Elastic Strain Energy Redistribution and Ground Control through Large Diameter Borehole Pressure Relief in a Coal Roadway under Intense Mining Disturbance

في أعماق الأرض، حيث يحفر عمال المناجم أنفاقاً للوصول إلى طبقات الفحم الثمينة، تقع الصخور تحت ضغط هائل. هذا الضغط ليس ساكناً؛ بل هو قوة حية تتبدل وتندفع، خاصة عندما تخترق الآلات الثقيلة الصخور في مكان قريب. عندما يُحفر نفق، فإن الصخر الذي كان يحمل يوماً وزن الجبل فوقه يُقطع فجأة. تحاول الصخور المتبقية إيجاد توازن جديد، وغالباً ما تنقل وزنها نحو جدران النفق وسقفه. وفي المناجم العميقة، يمكن أن يكون هذا التحول عنيفاً. فالصخر يخزن الطاقة مثل زنبرك ملفوف، وإذا تحررت هذه الطاقة بسرعة كبيرة أو بشكل غير متساوٍ، يمكنها أن تحطم جدران النفق، وتسحق دعامات الفولاذ، وتحاصر العمال. لعقود من الزمن، حاول المهندسون إدارة ذلك عبر تعزيز النفق بالبراغي والصلب، ولكن أحياناً لا يكفي إضافة المزيد من القوة؛ فالصخر ببساطة يدفع بقوة أكبر. لذا، فإن التحدي لا يكمن فقط في تثبيت الصخر في مكانه، بل في توجيه كيفية تحرير طاقته المخزنة، وتحويل انفجار محتمل إلى تحول محكوم ويمكن إدارته.

وضع باحثون من جامعة الصين للتكنولوجيا التعدينية هدفاً لحل هذه المشكلة لنفق محدد، وهو طريق نقل الفحم 50502 في منجم نانغو للفحم. كان هذا النفق يعاني؛ فرغم امتلاكه نظام دعم قياسي من البراغي والأسلاك الفولاذية، كانت الجدران تتقوس والأرضية ترتفع للأعلى تحت وطأة عمليات التعدين في الأعلى. اشتبه الفريق في أن الطريقة الحالية لـ "تخفيف الضغط" — وهي حفر ثقوب كبيرة في الصخر للسماح له بالاسترخاء — لم تكن دقيقة تماماً. أرادوا فهم كيف يغير حجم وعمق هذه الثقوب طريقة انتقال الطاقة عبر الفحم. وبدلاً من مجرد التخمين، قاموا ببناء نموذج حاسوبي مفصل للنفق والصخور المحيطة به، محاكيين عملية حفر ثقوب بأحجام وأعماق مختلفة. ثم راقبوا كيف تتحول الطاقة المخزنة في الصخر، بحثاً عن "النقطة المثالية" حيث يمكن للصخر أن يحرر إجهاده دون أن يتسبب في انهيار النفق.

ما وجدوه كان عملية توازن دقيقة. فعندما تحفر ثقباً في فحم شديد الإجهاد، فإنك تخلق منطقة من الصخر المحطم حول الثقب. تعمل هذه المنطقة المحطمة كمنطقة عازلة، تمتص بعض الإجهاد. ومع ذلك، فإن الصخر لا يختفي ببساطة؛ إذ يجب أن يذهب الإجهاد إلى مكان ما. اكتشف الباحثون أن حفر ثقب يدفع منطقة أعلى تركيز للطاقة بعيداً في عمق الفحم، بعيداً عن جدار النفق. وهذا أمر جيد، لأنه يبقي جدران النفق المباشرة بعيدة عن السحق. لكن هناك فخ؛ فإذا كان الثقب صغيراً جداً، فلن ينتقل الإجهاد بعيداً بما يكفي. وإذا كان الثقب كبيراً جداً، فإنه يدفع الكثير من الطاقة إلى عمق الصخر مما يخلق جيباً جديداً وخطيراً من الضغط العالي في باطن الأرض. وجد الفريق أن حجم الثقب مهم للغاية؛ فكلما زاد قطر الثقب، نمت منطقة الصخر المحطم، ولكن نمت أيضاً شدة جيب الطاقة المتكون في الداخل. لقد حددوا عتبة معينة: بمجرد أن تجاوز قطر الثقب 240 ملم، بدأ تركيز الطاقة العميق في الارتفاع بشكل حاد، مما شكل خطراً جديداً. وبالمثل، كان عمق الثقب حاسماً؛ فالثقوب التي كانت ضحلة جداً، بأقل من 12 متراً، فشلت في إبعاد الإجهاد بعيداً بما يكفي. ولم يبدأ خطر الطاقة بالقرب من جدار النفق في الانخفاض بشكل ملحوظ إلا عندما تجاوزت الثقوب عمق 12 متراً.

كما درست الدراسة خصائص الفحم نفسه. ووجدوا أن "التماسك" (cohesion)، وهو مدى "لزوجة" الصخر، وزاوية انزلاق حبيبات الصخر ضد بعضها البعض، والمعروفة بـ "زاوية الاحتكاك الداخلي"، يعملان كمكابح طبيعية. فكلما كان الفحم أقوى وأكثر تماسكاً، صغرت منطقة تخفيف الضغط، مما يجعل تخفيف الضغط أمراً صعباً. وعلى العكس من ذلك، فإن الضغط الأعلى من الجبل في الأعلى أو الضغط الأفقي من الجوانب يجعل منطقة التخفيف أكبر. أدرك الباحثون أن مجرد حفر ثقب كبير ليس حلاً عالمياً؛ بل يجب ضبط المعايير لتناسب ظروف الصخور المحددة. وقد حددوا أنه بالنسبة للظروف في منجم نانغو، فإن قطر الثقب البالغ 180 ملم وعمق 20 متراً هو التوازن الأمثل. هذا الحجم كان كبيراً بما يكفي لكسر الإجهاد المباشر قرب الجدار، وصغيراً بما يكفي لمنع تراكم خطير للطاقة في عمق الأرض.

لاختبار هذه النظرية، طبق الفريق نمط الحفر المحدد هذا في قسم بطول 200 متر من النفق المتعثر. قاموا بحفر ثقوب بعمق 20 متراً، بتباعد متر واحد، ودمجوا ذلك مع نظام دعم معزز يتضمن هياكل دعامية خاصة لحمل السقف. كانت النتائج فورية وقابلة للقياس. قبل النظام الجديد، كانت أرضية النفق ترتفع بمقدار 300 ملم والجدران تضغط للداخل بمقدار 412 ملم، مما تسبب في أضرار جسيمة. بعد تركيب مخطط تخفيف الضغط والدعم الجديد، انخفض ارتفاع الأرضية إلى 231 ملم، وانخفض تقارب الجدران بشكل حاد إلى 181 ملم فقط. كما انخفض انضغاط السقف إلى الأرض بمقدار 190 ملم إلى 144 مً، أي انخفاض بنسبة الربع تقريباً، ولكن التحسن الأكثر دراماتيكية كان في الجدران الجانبية، التي استقرت بأكثر من النصف. وخلص الباحثون إلى أن المفتاح لسلامة هذه الأنفاق العميقة وعالية الإجهاد ليس فقط في تثبيت الصخر أو حفر الثقوب، بل في فهم كيفية انتقال الطاقة. فمن خلال الاختيار الدقيق لحجم وعمق ثقوب تخفيف الضغط، يمكن للمهندسين توجيه طاقة الصخر إلى موقع آمن، مما يسمح للنفق بالتنفس دون الانهيار. يقدم هذا النهج مساراً واضحاً للمناجم التي تواجه ضغطاً مكثفاً مماثلاً، مما يثبت أن فهم التدفق الخفي للطاقة لا يقل أهمية عن البراغي الفولاذية التي تثبت السقف.