در موضوع: استخراج معدن
بررسی و محاسبه کیفیت انتقال انرژی حاصل از انفجارات معدن مس سونگون
خلاصه مطالب:
عبور امواج حاصل از انفجارباعث ایجاد تنش های کششى و فشاری در سنگ شده و توده سنگ را از لحاظ رفتار مکانیکى و دینامیکى تحریک مى نماید. در بررسى کارایى مواد منفجره و به طور کلى ارزیابى کیفیت انفجار، داشتن اطلاع دقیق از رفتار سنگ تحت تنش های ناشى از انفجار و کیفیت انتقال و توزیع انرژی حاصله از آتشباری نقش بسزایى دارند.
در مقاله حاضر با توجه به نمونه برداری های انجام شده وانجام مطالعات صحرایی و آزمایشگاهى، امپدانس سنگ های دورن گیر و باطله معدن مس سونگون تعیین گردیده و سپس با استفاده از امپدانس های استاندارد آنفو و محاسبات ریاضى، شرایط انتقال انرژی ناشى ازآتشکاری معدن سونگون به صورت کمى مورد بحث قرار گرفته است. نتایج حاصله حاکى از اتلاف زیاد انرژی درتوده سنگ های د رزه دار بوده و میزان اتلاف با افزایش پرکنده ها افزایش چشم گیری نشان مى داد.
واژه هاى کلیدى: آتشکارى، کیفیت انتقال انرژى، امپدانس، معدن مس سونگون.
پیش گفتار:
همواره نتایج آتشکاری در معادن و کیفیت انتقال انرژی حاصله، به نقطه تولید و شروع و نیز خصوصیات سنگ مسیر حرکت انرژی و موج ضربه بستگى دارد. رفتار مکانیکى و خصوصیات ژئومکانیکى بویژه چگالى وسرعت امواج الاستیک در سنگ محل شروع انفجار و نیز سنگ های بین چال و سطح آزاد نقش بسزایى در کارایى انفجار و توزیع انرژی دارند. انتقال انرژی از ماده منفجره به سنگ تابع ضریب امپدانس ماده منفجره و سنگ و نیز ضریب جفت شدگى (Coupling Factor)مى باشد. اطلاع دقیق از کمیت پارامترهای مذکور، رفتار سنگ را تحت تنش های القایى ناشى از انفجار هرچه بیشتر آشکار مى سازد.
در معدن سونگون که در حال حاضر در مرحله پیش باطله برداری مى باشد شناخت پارامتر های دخیل د ر آتشکاری و ارزیابى کمى وکیفى آنها، مسلما تاثیر بسزایى در بهبود شرایط فنى و اقتصادی عملیات آتشکاری در حین بهره برداری خواهند داشت. لزوم دستیابى به پارامترهای بهینه و بررسى راندمان مواد منفجره مصرفى ضرورت بررسى و محاسبه کیفیت انتقال انرژی حاصل از آتشکاری را قبل از رسیدن به مرحله بهره برداری نهایى معدن مس سونگون به وضوج آشکار مى سازد.
متن اصلی:
زمین شناسى محدوده معدن مس سونگون
معدن مس سونگون که در 120 کیلومتری شمال تبریز واقع گردیده است با ذخیره قطعى بالغ بریک میلیارد تن یکى از بزرگترین ذخایر مس پورفیری ایران و جهان به شمار می رود. از لحاظ سنگ شناسى و زمین شناسى عمومى، با طله محدوده پیت معدن شامل 4 توده سنگ عمده مى باشد:
-1توده مونرونیتى( این توده به همراه زون های مختلف کانى سازی معدن به سونگون پوروفیری یا sp معروف است (
-2توده تراکیتی
-3دایک های نفوذی
-4پیرو کلاست
توده مونزونیتى به عنوان سنگ میزبان حجم بسیار زیادی از محدوده پیت معدن را شامل مى شود این توده از لحاظ مکانیک سنگى دارای درزه های جوش خورده، خالى و گاه به همراه مواد پر کننده بسیار اندکى مى باشد. دگر سانى سطح درزه ها در حد متوشط بوده و سطح درزه ها بیشتر به صورت موج دار قابل تشخیص اند.
توده تراکیتی که توده سنگ غالب باطله در محدوده جنوبى پیت معدن مى باشد از لحاظ سنگ شناسى به خانواده آنذریت- بازالت متعلق بوده و تود ه سنگى بسیار د رزه دار مى باشد. درزه های توده سنگ حاضر دارای باز شدگى و مواد پرکننده زیاد از جنس رس فشرده اند. طبیعت درزه دار این توده سنگ مشکلات زیادی را در آتشکاری ایجاد مى کند.
با توجه به حجم بالای باطله و درگیری زیاد معدن کاری با توده های مونزونیتى و تراکیتی، در مقاله حاضر بیشتر تمرکز محاسبات و مطالعات بر روی این دو توده بوده و نتایج و کیفیت انتقال انرژی در آنها مورد مقایسه قرار مى گیرد.
چالزنى و آتشکارى معدن مس سو نگون
در آتشکاری توده باطله معدن سونگون از چالهایى با قطر 5/3، 5/5 و 25/6 اینچ استفاده مى شود و طول چالها عموما 5/13 متر مى باشد.
خرج اصلى مصرفى در معدن آنفو مى باشد که به صورت فله ای توسط آنفو تراکهای موجود در معدن در چالها شارژ مى گردد. جهت شروع و تشدید انفجار از چند شاخه دینامیت به عنوان پرایمر و نیز بوسترهای پنتو لیتى جهت تقویت انفجار در میان خرج استفاده مى شود ( (1
پارامتر هاى موثر در کیفیت انتقال انرژى
با توجه به نیاز شناخت کمى و کیفى سنگ در آتشکاری، پارامترهای مختلف و متعددی جهت شناسایى و اندیس گذاری سنگ ها وجود دارد. با این حال جهت محاسبه کیفیت انتقال انرژی دو پارامتر ضریب امپدانس و ضریب جفت شدگى حائز اهمیت بسزایى هستند.
1- امپدانس سنگ و ماده منفجره ] 2 و 3[
با توجه به تئوری های پذیرفته شده در دنیا، برای هر ماده منفجره امپدانسى قابل محاسبه مى باشد که از لحاظ عددی
طبق رابطه ( 1 )، با حاصل ضرب سرعت انفجار(Ve )و چگالى ماده منفجره (De) برابرمى باشد.
(1)
امپدانس سنگ نیز همانند امپدانس ماده منفجره با توجه به سرعت امواج الاستیک در سنگ (V) و نیز چگالى سنگ (Dr) به صورت رابطه(2) قابل محاسبه مى باشد.
(2)
-2 ضریب امپدانس و ضریب جفت شدگى]2 و 3[
با توجه به تئوری انفجار و انتقال انرژی در صورتیکه قطر چال حفر شده برابر( h? ) و قطر خرج c) ?( باشد ضریب امپدانس و ضریب جفت شدگى به ترتیب طبق رابطه (3) و (4) قابل محاسبه اند:
(3)
(4)
امپدانس سنگ ظرفیت و توانایى انعکاس و انکسار سنگ را نشان مى دهد و برای قابلیت عبور انرژی در سنگ یک بیان ریاضى و تئوری محسوب مى شود.
انرژی رسیده به فصل مشترک دو محیط سنگى مجاور هم دچار انعکاس و انکسار مى گردد. در صورتیکه که (I1) امپدانس محیط اول و (I2) امپدانس محیط دوم باشد، ضریب انرژی عبور کرده از فصل مشترک دو محیط سنگى طبق رابطه (5) خواهد بود.
(5)
علامت عبارت (I2-I1) نوع موج منعکس شده را مشخص مى کند. چنانچه(I2-I1) مثبت باشد موج بازگشتى از نوع فشاری و چنانچه منفى باشد از نوع کششى است.
محاسبه امپدانس سنگ هاى معدن مس سونگون( مطالعات صحرایى و آزما یشگا هى )
جهت محاسبه امپدانس توده سنگهای هر معدنى طبق رابط (2) محاسبه مقادیرVوDr برای سنگ های موجود امری ضروری است. در معدن سونگون جهت محاسبه میزان سرعت امواج الاستیک درسنگ عموما 15 عدد مغزه از توده مونزونیتى و 15 عدد مغزه از توده تراکیتی تهیه شده و در آزمایشگاه مکانیک سنگ دانشگاه صنعتى سهند مورد آزمایش تعیین سرعت امواج الاستیک در سنگ قرار گرفته اند. تمامى آزمایش ها توشط دستگاه سرعت سنج Controlz مدل (58- (E0048 و طبق استاندارد [4[ ISRM انجام شده اند. در کنار مطالعات فوق چگالى سنگ های تراکیت و مونزونیت که به صورت پرکنده از کل محدوده پیت نمونه برداری شده بودند تعیین گردیده است و با توجه به رابطه (2) امپدانس سنگ های موجود مورد محاسبه قرار گرفته است. نتایج آزمایشهای مکانیک سنگى انجام یافته در جدول(1) ارائه گردیده است.
جدول 1- نتایج آزمایشات تعیین چگالی و سرعت امواج الاستیک در سنگ (5)
با توجه به محدودیت های آزمایشگاهى و نیز کمبود امکانات مطالعاتى در مورد مواد منفجره در کشور در این مقاله برای جایگزینى مقدار عددی امپدانس آنفوی مصرفى در معدن مس سونگون به شناسنامه فنى صادره از طرف کارخانه تولید کننده ماده منفجره استناد شده است. فلذا طبق اعداد اعلامى از طرف کارخانه، خصوصیات خرج مصرفى به شرح جدول (2) مى باشد.
جدول 2- خصوصیات آنفوی مصرفی در معدن مس سونگون (6)
کیفیت انتقال انرژى در توده سنگ مونزونیتى معدن مس سونگون
با توجه مقادیر امپدانس ارائه شده در جدول (1) و (2) نیز رابطه (3) ضریب امپدانس یا ضریب انتقال انرژی از آنفو به سنگ مونزونیت مقدار و77%=sp))1? مى باشد.
با توجه به اینکه در معدن سونگون از آنفو به صورت فله ای و شارژ با ماشین استفاده مى شود با تقریب نزدیک به واقعیت مى توان قطر خرج و قطر چال را برابر گرفت(c ? &#-4075;= h? ) لذا طبق رابطه (4) ضریب جفت شدگى برای توده مونزونیتى برابر با یک خواهد بود(1=sp))2? )
1- محاسبه اتلاف انرژى در عبور از سطح درزه هاى توده مونزونیتى
در توده سنگ مونزونیتى (sp) ، شرایط د رزه ها را مى توان در سه حالت زیر تقسیم بندی نمود:
الف )درزه های جوش خورده ( فاقد پر کننده( ).
ب ( درزه های جوش نخورده ای که با هوا پر شده اند
ج )درزه های جوش نخورده ای که پرکننده آنها به صورت لایه بسیار نازکى از مواد ناشى از آلتراسیون سطح درزه به همراه مقدار کمى رس مى باشد.
در حالت( الف )با توجه به مطالعات صحرایى، با تقریب و اطمینان خوبى مى توان وجود فضای خالى بین دو بلوک را نادیده گرفته وI1 &#-4075;= I2 فرض نمائیم. در این صورت با توجه به رابطه (5) ، %100 انرژی بصورت موج فشاری وارد بلوک دوم سنگ مجاور درزه مى شود ( شکل(.1
شکل (1)- انرژی منتقل شده به دومین بلوک مجاور چال در مونزونیت های معدن سونگون(حالت الف)
در حالت( ب ) با در نظر گرفتن امپدانس های استاندارد، امپدانس هوا 106*006/0 [2] در نظر گرفته شده و لذا با توجه به رابطه (5) تنها %1 انرژی از سطح درزه عبور مى کند. شایان ذکر است این حالت نسبت به حالت( الف )و( ج )بسیار کمتر اتفاق مى افتد و لذا از اهمیت اجرایى و فنى چندانى برخوردار نمى باشد.
در حالت( ج ) با توجه به شبیه سازی شرایط درزه ها و مواد پرکننده درآزمایشگاه، امپدانس مواد پر کنند نامترکم درزه های قو ده سنگ مونزونیتى 106*6/2 در فظر گرفته شده است. لذا طبق رابطه (5) میزان انرژی منتقل شده از سطح درزه %69 مى باشد. چنانچه نتایج محاسبات نشان مى دهد و با توجه به اینکه I2-I1<0 مى باشد، لذا %69 انرژی رسیده به سطح درزه بصورت فشاری عبور کرده و %31 انرژی بصورت کششى بر مى گردد و مجددا مسیر خود را در درون بلوک اول به سمت چال ادامه مى دهد. با توجه به ضریب امپدانس %77 محاسبه شده داریم:
69%×77%=53
لذا تنها %53 از کل انرژی خرج به مواد پر کننده درزه مى رسد.
درحالت( ج )در صورتى که میزان اتلاف انرژی در عبور از لایه رسى را %30 در نظر بگیریم، با توجه به رابطه (5) %69 کل انرژی به بلوک دوم مى رسد. در این حالت چون I2-I1>0 مى باشد در مرز بین لایه رسى پرکننده و بلوک دوم سنگ مونزونیت، %69 انرژی به صورت فشاری عبور کرده و %31 بقیه نیز به صورت فشاری به محیط پر کننده باز میگردد. میزان انرژی عبوری در این مرحله به صورت در صد کل انرژی تولیدی برابر است با:
لذا % 36 از کل انرژی تولیدی توسط آنفوی درون چال به بلوک دوم سنگ مونزونیتى در معدن سونگون میرسد( شکل 2 ).
شکل 2- انرژی منتقل شده به دومین بلوک مجاور چال در مونزونیت های معدن سونگون(حالت ج)
کیفیت انتقال انرژى در توده سنگ تراکیتى معدن مس سونگون
1- ضریب امپدانسى و جفت شدگى توده تراکیتی معدن سونگون
با توجه به رابطه (3) و مطالب ذکر شده در بخش 5 ضریب امپدانس توده تراکیتى معدن سونگون مقدار%59 بدست مى آید.
با در نظر گرفتن خرج گذاری فله ای و سمبه کاری و فشردگى قابل قبول خرج در چال، در توده ترا کیتى نیز همانند توده مونزونیتى مى توان (c ? &#-4075;= h? ) در نظر گرفته و لذا ضریب جفت شدگى را برابر با یک دانست.
2- محاسبه میزان اتلاف انرژى در عبور از سطح درزه هاى توده تراکیتى
با توجه به محاسبات انجام شده برای توده مونزونیتى، کیفیت انتقال انرژی در توده سنگ تراکیتی معدن مس سونگون را نیز مى توان در دو حالت بررسى نمود:
الف ( درزه های باز که فضای بین دو بلوک از هوا پر شده است
ب ( درزه های جوش نخورده ای که پر کننده این درزه ها عموما لایه رسى فشرده شده مى باشد.
با توجه به مطالعات آزمایشگاهى انجام یافته در گذشته و نیز شبیه سازی شرایط توده سنگ در آزمایشگاه ، امپدانس لایه رسى فشرده بین سطوج درزه ها 106*6/3 در نظر گرفته شده است.
در حالت( الف )با توجه به اینکه پرکننده درزه ها هوا مى باشد لذا همچون محاسبات بخش 5-1 با در نظر گرفتن امپدانس هوا برابر106*006/0 ، میزان انرژی منتقل شده به پر کننده % 1 مى باشد. در این حالت %99 انرژی از سطح درزه به صورت کششى بازتاب شده و بعلت اینکه در محدوده نزدیکى چال محبوس مى گردد، قادر به خردایش بلوک بعدی نخواهد بود و در این سطح درزه بعنوان سطح آزاد کاذب عمل نموده و راندمان آتشکاری را به شدت تحت تاثیر قرار مى دهد.
در حالت( ب ) با توجه به شرایط پر کننده ها و ضخامت قابل توجه آنها در بعضى درزه ها حرکت موج انرژی دچار پیچیدگى گردیده و طبق روابط توضیح داده شده دچار اتلاف%29 مى گردد. از آنجائیکه موج انرژی در عبور از لایه رسى%30 انرژی خود را از دست مى دهد و نیز طبق محاسبات بالا، انرژی در عبور از لایه رسى به توده تراکیتى مجاور نیز دچار اتلاف%29 گشته و لذا کل انرژی منتقل شده از خرج به دومین بلوک مجاور برابر خواهد بود با:
-
لذا %20 از کل انرژی تولید شده توسط آنفو به دومین بلوک سنگ مونزونیتى در معدن سونگون میرسد ( شکل 3).
شکل 3- انرژی منتقل شده به دومین بلوک مجاور چال در تراکیت های معدن سونگون(حالت ب)
نتایج مطالعات صورت گرفته در مورد کیفیت انتقال انرژی در توده سنگهای مونزونیتى و تراکیتی معدن سونگون به شرح جدول (3) مى باشد.
جدول 3- کیفیت انتقال انرژی در توده سنگهای مونزنیتی و تراکیتی معدن سونگون
نتیجه گیری:
با توجه به مطالعات صورت گرفته در مورد وضعیت ناپیوستگى های معدن مس سونگون:
الف )در توده سنگ SP ناپیوستگى ها به سه صورت درزه های بسته( فاقد مواد پر کننده )، درزه های باز ( فضای بین درزه ها هوا )و درزه های باز( پر کننده لایه بسیار نازک مواد ناشى از آلتراسیون به همراه کمى رس )تشخیص داده شد که انرژی منتقل شده به بلوک دوم اطراف چال انفجاری در حالت اول%100، در حالت دوم%1 و در حالت سوم% 36 کل انرژی تولید شده از ماده منفجره مى باشد.
ب) در تراکیت ها ناپیوستگى ها عمدتا به صورت درزه های باز( پر شده با هوا ) و درزه های جوش نخورده ( پر شده از مواد رسى ) مى باشد. انرژی منتقل شده به بلوک دوم اطراف چال انفجاری در حالت اول% 1 و در حالت دوم 20% مى باشد که اعداد حاصله برای این توده سنگ با جداول عملى ارئه شده در منابع معتبر آتشکاری انطباق کامل دارد.
تمامى اعداد بدست آمده از بند 2 نشان مى دهد که میزان بسیار زیادی از انرژی ماده منفجره در معدن مس سونگون به هدر مى رود که جهت استفاده بهینه تر از انرژی ماده منفجره موارد زیر پیشنهاد مى گردد:
الف) در انفجارات معدن مس سونگون به خصوص در تراکیت های این معدن بایستى حتى الامکان از مواد منفجره ای با سرعت انفجار و چگالى بالاتر استفاده نمود. برای این منظور مى توان از ماده منفجره ضد آب ( اسلاری ) موسوم به رئولیت با وزن مخصوص 1400 کیلوگرم بر متر مکعب و سرعت انفجار 5000 متر بر ثانیه استفاده نمود. البته در این زمینه انجام بررسى های اقتصادی به علت بالا بودن قیمت این ماده منفجره ضروری مى نماید.
ب )در صورت استفاده از اسلاری ضریب آمپدانس اسلاری در توده سنگ مونزونیتى%7/99 و در تراکیت های معدن%92/7 مى گردد.
ج )ترکیب داده های بدست آمده از میزان انرژی انتقالى به سنگ و فاصله داری ناپیوستگى ها جهت طراحى پارامترهای آتشباری از جمله بارسنگ و فاصله ردیفى چالها بسیار ضروری مى نماید که در تحقیقات آتى مى تواند مد نظر قرار گیرد.
د )در تراکیت های معدن با توجه به آنکه کثر درزه ها باز مى باشند میزان بسیار زیادی از آنفوی مصرفى در این درزه ها پرکنده شده و انرژی ناشى از آن به هدر مى رود. لذا پیشنهاد مى گردد در صورت عدم استفاده از اسلاری، خرج گذاری آنفو در درون رول های پلاستیکى تهیه شده با قطری معادل قطر چال صورت پذیرد. استفاده از پرایمر های قوی و تاخیرهای کم مى تواند انرژی مناسب تری را به سنگ منتقل نماید.
تقدیر وتشکر
در پایان بر خود وظیفه میدانیم از همکاری و مساعدت مدیریت و کارکنان معدن مس سونگون، جناب آقای دکتر حمید آقابابایى( ریاست دانشکده مهندسى معدن- دانشگاه صنعتى سهند )و تمامى عزیزانى که ما را در ارائه مقاله حاضر یاری نمودند تقدیر و تشکر نمائیم.