فایل ورد کامل مقاله اصول حفاری در سنگ‌های سخت؛ تحلیل مهندسی پروژه‌های حفاری و فناوری‌های نوین در استخراج

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 فایل ورد کامل مقاله اصول حفاری در سنگ‌های سخت؛ تحلیل مهندسی پروژه‌های حفاری و فناوری‌های نوین در استخراج دارای ۱۱۴ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد فایل ورد کامل مقاله اصول حفاری در سنگ‌های سخت؛ تحلیل مهندسی پروژه‌های حفاری و فناوری‌های نوین در استخراج  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی فایل ورد کامل مقاله اصول حفاری در سنگ‌های سخت؛ تحلیل مهندسی پروژه‌های حفاری و فناوری‌های نوین در استخراج،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

---

بخشی از متن فایل ورد کامل مقاله اصول حفاری در سنگ‌های سخت؛ تحلیل مهندسی پروژه‌های حفاری و فناوری‌های نوین در استخراج :

پروژه اصول حفاری و حفاری در سنگهای سخت

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 ۵ فصل مطرح گردیده که عبارتند از :

۱ – شاخصهای حفاری
۲ – مشخصات و پارامترهای سنگ برای حفاری
۳ – حفاری ضربه‌ای
۴ – سیستم حفاری چرخشی
۵ – 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 ۱

از میان شاخصهای متعدد حفاری , به شاخصهایی که در نمونه‌های دستی در صحرا و با امکانات اولیه قابل ارزیابی‌اند اشاره می‌شود.

سختی

سختی کانیها 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 ۷ 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 : ۱) سنگهای حاوی کوارتز کوارتزیت , ماسه سنگ , گریت ۱ و سنگهای آذرین

اسیدی ۲) سنگهای حاوی سیلیس مثل چرت ۲ فلینت ۳ و سنگهای اولیوین دار مثل دونایت ۴ و بعضی از انواع بازالت ۳) سنگهای حاوی گارنت ۵ 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 دانه‌ها

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 : ۱) سنگهای آذرین پلوتنیک که دانه درشتند. ۲) سنگهای آذرین درونی که از نظر اندازه دانه‌ها متوسط‌اند و نشان می‌دهد که سرد شدن ماگما در درون زمین صورت گرفته و ۳) 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 ۲ اینچ باشد باید از چکش حفاری سنگین یا سینکر استفاده کرد و برای چالهای با قطر بین ۲ تا ۴ اینچ از دریفتر و چالهایی با قطر بین ۴ تا ۶ 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 ۶ 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 ۳ 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 ۶ 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.۲

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 ۲۴ 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 ۱).
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.

برای بحث بیشتر در این ضمینه بعضی از عبارتهای پایه تکنیک حفاری زیر زمینی باید توصیف شود. عبارت قابلیت سوراخ کاری در مورد دریل و بلاست تونل در هنگام حفر سوراخهای بلاست برای بولت گذاری و انفجار سنگ برای قطر بین ۳۲ تا ۱۰۰ میلیمتر بکار می‌رود. برای مطالعه فاکتور فوق دو پارامتر کلیدی ارزشمند شناخته شده‌اند : نرخ حفاری به متر در دقیقه و عمر مته به متر در مته حفاری که در بخش همگن تونل بدست می‌آید. بدلیل اینکه خوردگی در شش فرم پایه روی

می‌دهد در کل با توجه به جنس سنگها برخی از رویکردهای کیفی خوردگی ابزار با تحلیل مته حفاری خراب شده بدست می‌آید. عبارت بلاست پذیری تنها در مورد سوراخکاری و بلاست تونل و مصرف مواد منفجره مرتبط با انفجارپذیری مصرف خاص مواد منفجره در بخش همراه سنگهای همگن ثبت می‌شود. مقدار مواد منفجره مصرفی می‌تواند حاصل مصرف کل مواد منفجره در یک انفجار

تقسیم بر حجم انفجار یافته باشد. بعنوان یک مقدار استاتیک مصرف خاص مواد منفجره تنهامیزان ماده منفجره مورد نیاز برای انفجار حجم خاص از سنگ را نشان می‌دهد. به دلیل اینکه مهندس انفجار باید این مقدار را با توجه به حجم سنگ تخمین بزند تجربیات نشان داده اختلاف زیادی در

مقدار مصرفی وجود دارد و بنابراین مقدار خاص مواد منفجره مصرف شده است. عبارت برش پذیری وقتی بکار می‌رود که با سری حفاری یا TBM کار کنیم. در اصل این عبارات برای تکنیک‌های مشابه برش و شکل دهی خیابان هم بکار می‌رود. دو پارامتر کلیدی برای توصیف پارامترهای فوق بصورت آنالوگ بکار می‌رود. در حفاری با سری برش , پیشرفت برش با حجم سنگ حفاری شده به مترمربع در ساعت کاری اندازه گیری می‌شود و خوردگی مته با تعداد مته‌های تخریب شده که باید پس از

حفاری یک متر مربع عوض شوند اندازه‌گیری می‌شوند. به دلیل اینکه خوردگی مته برشی در هفت حالت پایه روی می‌دهد که بستگی به شرایط جرم سنگ دارد برخی رویکردهای کیفی خوردگی ابزار با تحلیل مته بکار رفته شناسایی می‌شود. در حین برش با TBM پیشرفت برش بعنوان انتشار خاص در سنگ در برابر حجم سنگ برداشته شده به متر مربع در هر ساعت کاری اندازه‌گیری می‌شود. این امکان انجام مقایسه بین انواع TBM ها را فارهم می‌کند.

در مواد سنگی مختلف خوردگی کاتر در فاصله خاص دیسک برش به کیلومتر با مصرف دیسک کاتر در مترمربع سنگ حفاری شده بیان می‌شود. به دلیل اینکه فاصله خرابی دیسک برش بالاست واضح است که با توجه به اختلاف ژئولوژیکی و پترولوژیکی بسیار اندک می‌باشد , این پارامتر برای خصوصیات سنگ قابل بکارگیری نیست.
(حفاری پذیری اولیه )

خصوصیات سنگ : برای بررسی حفاری پذیری باید حفاری پذیری اولیه که توسط سنگ و حفاری پذیری کلی که با خصوصیات جرم سنگ سنجیده می‌شود شناسایی شود. بعبارت دیگر جرم کلی سنگ در خصوصیات کلی در نظر گرفته می‌شود. اگر جرم سنگ همگن باشد و ایزومتر—یک , خصوصیات سنگ باید با پیشرفت حفاری و خصوصیات پترولوژیکال ارتباط داده شود و یا توان سنگ با خوردگی ابزار.

پارامترهای پیشرفت : در بالا خصوصیات مختلف سنگ , یا نرخ حفاری کاملاً توصیف شده است. با وجود بکارگیری این تکنیک‌ها برای سایر فرآیندهای حفاری بهترین رابطه با فعالیت تخریبی در نظر گرفته شده است.

از نقطه نظر فیزیکی ترکیب منحنی تنش و کرنش مقیاسی از انرژی مرتبط با حجم تغیر شکل است. به دلیل اینکه این فعالیت مورد نیاز برای تخریب نمونه سنگ است خصوصیات جدید تعریف شده سنگ با عنوان فعالیت تخریبی خاص wd تعریف شده است که مربوط به انرژی کرنش نیز می‌باشد. بعنوان محصول تنش و کرنش فعالیت تخریبی نشاندهنده شکل نمونه سنگ در منطقه از پیش

تخریب شده است. شکل ۲ رابطه بین تخریب و پیشرفت در حفاری با نشان می‌دهد کفایت روابط با توان فشردگی به این خوبی نیست. رابطه خوبی بین پیشرفت TBM وقتی نرخ انتشار خاص در برابر فعالیت تخریبی نشان داده شده وجود دارد. برای حصول روابط بهتر تنها TBM در بخشهای خاصی از تونل بکار می‌رود که ترک حاصل از اتصالات کم است و ساختار مصرف خاص مواد منفجره با فعالیت

تخریبی در نظر گرفته شده است. نوع سنگ تست شده شامل سنگ رسی , شن و سنگ آهک و کنگولومرا , شیست و انواع کلیست‌ها را شامل می‌شود. فعالیت تخریبی دارای پارامترهای کفایت بالای مرتبط با پیشرفت حفاری است. نمودار مشخص کننده روابط بین نرخ حفاری و فعالیت تجربی است. برخلاف ارتباط ذکر شده روابط بین خصوصیات مکانیکی سنگ و نرخ حفاری کفایت کلی را

نشان می‌دهد. وقتی میزان مصرف خاص مواد منفجره با فعالیت تخریبی سنجیده می‌شود , تخمین بخش همگن تونل و مواد منفجره با خصوصیات ذکر شده قابل قیاس و شرایط انفجار قابل مقایسه است.

بطور خلاصه خصوصیات مکانیکی سنگها بخصوص در فعالیت تخریبی می‌تواند. بعنوان یک مقیاس خوب برای پیشرفت حفاری و بنابراین برای حصول اطلاعات مفید برای بررسی سایت با توجه به قابلیت حفاری پذیری می‌باشد. محدودیت‌های ابتدایی و عواملی همچون همگن بودن سنگ و ایزو تروپیک بودن , تغییر ساختار جغرافیایی و۰۰۰ به ندرت در نظر گرفته می‌شود.

پارامترهای خوردگی ابزار : با بحث در مورد برخی فاکتورهای اثر گذار روی نرخ پیشرفت , حال در مورد پارامترهای خوردگی ابزار صحبت می‌کنیم. پارامترهای تکنیکی و تست مدل برای مطالعات حفاری پذیری مناسب بنظر نمی‌آیند با وجود این تستهای سختی سنجی زیادی برای خصوصیات سنگ انجام شده است. بیشتر آنها هدف خاصی را دنبال می‌کنند و زیاد مورد توجه قرار نگرفته‌اند. تنها چند مورد از آنها توجه بین المللی را به خود جلب کرده است مانند نرخ حفاری DRI یا CAI ,

نکته اینجاست که هیچ خصوصیت فیزیکی برای توصیف سختی سنگ وجود ندارد. با وجود اینکه چندین پارامتر پتروگرافیک مثل ترکیب سنگ و مواد معدنی برای تخمین خوردگی ابزار و قابلیت حفاری بکار برده شده اند , اما روش بکار برده شده بسیار زمان بر است و در عمل بکار گرفته

نشده است. مشخص است که توان سنگ در ابتدا حاصل میزان مواد معدنی خارج شده با توجه به جنس ابزار است. کوارتز معمول‌ترین ماده معدنی است. برای نمونه‌گیری از تمامی مواد میزان مشابهی از کوارتز eQU با ضخامت نازک بررسی می‌شود که یعنی این مقدار ماده معدنی دارای سختی برابر مقدار فوق کوارتز است. بنابراین هر میزان ماده معدنی در کوارتز ضرب شود می‌شود :
رابطه دقیق بین Rosiwal , mohs در شکل ۷ ارائه شده است.

وقتی سختی mohs را بدانیم تخریب پذیری ماده معدنی با دقت رضایت بخشی بدست می‌آید.
روش تخمین eQU در بین تولید کنندگان ابزار بسیار معمول و پرکاربرد است و مهندسان و ژئولوژیست ها برای بررسی‌های اولیه سایت و برای جلوگیری از خوردگی ابزار از آنها استفاده می‌کنند. در شکل ۸ عمر مته در حین حفاری و تونل زنی انفجاری برای انواع سنگها آمده است. می‌توان دید که خوردگی مته با افزایش میزان کوارتز بیشتر می‌شود. با ذکر جزئیات بیشتر این رابطه نشان دهنده پارامتر تأثیرگذار بیشتر برای تخریب سنگ است.

دانه بندی : یک مقایسه بسیار ساده می‌تواند آنرا توضیح دهد : هر دو ماده شن کوارتز و سیلیکات کوارتز دارای کوارتز ۱۰۰% هستند. در مورد نظریه حفاری هر دو ماده تنها شن سبب خوردگی قابل ذکر می‌شود که در این مورد مستقیماً بستگی به دانه بندی کوارتز دارد.
برخی از انواع سنگها دارای منحنی خاص خود هستند.
a) شن , بخصوص آنهایی که خلوص بالاتری دارند و در سیمان‌های سیلیسی یافت می‌شوند.
b) سنگهایی که در اثر واکنش هیدروترمال ایجاد شده‌اند.

در هر یک از این سنگهای خاص , ققل شدن دانه‌ها در زیر ساختارها متداخل می‌باشد. بنابراین برای تخمین هر نوع سنگ باید بصورت مجزا بحث شود. در شکل ۹ گروهی از انواع سنگها با مرز دانه به دانه با استفاده از منحنی لگاریتمی بحث شده است. برای انتخاب گروه سنگها رابطه بسیار نزدیک بوده و می‌تواند برای پیشبینی خوردگی ابزار با تساوی مقدار مشابه به کوارتز بکار رود. توانایی سنگ RAI تحلیل خوردگی ژئوتکنیکی جدید است و بخشی از فرایند تخمینی برای نرخ

خوردگی مته می‌باشد. این فرآیند برنامه بررسی با فرض مقیاس کل مواد معدنی می‌باشد.
بر اساس مقیاس معدنی و مقیاس سنگ RAI با ضرب توان سنگ مربوط در میزان تشابه کوارتز. بدست می‌آید. اطلاعات مقیاس جرم سنگ با فاکتور منفی یا مثبت در نظر گرفته می‌شود که می‌توان سبب افزایش یا کاهش طول عمر مته از دیاگرام تخمینی RAI شود.

(حفاری پذیری کلی‌)

خصوصیات جرم سنگ : با وجود اینکه خصوصیات مکانیکی سنگ نقش کلیدی دارد. پارامترهای ژئولوژیکی در بیشتر پروژه‌ها به ندرت بصورت کامل وجود دارد. در برخی موارد تأثیر خصوصیات ژئولوژیک بسیار مهم تر از خصوصیات سنگ است. مشکلات ژئولوژیک تأثیر زیادی روی اقتصاد خصوصیات ساختاری جاری بخصوص وقتی سیستم حفاری انتخاب شود برای شرایط ذکر شده نامناسب

خواهد بود. بنابراین می‌توان گفت که خصوصیات ژئولوژیک و مترولوژیک سنگ با درجه مشابهی از توان مانند ژئوتکنیک باید محاسبه شود. بعلاوه پارامترهای مکانیکی مقادیری محدود هستند که اگر سنگ آنیزوتروپیک و غیر همگن باشند , این دو تنش نقش کلیدی در فرآیند خردشدن سنگ بازی می‌کنند.

البته خصوصیات سنگ و نرخ حفاری بستگی زیادی به ساختار ضعف محل و جهت تست یا پیشرفت دارد. یعنی وقتی جهت انتشار زاویه راست ساختار باشد , مواد سنگ در سمت راست فشرده شده اما با آن موازی بریده می‌شوند. با وجود اینکه در اثر فشردگی ترک بوجود می‌آید , ترک موازی با انتهای حفره برای برش بکار خواهد رفت. معمولاً در این مورد بالاترین نرخ انتشار در حفاری با TBM حاصل می‌شود. انتشار خاص با توان برشی در جنس مواد کنترل می‌شود. در اینجا کار تخریبی

حداقل است و سبب برش بزرگ و حداکثر پیشرفت حفاری می‌شود. اگر محور انتشار موازی با پیشرفت باشد , فشردگی نیز موازی است اما تنش شیاری در زاویه راست است. باید مشخص باشد که ترکهای کمتر به دلیل توان بالاتر در زاویه راست گسترش بوجود می‌آیند. انتشار به وسیله توان کرنش موازی با انتشار ترک کوچک بوده و حداقل پیشرفت حفاری بدست می‌آید.

مطمئناً در مورد موازی خصوصیات سنگ بالا و نرخ حفاری پائین است. این روابط برای تمامی انواع مواد حفاری شده مطالعه گردیده است. بنابراین اگر محور تونل موازی حرکت اصلی باشد , شرایط حفاری بسیار ضعیف در نظر گرفته می‌شود.

قرار گرفتن ناپیوستگی‌ها : البته نرخ حفاری همچنین بستگی به ناپیوستگی بین سنگها دارد. نا پیوستگی بعنوان یک قانون ضعف در بدنه سنگهاست بنابراین قانون خاصی برای شکست سنگها بکار می‌رود.

فضای ناپیوستگی به مترمربع تعریف شده و پارامتری برای پیش ترکیدگی سنگ است. در نمودار شکل ۱۳ تأثیر ناپیوستگی نامشخص است اگر فضا با ابعاد تونل یا TBM بزرگ باشد. در اینجا خصوصیات سنگ نامحتمل و پیشرفت تنها بر اساس فرایند برش است. با نزدیکتر شدن ناپیوستگی نرخ انتشار افزایش می‌یابد این امر با افزایش ترکهای کوچک به هم پیوستنی نا پیوستگی‌های بزرگ روی می‌دهد. در اینجا شرایط جرم سنگ بی فایده و دستگاه TBM که شروع به بیرون آوردن

قطعات بزرگ سنگ از تونل می‌کند کار آمد است. در نقطه ای خاص دیسک برش توسط ذرات خاص که توسط دستگاه کنده شده و بیرون آورده شده است سبب توقف کاری می‌شود. بدین وسیله انتشار سریع بخصوص در منطقه خطا یا در مناطق پر تنش می‌تواند بسیار زود به اتمام برسد.

نتیجه گیری : پس از تمامی این دریافتها مشخص است که هیچ یک از تستهای آزمایشگاهی یا سایتی , جغرافیایی به تنهایی با تجربه و طراحی تجهیزات تجربه اپراتور نمی‌تواند سبب شود که حفاری تبدیل به یک فرمول خوب و کلی تعریف شده شود. ابتدا با چارت روابط برای خصوصیات

مکانیکی و پتروگرافیکی نرخ حفاری قابل تخمین می‌گردد و خوردگی ابزار برای نوع سنگ مورد بررسی بصورت رضایت بخشی بدست می‌آید. اما در کنار خصوصیات سنگ مشکل اصلی پراکندگی پدیده‌های ژئولوژیک است که نمی‌توانند در اشکال یا خصوصیات سنگ قرار گیرند.

حفاری ضربه‌ای ۳

دستگاههای حفاری ضربه‌ای از نظر مکانیکی عملکردی شبیه چکش حفاری دستی دارند. نیروی لازم جهت انجام حرکت رفت و برگشتی پیستون معمولاً توسط هوای فشرده و گاهاً توسط سیالات هیدرولیک ( تراکم ناپذیر) تأمین شده و انرژی تولید شده از طرق مختلفی به سنگ منتقل می‌گردد. عمل این دستگاهها از طریق هوای فشرده , پیستون , سندان , میله حفاری و سرمته (یعنی محل برخورد مته با سطح سنگ ) انجام می‌پذیرد.

سه روش عمده برای انجام حفاری ضربه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد :
۱- حفاری کابلی
۲- چکش حفاری
۳- روش D.T.H

۳-۱ حفاری کابلی :

در این روش عمل پیستون , میله و مته توسط مکانیسم رفت و برگشتی با کمک نیروی جاذبه زمین انجام می‌شود.
با وجود اینکه حفر چال‌هایی با قطر ۱۵۰ تا ۳۰۰ میلیمتر در تمامی سنگ‌ها با سختیهای مختلف ممکن می‌باشد , ولی این روش بیشتر برای حفاری در سنگهای با سختی متوسط بکار می‌رود. حمل و جابجایی ماشین‌های حفاری کابلی توسط سیستمی که بر روی خود دستگاه نصب شده است انجام می‌شود. و روی هم سوار شدن و بالا بردن آنها در حین عملیات حفاری توسط جک‌های هیدرولیکی انجام می‌شود. این دستگاهها می‌توانند هم به وسیله الکتریسیته , هم با سوخت دیزل کار کنند , ولی با این حال دستگاههایی که با سوخت دیزل حرکت می‌کنند برای حفاری در مناطق دور افتاده , به دلیل قابلیت جابجایی آسان‌تر ترجیح داده می‌شوند.

این دستگاهها از کابل فولادی , ضربه زن‌ها , میله حفاری و مته تشکیل شده‌اند. این اجزا ( از بالا به پائین ) توسط بست و اتصالات به یکدیگر وصل شده‌اند. نیروی لازم برای انجام عمل حفاری در سنگ‌ها توسط این دستگاه که از چهار قسمت اصلی فوق الذکر تشکیل شده , از طریق وزن آن تأمین می‌شود. ( شکل ۳-۱) برای نگه داشتن کابل از سوکت‌هایی استفاده می‌شود که مستقیماً به ضربه زن ها متصل هستند. بخش عمده وزن دستگاه که برای انجام عمل حفاری و همچنین برای هدایت بخش‌های متحرک دستگاه مورد نیاز است , توسط میله حفاری تأمین می‌گردد.

حفاری در این سیستم در یک امتداد ثابت انجام می‌شود که طی آن در حین کشیدگی کابل , مته با ته چال برخورد می‌کند به دلیل خاصیت الاستیسیته و قابلیت بازی کردن کابل , با کشیده شدن کابل انحنای خود را از دست داده و با قطع کشش آن را باز می‌یابد. پس از خارج کردن اجزاء دستگاه حفاری از داخل چال وسیله دیگری برای تمیز کردن به داخل چال هدایت می‌گردد.
اجزاء حفاری و اجزاء تمیز کاری توسط خطوط یا کابلهای متفاوت و مستقل از هم به داخل چال هدایت می‌گردند.

۳-۱ الف) تمیز کردن چال :

تمیز کردن شامل خارج کردن تکه‌ها و خرده‌های حفاری از داخل چال می‌باشد که توسط

دستگاههای بنام گل کش یا دستگاه پمپاژ گل انجام می‌شود. ( شکل ۳-۲) دستگاه گل کش دارای لوله‌ای به طول ۵/۳ متر و قطری معادل ۳/۰ برابر قطر چال می‌باشد. در پائین دارای یک شیر یک طرفه می‌باشد که زمانیکه دستگاه در ته چال قرار می‌گیرد , باز شده و به گل اجازه ورود را می‌دهد و پس از انتقال دادن گل شیر بسته می شود. ضرورتی ندارد که برای ممکن ساختن عمل شیر , دستگاه را مقداری بالاتر از ته چال بکشیم. دستگاه گل کش پس از خروج اجزاء دستگاه حفاری , به خاک ته چال کاملاً چسبیده می‌شود.

در تشکیلات ماسه‌ای و شن که دستگاه گل کش نمی‌تواند مواد را بالا بکشد از نوعی پمپ ماسه استفاده می‌شود. این دستگاه شامل یک لوله وشیر و یک پلانجر یا قسمت پیستون مانند می‌باشد که قادر به حرکت در داخل لوله می‌باشد ( شکل۳-۳)
لوله انتقال ماسه به قسمت فوقانی میله پلانجر متصل می‌باشد. پمپ ماسه به پائین چال فرستاده شده و به پلانجر امکان حرکت تا قسمت تحتانی پمپ داده می‌شود. با حرکت پلانجر به طرف بالا و با انجام عمل مکش , مواد به سمت دستگاه گل مکش هدایت می‌شوند.

زمانی که پلانجر به بالاترین نقطه می‌رسد , پمپ بلند شده و شیر بسته می‌شود. عمل تخلیه پمپ با آزاد شدن ضامنی که در کنار قسمت تحتانی آن واقع شده و نیز با چرخش یک چهارم دور آن تحقق می‌پذیرد.
وجود یک شیر در قسمت تحتانی بعضی از پمپها باعث سرعت دادن به عمل تخلیه پمپ می‌گردد. پمپ‌های ماسه معمولاً در طولهای سه متر , شش متر ساخته می‌شوند.

۳-۱ ب) نظریه حفاری کابلی :

کار انجام شده توسط دستگاه را می‌توان بصورت رابطه ۱-۳ تعریف کرد. که در این رابطه
کمیت‌های زیر عبارتند از :

(۳۱)….
(۳۲)…
W : نیروی وزن دستگاه برحسب kgf .
M : جرم دستگاه بر حسب کیلوگرم ؛
: سرعت دستگاه در لحظه تماس بر حسب متر بر ثانیه ؛
a: شتاب دستگاه در داخل چالی که در آن گل وجود دارد برحسب متر بر مجذور ثانیه ؛
g: شتاب ثقل بر حسب متر بر مجذور ثانیه ؛
h: ارتفاع برحسب متر ؛
همچنین کار انجام شده در مدت زمان یک دقیقه طبق رابطه ۳-۳ بدست می‌آید.
(۳۳)….
( در این رابطه n نشان دهنده تعداد ضربات در مدت زمان یک دقیقه می‌باشد ) حجمی از سنگ که در مدت زمان یک دقیقه حفاری می‌شود نیز از رابطه ۴-۲ به دست می‌آید که d قطر چال بر حسب سانتیمتر و PR عمق یا میزان حفاری در این مدت بر حسب سانتیمتر بر دقیقه می‌باشد.
میزان کار ویژه انجام شده طبق رابطه ۵-۲ می‌باشد.

(۳۴) …
(۳۵)…
مقدار این کار در حفاری کابلی برای یک نوع سنگ خاص تقریباً ثابت بوده و بین ۵ برای سنگهای بسیار نرم و ۱۰۰ برای سنگهای بسیار سخت متغیر می‌باشد.
از ترکیب روابط ۳-۳ و ۴-۳ و ۵-۳ می‌توان میزان نرخ نفوذ مته در سنگ را طبق روابط ۶-۳ و
۷-۳ محاسبه کرد.
(۳۶)…
(۳۷)..
اگر ۱t مدت زمان حرکت دستگاه به سمت بالا و ۲t مدت زمان حرکت آن به طرف پائین باشد , بیشترین مقدار راندمان را زمانی خواهیم داشت که مقدار t1 با مقدار t2 برابر باشد.
اگر مقدار t1 بزرگتر از مقدار t2 باشد , همانند یک ترمز , شدت ضربه گرفته خواهد شد.
اگر مقدار t2 بزرگتر از مقدار t1 باشد , دستگاه قبل از رسیدن به ماکزیمم ارتفاع خود , حرکت به سمت پائین را شروع خواهد کرد.

برای محاسبه زمان بالا آمدن دستگاه می‌توان از رابطه ۸-۳ استفاده کرد. که در این رابطه , a زاویه چرخش دستگاه بر حسب درجه می باشد.
مقدار t2 را می‌توان از رابطه ۹-۳ بدست آورد.
با مساوی قرار دادن t2,t1 می‌توان n ( تعداد ضربات وارده در زمان یک دقیقه ) و PR ( عمق حفاری شده در این مدت زمان را محاسبه کرد.

همانطور که از روابط مربوط مشخص می‌گردد , نرخ نفوذ مته در سنگ , ارتباط مستقیمی با وزن , ارتفاع و شتاب دستگاه دارد.
جهت اجتناب از مقاومت بیش از حد سنگ در برابر دستگاه , قطر میله حفاری را نباید بیش از ۷۵/۰ تا ۸۵/۰ برابر قطر چال در نظر گرفت. همچنین با افزایش طول دستگاه طبیعتاً بر وزن آن نیز افزوده می شود. به همین علت ارتفاع دستگه حتی الامکان نباید از ۲/۱ متر تجاوز کند.
شتاب دستگاه نیز تأثیر بسزایی در نرخ حفاری دارد که وابسته است به مقدار و کیفیت گل مورد استفاده بعنوان سیال حفاری. با کاهش مقدار گل , نرخ نفوذ و سرعت آن افزایش پیدا می‌کند ولی بر روند کلی کار تأثیر منفی می‌گذارد زیرا زمان بیشتری جهت انتقال خرده‌ها تلف می‌گردد.
تعداد ضربات وارده و ارتفاع دستگاه که نیروی وزن از آن نتیجه می‌شود رابطه نزدیکی با ظرفیت و توان موتور دارد. باید یادآوری شود که بیشترین مقدار کار انجام شده در هنگام بالا بردن اجزاء دستگاه رخ می‌دهد. این کار از روابط ۱۲-۳ الی ۱۴-۳ بدست می‌آید.
(۳۱۲) …
(۳۱۳)…
(۳۱۴)…
که N : قدرت موتور بر حسب kw ؛
W : نیروی وزن بر حسب کیلوگرم ؛
: کارآیی و راندمان دنده ؛ زمان بالا بردن دستگاه و
h: فاصله‌ای که دستگاه در مدت زمان یک دقیقه بالا برده می‌شود , است.

۳-۱- ج) امتیازات حفاری کابلی :

۱- نمونه گیری دقیق تر از تشکیلات زمین میسر می‌باشد.
۲- در حین حفاری , تک تک لایه‌ها از لحاظ کمیت و کیفیت آب قابل بررسی می‌باشند.
۳- میزان آب کمتری برای انجام عملیات حفاری لازم است.
۴- در بسیاری از موارد , دستگاه حفاری کابلی نسبتاً سبکتر بوده و جابجایی آن نیز در سطوح ناهموار آسانتر می‌باشد.

۵- هزینه اولیه دستگاه و قطعات آن کمتر می‌باشد.
۶- هزینه‌های حفاری به ازای هر متر , نسبتاً ارزانتر تمام می شود.
۷- شناسایی تشکیلات آب دار و پیشگیری از ایجاد مزاحمت توسط آن ممکن می‌باشد.
اما نقاط ضعف این سیستم در مقایسه با نقاط قوت آن , به قدری دارای اهمیت زیادی می‌باشند که استفاده از یک سیستم ترکیبی ترجیح داده می‌شود.

۳-۱- د) نقاط ضعف و معایب این سیستم عبارتند از :
۱- از دستگاه حفاری کابلی فقط برای ایجاد حفر و چالهای عمودی می‌توان استفاده نمود ؛
۲- میزان بهره‌وری به ازای متراژ حفاری شده در هر شیفت بسیار پائین می‌باشد ؛
۳- ایجاد خرابی‌های زیادی در امتداد خط حفاری ؛
۴- برای حفاری چال‌های عمیق , مخصوصاً در تشکیلات سخت‌تر , نامناسب می‌باشد.
به دلیل زمان زیادی که جهت بالا کشیدن قطعات و دستگاه تلف می‌شود و همچنین به خاطر مشکلات فرعی ناشی از فشار طبقات و نیز وزن‌های ترکیبی ماسه و آب باعث شده که این روش به تدریج به دست فراموشی سپرده شود.

۳-۲ دستگاه حفاری چکشی :

دستگاههای حفاری ضربه‌ای به اندازه‌های مختلف ساخته می‌شوند و می‌توان آنها را به دسته‌های زیر تقسیم بندی نمود.
چکش حفاری ۱ دریفتر۲ و استاپر ,۳ , جامبودریل ۴ و واگن دریل.۵
چکش حفاری , وسیله دستی و کوچکی است که وزن آن بین ۱۰ تا ۳۰ کیلوگرم متغیر می‌باشد. از این دستگاه یعنی چکش حفاری برای حفر چالهای کم عمق و نیز برای چالهای انفجاری اولیه و ثانویه استفاده می شود.

نیروی اعمال شده جهت حفر چالهای کوچک انفجاری به قطر بیست و پنج تا چهل میلیمتر , توسط نیروی وزن شخص تأمین می‌شود. از این دستگاه , هم برای حفر چالهای عمودی و هم برای حفر چال‌های افقی استفاده می‌شود.