Microscopic fatigue damage behaviour due to dry and wet cycling on the deterioration law of mechanical properties of coal bodies with different water saturation levels

في أعماق ما تحت سطح الأرض، حيث يعمل عمال مناجم الفحم، تبرز البيئة كمزيج قاسٍ من الوزن الساحق، والحرارة الشديدة، والضغط العالي. في هذه الطبقات العميقة، تتعرض الصخور المحيطة بعروق الفحم لإجهاد مستمر، وعندما يتواجد الماء، فإنه يغير قواعد اللعبة تماماً. فالماء ليس مجرد سائل خامل في هذه الأنفاق؛ بل يتسرب إلى الثقوب والشقوق الصغيرة داخل الصخر، ليعمل مثل الإسفين الذي يمكنه شق الأشياء أو إذابة "الغراء" الذي يمسك أجزاءها معاً. وعندما يرتفع مستوى الماء وينخفض بشكل متكرر — مما يؤدي إلى غمر الصخر بالماء ثم تركه ليجف — تخضع المادة لتحول بطيء وغير مرئي. إن دورة البلل والجفاف هذه هي ظاهرة شائعة في الطبيعة وفي عمليات التعدين، ومع ذلك، لا يزال تأثيرها طويل الأمد على استقرار الصخور لغزاً معقداً. إن فهم كيف يضعف هذا النقع والتجفيف المتكرر الفحم أمر بالغ الأهمية لمنع الانهيارات المفاجئة والخطيرة وضمان سلامة العاملين تحت الأرض.

لقد سعى باحثون من جامعة الصين للتعدين والتكنولوجيا وجامعة غويتشو لحل هذا اللغز من خلال فحص عينات الفحم بطريقة لم يسبق لها مثيل. فقد أخذوا كتلًا من الفحم من منجم عميق وأخضعوها لسلسلة صارمة من الاختبارات، تحاكي دورات الأمطار والجفاف الطبيعية التي تحدث على مدى سنوات، ولكن تم ضغطها في إطار مختبري. أنشأ الفريق أربع مجموعات من عينات الفحم وأخضعها لصفر، أو ثلاث، أو ست، أو تسع دورات من النقع في الماء لمدة يومين، ثم التجفيف في فرن لمدة يوم واحد. ولرؤية ما يحدث داخل الصخر دون كسره، استخدموا ماسحاً ضوئياً صناعياً قوياً، يشبه التصوير المقطعي المحوسب (CT scan) الطبي ولكن بدقة أعلى بكما، لبناء خريطة ثلاثية الأبعاد للمسام والشقوق الصغيرة داخل كل عينة. كما استخدموا تقنية تقيس مدى التصاق غاز النيتروجين بسطح الفحم لعد المسام المجهرية، وفحصوا العينات تحت المجهر لرؤية التغيرات الفيزيائية على مستوى الحبيبات. وأخيراً، اختبروا مدى قوة الفحم عن طريق قذفه بصدمات عالية السرعة مع الضغط عليه من جميع الجوانب، لمحاكاة الظروف العنيفة في منجم عميق.

وما اكتشفوه كان قصة تبدأ بالتمدد الأولي يليه انهيار مفاجئ. فمع زيادة عدد دورات البلل والجفاف، لم يضعف الفحم ببساطة بشكل خطي؛ بل مرت بنيته الداخلية بتطور دراماتيكي. في المراحل الأولى، تسبب الانتفاخ والانكماش المتكرر في فتح شقوق جديدة واتصال الشقوق الموجودة، مما جعل الصخر أكثر مسامية وشبكته الداخلية أكثر تعقيداً. ومع ذلك، بعد نقطة معينة، ارتدت هذه العملية بنتائج عكسية؛ إذ أدى الإجهاد المستمر الناتج عن الانتفاخ والانكماش إلى كسر الجسور الصغيرة بين جزيئات الفحم، مما أدى إلى انهيار بنية المسام. ووجد الباحثون أن الحجم الإجمالي للثقوب ومساحة سطح الشقوق نما أولاً مع زيادة الدورات، لكنهما بدآ في التقلص مع انهيار البنية الداخلية وسد بعض الثقبات الصغيرة بواسطة المعادن التي ذابت ثم ترسبت مجدداً. وهذا يعني أنه بينما تعرض الفحم لمزيد من الضرر، فإن طبيعة ذلك الضرر تغيرت من شبكة من الشقوق المفتوحة والمتصلة إلى فوضى منهارة وأكثر عشوائية.

كان تأثير هذا التغيير الهيكلي على قوة الفحم شديداً ويمكن التنبؤ به. فقد وجد الفريق أنه كلما زادت الدورات التي يتحملها الفحم، قلّت القوة التي يمكنه مقاومتها قبل الكسر. لم يكن هذا الضعف خطياً؛ بل اتبع منحنى محدداً حيث انخفضت القوة بحدة في البداية ثم استمرت في التراجع بشكل أكثر تدريجياً. وكان هذا التأثير أكثر وضوحاً عندما يكون الفحم مشبعاً تماماً بالماء؛ إذ كانت عينات الفحم المشبعة بالماء أضعف بكثير من العينات الجافة، وعمل وجود الماء داخل المسام مثل مكبس هيدروليكي، يدفع الشقوق لفتحها من الداخل ويجعل الصخر يفشل بسرعة أكبر تحت الضغط. ولاحظ الباحثون أن الطاقة المطلوبة لكسر الفحم تناقصت مع زيادة الدورات، مما يعني أن الصخر أصبح أسهل في التدمير. وعندما كان الفحم مشبعاً، امتص طاقة أكبر أثناء الاصطدام لأن الماء بداخله دفع الشقوق للانتشار بشكل أكبر، ولكن ذلك جاء على حساب الاستقرار العام.

ولفهم سبب حدوث ذلك، نظر الفريق بدقة في العمليات الكيميائية والفيزيائية الجارية. فقد وجدوا أن الماء يفعل أكثر من مجرد ملء الثقوب؛ فهو يهاجم كيميائياً المعادن التي تمسك الفحم معاً. إذ تذوب بعض المعادن، مثل الكالسيت، عند ملامستها للماء وثاني أكسيد الكربون، مما يضعف الروابط بين جزيئات الفحم. ومع ذوبان هذه المعادن، تفقد البنية تماسكها. علاوة على ذلك، يعزز الماء التفاعلات الكيميائية التي تخلق مجموعات جديدة غنية بالأكسجين على سطح جزيئات الفحم، مما يجعل المادة أكثر انجذاباً للماء وأقل استقراراً. هذا التراخي الكيميائي، جنباً إلى جنب مع الإجهاد الفيزيائي الناتج عن ضغط الماء داخل الشقوق، يخلق "عاصفة مثالية" للفشل. وقد استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية لنمذجة هذه العمليات، مما أكد أن الجمع بين الانتفاخ، والتحلل الكيميائي، وانهيار المسام، يتنبأ بدقة بالضعف الذي شاهدوه في المختبر.

إن الآثار المترتبة على هذه النتائج مباشرة وعملية لصناعة التعدين. تشير الدراسة إلى أنه في المناطق التي تتعرض فيها عروق الفحم لمستويات مياه متذبذبة، فإن الصخر لا يبتل فحسب، بل يتم تفكيكه بشكل منهجي من الداخل إلى الخارج. إذ تخلق دورات البلل والجفاف المتكررة حالة من "الإرهاق" تؤدي في النهاية إلى فقدان القوة الذي لا يمكن تجاهله. وبالنسبة لمهندسي المناجم، هذا يعني أن مجرد تصريف المياه ليس كافياً؛ بل يجب عليهم أيضاً مراعاة كيف تم إضعاف الصخر بفعل الدورات الماضية. ويوصي الباحثون باستخدام أنظمة دعم أقوى، مثل الجمع بين البراغي وطبقة من الخرسانة المرشوشة لسد سطح الصخر، مما يعزل الفحم بفعالية عن بيئة البلل والجفاف. ومن خلال فهم أن قوة الصخر تتدهور وفق نمط محدد وقابل للتنبؤ، يمكن لعمليات التعدين التنبؤ بمكان وزمان انهيار الأرض بشكل أفضل، مما يحول كارثة محتملة إلى تحدٍ هندسي يمكن إدارته.