Water Seepage Induced Deformation and Stability Control of Weakly Cemented Soft-Rock Roadway

पृथ्वी की सतह के नीचे, जहाँ कोयला खनिक मूल्यवान परतों तक पहुँचने के लिए लंबे सुरंगों को खोदते हैं, ज़मीन एक ठोस, अडिग ब्लॉक नहीं होती है। कई स्थानों पर, इन सुरंगों के आसपास की चट्टान नरम, भुरभुरी और कमजोर प्राकृतिक गोंद से जुड़ी होती है। इसे कमजोर रूप से सीमेंटेड नरम चट्टान (weakly cemented soft rock) के रूप में जाना जाता है। जब पानी ज़मीन से रिसकर इस चट्टान को छूता है, तो एक धीमी लेकिन विनाशकारी प्रक्रिया शुरू हो जाती है। पानी एक विलायक (solvent) की तरह कार्य करता है, जो कमजोर बंधनों को घोल देता है और चट्टान के भीतर के खनिजों को स्पंज की तरह पानी सोखने के समान फुला देता है और नरम कर देता है। यह परिवर्तन चट्टान को एक संरचनात्मक सहारे से बदलकर एक कमजोर, कीचड़युक्त पदार्थ में बदल देता है जो अपना आकार बनाए रखने के लिए संघर्ष करता है। इंजीनियरों के लिए, जिनका काम इन भूमिगत सुरंगों को खुला और सुरक्षित रखना है, पानी और चट्टान के बीच यह परस्पर क्रिया सबसे कठिन चुनौतियों में से एक है। यदि चट्टान विफल होती है, तो सुरंग ढह सकती है, जिससे उपकरण और श्रमिक फंस सकते हैं, या सुरंग उपयोग के लिए बहुत संकीर्ण हो सकती है।

CCTEG कोल माइनिंग रिसर्च इंस्टीट्यूट और हुनान यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए प्रयास किया कि विशेष रूप से चीन के निंग्ज़िया में एक विशिष्ट कोयला खदान में यह विफलता वास्तव में कैसे होती है। उन्होंने 110803 ट्रांसपोर्ट रोडवे नामक एक सुरंग पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ आसपास की चट्टान अर्गिलेस सॉफ्ट रॉक (argillaceous soft rock) से बनी है, जो एक प्रकार की मिट्टी-समृद्ध सामग्री है और पानी के प्रति विशेष रूप से संवेदनशील है। टीम ने ऑन-साइट निरीक्षण, प्रयोगशाला परीक्षण और कंप्यूटर सिमुलेशन का संयोजन किया ताकि यह देख सकें कि समय के साथ सुरंग कैसे व्यवहार करती है। उन्होंने पाया कि सुरंग की समस्याएँ केवल चट्टान के कमजोर होने के बारे में नहीं थीं, बल्कि पानी द्वारा शुरू की गई एक विशिष्ट श्रृंखला प्रतिक्रिया (chain reaction) के बारे में थीं। चट्टान में मिट्टी के खनिजों की उच्च मात्रा होती है जो गीली होने पर फैलती है, जिससे आंतरिक दबाव पैदा होता है। साथ ही, पानी उन धातु के बोल्ट और केबलों की पकड़ को कमजोर कर देता है जिनका उपयोग चट्टान को थामे रखने के लिए किया जाता है। मूल सहायता प्रणाली, जो इन बोल्टों पर निर्भर थी, फैलती हुई चट्टान और पानी के कारण होने वाली पकड़ की कमी का मुकाबला करने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं थी।

शोधकर्ताओं ने देखा कि सुरंग एक बार में विफल नहीं हुई। इसके बजाय, यह गति के तीन अलग-अलग चरणों से गुजरी। पहले, एक तीव्र परिवर्तन का दौर था जहाँ छत और फर्श तेजी से एक-दूसरे की ओर बढ़ने लगे। इसके बाद त्वरण वाले विरूपण (accelerated deformation) का चरण आया, जहाँ आंदोलन और भी तेज हो गया क्योंकि चट्टान नरम होती रही और सहायता प्रणाली अपनी पकड़ खोने लगी। अंत में, गति धीमी हो गई, लेकिन यह वास्तव में कभी नहीं रुकी; सुरंग महीनों तक हिलती और बैठती रही, जो दीर्घकालिक अस्थिरता का संकेत था। सुरंग के कुछ हिस्सों में, फर्श 700 मिलीमीटर से अधिक ऊपर की ओर उभरा, जबकि छत लगभग 300 मिलीमीटर नीचे धंस गई। सुरंग के किनारों भी 600 मिलीमीटर से अधिक अंदर की ओर दब गए। इस विशाल विरूपण को टीम द्वारा "एक पानी और तीन कमजोरियाँ" कहे जाने वाले कारकों के संयोजन द्वारा संचालित किया गया था। "एक पानी" निरंतर रिसाव था जिसने चट्टान को नरम कर दिया। "तीन कमजोरियाँ" थीं—बोल्ट को एंकर करने वाला खराब आधार, वह कमजोर परत जो बोल्ट के कसने वाले बल को चट्टान तक स्थानांतरित करती थी, और स्वयं चट्टान की समग्र कम शक्ति।

इस समस्या को हल करने के लिए, टीम ने एक नई रणनीति प्रस्तावित की जिसे उन्होंने "एक अलगाव और तीन सुदृढ़ीकरण" (one isolation and three strengthening) कहा। पहला कदम, अलगाव (isolation), में नरम चट्टान को पानी के संपर्क में आने से रोकना शामिल था। उन्होंने सुरंग खोदने से पहले और बाद में पानी के स्रोतों को सील करने के लिए चट्टान में गहराई तक ग्राउट (एक तरल सीमेंट जैसा पदार्थ) इंजेक्ट करके इसे हासिल किया। उन्होंने उजागर चट्टानों की सतहों पर एक जलरोधी अवरोध बनाने के लिए कंक्रीट की एक परत भी छिड़की। रणनीति के दूसरे भाग में तीन विशिष्ट तरीकों से सहायता प्रणाली को मजबूत करना शामिल था। उन्होंने विशेष जलरोधी सामग्रियों का उपयोग करके एंकरिंग फाउंडेशन में सुधार किया जो गीली स्थितियों में भी चट्टान को मजबूती से पकड़ सके। उन्होंने बोल्ट के बल को स्थानांतरित करने वाली परत को बड़े, सख्त प्लेटों और कंक्रीट की एक मोटी परत का उपयोग करके मजबूत किया। अंत में, उन्होंने उच्च-शक्ति वाले केबलों का उपयोग करके और चट्टान को एक साथ बांधने के लिए अधिक ग्राउट इंजेक्ट करके चट्टान के द्रव्यमान की समग्र शक्ति को बढ़ाया। इससे एक पूर्णतः संलग्न सहायता प्रणाली बन गई जिसने छत, किनारों और फर्श को एक जगह थामे रखा।

जब टीम ने इस नई पद्धति को सुरंग पर लागू किया, तो परिणाम तत्काल और नाटकीय थे। जिन खंडों में पुरानी सहायता प्रणाली मौजूद थी, वहाँ सुरंग में महत्वपूर्ण विरूपण जारी रहा, जहाँ छत और फर्श कुछ महीनों में लगभग आधा मीटर तक हिल गए। इसके विपरीत, नए "एक अलगाव और तीन सुदृढ़ीकरण" विधि से सुदृढ़ किए गए खंडों में लगभग कोई हलचल नहीं देखी गई। 80 दिनों की अवधि में छत और फर्श 50 मिलीमीटर से कम हिले, और किनारों में केवल लगभग 30 मिलीमीटर का विस्थापन हुआ। चट्टान का पृथक्करण (rock separation), जो चट्टान की परतों के बीच बनने वाला अंतराल है, पहले की तुलना में बहुत कम हो गया। बोल्ट और केबल स्थिर रहे, और सुरंग ने अपना आकार बनाए रखा। अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि यह समझकर कि पानी और नरम चट्टान वास्तव में कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, और एक ऐसी सहायता प्रणाली डिजाइन करके जो पानी और संरचनात्मक कमजोरियों दोनों को संबोधित करती है, इंजीनियर इन गहरे भूमिगत सुरंगों को लंबे समय तक स्थिर और सुरक्षित रख सकते हैं। यह दृष्टिकोण उन क्षेत्रों में खनन कार्यों के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जहाँ पानी और नरम चट्टान स्थिरता को खतरे में डालते हैं।