بررسی الگو های رایج انفجار در گالری های معدنی و مقایسه آنها با وضعیت جاری معادن ذغالسنگ کرمان

[XMEHRDADX 7514]

بررسی الگو های رایج انفجار در گالری های معدنی و مقایسه آنها با وضعیت جاری معادن ذغالسنگ کرمان(مطالعه موردی معدن ذغال سنگ پابدانا)

چکيده

 

آتشباري زيرزميني با توجه به شرايط سخت و كمبود سطوح آزاد، همواره از آتشباري سطحي دشوارتر بوده و نياز به طراحي و برنامه‌ريزي دقيق‌تري دارد. از طرف ديگر الگوي انفجار، تاثيري مستقيم روي زمان و هزينه‌هاي حفاري براي تونل‌هاي معدني و ساير ابنيه‌هاي زيرزميني دارد. در اين ميان، ايجاد گالري‌هاي معدني، بخشي از مهمترين فعاليت‌هاي مربوط به آماده‌سازي و استخراج در معادن زيرزميني است كه نقش به‌سزايي در افزايش توليد معدن دارد. با توجه به اينكه اساس كار پيشروي در يك گالري معدني، داشتن طرح و برنامه‌اي مشخص و رعايت استاندارد‌هاي موجود در اين بخش است و اين امر در بسياري از معادن ايران چندان مورد توجه قرار نگرفته است، در اين تحقيق، پس از مطالعه دقيق وضعيت جاري آتشباري در معادن زغال‌سنگ كرمان، كليه پارامتر‌هاي موثر در انجام يك آتشباري موفق، با بررسي روش‌ها و الگو‌هاي استاندارد و رايج آتشباري در دنيا، تعيين و در مقايسه آن با وضعيت جاري معادن منطقه كرمان، عوامل كاهش ميزان راندمان پيشروي در اين معادن مشخص شده و در نهايت راهكار‌هاي عملي رفع مشكلات جاري اين بخش ارائه شده است.

 

کلمات کليدي: معدن زغال‌سنگ پابدانا، الگوي انفجار، آتشباري، پيشروي.

 

 

1. مقدمه

 

حفاري، انفجار و پيشروي گالري‌ها، از مهمترين فعاليت‌هاي بخش آماده‌سازي در معادن زيرزميني است كه بايد بر اساس طرح و برنامه‌اي مشخص و مبتني بر الگويي متناسب با شرايط هر معدن انجام گيرد. هدف از اجراي طراحي در عمليات آتشباري، نيل به سه هدف است:

 

1. تعيين نوع و ميزان مواد منفجره مورد نياز.

 

2. روش توزيع و کاربرد اين مواد براي رسيدن به‌هدف مورد نظر.

 

3. از بين بردن يا کاهش صدمات ناشي از انفجار براي تاسيسات و ديواره‌هاي تونل.

 

مصرف مواد ناريه در پيشروي تونل 3 تا 10 برابر آتشکاري معادن روباز است. ميزان پيشروي در اين عمليات بستگي به‌قطر چال خالي، سطح مقطع تونل، ميزان خرج‌گذاري و آرايش چال‌ها دارد. ضمن اينکه نمي‌توان نقش خصوصيات و جنس سنگ موجود را ناديده گرفت. مقاومت فشاري، ميزان درزه و شکاف و جنس سنگ از مهمترين فاکتورهاي تاثيرگذار بر عمليات آتشباري زيرزميني است.

 

 

2. منطقه زغالي كرمان

2ـ1. موقعيت جغرافيايي و مشخصات زمين‌شناسي منطقه

 

معادن زغال‌سنگ اين منطقه، از جمله معادن فعال ايران هستند که بعد از طبس بالاترين ذخيره را دارا بوده و به‌عنوان تامين‌کننده اصلي زغال مورد نياز ذوب‌آهن اصفهان مطرح هستند. اين منطقه در جنوب‌شرقي ايران، استان کرمان، شهرستان کوهبنان و در منتهي‌اليه شمال‌غربي ناحيه زغال‌دار كرمان و در حد فاصل طول‌هاي جغرافيايي "30، 56 درجه تا "32، 56 درجه شمالي و در فاصله عرض‌هاي جغرافيايي "08، 31 درجه تا "11، 31 درجه شرقي قرار گرفته است. منطقه پابدانا از طريق جاده آسفالته به‌طول 142 كيلومتر به‌شهر كرمان متصل مي‌شود كه از طريق همين جاده امكان انتقال زغال به كارخانه زغال‌شويي زرند توسط كاميون كه در فاصله 45 كيلومتري معدن قرار دارد نيز وجود دارد. اين منطقه داراي 5 معدن فعال بود كه بزرگترين منطقه معدني شركت تهيه و توليد مواد معدني ايران هم از نظر توليد و هم از نظر ميزان ذخيره به‌شمار مي‌آيد. در حال حاضر اين ناحيه به 4 منطقه معدني كه شامل منطقه اصلي (پابدانا)، منطقه معدن هشوني، منطقه همكار و معدن كمسار است، تقسيم‌بندي شده است[1]. با هدف طراحي و بهره‌برداري و با توجه به توپوگرافي، شيب و گسترش لايه‌ها، معدن پابدانا به دو قسمت در شيب تقسيم شده است:

 

الف: معدن اوليه پابدانا (از افق 2550+ متر تا سطح زمين)

 

ب: معدن بزرگ پابدانا (از افق 2400+ متر تا 2550+ متر)

 

از نظر زمين‌شناسي، زغال‌سنگ کرمان در يک بزرگ ناوديس (ژئوسنکلينال) واقع شده است. اين ناوديس بيضي شکل بوده که کشيدگي آن به موازات دشت کرمان ـ زرند داراي امتداد شمال‌غرب ـ جنوب‌شرق است. اين ناوديس از چند مجموعه زغالي تشکيل شده است. براي اينکه لايه‌هاي زغال به‌راحتي مورد بررسي قرار گيرند آنها را بر اساس زمان تشکيل يعني از قديم به جديد به زون‌هاي A، B، C، D و E نام‌گذاري كرده‌اند. زون D تنها به‌طور تقريبا كامل به‌وسيله چاه‌هاي حفر شده قطع شده است. در اين زون 13 لايه زغالي وجود دارد كه به‌ترتيب از پايين به سمت بالا به نام‌هاي1d، 2d، 3d، 4d، 5d، 6d، 7d، 8d، 9d، 10d، 11d، 12d و 13d ناميده شده است. در اين ميان تنها 7 لايه زغالي به نام‌هاي 2d، 4d ،5d، 6d، 8d ،9d قابل كار هستند. ساير لايه‌ها داراي اهميت اقتصادي چنداني نيستند[1].

 

 

2ـ2. ميزان توليد و ذخيره معدن [1]

 

معدن اصلي پابدانا با ظرفيت توليد 600 هزار تن زغال‌سنگ در سال طراحي شده است و از سال 1350 ساخت معدن آغاز و عمليات بهره‌برداري در سال 1357 آغاز شده است. معدن از طريق حفر تونل 4 در افق 2400 + متر باز شده است.

 

براساس طرح توسعه معدن، ذخيره زغال‌سنگ معدن اصلي پابدانا از سطح زمين تا زير افق 2250 متر به شرح جدول (1) است.

[XMEHRDADX 7514]

 

3. بررسي وضعيت موجود آتشباري در معدن زغال‌سنگ پابدانا

 

حفاري و آتشباري در معدن پابدانا را مي‌توان به دو بخش تقسيم كرد:

 

1. سينه کار‌هاي پيشروي مربوط به معدن (اماني).

 

2. سينه کار‌هاي پيشروي مربوط به بخش خصوصي (پيماني).

 

انجام پيشروي گالري‌ها در سينه كارهاي مربوط به بخش اماني توسط شركت زغال‌سنگ كرمان و در سينه كار‌هاي پيماني توسط پيمانكاران معدني انجام مي‌گيرد. در اين معدن و در شرايط فعلي، بنا به دلايلي، ميزان پيشروي گالري‌هاي معدني با استاندارد‌هاي رايج تفاوت‌هاي بسياري دارد. عمق چال در اين معدن از 110 سانتيمتر تجاوز نکرده و ميزان پيشروي روزانه بين 85 الي 100 سانتيمتر است، يعني راندمان پيشروي در حدود80 تا 90 درصد برآورد مي‌شود. قطر چال‌هاي حفر شده 32 ميليمتر و فاقد هرگونه طرح و الگويي است. سطح مقطع گالري‌ها در اين معدن 2/7، 2/9 و 2/11 مترمربع است که تمرکز عمليات تحقيق و بررسي مربوط به اين مبحث در سطح مقطع 2/7 و 2/9 مترمربعي صورت گرفته است. خرج‌گذاري در معدن به‌وسيله کارگر و با ديناميت‌هاي پارچين اخگر 22، با طول 27 سانتيمتر، قطر 22 ميليمتر و وزن 125 گرم انجام مي‌گيرد. در ادامه اين مبحث، ضمن معرفي پارامتر‌هاي تاثيرگذار در فعاليت‌هاي آتشباري زيرزميني، به مقايسه استاندارد‌هاي رايج در دنيا با وضعيت جاري در اين معدن خواهيم پرداخت.

 

پارامترهاي موثر در انجام عمليات آتشباري زيرزميني عبارتند از‍ [3و2]:

 

1. جنس سنگ

 

2. الگوي آتشباري و طرح برش (بررسي راندمان پيشروي، خرج وي‍ژه و حفاري ويژه)

 

3. عمق و قطر چال حفاري

 

4. قطر چال خالي

 

5. نوع ماده منفجره

 

6. دانسيته خرج‌گذاري

 

7. مهارت کارگران حفار (انحراف چال)

 

8. تاخير در انفجار چال‌ها

 

9. ترتيب انفجار چال‌ها

 

10. گل‌گذاري

 

با توجه به موارد ذكر شده، پس از تعيين استانداردهاي رايج دنيا در زمينه آتشباري زيرزميني با مقايسه دو مدل رايج آتشباري (مدل آتشباري سوئدي و نروژي)، به بررسي شرايط موجود در معدن زغال‌سنگ پابدانا و تعيين تفاوت‌هاي موجود خواهيم پرداخت.

 

 

4. مدل آتشباري NTNU (Norwegian University of Science & Technology) [2]

 

طراحي آتشباري مورد استفاده در مدل NTNU، که از طرف NTNU پيشنهاد شده، يک مدل طراحي آتشباري تجربي براساس برش چال موازي است که اولين نمونه آن در سال 1975 به چاپ رسيده است و از آن زمان تاکنون چهار بار مورد بررسي و تجديدنظر قرار گرفته است[2].

 

در اين روش، سطح مقطع تونل به 5 قسمت برش، پيشروي، چال‌هاي کف، رديف نزديک به محيط و محيط تقسيم مي‌شود که در بخش محيط، انجام آتشباري کنترل شده پيشنهاد مي‌شود. براي مثال، دانستيه خرج‌گذاري در محيط و رديف نزديک به محيط کاهش مي‌يابد. طرح هر بخش نيز بسته به جنس سنگ‌هاي دربرگيرنده آن و ساير پارامترهاي ذيل قابل محاسبه است[2]:

 

قابليت آتشباري توده سنگ

 

قطر چال حفاري

 

طول چال حفاري

 

سطح مهارت کارگران

 

 

4ـ1. طرح برش

 

در برش چال موازي استفاده شده در مدل NTNU، آتشباري در مقابل يک فضاي خالي که به‌وسيله يک يا چند چال حفاري شده که خالي نگه داشته شده است، آغاز مي‌شود. سه نوع از اين برش‌هاي استاندارد در شکل(1) نشان داده شده است.

 

وجود چال خالي در برش متضمن اين است که با انفجار سنگ‌هايي که در هر مرحله آتشباري مي‌شوند، حداقل 80 درصد فضاي لازم براي ساير انفجارها فراهم آيد. اين خود نيازمند حفاري دقيق و تعيين تاخير‌هاي مناسب در طراحي آتشباري است.

 

 

5. مدل آتشباري سوئدي[4]

 

اين روش مبتني بر محاسبات و كاربرد فرمول‌ها است. در اين نوع طراحي، بخش خارجي تونل به 5 بخش مجزا همان‌طور که در شکل(2) آمده است تقسيم مي‌شود: برش (Cut)، دو بخش پيشروي (Stoping)، محيط(Contour) و چال‌هاي کف (Lifters). در اين روش، هر کدام از اين بخش‌ها به‌طور جداگانه بررسي مي‌شوند[4و3].

 

برش موازي چهار مقطعي، شكل(3)، به‌عنوان متداول‌ترين برش چال در اين روش طراحي مورد استفاده قرار مي‌گيرد[3].

 

 

6. مقايسه مدل‌هاي آتشباري با وضعيت موجود آتشباري در معدن زغال‌سنگ پابدانا

 

پس از مطالعه دقيق اين دو روش، پارامتر‌هاي مهمي كه قبلا به آنها اشاره شد، تعيين و در نهايت به مقايسه آنها با وضعيت موجود معدن خواهيم پرداخت.

 

 

6 ـ1. جنس سنگ و طرح برش

 

در معدن پابدانا با توجه به مقاومت بالاي سنگ مورد حفاري (ماسه سنگ ريزدانه)، جهت افزايش ميزان پيشروي روزانه، نياز به اجراي الگوي آتشباري است. در اين معدن هيچ‌گونه طرحي براي آتشباري وجود ندارد و صرفا نظر و تجربه کارگران حفار تعيين‌کننده محل، تعداد و انحراف چال‌هاست.

 

برش (Cut)، در اين معدن جايگاهي ندارد، در حالي که در روش‌هاي معمول، مهمترين رکن طراحي آتشباري است. به همين دليل ميزان پيشروي و راندمان آن، در اين معدن كم است.

 

 

6 ـ2. قطر چال

 

يکي از مهمترين پارامتر‌هاي تعيين‌کننده ميزان پيشروي در آتشباري زيرزميني، قطر چال است. در متد‌هاي ذكر شده، قطر چال به‌اين دليل که مي‌تواند تعيين‌کننده نوع ماده منفجره باشد بسيار مهم تلقي شده و قطر‌هاي کمتر از 45 ميليمتر، کمتر مورد استفاده قرار مي‌گيرد[2]. همان‌طور که قبلا ذکر شد قطر حفاري در معدن پابدانا 32 ميليمتر است و تاکنون هيچ‌گونه اقدامي در زمينه افزايش آن انجام نگرفته است.

 

 

6 ـ3. عمق چال

 

عمق چال تقريبا مهمترين پارامتر موثر بر ميزان پيشروي است. در متد‌هاي رايج آتشباري، عمق چال از 5/1 تا 5 متر گزارش شده است که اختلاف چشمگيري با مقادير مورد استفاده در معدن پابدانا (80 تا 110 سانتيمتر) دارد[4]. بديهي است با اين عمق چال، در يک سيکل نمي‌توان بيش از يک متر پيشروي كرد.

 

 

6 ـ4. چال خالي

 

در متد‌هاي رايج مورد بررسي، تعداد، قطر و عمق چال خالي به‌عنوان اولين سطح آزاد مطرح و بسيار مورد استفاده است[5].

 

در شكل زير نحوه عمل چال خالي و تاثير آن در بهبود شرايط آتشباري به‌صورت شماتيك نمايش داده شده است.

 

جهت پيشروي در معدن پابدانا از چال خالي استفاده نمي‌شود.

[XMEHRDADX 7514]

6 ـ5. نوع مواد منفجره و دانسيته خرج‌گذاري

 

در متدهاي رايج در دنيا، خرج اصلي آنفو و امولسيون‌ها و در محيط بعضا فتيله‌هاي انفجاري است که البته مورد آخر در معادن زغال کاربردي ندارد. در اين متد‌ها خرج چال‌هاي بخش پيشروي و محيط 50 تا 70 درصد قابل کاهش است و از خرج‌گذاري منقطع و يا مواد منفجره تضعيف شده به‌منظور انجام آتشباري کنترل شده استفاده مي‌شود تا مانع بروز اضافه حفاري و خسارت به قاب‌ها و ساير تاسيسات تونل شود[2]. در معدن پابدانا فقط از ديناميت با مشخصات ثابت و بدون در نظر گرفتن محل چال (کف، ديواره، مرکز) و با دانسيته‌اي کاملا ثابت (3 لول در هر چال) براي کليه شرايط و حالات استفاده مي‌شود که خود جاي بازنگري و تجديدنظر دارد.

 

 

6 ـ6. گل‌گذاري

 

در مدل سوئدي و NTNU ميزان گل‌گذاري به‌صورت کاملا مشخص و استاندارد ارائه شده است[2]. در اين روش‌ها ميزان گل‌گذاري 30 درصد طول و يا 10 برابر قطر چال اعلام شده که با توجه به عمق چال در معدن پابدانا، ميزان گل‌گذاري 35 ـ30 سانتيمتر بايد باشد. در معدن پابدانا گل‌گذاري از 10 سانتيمتر تجاوز نمي‌کند. بسياري از ته چال‌هاي باقيمانده نيز به همين دليل است. گل‌گذاري در اين معدن بيشتر براي اين است که ديناميت‌ها از چال بيرون نيفتد تا اينکه مانعي براي خروج گازهاي ناشي از انفجار باشد.

 

 

6 ـ7. تاخير در انفجار

 

در روش‌هاي رايج، تاخير در قسمت برش با استفاده از چاشني‌هاي ميلي ثانيه (MS) اعمال مي‌شود تا موج هر انفجار در حداقل زمان براي انفجار بعدي، يک عامل کمکي باشد[2]، حال آنکه در معدن پابدانا فقط از چاشني‌هاي نيم ثانيه‌اي HS استفاده مي‌شود که گرچه ممکن است در قسمت‌هايي مفيد باشد، ليکن در بخش مرکزي (برش) کارايي لازم را نخواهد داشت.

 

 

6 ـ8. ترتيب انفجار

 

براساس استانداردها، توالي انفجار به‌صورت برش، پيشروي، نزديک محيط و نهايتا گوشه‌ها و محيط است[2]. در معدن پابدانا به‌صورت تجربي تقريبا همين توالي رعايت مي‌شود. در اين معدن سعي مي‌شود چال‌هاي وسط با چاشني‌هاي شماره پايين و چال‌هاي کناري با چاشني‌هاي تاخير زياد آتشباري شود.

 

 

6 ـ9. مهارت کارگران حفاري

 

اگر به اين بخش از بعد ميزان انحراف چال بنگريم، بر اساس معيار‌هاي معمول، ميزان انحراف استاندارد نبايد بيش از 2 درصد باشد[3]، يعني براي چال يک متري تا 2 سانتيمتر جابه‌جايي انتهاي چال قابل قبول است. در معدن پابدانا انحراف چال در بعضي از حالت‌ها از 15 تا30 درجه نيز تجاوز مي‌‌كند. چال‌هاي کف گاهي نزديک به نيمه قائم حفر مي‌شوند و در محيط که بايد 10 درجه انحراف از محور وجود داشته باشد، بعضا تا 50 ـ60 درجه انحراف اعمال مي‌شود.

 

 

7. نتيجه‌گيري

 

1. آتشباري در معدن زغال‌سنگ پابدانا بر هيچ‌كدام از الگو‌هاي علمي و تجربي رايج واستاندارد بررسي شده، منطبق نيست.

 

2. بهينه‌سازي شرايط آتشباري و پيشروي در اين معدن، بايد به‌عنوان هدفي مهم، مورد توجه مديران و مهندسان مجموعه معدن قرار گيرد.

 

3. مهمترين گام به منظور افزايش ميزان و راندمان پيشروي، طراحي الگويي متناسب با شرايط معدن است.

 

4. افزايش عمق چال، به‌عنوان اولين و مهمترين پارامتر، بايد مدنظر مديران اجرايي معدن باشد.

 

5. با توجه به اينكه انحراف چال و خطاي حفاري در اين معدن يكي از مهمترين عوامل كاهنده راندمان و ميزان پيشروي است، ضمن تامين لوازم حفاري مناسب و آموزش كارگران، با نظارت بر اجراي حفاري، از بروز اين مشكل ممانعت به عمل آيد.

 

6. موضوع گل‌گذاري چال‌ها، اگرچه در اين معدن چندان مهم تلقي نشده، اما يكي از مهمترين عوامل بروز ته چال‌هاي ناشي از آتشباري و تخريب قاب‌ها ست. با آموزشي ساده مي‌توان از خسارت‌هاي ناشي از اين معضل جلوگيري كرد.

 

7. تغيير نوع مواد ناريه مصرفي (به‌عنوان مثال، انفو)، در كنار افزايش عمق چال مي‌تواند تحول بزرگي در هزينه‌هاي آتشباري معدن زغال‌سنگ پابدانا به‌وجود آورد.

 

ضمن اينكه استفاده از مواد ناريه تضعيف شده، ديناميت‌هاي ضريف كاري و يا استفاده از آتشباري كنترل شده در محيط مقطع، مي‌تواند از بروز اضافه حفاري و برهم خوردن شكل و حالت مقطع جلوگيري كند.

 

8. استفاده از چاشني‌هاي ميلي ثانيه در بخش مركزي مقطع (cut)، باعث افزايش بازدهي انفجار و در نهايت بهبود پيشروي در معدن مي‌شود.

 

9. به‌منظور اجراي الگو‌هاي آتشباري در اين معدن، كارگران حفاري و آتشباري، ‌بايد آموزش‌هاي لازم را فراگرفته و در اوان فعاليت، تحت نظارت و آموزش حين كار قرار گيرند.

 

10. مشكلات معدن در زمينه تهويه، روشنايي، باربري (شامل تامين واگن و ترميم خط ريل‌هاي فرسوده)، هواي فشرده (افت فشار هوا در سينه كارها)، اقلام مصرفي (مته، چكش و پايه چكش) مرتفع شود تا زمينه افزايش ميزان پيشروي در معدن فراهم آيد.

 

11. با توجه به شرايط مشابه آتشباري و پيشروي در معادن زغال‌سنگ ناحيه كرمان، نتايج فوق براي اكثر معادن منطقه قابل تعميم است.

 

8. منابع

 

[1] شركت كاوش كانسار، هريس پي كوه، گزارش طرح افزايش ظرفيت معدن زغال‌سنگ پابدانا زير افق 2400 + متر، صفحه 30ـ 5، 1385.

 

[2]Zare, shokrollah. ; Amud, Bruland. ; “Comparison of Tunnel Blast Design Models” Tunneling and Underground Space Technology,Department of Civil and Transport Engineering

Norwegian University of Science and Technology, PP. 533-541,2006.

 

[3] استوار، رحمت‌الله؛ آتشکاري در معادن، (جلد دوم)، تهران، انتشارات جهاد دانشگاهي صنعتي اميرکبير، 1372.

[4] Gustafsson, R.; Boktrycken, N.; Swedish Blasting Technique, PP.124-162, 1973.

 

[5] Booth, G. ; “Digital Blasting- An Opportunity to Revolutionise Mass Underground Mining”,

Electronic Blasting Specialist, Orcia Explosives, Technical Center, Brisbane, Qld, 29 October 2 November 2000, PP. 155- 160.

 

 

 

هادي شيوا / دانشجوي كارشناسي ارشد استخراج معدن دانشگاه شهيد باهنر كرمان