پروژه پایان نامه دوره کارشناسی
دانشکده فنی
حفاری به معنی نفوذ در سنگ است . نفوذ در سنگ گاهی به منظور خرد کردن آن انجام میگیرد .
به طور کلی صرف نظر از نوع روش و منشا انرژی ، عملیاتی را که به حفر چال در سنگ منجر می شود ، نفوذپذیری می نامند.
مواد معدنی زیربنای اقتصاد و صنعت در جامعه را تشکیل می‌دهند. بشر از همان آغاز آفرینش خود و در طول تاریخ، بر حسب نیازمندیها و شناخت از مواد معدنی استفاده کرده است. اکنون نیز انسان از تمامی مواد معدنی به حالت‌ها و شیوه‌های گوناگون بهرهبرداری می‌نماید. به دیگر سخن همین مواد معدنی هستند که پایه و اساس تمدن را تشکیل می‌دهند. عوامل مؤثر بر آستانه اقتصادی شدن مواد معدنی عواملی چون عرضه، تقاضا و مسائل سیاسی می‌باشد . میزان تولید مواد معدنی در دهه گذشته افزایش شایانی داشته است.
عواملی که موجب این افزایش می باشند عبارتند از : پیشرفت در تکنولوژی و روشهای حفاری ، پیشرف در زمینه اکتشاف به دلیل مشخص شدن منشاء محیط و چگونگی تشکیل ذخایر مختلف، مثلاً نظریه تکتونیک صفحه‌ای کمک‌های مؤثری در رابطه با کشف ذخایر مس پروفیری نموده است . در دهه اخیر بکارگیری روشهای نوین ژئوفیزیکی و ژئوشیمیایی در کشف ذخایر جیدد بخصوص آنهایی که در اعماق زمین قراردارند کمک مؤثری نمود. همچنین ماشینهای جدید استخراج موجب شده تا ذخایری که در اعماق قرار داشته قابل بهرهبرداری شوند و با کمک از این ماشین الات میزان تولید روزانه بالا رود. پیشرفت در زمینه صنعت تلغیظ و تصفیه موجب گردید تا بسیاری از ذخایر عمیق دور از دسترس نیز قابل بهر‌ه برداری شوند. همزمان با بالارفتن تولید، میزان مصرف موادمعدنی نیز افزایش داشته است.
از میان عوامل ذکر شده در فوق، در این متن به توضیح و بحث در خصوص روشهای حفاری، بخصوص حفاری در سنگهای سخت می پردازیم .
بطور کلی تاریخچه حفاری مبهم است ،اما از زمانهای دور، ملتهای متمدن به منظور دسترسی به آب و بعضی کریستالها،عملیات حفاری را انجام داده اند .
تا چند دهه قبل ،سیستم حفاری دستی جهت ایجاد چال برای احداث تونل در معدن متداول بود.
با گذشت زمان و نیاز به حفاریهای عمیق، روش دیگری از حفاری دستی بنام روش کابلی متداول شد که در آن طول مته بیشتر بود و برای ضربه زدن از کابل فولادی استفاده می شد .
پاره ای از تحولات در صنعت حفاری عبارتند از :
بین سالهای 1820-1810 ،سیستم حفاری چرخشی با استفاده از ماشین بخار
بین سالهای 1840-1830 سیستم حفاری کابلی با استفاده از ماشین بخار
بین سالهای 1860-1850 دستگاههای حفاری مجهز به الماس
بین سالهای 1880-1870 سیستم حفاری مغزه گیر مجهز به الماس
بین سالهای 1900-1890 سیستم حفاری ضربه ای چرخشی
بین سالهای 1940-1920 استفاده از مته های کربور تنگستن
بین سالهای 1975-1970 ماشین حفاری هیدرولیکی
در ذیل به شرح روشهای متداول حفاری پرداخته شده و همچنین سعی شده تا مزایا و معایب هر روش بطور جداگانه مورد بررسی قرار گیرد.
شایان ذکر است که اکثر منابع بکار رفته شده در این بررسی از سایتهای اینترنتی می باشد که آدرس آنها در پایان ضمیمه شده است .
پروژه ای که ملاحظه میفرمایید به معرفی و بحث در مورد روشهای حفاری بویژه حفاری در سنگهای سخت پرداخته است .
مطالب فوق در 5 فصل مطرح گردیده که عبارتند از :
1 - شاخصهای حفاری
2 - مشخصات و پارامترهای سنگ برای حفاری
3 - حفاری ضربه‌ای
4 - سیستم حفاری چرخشی
5 - حفاری الماسه
در فصول فوق سعی شده تا ابتدا به معرفی روشها و پارامترهای مهم در امر حفاری پرداخته شود و در ادامه به بحث در مورد عوامل پیشرو در راندمان حفاری و مقایسه روشهای مختلف حفاری و ذکر معایب و مزایای هر کدام بطور جداگانه و همچنین بحث هزینه ها پرداخته شده است .
شایان ذکر است که روش مطالعه و جمع آوری مطالب در این پروژه از نوع مطالعات میدانی می باشد و اکثر مطالب از سایتهای اینترنتی مربوط به حفاری جمع آوری و ترجمه شده است که آدرس سایتهای فوق در قسمت منابع ذکر شده است .
شاخصهای حفاری 1
از میان شاخصهای متعدد حفاری , به شاخصهایی که در نمونه‌های دستی در صحرا و با امکانات اولیه قابل ارزیابی‌اند اشاره می‌شود.
سختی
سختی کانی ها با ابزاری همچون ناخن دست , سوزن برنجی , جسمی فولادی یا کوارتز در مقیاس موهر قابل سنجش است. اما ارزیابی سختی سنگها پیچیده است زیرا علاوه بر آنکه به سختی کانیها بستگی دارد به سختی باندهای متصل کننده و منشاء سنگ نیز وابسته است. برای مثال کوارتزیت که از دانه‌های کوارتز با باند سیلیس تشکیل شده و دارای منشاء دگرگونی سنگی است بسیار سخت و درجه سختی آن معادل 7 می‌باشد , اما ماسه سنگ آهکی با منشاء رسوبی با چاقو خط بر می‌دارد در حالی که درصد قابل توجه‌ای از کانی سنگ , کوارتز است.
سفتی
سفتی سنگ به سختی آن بستگی دارد. در سنگهای رسوبی سفتی سنگ به باند متصل کننده کانیها و در سنگهای آذرین به بافت سنگ ( شکل و اندازه کانیها ) و در سنگهای متامرفیک به ساختمان سنگ بستگی دارد. سفتی سنگ در صحرا با شکستن آن به چند قطعه یا چکش قابل اندازه‌گیری است.
سایندگی
در کار حفاری , سایندگی به خاصیتی از سنگ اطلاق می‌شود که قادر است سرمته را که ممکن است از جنس فولاد کربور تنگستن یا الماس باشد از بین ببرد. سایندگی به طور کیفی ارزیابی می‌شود و به سختی کانیها بستگی دارد. اما شکل دانه‌ها و کلیواژ نیز در کیفیت این خاصیت تأثیر دارد. به همین دلیل در سالهای نه چندان دور در ایامی که تنها مته های فولادی مورد استفاده قرار می‌گرفتند عمر این مته در سنگهای حاوی کوارتز مثل ماسه سنگ در حد چند سانتی‌متر بود هر چند کوارتز سختی بیشتری نسبت به فولاد دارد. اما شکل ذرات نیز بی تأثیر در کاهش عمر مته نبوده است. این مشکل با جانشین کردن مته هایی از جنس کربور تنگستن به جای مته های فولادی برطرف شده است. خرده سنگهای گوشه‌دار و نیز در مقایسه با خرده سنگهای گرد بر روی مته خراشهای عمیق ایجاد می‌کنند و مانع از آن می‌شوند تا انرژی منتقل شده به سطح مته موجب خرد شدن سنگ شود. از سوی دیگر خرده‌های ریز و گرد سنگ نیز باعث صیقل دادن سر مته و کندی حفاری می‌شوند. سنگهایی که خاصیت سایندگی آنها در حفاری باید مورد توجه قرار گیرند عبارتند از : 1) سنگهای حاوی کوارتز کوارتزیت , ماسه سنگ , گریت 1 و سنگهای آذرین اسیدی 2) سنگهای حاوی سیلیس مثل چرت 2 فلینت 3 و سنگهای اولیوین دار مثل دونایت 4 و بعضی از انواع بازالت 3) سنگهای حاوی گارنت 5 مثل گنیس گارنیت‌دار. در مقایسه با سیستم ضربه‌ای , سیستم حفاری چرخشی نسبت به خاصیت سایندگی حساسیت بیشتری دارد لذا در ارتباط با سیستم چرخشی , خاصیت سایندگی بسیاری از سنگها ولو در مقیاس کوچک باید مورد توجه قرار گیرد ؛ که البته کمیت سایندگی مطرح خواهد بود تا کیفیت آن. برای مثال مدستون سیلت‌دار سخت , در شرایط نرمال به علت نداشتن کمیت بالای خاصیت سایندگی به عنوان سنگ ساینده محسوب نمی‌شود اما برای سیستم چرخشی حتی در مقیاس کم مضر است. کانیهایی همچون توپاز , کروندوم و بریل چون به ندرت در سنگها وجود دارند کمتر مورد توجه قرار می گیرند.
اندازه و یکنواختی دانه ها
به طور کلی سرعت حفاری در سنگهای دانه درشت زیادتر از سنگهای دانه ریز است. در سنگهای آذرین , دانه های درشت بیانگر کندی فرایند سرد شدن ماگماست یا آنکه ماگماٍ،کانی وسیال خاصی داشته است و دانه‌های ریز نشانه سرد شدن سریع ماگما , عمق کم و توده کوچک است. در سنگهای رسوبی اندازه وشکل دانه ها بستگی به مسافتی دارد که طی نموده است. دانه‌های متفاوت از نظر شکل بیانگر ته نشینی سریع است.
جدایش
برخی از سنگها مثل شیل این خاصیت را دارند که به موازات لایه‌بندی در امتداد کلیواژ مثل اسلیت و شیست به راحتی جدا شوند. حفاری در چنین سطوحی آسان و همچنین سرعت آن زیادتر است.
تقسیم بندی سنگها بر اساس شاخصهای حفاری
به طور کلی سنگها به سه گروه تقسیم بندی می‌شوند. گروه اول شامل آن دسته از سنگها است که از سرد شدن ماگمای مذاب به وجود می‌آیند. برحسب اینکه ماگما چگونه و در کجا سرد می‌شود سه گروه سنگهای آذرین قابل تشخیص است که عبارتند از : 1) سنگهای آذرین پلوتنیک که دانه درشتند. 2) سنگهای آذرین درونی که از نظر اندازه دانه‌ها متوسط‌اند و نشان می‌دهد که سرد شدن ماگما در درون زمین صورت گرفته و 3) سنگهای آذرین بیرونی که دانه ریز و بافت شیشه‌ای دارند که نشان دهنده آن است که ماگما در سطح سرد شده است.
بسیاری از سنگهای آذرین هم سخت‌اند و هم سفت و بیشتر آنها باید با سیستم ضربه‌ای حفاری شوند و اگر چه در بعضی از انواع ممکن است به کمک ماشینهای چرخشی نیز حفاری انجام پذیرد. انتخاب ماشین حفاری با توجه به خاصیت زیر انجام میگیرد.
سنگهای آذرین ساینده
دانه ریز مثل پرلیت ,ابسیدین, رئولیت
دانه متوسط مثل آپلیت , فلسایت , میکروگرانیت , گرانوفیر
دانه درشت مثل گرانودیوریت , گرانیت , پگماتیت.
برای این گروه از سنگها در صورتی که قطر چال کمتر از 2 اینچ باشد باید از چکش حفاری سنگین یا سینکر استفاده کرد و برای چالهای با قطر بین 2 تا 4 اینچ از دریفتر و چالهایی با قطر بین 4 تا 6 اینچ از D-T-H و چکشهای حفاری با مته‌های قلمی با جنس کربور تنگستن باید استفاده شود. لازم به توضیح است که در همه این ماشینها باید از قدرت وتراست حداکثر استفاده را به عمل آورد. در غیر این صورت حفاری به کندی صورت میگیرد.
سنگهای آذرین نیمه ساینده
دانه ریز مثل داسیت , و بازالت اولیوین دار.
دانه درشت مثل دونایت , گابراواولیوین دار , دیوریت کوارتزدار , پریودوتیت
سنگهای آذرین با سایندگی کم
دانه ریز مثل آندزیت , بازالت , تراشیت
دانه متوسط مثل دولریت , دیاباز , لمپروفی .
دانه درشت مثل دیوریت , گابرو , نوریت , پورفریت , سینیت.
در دو طبقه بندی بالا برای چالهای با قطر کم و عمق کم از سینکر یا چکش حفاری نیمه سنگین باید استفاده شود , برای چالهای با قطر 6 اینچ می‌توان از ماشین چرخش سنگین و برای مورد بینابین این دو از D-T-H استفاده کرد.
سنگهای آذرین تجزیه شده
دانه ریز مثل بازالت قرمز.
دانه متوسط مثل سرپانتین.
دانه درشت مثل گرانیت کائولینه شده.
بدون استفاده از حفاری و انفجار نیز می‌توان بازالت قرمز را به کمک بولدوز آماده بهرهبرداری کرد اما گزینه دیگر , استفاده از ماشین حفاری چرخشی با مته تیغه‌ای است در مورد سر پانتین به قطر چال بستگی دارد. برای چالهای با قطر کم می‌توان از ماشین ضربه‌ای و برای چالهای با قطر زیادتر می‌توان از D-T-H یا ماشین حفاری چرخشی یا چرخشی – ضربه‌ای استفاده کرد که از این نوع ماشینها برای سر پانتین و گرانیت کائولینه شده نیز به کار گرفته می‌شوند.
سنگهای متامورفیک
این گروه از سنگها در اثر حرارت یا فشار یا هر دو بر روی سنگهای رسوبی و آذرین به وجود آمده‌اند و طیف وسیعی از سنگها را شامل می‌شوند بعضی از این سنگها از نظر حفاری مشابه آذرین و بعضی دیگر مشابه رسوبی‌اند.
سنگهای متامورفیک سخت و ساینده
دانه ریز مثل گرانولیت , کوارتزیت و شیست کوارتزدار.
دانه درشت مثل گنیس.
کوارتزیت خاصیت سایندگی زیادی دارد و حفاری با آن بسیار دشوار است. چه در مورد کوارتزیت و چه در سایر موارد , ماشینهای حفاری ضربه‌ای سنگین اولویت دارند. انتخاب یکی از انواع ضربه‌ای بستگی به قطر چال دارد.
سنگهای متامورفیک نیمه سخت و نیمه ساینده
دانه متوسط مثل شیست – هورنبلند و میکا-شیست
دانه درشت مثل ماربل دولومیته. در موارد یاد شده بالا می‌توان از ماشین حفاری ضربه‌ای نیمه سنگین و یا سنگین استفاده کرد.
سنگهای متامورفیک نرم
دانه ریز مثل اسلیت.
دانه متوسط مثل فلینت , شیست , کلرایت .
دانه درشت مثل ماربل.
برای چالهای با قطر کم از چکش حفاری سبک و یا نیمه سنگین و برای چالهای با قطر زیاد از دریفتر یا D-T-H یا ماشین چرخشی با تراست زیاد باید استفاده کرد.
سنگهای رسوبی
این گروه از سنگها از فرسایش و تخریب سنگهای قدیمی‌تر به وجود آمده اند و از نظر حفاری طیف وسیعی را شامل می‌شوند. در میان سنگهای رسوبی , سنگهایی را می‌توان یافت که به دلیل سختی به دشواری حفاری می‌شوند ضمناً موادی را از این گروه می‌توان نام برد که به مانند خاک عمل می‌کنند. مثل ماسه و رس. گروه‌بندی همه سنگهای رسوبی در اینجا امکان‌پذیر نیست آنچه که در ذیل بدان اشاره خواهد شد تقریبی است و بیشتر عملیات حفاری در آنها انجام میگیرد.
سنگهای سخت سیلیسی
دانه ریز مثل چرت , فلینت.
دانه متوسط مثل کوارتزیت رسوبی , مانند سنگ سیلیسی. دانه درشت مثل گری‌وک کنگلوامرا.
این گروه از سنگها به ماشین حفاری ضربه‌ای با قدرت زیاد نیاز دارند , عمر مته نیز کمتر از حفاریهای معمولی است. انتخاب ماشین حفاری چرخشی مشکل خواهد بود.
سنگهای رسوبی ساینده با سختی کم
دانه ریز مثل سیلتستون , سنگ آهک سیلیسی و خاکستر آتشفشانی.
دانه متوسط مثل بسیاری از ماسه سنگها , توف و آرکوز.
دانه درشت مثل گریتستون , آگلومرا.
برای حفر چالهای تا قطر 3 اینچ از جنس سنگهای مذکور می‌توان از دریفتر متوسط استفاده کرد و برای چالهای با قطر زیادتر از D-T-H دریفتر سنگین ماشین حفاری ضربه‌ای – چرخشی استفاده کرد.
شکننده اما ساینده
دانه ریز مثل سیلتستون شکننده.
دانه متوسط مثل ماسه سنگ آرژیلاسیوس , ماسه سنگ آهکی , ماسه سنگ شکننده دانه درشت مثل بعضی گریتستون.
این سنگها به طور کلی نرمند و حفاری در آنها آسان است و با ماشینهای چرخشی به راحتی حفاری می شوند.
نسبتاً سخت اما فاقد خاصیت سایندگی
دانه ریز مثل سنگ آهک متراکم , بعضی از مدستونها , شیل سخت , ماربل.
دانه متوسط مانند برخی از سنگهای آهکی ساختمانی.
برای چالهای کم قطر می‌توان از ماشینهای ضربه‌ای نیمه سنگین تا سنگین یا D-T-H استفاده کرد.
برای چالهای با قطر حول وحوش 6 اینچ از ماشین چرخشی سنگین باید استفاده کرد , مته عمر خوبی دارد مگر آنکه از تراست زیادی استفاده شود.
سنگهای رسوبی نرم و فاقد , خاصیت سایندگی
دانه ریز مثل مارل , بعضی از مدستونها , شیل نرم , گچ , ذغال سنگ.
دانه متوسط مثل اثولیت.
دانه درشت مثل پیزولیت
برای این گروه از سنگها ماشینهای حفاری چرخشی مناسب‌ترند و به ندرت از سیستم ضربه ای باید استفاده شود.
حفر تونل , برش , حفاری و انفجار در سنگهای سخت.2
مشخصات و پارامترهای سنگ برای حفاری
خلاصه : تخمین پایداری تونل یک بحث کلیدی در حین بررسی اولیه سایت می‌باشد. در مقابل , مشکلات حفاری بشدت نادیده گرفته شده است. انتخاب یک روش تونل زنی اقتصادی در حین مرحله طراحی از اولویت بالایی برخوردار است و همچنین تمرکز تحقیقات خاصی روی اجزاء سنگ است که امروزه به انجام می‌رسد.
در این قسمت سعی می‌کنیم پارامترهای کلیدی مثل جرم سنگ در حفاری , سایش و برش با TBM وroad header در مسیر را بررسی کنیم.
پیشرفت در برش و حفاری مانند خوردگی ابزار و تجهیزات در کارهای حفاری جز عوامل مهم در تصمیم گیری می‌باشند. تخمین این پارامترها در شرایط سنگ تخمین زده شده می‌تواند باعث ایجاد ریسک بالای هزینه شود. بنابراین تخمین و کنترل در بهبود پیشرفت در برش و میزان مصرف مته مطلوب نظر خواهد بود. در طی سالهای متوالی فرآیند اولیه حفاری سنگ و میزان خوردگی مته در حین تونل زنی در سنگهای سخت بررسی شده است. همچنین مطالعات گسترده در کارهای آزمایشگاهی برای ثبت ارتباطات بین برخی خصوصیات ژئولوژیکی و ژئوتکنیکی از یک سو و پارامترهای تکنیکی مثل پیشرفت در میزان برش و حفاری و مصرف مته از سوی دیگر انجام شده است. در مبنی ضمینه 24 پروژه تونل زنی در اروپا در زیر دریا در مناطق مختلف جغرافیایی کمابیش بررسی شده است.
قابلیت حفاری عبارتی است که در ساختارهای زیر زمینی برای توصیف تأثیر تعداد پارامترها روی نرخ حفاری سایش و یا برش بکار برده می‌شود و خردگی ابزار حفاری TBM وroad header است.
واکنش فاکتورهای اصلی در شکل زیر نشان داده شده است. ( شکل 1).
این عبارت در ساختارهای زیر زمینی مانند سطحی بکار می‌روند. در این نظریه تنها رویکرد مرتبط با تونل زنی مطرح شده است.
در اولین واکنش پیشرفت حفاری پارامترهای خرد ماشین حفاری انتخابی روند عملیات را تحت تأثیر قرار می‌دهد مانند توان نصب شده , نوع ابزار حفاری یا سری برش و همچنین میزان پیشرفت ابزار برشی . به غیر از پارامترهای تکنیکی پارامترهای ژئولوژیکی ( جغرافیایی ) نیز می‌تواند روی پیشرفت کار و خوردگی ابزار آلات تأثیر بگذارد.
خصوصیات اصلی سنگها و جرم سنگ می‌تواند در نهایت با کمک خصوصیات مکانیک سنگ در روابط گذاشته شود : اما شرایط خود سنگ نیز بستگی زیادی با تاریخچه جغرافیایی , شرایط آب و هوایی , تغییرات هیدروترمال و ساختار ناپیوستگی دارد. فاکتوری نهایی مهم که پیشرفت حفاری را متأثر می‌کند خود فرآیند کاری است.
در اول، عملیات آرام و نگهداری دایمی ابزار سبب پیشرفت موفقیت آمیز کاری می‌شود. دوم نرخ بالای گسترش در رویه تونل زنی بصورت اتوماتیک سبب پیشرفت بالای سری تونل زنی می‌شود. بنابراین مسئله درک صحیح خود سیستم حفاری قبل از بکارگیری متخصصان برای بررسی پیشرفت حفاری قابل توجه می‌باشد.