمفرده؛ فكلما زاد سمك الطبقة، زادت القوة المطلوبة للجدار. كما لعبت عوامل أخرى، مثل عرض النفق نفسه والاحتكاك بين طبقات الصخور، دورًا ولكنها كانت أقل أهمية.

ولتصور كيفية سلوك الجدار في ظروف العالم الحقيقي، بنى الفريق محاكاة حاسوبية مفصلة لجيولوجيا المنجم. قاموا بنمذجة النفق، والصخور المحيطة، والجدار الاصطناعي، ثم راقبوا كيف تتحرك الأرض مع تغير عرض الجدار. واختبروا عروضًا تتراوح من أقل من متر إلى أكثر من ثلاثة أمتار. كشفت المحاكاة عن نمط واضح: عندما كان الجدار ضيقًا، تحركت الصخور على جانب النفق بشكل ملحوظ، حيث انضغطت نحو الداخل. ومع زيادة عرض الجدار، انخفضت هذه الحركة بشكل حاد. وكان التحسن الأكثر دراماتيكية عند نمو الجدار من 0.8 متر ضيق إلى 2.0 متر أكثر متانة. وما بعد 2.0 متر، أصبح انخفاض الحركة أقل بكثير، مما يشير إلى أن جعل الجدار أكثر عرضًا لن يقدم سوى عوائد متناقصة. أظهرت النماذج الحاسوبية أنه عند عرض 2.0 متر، يمكن للجدار دعم الصخور العلوية بفعالية، مما يحافظ على استقرار النفق دون إهدار للمواد.

تمتد تداعيات هذا الاكتشاف إلى ما هو أبعد من مجرد إبقاء النفق مفتوحًا. فمن خلال استخدام مادة رخيصة ومتوفرة محليًا، وتحديد أن عرض الجدار البالغ 2.0 متر كافٍ، يمكن للمنجم استعادة كمية أكبر بكثير من الفحم. وقد حسب الباحثون أنه من خلال تحسين عرض الجدار واستخدام هذه المادة الجديدة، يمكن للمنجم استعادة 9,681.1 طن إضافي من الفحم من وجه تعدين واحد مقارنة باستخدام جدار أوسع وأقل كفاءة. ويمثل هذا فائدة اقتصادية مباشرة، حيث يحول مشكلة التخلص من النفايات إلى مصدر لزيادة الإيرادات. وبينما تؤكد الدراسة أن المادة قوية وأن العرض آمن، يشير المؤلفون إلى أن هناك حاجة لمزيد من البحث لضمان المتانة طويلة الأمد للجدار وفهم كيفية تفاعل المادة مع المياه الجوفية على مدى سنوات عديدة. وفي الوقت الحالي، يوفر هذا العمل أساسًا تقنيًا متينًا لاستخدام هذا الناتج الصناعي الثانوي المحلي لجعل تعدين الفحم أكثر كفاءة وأقل هدرًا.