Mining pressure law and strata movement of thick coal seam mining in isolated panel with multiple adjacent goafs

في أعماق ما تحت سطح الأرض، حيث الهواء رقيق والصخور ثقيلة، يواجه عمال المناجم معركة مستمرة ضد وزن الكوكب. فعندما يتم حفر نفق لاستخراج الفحم، تفقد طبقات الصخور التي تعلوه دعمها وتبدأ في التحرك والتشقق والاستقرار. هذا التحرك يخلق ضغطاً هائلاً على الجدران والأعمدة المتبقية من الفحم، وهي ظاهرة تُعرف باسم ضغط التعدين. وإذا لم يتم فهم هذا الضغط وإدارته، فقد يتسبب في انهيار الأرض فجأة أو يؤدي إلى انفجارات صخرية عنيفة تعرض الأرواح للخطر. لعقود من الزمن، تعلم المهندسون كيفية التنبؤ بهذه القوى في الأنفاق المستقيمة والبسيطة. ومع ذلك، مع نفاد الفحم سهل الوصول إليه، تضطر المناجم إلى الحفر في مناطق أكثر تعقيداً، حيث تترك وراءها غالباً جيوباً صغيرة ومعزولة من الفحم محاطة بمساحات فارغة حيث كانت توجد أنفاق أخرى. هذه "الألواح الجزيرية" تشبه جزرًا صغيرة في بحر من الكهوف الفارغة، وقواعد سلوك الصخور حولها أكثر تعقيداً وعدم قابلية للتنبؤ وأكثر خطورة من الأنفاق القياسية.

وضع باحثون في جامعة الصين للتكنولوجيا التعدينية خطة لفهم كيفية سلوك هذه الجيوب المعزولة والمعقدة بدقة عند تعدينها أخيراً. فقد ركزوا على موقع محدد في منجم "يانغ تشانغ وان" للفحم في شمال غرب الصين، حيث كانت هناك طبقة سميكة من الفحم محصورة بين عدة مناطق تم تعدينها سابقاً. كان الوضع معقداً: فالنفق الجديد كان محاطاً من ثلاثة جوانب بأنفاق قديمة وفارغة ذات أحجام وأعمار مختلفة، وكان يقع مباشرة فوق نفق آخر تم تعدينه قبل سنوات. ولتفسير هذا البيئة الفوضوية، بنى الفريق نوعين من النماذج. أولاً، استخدموا محاكاة حاسوبية قوية لتصور كيفية انتقال الإجهاد عبر الصخور، مع معاملة الأرض كمجموعة من الكتل التي تدفع وتشد بعضها البعض. ثان، قاموا ببناء نسخة مصغرة مادية للمنجم في المختبر، باستخدام طبقات من الرمل والجبس ومواد أخرى لمحاكاة الصخر الحقيقي، ثم قاموا بحفر "الفحم" بعناية لمراقبة كيفية استجابة الأرض فوق النموذج.

كشفت النتائج عن مشهد من الإجهاد بعيد كل البعد عن الانتظام. في المنجم النموذجي، قد يتراكم الضغط بشكل متساوٍ، ولكن هنا، كانت القوى غير متوازنة وشديدة. فبينما كان وجه التعدين يتحرك للأمام، لم يرتفع الضغط بسلاسة؛ بل اندفع بشكل دراماتيكي في نقاط محددة. وعندما اقترب وجه التعدين من نفق قديم معين جهة الشمال، تراكمت الطاقة في الصخر، مما تسبب في ارتفاع الضغط ليصل إلى 28 ميجاباسكال. هذا مقدار هائل من القوة، تركز بطريقة جعلت الصخر يشعر وكأنه يُعصر من عدة اتجاهات في آن واحد. وجد الباحثون أن الضغط لم يكن نفسه على كلا جانبي النفق. الجزء العلوي من منطقة التعدين، الأقرب إلى الأنفاق القديمة والأكبر حجماً، تحمل العبء الأكبر من الوزن، بينما الجزء السفلي، الواقع فوق النفق القديم الذي تم تعدينه بالأسفل، شهد في الواقع تحرراً من الضغط. وكأن النفق السفي قد عمل كـ "وسادة"، امتص بعض الوزن الذي كان من شأنه أن يسحق النفق الجديد.

تضمن أحد الاكتشافات الأكثر أهمية سمك طبقة الفحم نفسها. فقد مر النفق عبر قسم كان فيه الفحم بسمك ثمانية أمتار، ثم انتقل إلى قسم أصبح فيه بسمك خمسة أمتار فقط. هذا التغير في الارتفاع عمل مثل "عنق الزجاجة" للإجهاد. فبينما كان عمال المناجم ينتقلون من القسم السميك إلى القسم الرفيع، تكثف الضغط في الصخور أمامهم بشكل حاد. وأصبح منطقة الانتقال بؤرة لتركيز الإجهاد، حيث تكون الصخور أكثر عرضة للفشل. كما حدد الفريق طبقة صخرية محددة على ارتفاع سبعة عشر متراً فوق الفحم تعمل كـ "مفتاح" للنظام بأكته. هذه الطبقة الصلبة من الحجر الرملي هي التي تحكم كيفية حركة بقية الصخور فوقها. وعندما انكسرت هذه الطبقة أخيراً، أدت إلى سلسلة من التحركات التي حددت ضغط التعدين. وأظهر النموذج المادي أن هذه الطبقة لم تنكسر بشكل منتظم؛ بل تصدعت بنمط غير متماثل، حيث تطورت الشقوق بشكل أكثر عدوانية في جانب واحد أكثر من الآخر.

كما سلطت الدراسة الضوء على خطورة أعمدة الفحم المتروكة لدعم السقف. ففي المنطقة التي كان يتم فيها حفر النفق الجديد، فصل عمود ضيق من الفحم، عرضه أربعة عشر متراً فقط، العمل الجديد عن نفق قديم وفارغ. أظهرت عمليات المحاكاة أن هذا العمود كان تحت إجهاد شديد، حيث وصل إلى ذروات بلغت 34 ميجاباسكال في بعض النقاط. وهذا كان تقريباً ضعف الضغط الموجود في الصخور المحيطة. لاحظ الباحثون أن الإجهاد في هذا العمود لم يكن ثابتاً؛ بل كان يتغير ويزداد شدة كلما اقترب وجه التعدين من المساحة الفارغة. إن الجمع بين طبقات الصخور غير المنتظمة، والأحجام المختلفة للأنفاق الفارغة المجاورة، وتغير سمك الفحم، خلق "عاصفة مثالية" من عدم الاستقرار. لقد وفر النفق السفلي بعض التخفيف، لكن الأنفاق العلوية وتغير سمك الفحم خلقا مجال ضغط معقداً وغير متساوٍ جعل عملية التعدين أكثر خطورة بكثير من النفق القياسي.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل خريطة واضحة لكيفية سلوك ظروف التعدين الصعبة هذه. أكد الباحثون أن الضغط في هذه الجزر المعزولة ليس مجرد مسألة عمق، بل هو نتيجة للترتيب المحدد للأنفاق القديمة، وسمك الفحم، وقوة طبقات الصخور فوقها. ووجدوا أن الخطر يكون في أعلى مستوياته حيث يتغير سمك الفحم وحيث يُعصر النفق بين المساحات الفارغة القديمة. وتشير النتائج إلى أنه لتعدين هذه المناطق بأمان، يجب على المهندسين تعزيز الأعمدة الضيقة والاستعداد لانفجارات الضغط المفاجئة والشديدة، لا سيما في مناطق الانتقال. ومن خلال فهم أن الصخر يتصرف بشكل غير متماثل وأن الضغط يمكن تخفيفه في بعض المناطق بينما يتراكم بشكل خطير في مناطق أخرى، يمكن لمشغلي المناجم التخطيط لأنظمة الدعم الخاصة بهم بشكل أفضل. هذه المعرفة حيوية لاستخراج موارد الفحم المتبقية بأمان، وضمان ألا يفاجئ العالم ذو الهندسة المعقدة والخفية تحت الأرض عمال المناجم.