در موضوع: استخراج معدن\
پیش گفتار:
عملیات آتشکاری از جمله مهمترین فرآیندهای استخراج معادن روباز مى باشد که گاهى اوقات باعث بوجود آمدن پیامدهای نامطلوبى نظیر پرتاب سنگ(Fly Rock) ، لرزش زمین (Ground Vibration) انفجار یا لرزش هوا (Air Blast) ، شکست بیش از حد یا عقب زدگى (Back Break) ، ایجاد سر و صدا و تولید گرد و غبار مى شوند. چنانچه اصول ایمنى و فنى در عملیات انفجار مورد توجه قرار نگیرند، پدیده های ذکر شده مى توانند سبب ایجاد خسارت جانى و مالى گردند. در این زمینه تحقیقات زیادی صورت گرفته که نتایج آنها در غالب " تعیین فاصله ایمن انفجار( محدوده انفجار )" ارائه شده است.
در این مقاله پدیده های پرتاب سنگ و لرزش زمین مورد بررسى قرار مى گیرد. سپس براساس اطلاعات جمع آوری شده، نتایج محاسبات مربوط به این پدیده و تعیین فاصله ایمن انفجار برای معدن سنگ آهن سه چاهون برای حالت های متفاوت ارائه خواهد شد.
خلاصه مطالب:
با توجه به توشعه شهرها و افزایش نیاز بشر به استفاده از منابع معدنى، فاصله بین تاسیسات، ساختمانهای مسکونى و معادن کمتر و احتمال بروز حوادث بیشتر شده است. عملیات حفاری و آتشکاری، از جمله مهمترین فرآیندهای استخراج معادن روباز هستند که گاهى اوقات توام با پیامدهای نامطلوب بوده و باعث بوجود آمدن خطرات و مشکل!لى مى شوند. از جمله پیامدهای خطرناک و نامطلوب عملیات انفجار معادن روباز، پدیده های لزرش زمین و پرتاب سنگ مى باشند که باید به دقت مورد تحلیل و بررسى قرار گیرد تا از خسارتهای جانى و مالى ناشى از آن جلوگیری بعمل آید.
در این مقاله ابتدا پیامدهای نامطلوب ناشى از انفجار ذکژ شده و سپس پدیده های لرزش زمین و پرتاب سنگ و نیز عوامل موثر بر آنها مورد بررسى قرار مى گیرد. در ادامه مدلهای تئوری و تجربى تحلیل و محاسبه این پدیده ها برای حالت ها و شرایط مختلف عملیات انفجار ارائه مى گردد. با استفاده از این مدلها، اطلاعات مربوط به طراحى الگوی حفاری و آتشکاری معدن سنگ آهن سه چاهون و شرایط موجود، اثرات لرزش زمین و پرتاب سنگ در این معدن برای حالت های متفاوت محاسبه و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. در خاتمه پیشنهاداتى در جهت کاهش تاثیر پیامدهای نامطلوب ناشى از عملیات انفجار بطور عام و برای معدن سنگ آهن سه چاهون بطور خاص ارائه خواهد شد.
واژه هاى کلیدى: پیامدهاى نامطلوب انفجار، لرزش زمین، پرتاب سنگ، فاصله ایمن انفجار، اقدامات احتیاطى، معدن سنگ آهن سه چاهون
متن اصلی:
پرتاب سنگ
این پدیده حرکت کنترل نشده قطعات خرد شده سنگ مى باشد که در عملیات انفجار تولید مى شوند و یکى از منابع اصلى آسیب دیدن سازه ها و تجهیزات و صدمه دیدن افراد را تشکیل مى دهد. پارامترها و شرای خاصى در بوجود آمدن این پدیده موثر مى باشند. برای مثال و در ارتباط با شرایط توده سنگ باید توجه شود که در سنگهای بشدت درزه و شکاف دار، احتمال بروز پرتاب سنگ نسبت به سنگهای هموژن و تود ه ای بیشتر است. از طرف دیگر هنگامى که عملیات انفجار در مناطق کارستى با سوراخ ها و حفره های فراوان انجام مى شود، کنترل خیلى دقیقى باید جهت جلوگیری از ظهور این پدیده اعمال گردد. هم چنین نوع ماده منفجره و پارامترهای هندسى و وزنى الگوی حفاری و انفجار نیز در این زمینه موثر مى باشند که در خاتمه به بعضى از این موارد اشاره خواهد شد.
در ادامه د و روش محاسبه پرتاب سنگ در عملیات انفجار معادن روباز و نتایج محاسبات مربوط به معدن سنگ آهن سه چاهون ارائه مى گردد.
- روش سوئدى
این مدل تجربى توسط دو لاسمبرگ (Lunsborg) و پرسن (Persson) در سال 1975 پیشنهاد شد که نتیجه آن تعیین بیشترین فاصله مربوط به پرتاب سنگ مى باشد]1[. در این روش ابتدا سرعت اولیه پرتاب سنگ با استفاده از رابطه( 1 )بدست مى آید:
(1)
که در رابطه( 1 )پارامترها بصورت زیر تعریف مى گردند:
VO- سرعت اولیه پرتاب سنگ بر حسب m/s
D- قطرچال برحسب inch
Tb- اندازه قطعات سنگ بر حسب m
r ?- دانستیه سنگ بر حسب kg/m3
پس از محاسبه سرعت اولیه پرتاب با استفاده از رابطه ( 1 )و براساس قوانین دینامیک پرتاب، حدکثر فاصله پرتاب سنگ براحتى قابل محاسبه مى باشد. از طرف دیگر در این روش براساس تجربیات متعدد و آزمایشهای مختلف در زمینه پرتاب سنگ، روابط تجربى زیر نیز پیشنهاد شده است:
(2)
(3)
توجه به این نکته ضروری است که در روابط (2 ) و (3) ، ماد ه منفجره اولأ بصورت نقطه ای و ثانیأ نزدیک به سطح فرض شده است، لذا تاثیر آن در سطح زمین بیشتر بصورت اثر دهانه مخروطى (Crater Effect) است. بنابراین در حالت خرج گذاری معمولى، میزان پرتاب سنگ کمتر شده و برای خرج ویژه معادل kg/m3 5/0 حدکثر فاصله پرتاب از رابطه زیر بدست مى آید:
(4)
که در روابط( 2 )،(3 و(4 )داریم:
Lmax- حداکثر پرتاب سنگ بر حسب متر
D- قطر چال بر حسب اینچ
Tb- اندازه قطعات سنگ بر حسب متر
با توجه به رابطه (1)، قوانین پرتابی دینامیک و اطلاعات مربوط به معدن سنگ آهن سه چاهون، محاسبات پرتاب سنگ بااستفاده از این روش انجام شده است که نتایج آن درجدول (1) مشاهده می شود.
جدول 1-نتایج محاسبات روش سوئدی تعیین پرتاب سنگ برای معدن سنگ آهن سه چاهون
از آنجا که مقادیر حداکثر فاصله پرتاب در جدول (1) مربوط به اثر دهانه مخروطى بوده و مقاوم هوا در آنها در نظر گرفته نشده است، نمى توانند مورد قبول واقع شوند. از طرف دیگر برای قطر چال 8 اینچ و با استفاده از رابطه( 2 )، مقدارLmax¬¬¬¬¬¬ معادل 1040 متر بدست مى آید که در این مقدار نیز اثر مقاومت هوا و فاصله چال از سطح آزاد در نظر گرفته نشده و از طرفى مربوط به حالت اثر دهانه مخروطى است. همچنین با استفاده از رابطه (4 )برای قطر چال معادل 8 اینچ، حدکثر فاصله پرتاب معادل 320 متر محاسبه مى شود. هر چند که این مقدار منطقى تر از مقادیر قبلى است ولى در این عدد نیز فاصله تا سطح آزاد در نظر گرفته نمى شود.
- روش پروفسور پکروفسکى
در روش دیگری که توسط پروفسور پکروفسکى و فیودورف (Prof G.I. Pokrovsky & I.S. Fyodorov) ارایه شد، سرعت اولیه پرتاب با استفاده از رابطه(5) محاسبه مى شود] 1[:
(5)
که در رابطه(5 )داریم:
VO- سرعت اولیه پرتاب بر حسب m/s
? - وزن مخصوص سنگ بر حسب kg/m3
Cox- وزن ماده منفجره در یک چال بر حسب kg
Rl - فاصله ماده منفجره تا سطح آزاد یا فاصله چال تا سینه کار بر حسب متر
برای بدست آوردن حدکثر فاصله پرتاب نیز از روابط دینامیک پرتابى استفاده مى شود. نتایج محاسبات تعیین پرتاب سنگ با استفاده از این روش برای معدن سنگ آهن سه چاهون در جدول (2 ) مشاهده مى گردد.
جدول 2- نتایج محاسبات روش پروفسور پکروفسکی برای تعیین پرتاب سنگ برای معدن سنگ آهن سه چاهون
پروفسور پکروفسکى و فیودروف به اهمیت پارامتر مقاومت هوا در هنگام پرتاب توجه کرده و بنابراین برای سرعت پرتاب m/s 200 فاکتور اصلاح 10 تا 12 و برای سرعت پرتاب m/s 80-75 فاکتور اصلاح 5/2 تا 3 را معرفى نموده اند. براین اساس، حداکثر فاصله پرتاب سنگ در باطله کمتر از 216 متر و در ماده معدنى کمتر از 162 متر خواهد بود. لذا این محدوده مى تواند به عنوان حریم ایمن انفجار از نقطه نظر پرتاب سنگ در نظر گرفته شود.
توجه به این نکته ضروری است که مقادیر فوق به ازای انفجار کامل تعیین گردیده اند. به عبارت دیگر مقدار kg198 خرج مربوط به یک چال و فاصله یک چال از سطح آزاد (Burden) برابر m8/4 است و تنها د صورتى مى توان این مقادیر را در رابطه (5) جایگزین نمود که انفجار در هر چال بطور مستقل عمل نمود ه و بر روی چال مجاور و محدوده آتشباری آن تاثیر نگذارد. این فرض در حالى صادق است که چالها براساس الگوی بهینه آتشباری منفجر شوند.
لرزش زمین
در اثر انفجار ماده منفجره گازهای پر فشار در داخل چال بوجود آمده و در نتیجه فشار انفجار به توده سنگ وارد مى شود که باعث خرد شدن سنگهای اطراف چال مى گردد. پس از فرو نشسشن فشار، انرژی باقى مانده بصورت امواج سطحى و حجمى به محیط اطراف چال منتقل مى شود که در این بین امواج سطحى (Surfacw waves) حاوی انرژی زیادی بوده و موجب بوجود آمدن لرزش زمین مى گردند. این لرزش باعث ارتعاش ساختمانها و سازه ها و در شرایط خاص تخریب آنها مى شود. باید اشاره شود که مدت زمان لرزش زمین بسیار طولا0لى تر از سایر عوارض انفجار بوده و بیشترین مقدار انرژی ناشى از انفجار( در حدود 40% )را به خود اختصاص مى دهد]2[.
مهمترین پارامترهایى که در ایجاد لرزش زمین دخالت دارند شامل مقدار خرج مصرف شده در هر پریود زمانى تاخیر اعمال شده، جنس و ساختار توده سنگ و فاصله نسبت به مرکز انفجار مى باشد. بطور کلى هر چه فاصله از مرکز انفجار بیشتر باشد شدت لرزش( دامنه لرزش )کاهش مى یابد اما زمان لرزش( زمان تناوب )بیشتر مى شود.
تعیین فاصله ایمن براى لرزش زمین
با توجه به مطالب فوق هنگامى که در یک معدن روباز عملیات آتشباری انجام مى گیرد، فاصله ایمن برای لرزش زمین در نظر گرفته مى شود. در این زمینه Chae در سال 1978 و Wiss در سال 981 1 نمودارهایى را در ارتباط با تخریب ناشى از لرزش زمین و رابطه آن با سرعت ذره ای ماکزیمم (Maximum particle velocity) ارائه نمودند که به ترتیب در شکل های( 1 )و(2 )مشاهده مى شوند.
شکل 1- حد تخریب ساختمانها بر حسب سرعت ذره ای ماکزیمم (1978Chae)
شکل 2- حد تخریب ساختمانها بر حسب سرعت ذره ای ماکزیمم (1981Wiss)
در روشهای ارایه شده توسط این دو محقق، شرایط ساختمانها و سازه ها بطور جداگانه به چهار دسته تقسیم بندی شده است که در جدول (3) مشاهده می شود.
جدول 3- تقسیم بندی ساختمانها وسازه ها در ارتباط با شکل های 1و 2
با توجه به نوع سازه ها از روی شکل های(1 )و(2 )، سرعت ذره ای ماکزیمم که منجر به تخریب آن سازه خواهد شد بدست مى آید. سپس با استفاده از نمودار شکل (3) ، فاصله مقیاس شده (Scaled distance) تعیین مى گردد.
شکل 3- تعیین فاصله مقیاس شده بر اساس سرعت ذره ای ماکزیمم
فاصله مقیاس شده به وزن ماده منفجره مصرف شده به ازای هر تاخیر و فاصله سازه از محل انفجار بصورت زیر بستگى دارد(3):
(6)
که در رابطه(6 )داریم:
Sd: فاصله مقیاس شده برحسب m/kg0.5
d- فاصله سازه از محل انفجار بر حسب m
We- وزن ماده منفجره مصرف شده به ازای هر تاخیر بر حسب kg
بنابراین براساس شکل های (1) و (2)سرعت ذره ای ماکزیمم تعیین شده و سپس با توجه به نمودار شکل )r فاصله مقیاس شده بدست مى آید. در ادامه با استفاده از رابطه ( 6) فاصله ایمن ساز ه های مختلف از محل انفجار محاسبه خواهد شد.
ه ) تعیین فاصله ایمن براى معدن سه چاهون با توجه به لرزش زمین
با استفاده از روش های توضیح داده شده و براساس نتایج طراحى الگوی حفاری و آتشباری برای معدن سه چاهون، فاصله ایمن سازه ها و ساختمانهای اطراف این معدن از نقطه نظر لرزش زمین محاسبه گردیده که نتایج آن در جدول(4 )نشان داده شده است. در این مورد باید توجه شود که میزان مصرف مواد منفجره در هر پریود زمانى تاخیر در معدن سه چاهون برای عملیات انفجار در یک پله 6460 کیلوگرم، در دو پله 3230 کیلوگرم و در سه پله 2150 کیلوگرم منظور شده است.
جدول 4- فاصله ایمن سازه ها نسبت به لرزش زمین در معدن سنگ آهن سه چاهون
همانطور که ملاحظه مى شود مقادیر بدست آمده از دو روش کاملا با هم متفاوت هستند. برای مثال در کلاس 1 بازای آتشباری در یک پله، فاصله ایمن در روش Chae برابر 300 متر و در روش Wiss برابر 880 متر بدست آمده است. علت این اختلاف مربوط به تعریف های جداگانه از ساختمانها و در نظر گرفتن ضرایب ایمنى متفاوت مى باشد.
با توجه به اینکه عمومأ ساختمانهای مجاور معدن سه چاهون دارای فواندسیون بتنى محکم بوده و در خود سازه نیز از مصالح قوی استفاده مى شود و از طرف دیگر نزدیکترین سازه به محل انفجار سنگ شکن است که خود یک سازه دینامیک بوده و دائمأ در حال تکان و لرزش های شدید است، در نتیجه مى توان آن را در کلاس 1، خصوصأ کلاس 1 Chae قرار داد. مربوط به روش
نتیجه گیری:
براساس محاسبات انجام شده جهت تعیین میزان پرتاب سنگ برای معدن سنگ آهن سه چاهون با استفاده از روش پروفسور پکروفسکى، حدکثر فاصله پرتاب سنگ معادل 216 متر بوده و برای باطله سنگى با دانسیته متوسط kg/dm3 7/2 رخ خواهد داد. همچنین با در نظر گرفتن مسائل و مشکلات مربوط به لرزش زمین و براساس محاسبات انجام شده، به ازای عملیات آتشباری در یک، دو و سه پله به ترتیب مقادیر 300، 230 و 200 متر از محدوده نهائى معدن بعنوان فاصله ایمن بدست آمده است.
بنابراین با لحاظ نمودن بعضى اقدامات احتیاطى مثلدة انجام عملیات آتشباری در دو پله، فاصله ایمن 250 متر در ارتباط با پرتاب سنگ و لرزش زمین برای معدن سنگ آهن سه چاهون پیشنهاد مى شود.
ز) پیشنهادات
در خاتمه پیشنهاداتى در قالب اقدامات احتیاطى جهت کاهش تاثیر پیامدهای نامطلوب ناشى از عملیات انفجار بخصوص پرتاب سنگ و لرزش زمین بشرح ذیل ارائه مى شود:
- انتخاب دقیق و بهینه پارامترهای طراحى الگوی حفاری و انفجار بویژه ضخامت بار سنگ و میزان گل گذ ا ری
- حفر صحیح چالهای انفجاری از نظر شیب، امتداد و تناسب ضخامت بار سنگ و میزان گل گذاری
- قرار گرفتن چالها در یک امتداد در روی سطح زمین
- استفاده از مدارهای صحیح و زمان بندی مناسب( تاخیر )برای عملیات آتشباری
- پیاده کردن دقیق نقاط حفاری در روی سطح زمین بخصوص در مناطق ناهموار و نامنظم
- کنترل انحراف چال و توجه به عمق بهینه
- کنترل نمودن چالها از بابت وجود حفره ها، شکاف ها و ترک ها
- قلق گیری و پاکسازی اطراف دهانه چال و دیواره جبهه های آزاد از سنگهای سست قبل از شروع عملیات چالزنى
- گل گذاری دقیق از نقطه نظر اندازه ارتفاع گل گذاری و استفاده از مواد مناسب
- کنترل خرج گذاری مواد منفجره و توزیع مناسب آن در طول چال انفجاری
- انتخاب ترتیب شروع انفجار مناسب که منجر به جهت شکست خوبى در انفجار گردد.
- قرار دادن چاشنى یا پرایمر در ته چال و در نتیجه شروع انفجار از ته چال
- صرفنظر نمودن از خرج گذاری چالى که شرایط نامناسب دارد.
- انتخاب مناسب جهت عمومى جبهه کارها و آرایش چالها بصورتى که پر تاب احتمالى سنگ به مکانهای بى خطر هدایت شود.
- استفاده از شبکه های سنگین (Blast Mats) و خاکریزهای تقویتی
- باقى گذاشتن مقداری سنگ در جلوی پله قبل از انفجار مرحله بعد مى تواند مفید باشد. در این صورت ارتفاع توده مورد نظر باید به اندازه ارتفاع خرج ته چال انفجار مرحله بعد بوده و شیب آن o45 باشد.
- اگر چالهای یک ردیف به نوبت و با چاشنى های کم تاخیری منفجر شوند در نتیجه پیامدهای انفجار کاهش خواهد یافت.
- استفاده از ر له های تاخیری در بین ردیف های مقوایی
- و در نهایت رعایت نمودن تمامى قوانین ایمنى انفجار و خار، کردن افراد متفرقه از نقاط خطرناک
منابع:
(1) – Jimeno,C.L. & Jimeno,E.L. & Carcedo,F.J.A., (1995), “Drilling and Blasting of Rocks”,
Geomining Technological Institute of Spain, Balkema, Rotterdam .
(2)- استوار، رحمت الله، (1373)، "آتش کاری در معادن"، جلد دوم، جهاد دانشگاهى دانشگاه صنعتى امیرکبیر.
(3) - شرکت مهندسین مشاور کاوشگران،(1381)، " طرح ایمنى، نجات و بهداشت معدن سه چاهون".