جنبه‌­های فنی چالزنی و انفجار در معدنکاری

 

تاکنون بخش عمده­ای از سنگ­‌های حفاری شده در معدنکاری در سراسر جهان با چالزنی و انفجار شکسته می­‌شود. یه طوری­‌که می­‌توان معدنکاری را بزرگترین مصرف کننده مواد منفجره معدنی دانست. مواد منفجره معدنی موادی هستند که منفجر می‌­شوند و موج ضرب‌ه­ای شدید و حجم زیادی گاز تولید می­‌کنند که در چال حبس شده به سرعت منبسط می­‌شوند، وارد شکاف­‌های کوچک موجود در سنگ شده و ترک­‌های جدیدی برای شکستن سنگ ایجاد می­‌کنند.

مواد منفجره­ای که برای شکستن سنگ مورد استفاده قرار می­‌گیرد در مجموع مواد منفجره شکستگی نامیده می­‌شود. این آن­ها را از لوازم جانبی متمایز می­‌سازد که در مجموع چاشنی­‌ها و سایر مواردی را شامل می­‌شود که برای شروع انفجار به صورت کنترل شده مورد استفاده قرار می­‌گیرد.

باروت (یا پودر سیاه) اولین نسل از مواد منفجره بود که در همه موارد کاربرد داشت. باروت محصولی کم مصرف است که هنوز در موقعیت­‌های تخصصی مانند تولید سنگ‌­ها در ابعاد مختلف استفاده می­‌شود. در اوایل قرن بیستم، آلفرد نوبل مواد منفجره مبتنی بر نیترو گلیسیرین (NG) را معرفی کرد که حدود هشت دهه در معادن رایج بود. این  مواد شامل دینامیت، دیناژل و ژلیگنیت بود که با قدرت­‌های مختلف ارائه می­شدند.

به ­رغم ذخیره­‌سازی در شرایط بسیار سخت­گیرانه، محصولات NG ذاتاً ناپایدار و خطرناک‌­اند، به ­ویژه با افزایش عمر یا قرار گرفتن در معرض آفتاب و گرما. NG تقریباً به طور کامل با محصولات نسل مدرن، واترگل و امولسیون جایگزین شده است. نسل بعدی حاوی میکروبالون­‌ها، کره­‌های کوچک شیشه‌­ای یا پلاستیکی است که اکسیژن را در اختلاط به دام می‌­اندازد و باعث حساسیت محصول می­‌شود.

 

 این محصول معمولاً مانند تولیدات NG کارتریج می­‌شوند. امولسیون­‌ها یا دوغاب‌­ها مواد منفجره قابل پمپاژِ حاوی نیترات آمونیوم هستند که با سوخت حساس شده و در معادن زیرزمینی و سطحی به داخل حفره‌­ها پمپاژ می­‌شوند، اگرچه گاهی اوقات در کارتریج­‌ها نیز استفاده می­‌شوند. در عملیات مدرن، این مواد اغلب فقط هنگامی که در یک حفره خرج‌گذاری می­‌شوند حساس شده و پیش از آن قابل انفجار نیستند.

پرکاربردترین ماده منفجره در معادن سطح جهان، روغن مازوت نیترات آمونیوم (ANFO) است که  نیترات آمونیوم با سوخت مخلوط شده است. این ماده منفجره اقتصادی بوده و تولید، حمل و نگهداری آن نیز آسان است. معمولاً با 6 درصد دیزل به عنوان عامل اکسیدکننده مخلوط می­‌شود. وقتی آن را ANFO یا گاهی مواد منفجره سوخت (ANFEX) و به ندرت عامل انفجار نیترات آمونیوم (ANBA) بنامند، اغلب یک رنگ به آن اضافه می­‌شود تا بازرسی بصری آسان برای مخلوط کردن ANFO انجام شود. برای استفاده در چال‌های با قطر متوسط ​​(75-250 میلی‌­متر) در شرایط خشک مناسب است و مقاومت کمی در برابر آب دارد.

ویژگی­‌های ایده‌­آل در انتخاب مواد منفجره شکستگی قدرت اندازه‌­گیری شده بر اساس استانداردهای مختلف؛ چگالی، حساسیت به شروع، مقاومت در برابر آب و سرعت انفجار (VOD) که سرعت انتشار انفجار در امتداد یک چال است را شامل می­‌شود. این ویژگی نقش اساسی در عملکرد مواد منفجره ایفا می‌­کند. تحت شرایط ایده‌­آل،ANFO  دارای VOD حدود 400.4 متر بر ثانیه است.

سیستم­‌های آغازین نیز در طول زمان تکامل یافته‌­اند. سال­هاست که مواد منفجره توسط فیوز و سیم جرقه‌­زنی که دارای محدوده سرعت سوزش هستند، ایجاد می­‌شود و به معدنچیان اجازه می­‌دهد تا توالی انفجار بارهای مجزا را هر چند با دقت بسیار کم زمان­‌بندی کنند. فیوز با یک چاشنی در یک سر آن، فیوز درپوش‌­دار نامیده می­‌شود. هر دو فیوز و سیم جرقه­‌زن می­‌توانند زیر آب بسوزند.

 

در حال حاضر سال­هاست که انواع مختلف چاشنی‌­های برقی فوری و تاخیری تا به امروز مورد استفاده قرار گرفته است. این چاشنی­‌ها ممکن است با جریان الکتریکی از دستگاه‌­های پیچیده آتش زنه اصلی یا از دستگاه‌­های کوچک قابل حمل به نام شات منفجرکننده آغاز شوند. آ­ن­ها از نظر ظرفیت، یعنی تعداد چاشنی­‌هایی که قادر به راه‌­اندازی هستند، متفاوت‌­اند. ترکیبات مختلفی از مدارهای آتش سری و موازی استفاده می‌­شود.

به دلایل ایمنی و کارایی، روش مدرنِ ترجیح داده شده برای شروع انفجارها توسط ستون شوک، چاشنی‌­های غیر الکتریکی است که می­‌تواند زمان‌­بندی بسیار دقیقی داشته باشد، اگرچه خود آن­ها معمولاً توسط یک چاشنی برقی منفجر می­‌شوند.

فتیله انفجاری یک لوله قوی، محکم و کشیده از مواد منفجره با روکش پلاستیک است که در چال‌­های انفجار مواد منفجره‌­ی شکسته تغذیه می­‌شود. می‌­توان آن را بدون از بین رفتن اثر در آب غوطه‌­ور ساخت. راه‌­اندازی آن باید توسط یک چاشنی (برق، فیوز درپوش­‌‌دار یا لوله شوک) انجام شود. در برخی از کاربردها که انرژی کمی مورد نیاز است، به تنهایی و بدون مواد منفجره دیگر استفاده می­‌شود. سیم انفجار به طور معمول دارای VOD حدود 7000 متر بر ثانیه است.

در بسیاری از موارد، یک چاشنی برای اطمینان از انفجار مؤثر مواد منفجره در یک چال کافی نیست. پرایمر یک فشنگ از ماده‌­ای منفجره با انرژی بالاست که یک چاشنی در آن قرار داده شده است  که باعث شروع انفجار یک ستون مواد منفجره در یک چال می­‌شود. ممکن است از تقویت کننده‌­ها استفاده شود، یک یا چند کارتریج اضافی با انرژی بالا در فواصل چال برای افزایش VOD در آینده قرار داده شود.

به منظور مهار انرژی مواد منفجره در یک چال، گاهی اوقات از خاک­‌چپانی یا گل‌گذاری استفاده می‌شود، یعنی یک مسدودکننده از مواد بی اثر مانند ماسه یا گل نزدیک دهانه چال قرار می­‌گیرد. دکینگ عبارت است از قرار دادن شمع­‌های مواد بی اثر در فواصل زمانی برای محدود ساختن غلظت انرژی یک چال.

 

چالزنی

بیشتر انفجارها در معادن شامل خرج‌گذاری مواد منفجره در چال­‌های ایجاد شده در سنگ است. به ورودی یا دهانه چال حفرشده، دهانه چال و انتهای آن پاشنه گفته می­‌شود. چالزنی هنوز در برخی موارد، در بخش ASM، با دست و با استفاده از چکش و اسکنه انجام می­‌شود. این کار به وضوح خسته کننده و کند است، به ویژه در شرایط استخراج سنگ­‌های سخت. طول چال­‌های دستی به ندرت از 400 میلی متر بیشتر می­‌شود.

اکثر چالزنی‌ها توسط دریل‌­های مکانیکی انجام می­‌شود که ضربه­‌ای دوار هستند و از حفاری دستی تقلید می­‌کنند که در آن اسکنه با چکش زده شده و در چال چرخانده می­‌شود.

مته چکشی ماشین‌­های دستی با نیروی هوای فشرده هستند که معمولاً توسط دو نفر از افراد اداره می­‌شوند. دستگاه معمولاً بر روی یک پایه هوای فشرده که یک پایه پنوماتیک است برای کمک به نگه داشتن دستگاه نصب می­‌شود. آب از طریق دستگاه و طول مته فولادی مته و در سرمته خارج می­‌شود، هم برای خنک شدن سرمته و مهمتر از همه، برای فرونشاندن گرد و غبار. مته چکشی‌ها معمولاً برای حفر چال­‌هایی به طول 3 متر در مراحل توسعه و توقف استفاده می­‌شود. دور توسعه با مته ­چکش معمولاً 2 متر است.

مته‌­های زغال سنگ یا اوگرهای الکتریکی گاهی اوقات به جای  مته چکشی در معدن زغال سنگ یا در سنگ نرم استفاده می‌­شوند. این مته‌­ها ماشین­‌های الکتریکی و چرخشی با فولاد مارپیچ هستند و حفاری با آن به صورت خشک انجام می­‌شود.

دریفترها شبیه مته چکش‌­ها هستند اما روی میله‌­ها نصب شده‌­اند و از میله­‌های کششی به طول حدود 1 متر استفاده می­‌کنند که در حین حفاری چال‌ها به هم متصل می­‌شوند. انواع مختلف سرمته در قسمت جلویی رشته حفاری نصب شده است. این ماشین­‌ها اجازه می­‌دهند تا یک چال با طول 30 متر ایجاد شود و در توسعه حفاری‌­های بزرگ مورد استفاده قرار می­‌گیرد. با این حال، چال‌ها اغلب به طور قابل ملاحظه‌­ای از جهت حفاری اولیه منحرف می­‌شوند و در چال‌هایی به طول بیش از 20 متر، دقت آن مشکوک است.

قطر چال برای همه موارد فوق از حدود 20 تا 42 میلی‌متر متغیر است.

دکل­‌های متحرک الکترو هیدرولیک در توسعه و حفاری استفاده می‌شود. طول تونل‌­ها معمولاً 4-6 متر است در حالی که چال‌های حفاری ممکن است تا 40 متر حفر شوند و قطر چال­‌ها تا حدود 80 میلی­متر متغیر است. این ماشین­‌ها ممکن است تک‌، دویا چند بوم باشند که به تعداد دستگاه‌­های حفاری اشاره می­‌کند و خود از طریق گازوئیل یا برق به حرکت در می‌­آیند. این ماشین‌­ها بسیار کارآمد هستند و قادرند چال‌های زیادی را در یک شیفت ایجاد کنند.

 

حفاری با دریفترها و دکل‌­های الکترو هیدرولیکی را حفاری چال­‌های بلند می­‌گویند.

در معادن سطحی کوچک از جمله معادن سنگ ساختمانی، معمولاً از مته چکش‌­ها استفاده می­‌شود، اما در معادن بزرگ‌تر و معدن­‌های روباز، انواع مختلف دکل‌­های مکانیزه استفاده می­‌شود که چال­‌هایی به قطر 350 میلی‌متر و طول 60 متر ایجاد می­‌کنند.

 

انفجار

انفجار در معدن به طور کلی در دو مرحله، انفجار اولیه و انفجار ثانویه رخ می­‌دهد.

انفجار اولیه فعالیتی است که در آن سنگ‌­های درجا در حین پیشروی و حفاری و در معدنکاری سطحی با حفر چال در سنگ، خرج‌گذاری آن­ها با مواد منفجره و منفجر شدن چال­‌ها به ترتیب برنامه­‌ریزی شده شکسته می­‌شوند.

اهداف اصلی فنی انفجار اولیه عبارتند از:

1. برای حفاری حجم برنامه‌­ریزی شده سنگ از محدوده‌­های تعیین شده
2. برای دستیابی به خردایش قابل قبول، یعنی حداکثر و متوسط ​​اندازه ذرات سنگ شکسته، بدون گرد و غبار زیاد یا ریزگرد؛ و
3. برای جلوگیری از پراکندگی سنگ شکسته، دستیابی به یک توده مرتب از سنگ که بارگیری و حذف آن آسان است.

جلوگیری از شکستگی، یعنی شکستن سنگ در خارج از مرزهای برنامه‌­ریزی شده، به ویژه در تونل­سازی به منظور ایجاد حفاری‌­های منظم و پایدار و جلوگیری از آسیب رساندن به سنگ در خارج از حفاری که ممکن است خطرات ایمنی را ایجاد کند یا نیاز به نگهداری پر هزینه داشته باشد. در معادن روباز و حفاری، انفجار کنترل شده برای کنترل عیار بسیار مهم است، از رقیق شدن با سنگ معدن یا باطله با عیار پایین نامطلوب جلوگیری می­‌شود.

تکه تکه شدن و کنترل توده سنگ شکسته برای حداکثر کارایی در پاکسازی محیط و به حداقل رساندن خستگی کارگران و استهلاک تجهیزات مطلوب است. معادن به دنبال دستیابی به چنین اهداف اقتصادی و آسودگی خیال هستند. می‌­توان با استفاده از مواد منفجره زیاد، شکستگی، یعنی اندازه ذرات کوچکتر را با هزینه زیاد بهبود بخشید.

 

طراحی و برنامه‌­ریزی چالزنی و انفجار

طراحی چالزنی و انفجار بخش مهمی از برنامه‌­ریزی و مدیریت معدنکاری است که تأثیر عمده­ای بر ایمنی و کارایی آن دارد. معدنچیان ماهر در این مهارت‌­ها به خوبی آموزش دیده‌­اند. محاسبه چگالی بار (کیلوگرم مواد منفجره در متر مکعب یا هر تن سنگ) برای کاربردهای مختلف، انواع سنگ و مواد منفجره امکان­پذیر است) اما در عمل، تجربه عملی منجر به مهارت در طراحی الگوهای چالزنی و خرج برای شرایط مختلف می‌­شود.

 

مهمترین اصل در انفجار اولیه سنگ نیاز به سطح آزاد است. چالی که در وسط یک توده سنگ بزرگ حفر و خرج‌گذاری شده و منفجر می­‌شود، مانند لوله تفنگ عمل می­‌کند و هیچ سنگی را نمی­‌شکند. به منظور شکستن سنگ، بار انفجاری باید تا حد امکان به موازات سطح آزاد قرار گیرد و به اندازه­ای نزدیک باشد که انرژی آن بتواند سنگ بین آن را بشکند. فاصله بین یک چال و سطح آزاد را روباره یا بِردِن (Burden) و فاصله بین چال‌های مجاور در یک ردیف را اسپسینگ (Spacing) می‌­نامند.

در استخراج سطحی، سکو­ها سطوح آزاد ایجاد می­‌کنند و چال‌ها در الگوهای مربوط به این صفحه ایجاد می­‌شوند. در حفاری زیرزمینی، همان اصل اعمال می­‌شود و حفظ سطح آزاد نسبتاً آسان است. به طور کلی، چال ها به موازات یکدیگر حفر می­‌شوند.

 

زمان انفجارها به دو دلیل مهم است:

1. محدود ساختن مقدار انرژی آزاد شده در هر نقطه از زمان، برای جلوگیری از صدمه به سنگ یا تأسیسات اطراف
2. اطمینان حاصل کنند که چال‌­ها با یک ترتیب برنامه‌­ریزی شده منفجر می­‌شوند، به طوری که هر چال پی در پی دارای سطح آزاد با بِردِن مناسب است.

بنابراین چاشنی‌­های تاخیری الکتریکی و واحدهای لوله شوک با دوره­‌های مختلف تاخیر شماره‌­گذاری می­‌شوند که بر حسب میلی‌ثانیه اندازه‌­گیری می­‌شوند، به عنوان مثال. 25 میلی ثانیه = 0/025 ثانیه که برای زمان انفجار حفره‌­های مجزا در توالی مورد نظر قابل استفاده‌­اند.

دوره‌­های تاخیری سطحی چاشنی‌­های الکتریکی در معرض پراکندگی هستند، یعنی تغییرات نسبتاً زیادی که می‌­تواند منجر به آتش شدن خارج از ترتیب شود. تاخیر لوله شوک بسیار دقیق‌­تر است. علاوه بر این، از لوله­‌های شوک می­‌توان برای شروع یکدیگر استفاده کرد، بنابراین می‌­توان آن­ها را به ترتیب به یکدیگر متصل کرد تا تعداد بی­‌نهایت تاخیرهای مختلف ایجاد شود.

بسیاری از واحدها دارای تاخیرهای کوتاه مدت متغیر در خارج از چال هستند، جایی که واحد متصل است، که زمان را مشخص می­‌کند و تاخیر دوره‌­ای یکنواخت و طولانی مدت ایجاد می­‌کند، به عنوان مثال. 250 میلی‌ثانیه داخل چال، به طوری که همه واحدها پیش از خارج شدن اولین چال «روشن» می‌­شوند و خطر قطع شدن را محدود می­‌کند، یعنی چال‌هایی که منفجر نمی‌­شوند زیرا ستون شوک پیش از راه‌­اندازی قطع شده است.  

 

در حفاری‌­های بزرگ اغلب امکان ایجاد چاله­های موازی وجود ندارد. حفر چالزنی شعاعی یک الگوی بیضوی از چال­‌های طولانی از یک نقطه در یک تونل است که مساحت وسیعی را پوشش می‌­دهد. حلقه‌­ها ممکن است به ارتفاع 60 متر و عرض 30 متر باشند که برای همپوشانی چیده شده‌­اند. بسته به قطر چال، روباره ممکن است 5.1 تا 4 متر باشد. سطح شکسته یا سطح آزاد ابتدا با حفاری یک شکاف، معمولاً با حفر چال­‌های موازی و انفجار آن به گونه‌­ای ایجاد می­‌شود که گویی قطعه‌­ای را از داخل یک نان بیرون آورده‌­اید. چال‌های شعاعی بعداً مانند یک تکه نان در یک یا دو طرف شکاف منفجر می­‌شوند.

طرح زیر نشان می­‌دهد که چگونه در چال‌های شعاعی خرج‌گذاری، برای جلوگیری از چگالی بیش از حد مواد منفجره نزدیک تونل، به گل‌گذاری نیاز است.

 

در توسعه، چال­‌هایی در سطح صاف تونل موازی با جهت تونل ایجاد می­‌شود. بنابراین هیچ سطح طبیعی آزاد شکستگی وجود ندارد. از شکل‌های مختلف چال برای غلبه بر این مشکل استفاده می­‌شود که رایج‌­ترین نوع آن برش موازی است. الگوی چال با فاصله نزدیک در یک نقطه مناسب در نزدیکی مرکز سطح جبهه کار ایجاد می‌شود که معمولاً از پنج تا نه چال بسته به ابعاد تونل تشکیل می‌شود.

در برش موازی، چال مرکزی بدون خرج باقی می­‌ماند و به عنوان یک سطح آزاد برای چال‌­های زده شده در نزدیکی آن عمل می‌­کند که برای منفجر شدن، ابتدا زمان­‌بندی شده است. یک مغزه استوانه‌­ای از سنگ از جبهه کار منفجر می­‌شود و چال‌­های باقی­مانده که تقریباً به صورت متمرکز در اطراف آن قرار گرفته‌­اند، به ترتیب شروع به انفجار می‌کنند و شکل مورد نظر تونل ایجاد می‌شود.

چال مرکزی بدون بار که «چال هوا “air hole”» نامیده می­‌شود، گاهی اوقات باز می­‌شود، یعنی به قطر بزرگتر چالزنی می­‌شود. slyping فرآیند چالزنی و انفجار برای بزرگ کردن حفاری موجود است.

 

معادن زیرزمینی معمولاً دارای یک زمان انفجار اولیه تعیین شده در روز هستند، زمانی که انفجار اولیه هم در شروع (ایجاد انفجار) و هم در پایان (مرحله اخر همان توقف) انجام می‌شود. این کار اغلب از یک نقطه مرکزی که ممکن است در سطح باشد انجام می‌شود. مناطقی در معدن که تحت انفجار اولیه قرار می‌گیرند، با یک روش رسمی که ورود مجدد آن­ها به محل کار را نیز کنترل می­‌کند، از همه پرسنل خالی می­‌شود. انفجارهای سنگی ممکن است شامل انفجار چند تُن مواد منفجره قوی باشد.

 

انفجار ثانویه

گاهی اوقات، در روش‌های استخراج زیرزمینی تخریبی و معادن روباز، حتی زمانی که خردایش مناسب است، ممکن است چند تخته سنگ بیش از حد بزرگ بین چال‌های حفرشده ایجاد شود. در روش‌های تخریبی معمول است که سنگ­‌های بزرگ به مقطعه تخلیه گزارش شوند. گاهی اوقات، سنگ معدن یا باطله در یک گذرگاه ممکن است متوقف شود، یعنی از هم جدا شده و از مسیر خارج شود.

در چنین مواردی، انفجار ثانویه یکی از تکنیک­‌هایی است که برای مقابله با این مشکل استفاده می­‌شود. در برخی از کاربردها ممکن است از تجهیزات مکانیکی به جای آن استفاده شود. انفجار ثانویه شامل قرار دادن خرج‌های کوچک روی منطقه تحت تاثیر و منفجر شدن آن­ها پس از پاکسازی نواحی مجاور است. این ممکن است به طور تصادفی در طول شیفت و نه در زمان از پیش تعیین شده انجام شود، بنابراین شنیدن انفجارها در هر زمان در یک معدن زیرزمینی معمول است.

 

خرج‌های روی تخته سنگ‌­ها ممکن است خرج‌های شکل‌­دار باشند که معمولاً مخروطی بوده و دارای ویژگی­‌های شکستگی زیاد هستند. برای از بین بردن سنگ­‌های آویزان ممکن است از بمب استفاده شود، یعنی با استفاده از بسته­‌های کوچک مواد منفجره که به یک تیر بلند بسته شده‌­اند. گاهی اوقات ممکن است سنگ­‌های بزرگ استخراج شده و برای انفجار ثانویه خرج‌گذاری شوند. حفاری روی سنگ‌هایی که قبلاً یک بار چالزنی و انفجار شده است همیشه خطرناک است و باید اقدامات احتیاطی ویژه انجام شود.