روش‌هاى موثر بر پديده شکستگى‌هاى نامطلوب در حفارى‌هاى زيرزمينى

سيستم حفارى و انفجار در فضاهاى زيرزمينى به دليل اقتصادى بودن و سازگارى با شرايط متغير توده سنگ به کار گرفته مى شود. انفجار اساسا يک پروسه مخرب است و از اين بابت صدماتى را به سنگ هاى اطراف وارد مى کند. از آنجا که حفر فضاهاى زيرزمينى امروزه يک مقوله بسيار مهم است و در کارهاى مختلفى از قبيل حفر تونل هاى مختلف (تونل هاى راه، انتقال آب، معدنى و...) و فضاهاى زيرزمينى (مغارهاى نيروگاه هاى برق آبى و...) مورد استفاده قرار مى گيرد، بررسى صدمات ناشى از انفجار در اين فضاها امرى حياتى محسوب مى شود. از جمله صدمات مهمى که در اين فضاها اتفاق مى افتد پديده شکستگى هاى نامطلوب است که سبب ايجاد شکستگى با اندازه بزرگتر و يا کوچکتر از اندازه طراحى شده مى شود. در اين تحقيق سعى شده با شرح مناسبى از اين پديده و بررسى عوامل موثر بر آن (که به طور کلى به سه دسته ويژگى هاى توده سنگ ، توزيع مواد منفجره و خصوصيات آنها و طراحى و اجراى انفجار تقسيم مى شوند)، راه حل هايى را جهت بهبود و کاهش اين پديده ارائه کرد. با مطالعه اين تحقيق مى توان به اين نتيجه رسيد که انتخاب محل مناسب براى حفر فضا، تعيين مناسب و بهينه براى پارامترهاى حفارى مانند قطر، طول، خرج ويژه و... چال ها و نيز اجراى انفجارى مناسب، در کنترل و کاهش شکستگى هاى نامطلوب از اهميت ويژه اى برخوردار است.
مقدمه

در هر جا که نيروى انسانى و ماشين آلات قادر به شکستن سنگ نباشند از مواد منفجره استفاده مى شود. حتى در بسيارى از موارد هم که ماشين و انسان توانايى شکستن سنگ را دارند، به منظور ايمنى، کسب راندمان بالا و کاهش هزينه ها، مواد منفجره به کار برده مى شود. مجموعه عملياتى که منجر به شکسته شدن سنگ به وسيله مواد منفجره مى شود عمليات انفجار نام دارد که طى پديده انفجار مقدار معينى سنگ شکسته شده و از جا درمى آيد. در هر عمليات انفجار سه هدف زير بايد مورد توجه قرار گيرد:
تعيين نوع و مقدار ماده منفجره مورد مصرف
از بين بردن يا به حداقل رسانيدن ضايعات و صدمات انفجار: انفجار ارزانترين روش براى خرد کردن سنگ هاى سخت است اما با اين وجود، مشکلاتى نيز به وسيله انفجار ايجاد مى شود که هزينه هايى را به بار مى آورد. براى بهينه شدن استفاده از انفجار، اين مشکلات و صدمات را بايد به حداقل رسانيد.
پديده شکستگى هاى نامطلوب
پديده شکستگى هاى نامطلوب يک فاکتور ارزيابى قابل ملاحظه در سازه هاى زيرزمينى است که تا امروز هيچ روش موثرى براى پيش بينى اين پديده در تونل ها و حفريات زيرزمينى بيان نشده است. به طور کلى، شکستگى هاى نامطلوب عبارت است از اختلاف بين مقطع فضاى زيرزمينى ايجاد شه بعد از انفجار و مقطع طراحى شده که ممکن است اين مقطع بزرگتر و يا کوچکتر باشد. شکستگى هاى نامطلوب مى تواند بر حسب m۳٫ m۲٫ m بيان شود اما در اکثر مواقع به صورت درصد بيان مى شود. درصد تفاوت حجم بين مقطع تونل يا فضاى زيرزمينى پس از عمل انفجار (مقطع واقعى) و مقطع طراحى شده را درصد شکستگى هاى نامطلوب گويند. اين درصد پس از هر مرحله پيشروى محاسبه مى شود. پديده شکستگى هاى نامطلوب از آنجا که سطحى نامنظم، ناهموار و بزرگتر از مقطع طراحى شده ايجاد مى کند، مستلزم استفاده از مواد پرکننده يا نگهدارنده همانند بتن بيشترى است که خود هزينه زيادى را مى طلبد.
عوامل موثر بر پديده شکستگى هاى نامطلوب
ويژگى هاى توده سنگ
توده سنگ قابل تغيير نيست و طبق شرايط محيط کار ثابت مى ماند ولى شناخت آن مى تواند در انتخاب نوع ماده منفجره، خصوصيات اين مواد و نيز پارامترهاى طراحى انفجار براى حصول نتيجه مطلوب، اطلاعات کافى در اختيار ما قرار دهد. در واقع ويژگى هاى توده سنگ تاثير کنترل کننده اى بر نتايج يک انفجار دارند. موقعيت درزه ها و ناپيوستگى ها نقش به سزايى در شکل گيرى محيط فضاى زيرزمينى دارد. وجود درزه ها موجب کاهش شدت موج تنشى مى شود و اين کاهش شدت موج عبورى از درزه، به زاويه اى که موج انتشار يافته، با سطح درزه مى سازد بستگى دارد. اين ضعيف شدگى زمانى که امتداد موج انتشار يافته با سطح درزه موازى يا عمود باشد، حداقل مقدار و اگر زاويه اى برابر ۱۵ تا ۴۵ درجه داشته باشد بيشترين مقدار را دارا خواهد بود. طبق آزمايشات «ورسى» در سال ۱۹۸۱ نيز وجود ناپيوستگى ها با زاويه کمتر از ۶۰ درجه نسبت به خط محيطى تونل طراحى شده، تاثير معکوس بر نتايج آتشبارى کنترل شده دارد و اگر موقعيت ناپيوستگى ها با زاويه اى کمتر از ۱۵ درجه باشد، آتشبارى کنترل شده هيچ گونه برترى نسبت به آتشبارى عادى ندارد. افزايش فاصله جدايى سطح درزه باعث کاهش شديد کيفيت پروفيل نهايى فضاى حفر شده مى شود. درزه هاى باز مى توانند سبب منشعب شدن ترک ها و افزايش آنها بين دو چال محيطى شوند. البته اگر درزه ها کيپ و به هم متصل شوند، فاصله دهانه آنها تاثير به سزايى در وقوع شکستگى هاى نامطلوب ندارد. فاصله دهانه درزه در حد ۳ ميلى متر همانند يک سطح آزاد عمل مى کند و در نتيجه انرژى آزاد شده حاصل از انفجار بدون ايجاد سطح شکافته شده جديد بازگشت داده مى شود. فاصله کم درزه ها بيانگر اين است که توده سنگ خيلى درزه دار است. به هنگام انفجار در سنگ هاى درزه دار و سست، فاکتور اساسى اين است که آيا الگوى چال زنى عريض تر از فاصله درزه هاست يا خير؟ ميزان ۲ تا ۳ دسته درزه در حد فاصل اين چال ها (دو چال مجاور) تاثير معکوسى بر کنترل محيط دارد و سبب ايجاد شکستگى هاى نامطلوب مى شود. مواد پرکننده درون يک درزه، شرايط عبور موج را تغيير مى دهد. هر چه عرض مواد پرکننده کمتر و آمپدانس آن به آمپدانس سنگ نزديکتر باشد انتقال انرژى بهتر صورت مى گيرد. وجود مواد رسى در درون درزه که قابليت آماس پذيرى دارند به کيفيت ضعيف توده سنگ کمک مى کند و سبب تشديد شکستگى هاى نامطلوب مى شود. اگر فاصله دهانه درزه ها کمتر باشد يا با مواد مقاوم و پايدار پر شده باشد، شکستگى هاى نامطلوب حاصله، بستگى به جهت يابى درزه ها خواهند داشت. در مقادير ۵۰ درصد و کمتر براى شاخص کيفيت توده سنگ، جهت حصول نتايج مطلوب، نياز به فاصله دارى کم چال ها، بارگذارى سبک به چال ها و چال هاى کمکى است. اگر امتداد تنش اصلى در جهت خط چال هاى محيطى باشد بر شروع و تکثير ترک ها بين چال هاى انفجارى موثر است. اندازه تنش اصلى، به ويژه هنگامى که مقدار تنش به مقاومت سنگ نزديک باشد بر شکستگى هاى نامطلوب اثر مى گذارد. در سنگ هاى توده اى همگن، ترک هايى که به صورت شعاعى از محل چال هاى انفجارى شروع به انتشار مى کنند، تمايل به دنبال کردن امتداد تنش اصلى دارند.
خصوصيات مواد منفجره و توزيع آن
خصوصيات مواد منفجره نقش حياتى را در ايجاد صدمات انفجار ايفا مى کنند. اندازه فشار داخلى چال معرف تنش و شکستگى است که توده سنگ تحمل مى کند. مشاهدات حاصل، تنها براى چال هاى محيط تونل صادق است. اگر تمرکز خرج کمتر از حد بهينه باشد، انرژى ماده منفجره در خرد کردن و جابه جا کردن بار سنگ دچار مشکل خواهد شد و اين امر که کاهش خرج ماده منفجره، صدمات انفجارى کمترى خواهد داشت نيز براى تمامى چال ها صادق نيست. هنگامى که گازها با فشار بسيار زياد در درون چال براى مدت طولانى محصور مى شوند و درصد کمترى از انرژى ماده منفجره به انرژى جنبشى جهت حرکت و جابه جايى سنگ تبديل مى شود، صدمات ناشى از انفجار با شدت بيشترى حاصل مى شوند. البته تمرکز خرج بيش از حد بهينه نيز سبب مشکلاتى از قبيل پرتاب سنگ، لرزش هوا، ايجاد سر و صدا و افزايش لرزش زمين مى شود. فشار داخلى چال که توسط يک ماده منفجره ايجاد مى شود مستقيما با سرعت انفجارى آن مرتبط است. اگر به تاريخچه انفجار بنگريم در مى يابيم که هر چه فشار داخلى چال بالاتر باشد، صدمات انفجار بيشترى نيز به وجود خواهد آمد و حال آنکه مواد منفجره با سرعت انفجار بالاتر، صدمات انفجارى کمترى به دنبال خواهند داشت. عموما مواد منفجره با سرعت انفجار بالا (VOD بالا) به صورت جفت نشده با ديواره چال قرار مى گيرند و انرژى موج ضربه قوى تر و فشار گاز کمترى ايجاد مى کنند.
خرج ويژه نسبت بين وزن ماده منفجره به حجم سنگى که بايد خرد شود، است. خرج ويژه زيادى سبب ايجاد شکستگى هاى بزرگتر و خرج ويژه کمتر، سبب شکستگى هاى کوچکتر از ابعاد طراحى شده مى شود. اما از نقطه نظر صدمات انفجار، خرج ويژه براى محيط تونل مهمتر از خرج ويژه کلى تونل است.
طراحى انفجار و اجراى آن
معمولا چال هاى با قطر بيشتر، صدمات انفجارى بيشترى خواهند داشت و چال هاى با طول بيشتر صدمات قابل ملاحظه اى را به وجود خواهند آورد، چرا که اين نوع چال ها حاوى مقادير بيشترى از مواد منفجره خواهند بود. قطر و طول بهينه چال ها به خصوصيات توده سنگ و هدف حفر چال بستگى دارند. چال هاى با قطر کم، پروفيل بهترى به دنبال خواهند داشت ولى هزينه هاى بيشترى براى چال زنى و خرج گذارى صرف خواهد شد. بخش برش يکى از بخش هاى مهم حفر تونل است، چرا که اين بخش در مرحله اول ايجادکننده يک سطح آزاد براى عمليات انفجار در تونل ها و فضاهاى زيرزمينى است. اصولا شکل چال هاى بخش برش به صورت يک يا چند چال خالى در بخش داخلى و چند چال پر در اطراف آن قرار داده مى شود که وظيفه ايجاد يک سطح آزاد براى حفر تونل را بر عهده دارند. در هنگام انفجار بايد توجه داشت که چال هاى پر با تاخير منفجر مى شوند يعنى به ترتيب و بعد از يکديگر انفجار صورت مى گيرد و نه به صورت همزمان. بخش برش در واقع حساس ترين بخش سطح جبهه کار است زيرا مابقى چال ها تا عمق مورد نظر پيشروى نخواهند کرد مگر اينکه بخش برش به درستى و طبق برنامه بيرون کشيده شود. اگر انفجار و خردايش سنگ در بخش برش به درستى انجام نگيرد خرج هاى انفجارى ساير چال ها محصور مى شوند و صدمات بيشترى را به دنبال خواهند داشت. حداقل صدمات انفجار زمانى رخ مى دهد که چال بار سنگ مربوط به خود را به سهولت خرد و جابه جا کند. خطاى حفارى ممکن است به علت انحراف در رديف چال ها و يا انحراف در مسير حفارى به وجود آيد. انحراف چال هاى انفجارى سبب تغيير در اندازه بار سنگ، فاصله دارى چال ها و صفحه چال ها که به ويژه در چال هاى محيطى از اهميت خاصى برخوردار است، مى شوند. اين تاثير سبب ايجاد شکستگى هاى نامطلوب در قسمت محيطى جبهه کار مى شود. قبل از شروع عمليات چال زنى محل چال ها بايد به طور مناسبى علامت گذارى شود و به اپراتور چالزن نيز براى دقت در عمليات چال زنى نکات لازم تذکر داده شود. هنگام انفجار در تونل بعضا شيب براى چال هاى محيطى به منظور ايجاد فضاى مناسب لازم است. تفاوت در انحراف اين زاويه معين نيز مى تواند به ايجاد شکستگى هاى نامطلوب کمک کند. انفجار در چال هاى محيطى نقش مهمى را در ايجاد سطح مطلوب در تونل ايجاد مى کند. فاصله دارى و بارسنگ چال هاى محيطى، تاثير چشمگيرى بر شکل و ظرافت حفارى هاى زيرزمينى دارند. مشاهدات و آزمايشات نشان مى دهند که نسبت بارسنگ به فاصله دارى چال هاى محيطى برابر ۲۰/۱، سبب تسهيل در اتصال ترک هاى چال هاى در امتداد قوس سقف تونل گشته و صدمات ناشى از مواد منفجره را در اولين رديف چال ها به حداقل مى رساند. فاصله بهينه بين چال هاى محيط بستگى به نوع سنگ و قطر چال حفارى دارد. مشاهدات نشان مى دهد که اتصال شکل مناسبى از ترک ها در امتداد رديف چال هاى پشتى بر اثر انفجار همزمان اين چال هاست. براى حصول چنين نتيجه اى به طريق زير مى توان عمل کرد:
الف. تمامى چال هاى پشتى همزمان و توسط يک فتيله انفجار، منفجر شوند.
ب. از چاشنى هاى تاخيرى با شماره تاخير يکسان براى هر چال استفاده شود.
ج. چال هاى پشتى توسط چاشنى هاى الکتريکى فورى و به صورت جداگانه منفجر شوند.
از لحاظ تئورى نيز رسيدن به حداقل آسيب ممکن، تنها هنگامى عملى است که چال هاى انفجارى کنار هم در يک فاصله زمانى کمتر از زمان لازم براى گسترش يک ترک کششى بين دو چال، منفجر شوند. اگر سرعت موج طولى در سنگ (Vp) ۴ هزار و ۸۰۰ متر بر ثانيه فرض شود و سرعت انتشار ترک ها ۳۰ درصد سرعت موج طولى و فاصله چال ها ۶/۰ متر باشد آنگاه واکنش موثر بين چال هاى مجاور هنگامى حاصل مى شود که چال ها با تاخير ۲۱/۰ ميلى ثانيه از يکديگر منفجر شوند، اما درجه مورد انتظار عملکرد يک چاشنى تاخيرى با زمان انفجار ۵ هزار ميلى ثانيه، حدود ۵۰۰ ميلى ثانيه است. تاثير همراهى بين چال هايى که به طور همزمان آتش مى شوند، تعيين کننده تاخير انفجار براى شکستن سنگ در امتداد يک مسير مستقيم بين چال ها است و از اين رو صدمات کمترى به سنگ هاى محيطى وارد مى آورد. تاخير طولانى بين چال هاى مجاور سبب ايجاد ترک هاى طويل در چال هاى محيط مى شود.
جمع بندى مطالب
پديده شکستگى هاى نامطلوب در تمامى حفارى هاى زيرزمينى اتفاق مى افتد و يک راه حل کاملى براى پيش بينى و جلوگيرى از آن وجود ندارد ولى با بررسى پارامترهاى موثر بر آن مى توان به نتايجى دست يافت تا اين پديده را کاهش داده و يا تا حدودى کنترل کرد. با بررسى ويژگى هاى توده سنگ محيط مى توان طراحى مناسب براى مقطع تونل و يا مسير عبورى تونل انجام داد تا اين پديده کاهش يابد. به طور کلى با برنامه ريزى صحيح و دقت در عمليات چال زنى مى توان به طور چشمگيرى در حصول صدمات انفجار، بازدهى بهينه و محيط کارى ايمن تاثيرگذار بود. قابل توجه اينکه بر اثر پديده شکستگى هاى نامطلوب ذکر شده مقطع ايجاد دشه از مقطع طراحى شده بزرگتر شده و موجب استفاده از مواد پرکننده يا لاينينگ بيشتر مى شود که خود هزينه هاى زيادى را مى طلبد.