Design and field response analysis of double-sided staged hydraulic fracturing in gob-side entry under multi-layer hard roof condition

في أعماق الأرض، حيث يُستخرج الفحم، تخوض طبقات الصخور فوق المنجم صراعاً مستمراً. فعندما تُزال طبقة من الفحم، يجب على طبقات الصخور الثقيلة التي كانت تستند إليها يوماً ما أن تجد طريقة جديدة للاستقرار. وفي العديد من المناجم، تتكون هذه الطبقات العلوية من صخور صلبة وسميكة ترفض التفتت بسهء؛ فبدلاً من الانهيار في المساحة الفارغة التي تركها الفحم، تظل هذه السقف الصلب معلقة، مثل سقف ثقيل يرفض السقوط. ومع مرور الوقت، يضغط وزن هذه الصخور المعلقة على الأنفاق الضيقة المتبقية لنقل المعدات والأشخاص، مما يتسبب في ضغط جدران النفق نحو الداخل ورفع الأرضية للأعلى، مما يهدد بسحق الممر وإيقاف العمليات. وقد سعى المهندسون منذ زمن طويل لإيجحال طرق لإدارة هذا الضغط، غالباً عن طريق تعزيز النفق أو محاولة كسر الصخور قبل أن تصبح خطراً. ويكمن التحدي في معرفة أي طبقة من الصخور هي التي تسبب أكبر قدر من المشاكل وأين يجب تطبيق القوة لكسرها بأمان.

في منجم "ليمين" للفحم في الصين، واجه الباحثون نسخة معقدة من هذه المشكلة. كان المنجم يستخرج قطاعاً جديداً من الفحم بجوار منطقة تم تعدينها بالفعل، مما ترك شريطاً ضيقاً من الفحم يعمل كركيزة بين النفق النشط والمساحة الفارغة، وهو إعداد يُعرف باسم "مدخل جانب الغب" (gob-side entry). فوق هذا النفق، لم تكن طبقات الصخور موحدة؛ بل كانت تتكون من عدة طبقات صلبة، بعضها سميك وبعضها رقيق، وكلها متراكمة فوق بعضها البعض. كان على المهندسين تحديد أي من هذه الطبقات كانت تتحمل معظم الوزن وتتسبب في تشوه النفق. كما كان عليهم معرفة أين يجب حفر الثقوب بدقة لإضعاف الصخر دون التسبب في انهيار مفاجئ وخطير. ولحل هذه المشكلة، صمم فريق من جامعة لياونينغ التقنية خطة لاستخدام ضغط الماء لتفتيت الصخور بطريقة محكومة ومتدرجة، واختبار نظريتهم ميدانياً لمعرفة ما إذا كان ذلك يمكن أن يهدئ ضغط الأرض.

بدأ الباحثون بتحليل طبقات الصخور فوق المنجم، معتبرين إياها بمثابة عارضة واحدة سميكة توزع الوزن. وقاموا بحساب كيفية توزيع الحمل بين الطبقات المختلفة لتحديد أكثر ثلاث طبقات حرجاً. وأشار تحليلهم إلى أن إحدى الطبقات هي عبارة عن حجر رملي خشن يقع مباشرة فوق الفحم، وطبقة من الحجر الطميلي (siltstone) في مكان أعلى، وطبقة أخرى من الحجر الرملي السميك في مستوى أعلى أيضاً. كانت هذه الطبقات الثلاث هي المتهم الرئيسي في حمل وزن الجبل فوقها. ومع ذلك، أدرك الفريق أن هذه الطبقات لا تضغط جميعها في نفس النقطة؛ حيث تركزت الطبقات السفلى وزنها بالقرب من النفق مباشرة، بينما دفع الطبقة الأعلى من الثلاث طبقات وزنها بعيداً قليلاً نحو المساحة الفارغة للمنجم القديم. وهذا الاختلاف يعني أن نهجاً واحداً لن يفلح؛ إذ كانوا بحاجة إلى استراتيجية يمكنها استهداف ارتفاعات مختلفة ومواقع أفقية مختلفة في آن واحد.

ولاختبار فكرتهم، أنشأ الفريق محاكاة حاسوبية دقيقة للمنجم والصخور المحيطة به. قاموا بنمذجة استخراج الفحم وحركة طبقات الصخور لرؤية كيفية تراكم الإجهاد في مناطق مختلفة. وأكدت المحاكاة شكوكهم: فقد كانت ذروة الإجهاد للطبقات السفلى تقع بالفعل بجانب النفق، بينما انزاحت ذروة الطبقة المستهدفة العليا نحو المنجم القديم. سمحت هذه الرؤية بتصميم نمط حفر محدد؛ حيث قرروا حفر نوعين من الثقوب على كلا جانبي النفق: ثقوب قصيرة تستهدف طبقة الصخر السفلى، وثقوب طويلة تصل إلى الطبقات الأعلى. ومن خلال توزيع هذه الثقوب ومعالجتها في مقاطع، استطاعوا إضعاف الصخر بطريقة دقيقة وخطوة بخطوة. تضمنت الخطة حفر ثقوب في جدار الصخر الصلب وركيزة الفحم الضيقة، ثم استخدام ضغط الماء العالي لتفتيت الصخر في أجزاء معزولة، بدءاً من أسفل الثقب والعمل صعوداً.

وضع الفريق هذه الخطة موضع التنفيذ في قسم بطول 100 متر من النفق، حيث تم حفر ستة وثلاثين ثقباً في المجمل. واستخدموا أداة متخصصة لسد مقاطع صغيرة من كل ثقب وحقن الماء بضغط عالٍ لإحداث شقوق في الصخر. تكررت هذه العملية لكل مقطع من كل ثقب، مما ضمن إضعاف الصخر على طول امتداده بالكامل. وأثناء عملهم، قاموا بإنشاء شبكة من المستشعرات لمراقبة ما يحدث؛ حيث وضعوا أدوات لقياس مدى تحرك جدران النفق، وراقبوا الضغط على الدعامات الهيدروليكية التي تحمل السقف، واستمعوا إلى الأصوات الصغيرة لتفتت الصخور في الأعماق. وقارنوا هذا القسم المعالج بقسم غير معالج من النفق تم تعدينه سابقاً، ليتمكنوا من رؤية الفرق الذي أحدثه تفتيت الماء.

كانت النتائج مذهلة. ففي القسم غير المعالج، تحركت جدران النفق وأرضيته بشكل ملحوظ مع اقتراب وجه التعدين، حيث تقارب السقف والأرضية بمقدار 225 ملم تقرياً. وتحرك جانب النفق المجاور لركيزة الفحم بمقدار 180 ملم، بينما تحرك جانب الصخر الصلب بمقدار 125 ملم. أما في القسم الذي تم تفتيت الصخر فيه بالماء، فقد انخفضت الحركة بشكل كبير؛ حيث تحرك السقف والأرضية بنحو 22 ملم فقط، وتحرك جانب ركيزة الفحم بمقدار 18 ملم، وجانب الصخر الصلب بمقدار 12 ملم فقط. كما أظهرت الدعامات الهيدروليكية، التي تحمل وزن السقف، تحسناً واضحاً أيضاً؛ ففي المنطقة غير المعالجة، بلغ متوسط القوة على الدعامات 9,725 كيلو نيوتن، ولكن في القسم المعالج، انخفض هذا المتوسط إلى 8,943 كيلو نيوتن، أي بانخفاض قدره حوالي ثمانية بالمائة.

كما استمع الفريق إلى الصخر نفسه؛ ففي القسم غير المعالج، سجلت المستشعرات عدة أحداث عالية الطاقة، مما يشير إلى كسور كبيرة ومفاجئة في الصخر قد تكون خطيرة. أما في القسم المعالج، فقد كان النشاط أكثر هدوءاً، حيث رصدت المستشعرات فقط أحداثاً منخفضة الطاقة، وهي عبارة عن شقوق صغيرة ومتكررة تطلق الطاقة تدريجياً، دون تسجيل أي كسور كبيرة عالية الطاقة. كما فحص الباحثون داخل الثقوب بعد المعالجة وشاهدوا أدلة واضحة على أن الصخر قد تفتت كما هو مخطط له. وبينما أظهرت البيانات أن تفتيت الماء قد نجح في تقليل التشوه والحمل، لاحظ الفريق أن المقارنة لم تكن مثالية لأن القسمين تم تعدينهما في أوقات مختلفة وتحت ظروف مختلفة قليلاً. ولم يتمكنوا من عزل تأثير التفتيت عن كل متغير آخر، لكن الاتجاه العام كان واضحاً: فقد طابقت الاستجابة الميدانية أهداف التصميم، حيث تحرك الصخر بشكل أقل، وتحملت الدعامات وزناً أقل، وتم القضاء على الكسور الخطيرة عالية الطاقة.

توضح هذه الدراسة أنه من خلال فهم الطبقات المحددة للصخور فوق المنجم واستهدافها باستراتيجية حفر مخصصة، يمكن للمهندسين تحسين سلامة واستقرار الأنفاق تحت الأرض بشكل كبير. لقد أثبت نهج استخدام الثقوب الطويلة والقصيرة لمعالجة طبقات الصخر المختلفة في مواقع مختلفة فعاليته في تهدئة ضغط الأرض. وبينما أقر الباحثون بأن هناك حاجة لمزيد من البيانات لفصل آثار المعالجة عن العوامل الأخرى بشكل كامل، إلا أن الانخفاض في الحركة والحمل كان جوهرياً. ويوفر هذا العمل مرجعاً عملياً للمناجم الأخرى التي تواجه تحديات مماثلة مع الأسقف الصلبة والمعلقة، موضحاً أن التخطيط الدقيق والتنفيذ المحكم يمكن أن يحولا وضعاً جيولوجياً خطيراً إلى وضع يمكن السيطرة عليه.