در موضوع: استخراج معدن
طبقه بندى مواد منفجره مصرفى در معادن بر اساس اندیس قدرت
خلاصه مطالب:
مواد منفجره ای همچون آنفو على رغم برخورداری از دانسیته و سرعت انفجار (VOD)پایین- در صورت طراحى صحیح- خردایش مطلوبى را در انفجارهای معدنى سبب مى شوند. با توجه به این مسئله ارائه عاملى مستقل از دانسیته و سرعت انفجار، برای شناخت و طبقه بندی قدرت مواد منفجره ضروری به نظر مى رسد. تاکنون خردایش مطلوب بدست آمده توسط آنفو با وجود سرعت انفجار پایین را یک استثنا بر شمرده اند. در صورتیکه میتوان آنرا به کمک اندیس قدرت پیشنهادی د ر این تحقیق از نظر علمى به خوبى توجیه نمود. بدین منظور، در اینجا قدرت مواد منفجره مرسوم در معدنکاری بر مبنای تعریفى از شیمى فیزیک که در فن انفجار در معادن متداول نبوده است، ارائه گردید و برای داشتن یک مبنای مقایسه و همچنین کنترل ارتباط موجود بین قدرت محاسبه شده و مطلوبیت خردایش، تمامى قدرتهای محاسبه شده را بژ قدرت آنفو که خردایش حاصل از آن مطلوب مى باشد، تقسیم شد تا اندیس قدرتى که فاقد بعد باشد بدست آید. بررسى داده های قدرت نشان داد مواد منفجره ای مثل آنفو و آلومینیم- آنفو که على رغم سرعت انفجابر کم ایجاد کننده خردایش مطلوبى هستند، از قدرت بالایى برخوردارند، همچنانکه بررسى داده های اندیس قدرت نشان مى داد که آلومینیم- آنفو اندیس قدرتى نزدیک به نیترو گلسیرین دارد و یا اندیس قدرت آنفو که برابر واحد است بیش از ماده پر سرعتى مثل تى ان تى مى باشد. درصورتیکه دانسیته، سرعت انفجار و حتى انرژی وز این مواد بسیار کمتر از نیتروگلسیرین و تى ان تى است. علاوه بر این، بررسى ضریب همبستگى داده های قدرت بر حسب دانسیته و سرعت انفجار نشان مى دهد که قدرت و به تبع آن اندیس قدرت مستقل از دانسیته و سرعت انفجار میباشند. لذا در این تحقیق پیشنهاد گردید تا برای طراحى انفجارهای معدنى با هدف انتخاب نوع ماده منفجره، به جای دانسیته و سرعت انفجار از اندیس قدرت که ضمن مستقل بودن از دانسیته و سرعت انفجار، توجیهى بهتر از رفتار مواد منفجره ارائه میکند، استفاده شود. به همین منظور رابطه موجود بین خرج ویژه آنفو و شاخص انفجار پذیری سنگ برای محاسبه خرج ویژه سایر مواد منفجره بوسیله اندیس قدرتهای بدست آمده در این تحقیق اصلاح آنها (Modify) گردید. نتایج حاصله مبین دقت این روابط در قیاس با روابط مرسوم که اصلاح آنها به کمک نسبت انرژی وزنی (RWS) صورت گرفته است، میباشد.
واژه هاى کلیدى: انفجارهاى معدفى، قدرت، اندیس قدرت، سرعت انفجار، طراحى انفجار، انتخاب ماده منفجره، خرج ویژه، شاخص انفجارپذیرى سنگ.
پیش گفتار:
در یک وکنش انفجاری انرژی و گازهایى که محصولات وکنش هستند، آزاد مى شوند. حجم گازهای تولیدی (v) وگرمای حاصل از انفجار (q) با توجه به ترموشیمى مواد منفجره قابل محاسبه اند. گاز حاصله اصولا دارای حجمى چند برابر خرج بکار رفته هستند که این افزایش حجم در یک فضای محصور همچون چالهای بکار رفته برای خرج گذاری در انفجارهای معدنى، در صورت غلبه بر مقاومت سنگ به کمک سایر عوامل موثر، عاملى در جهت خردایش که هدف این انفجارها است، بشمار مى رود. همچنین افزایش دمای ناگهانى حاصل از انرژی آزاد شده نیز موجبات انبساط ناگهانى سنگ را فراهم آورده و عاملى در جهت غلبه بر مقاومت سنگ تلقى میگردد. علاوه بر اثری که هر یک از عوامل گاز و انرژی به تنهایى بر خردایش دارند، با توجه به وقوع اغلب این انفجارها در یک فضای محصور، حضور گاز و انرژی در کنار یکدیگر، اثر تشدیدکننده ای نیز از طریق انبساط مضاعف حجم گازهای حاصل از انفجار دارند. این عمل به کمک بخشى از انرژی آزاد شده که به مصرف افزایش دمای سنگهای پیرامون چال نرسیده است، صورت مى گیرد.
با توجه به موارد فوق الذکر میتوان نتیجه گرفت که تفکیک این عوامل از یکدیگر برای قضاوت در خصوص قدرت ماده منفجره اشتباه بوده و بهتر است که به جای قضاوت به کمک حجم گاز حاصل از انفجار یا انرژی به تعریف عاملى دربرگیرنده هردوی آنها روی آورد.
همچنین در انفجارات معدنى که خرج بکار رفته معمولا از مواد منفجره ای همچون آنفو مى باشد، حجم زیادی از گاز در اثر انفجار آزاد مى شود. شکل خرج نیز چه به صورت پر شده در چال و چه بصورت فشنگى معمولا سیلندری است و در فضایى محصور منفجر مى شود. حضور این گازها در کنار انرژی آزاد شده باعث اعمال فشار بر باقیمانده خرج که در حال انفجار (Detonation) است مى شود. این فشار لحظه به لحظه و بطور هماهنگ با پیشروی روند انفجار خرج و افزایش حجم گاز و میزان گرمای ناشى از آن، افزایش میابد. آنچه که از این روند به نظر مى رسد، افزایش دانسیته ماده منفجره در اثر فشار وارد ه از طریق انبساط مضاعف گاز بگونه ای فزاینده است که به افزایش سرعت انفجار (VOD) منجر مى شود و با توجه به رابطه ای که بین فشار انفجار (POD) با دانسیته و سرعت انفجار وجود دارد، این عامل نیز در حال افزایش خواهد بود و نمى تواند ملاک قضاوت باشد. میزان این افزایش برای ماده منفجره ای هموژن مثل نیتروگلسیرین مایع و در نقاط انتهایى خرج در حدود سى درصدخواهد بود]1[. بنابراین مجددا بر لزوم استفاده از عاملى در بر گیرنده گاز و انرژی بصورت توام تاکید میگردد.. این عامل که قدرت (Power) ماده منفجره نامیده میشود، از حاصلضرب حجم گازهای حاصل از انفجار (v)و انرژی آزاد شده (q) بدست مى آید و میتوان آنرا در مقایسه با قدرت یک ماده منفجره به عنوان مبنا و بصورت درصد، نسبت به آن ماده مبنا نشان داد که اندیس قدرت (Power Index) نامیده مى شود.
در اینجا ابتدا حجم گازهای حاصله و انرژی آزاد شده از اففجار مواد مففجره معمول در معادن محاسبه مى شود. سپس به کمک آنها اندیس قدرت هر کدام از این مواد منفجره نسبت به آنفو که در معدنکاری مصرف وسیعى دارد، ارائه مى شود و عدم وابستگى قدرت و اندیس قدرت به دانسیته و VOD هم بصورت ریاضى و هم ضمن ارائه روابطى بین دو مورد از عوامل طراحى انفجار یعنى اندیس انفجار پذیری سنگ (Blast ability Index) و خرج ویژه استدلال خواهد شد.
متن اصلی:
قدرت ماده منفجره:
با توجه به لزوم توام در نظر گرفتن v و q برای قضاوت در خصوص قدرت ماده منفجره که دلیل آن در مقدمه بیان شد قدرت ماده منفجره به صورت زیر تعریف مى شود.
(1)
EP- قدرت ماده منفجره( تعریف مجازی )
q- انرژی آزاد شده در اثر انفجار (KJ/g)
v- حجم گازهای آزاد شده در اثر انفجار (Lit/g)
اندیس قدرت:
این اندیس به صورت درصد حاصل تقسیم قدرت هر ماده منفجره به قدرت ماد ه منفجره مبنا، نشان داده میشود.
(2)
که:
PI - اندیس قدرت( بدون واحد ).
q- انرژی آزاد شده در اثر انفجار ماده منفجره مورد بررسى (KJ/g).
v- حجم گازهای آزاد شده در اثر انفجار ماده منفجره مورد بررسى (Lit/g) .
-q Basic Explosiv انرژی آزاد شده در اثر انفجار ماده منفجره مبنا (KJ/g).
-v Basic Explosiv حجم گازهای آزاد شده در اثر انفجار ماده منفجره مبنا (Lit/g).
محاسبه حجم گاز حاصله و انرژى آزاد شده:
به منظور محاسبه قدرت و اندیس قدرت مواد منفجره معمول، حجم گازهای حاصله و انرژی آزاد شده از انفجار واحد جرم آنها در این تحقیق با روشى یکسان محاسبه شده تا برای مقایسه از یکدستى لازم برخوردار باشند. نتایج حاصله در جدول 1 ارائه شده اند.
جدول 1- حجم گاز و انرژی حاصل از انفجار مواد منفجره معمول
ادامه جدول 1
همچنین به منظور دخیل نمودن داده های حاصل از مواد منفجره صنعتى در روند مقایسه، پنچ نوع دوغابى و پنچ نوع امولسیون صنعتى نیز مورد بررسى قرار مى گیرند. موادی که در ترکیب غالب این گونه دوغابى ها نقش دارند، نیترات آمونیم، نیترات سدیم، آب، غلیظ کننده، اتلین گلیکول، سوخت، گوگرد، گلیسونایت، آلومینیم، و روان کننده خشک مى باشد. همچنین برای این امولسیون ها معمولا از نیترات آمونیم، نیترات سدیم، آب، امولسیون ساز، روغن، بالن های میکرونى، و آلومینیم استفاده مى شود.
برای محاسبه حجم گازهای حاصله و انرژی آزاد شده از اننجار واحد جرم این دوغابى ها و امولسیون ها که فرمولاسیون پیچیده ای دارند نمیتوان از روسهای تئوریک سود جست. بنابراین مطابق نتایج حاصل از کار آزمایشگاهى[2] حجم گازهای حاصله و انرژی آزاد شده از انفجار واحد جرم این مواد در جدول 2 درج میگردد.
جدول 2- حجم گاز و انرژی حاصل از انفجار مواد منفجره صنعتی
محاسبه قدرت و اندیس قدرت:
با توجه به اعداد ارائه شده طى جدول 1 و جدول 2 در خصوص انرژی آزاد شده از انفجار هر گرم ماده منفجره (q) وحجم گازهای حاصل از هر گرم ما ده منفجره(v)، ذیلا طى جدول(3) قدرت ما ده منفجره EP و اندیس قدرت ماده منفجره (PI) برای مواد منفجره ای که در این تحقیق مورد بررسى قرار گرفته اند، ارائه مى شود. شایان ذکر است که در محاسبه اندیس قدرت (PI)، ماد ه منفجره مبنا آنفو فرض شده است که علت آن استفاده از آنفو در مقیاسى وسیع برای معدنکاری است.
جدول 3- EP ،PI مواد منفجره مورد بررسی کهPI آنها بر مبنای آنفو حساب شده است .
جدول (3) ارائه کننده نتایج جالبى است. در این جدول مشاهده مى شود که ماده منفجره ای مثل آنفوکه دانسیته کم (0/84 g/cm3) و به تبع آن VOD کمى دارد قدرت واندیس قدرتى بیش از تى ان تى که ماده منفجره ای با دانسیته بالا (1/62 g/cm3) و VOD بالا است، دارد. و به همین ترتیب آلومینیم- آنفو با درصد وزنى اجزای مورد نظر در این تحقیق که دانسیته ای در حد (0/91 g/cm3) را ایجاب مى کند، قدرت و اندیس قدرتى نزدیک به نیتروگلسیرین با دانسیته (1/59 g/cm3) و VOD بالا که ماده منفجره پایه اغلب دینامیتها است و به عنوان ماده منفجره ای قوی شناخته مى شود، دارد. همچنین برای مواد منفجره دوغابى که در این جدول آورده شده اند، دیده مى شو د که ضمن ثبوت نسبى دانسیته قدرت و اندیس قدرت متفاوت است و برای امولسیون های آورده شده نیز که دانسیته ثابتى دارند، قدرت و اندیس قدرت متفاوتى دیده مى شود.
بررسى ضریب همبستگى داده هاى قدرت- دانسیته:
اگر داده های قدرت جدول 3 را به عنوان متغیر وابسته بر حسب دانسیته به عنوان متغیر مستقل ترسیم کنیم، نتیجه شکل 1 خواهد بود. از این شکل به نظر مى رسد که نمى توان هیچ نموداری با ضریب همبستگى مطلوب به این نقاط برازش نمود و این نتیجه موید تفسیری است که در قسمت قبل برای این جدول ارائه گردید.
شکل 1- ترسیم داده های قدرت در برابر دانسیته.
جهت اثبات این مدعا که هیچ رابطه قابل قبولى بین دانسیته ماده منفجره و قدرت و اندیس قدرت آن وجود ندارد، با استفاده از نرم افزار SPSS تلاش گردید تا مدل ریاضى قابل قبولى از طریق برازش منحنى بر داده های ناشى از ترسیم قدرت بر حسب دانسیته بدست آید. شایان ذکر است که با توجه به حساسیت بسیار زیاد ضریب همبستگى به مقادیر خارج از محدوده عمومى داده ها، ابتدا باروت به عنوان یک داده خارج از محدوده کنار گذاشته شده و سپس سایر داده ها به نرم افزار سپرده شده است. نرم افزار نیز به نوبه خود کوشش نموده تا بعضى داده ها را در جهت دستیابى به ضریب همبستگى بهتر حذف کند یا کم اثر نماید، ولى نتایج حاصله که طى جدول 4 ارائه میشوند از حاکى از ضرایب همبستگى بسیار پایین برای انواع مدلهای برازش شده بر این داده ها است که تایید کننده عدم وجود ارتباط بین قدرت و اندیس قدرت و دانسیته است.
جدول 4- ضریب همبستگی داده های قدرت – دانسیته با در نظر گرفتن مدلهای مختلف برازش منحنی
بحث :
از یک طرف مشاهده مى شود که مواد منفجره با دانسیته پایینى همچون آنفو و آلومینیم آنفو که قدرت و اندیس قدرتى در حد مواد منفجره با دانسیته بالا از خود نشان میدهند، در عمل نیز طى انفجارهای معدنى خردایشى مطلوب را سبب مى شوند. از طرف دیگر نیز هیچ رابطه ای بین قدرت و اندیس قدرت مواد منفجره با دانسیته و به تبع دانسیته با VOD و POD ملاحظه نمى شود. بنابراین نتیجه گیری مى گردد، در طراحى انفجارهای معدنى که در فضای محصور چال و با خرج گذاری سیلندری شکل و با هدف خردایش صورت مى گیرند، هنگام انتخاب ماده منفجره به تناسب سختى سنگ، ملاکهای دانسیته، VOD و POD برای قضاوت مناسب نمى باشند و بهتر است بر خلاف رویه ای که تاکنون معمول بوده، در طراحى اینگونه انفجارها برای انتخاب ماده منفجره از قدرت یا اندیس قدرت استفاده شود.
برای به کار بستن این نظریه میتوان رابطه موجود بین اندیس انفجار پذیری سنگ و خرج ویژه بر مبنای آنفو- یعنى معادله (1 )- را بر حسب خرج ویژه سایر مواد منفجره به کمک اندیس قدرتى که بر حسب آنفوی خالص به عنوان ماده منفجره مبنا محاسبه شده است، اصلاح (Modify) کرد.
1
که:
SC - خرج ویژه (Kg ANFO/Tonne of Rock)
BI- اندیس انفجارپذیری سنگ( بدون واحد )
این اصلاح به صورت زیر انجام خواهد شد.
2
که:
SC - خرج ویژه ماده منفجره مصرفى (Kg /Tonne of Rock)
PIANFO- اندیس قدرت ماده منفجره مورد نظر بر مبنای آنفو( بدون واحد )
شایان ذکر است که تاکنون روش مرسوم اصلاح این رابطه برای استفاده جهت محاسبه خرج ویژه سایر مواد منفجره، کاربرد نسبت انرژی وزنی (Relative Weight Strength) ماده منفجره مورد نظر به آنفوی خالص به عنوان ضریب تصحیح بوده است که این نسبت به نوبه خود تابع نسبت VOD ماده مورد نظر به VOD آنفو میباشد. در اینجا ضمن اصلاح رابطه (1) به کمک اندیس قدرت، روابط بدست آمده با روابط اصلاح شده توسط RWS مقایسه مى گردند تا برتری اندیس قدرت و صحت عملکرد آن از این طریق نیز استدلال گردد. روابط اصلاح شده بوسیله PI و روابط اصلاح شده بوسیله RWS در جدول 5 ملاحظه مى گردند.
جدول 5- روابط محاسبه خرج ویژه برای مواد منفجره مختلف بر حسب شاخص انفجار پذیری سنگ.
در جدول فوق بین تمامى روابطى که بوسیله PI اصلاح شده اند با تمامى روابط اصلاح شده بوسیله RWS تفاوتى مشاهده مى شود. اما این روابط خاص محاسبه خرج ویژه باروت هستند که ضعف RWS و قوتPI را در روند اصلاح روابط به منظور محاسبه خرج ویژه آشکار مى کنند. این موضوع به خوبى از طریق مقایسه شکل 2 و شکل 3 که از ترسیم روابط جدول 5 بدست آمده اند آشکار مى گردد.
شکل 2- خرج ویژه بر حسب اندیس انفجار پذیری سنگ (اصلاح شده با PI).
شکل 3- خرج ویژه بر حسب اندیس انفجار پذیری سنگ( اصلاح شده با RWS).
با ملاحظه شکلهای 2 و 3 جابجایى بزرگى در نمودار باروت مشاهده مى شود. علت آن داشتن محصولات انفجاری غیر گازی شکل است که سبب کاهش PI باروت میگردد و چنانچه انتظار میرفت نمودار رابطه (SC – BI) باروت که از اصلاح رابطه (SC – BI) آنفو بوسیله PI بدست آمده است، بخوبى از سایر نمودارها جدا شده است. در صورتیکه نمودار رابطه (SC – BI) باروت که از اصلاح بوسیله RWS حلصل شده است کماکان در محدوده عمومى سایر نمودارها قرار دارد و عملا خرج ویژه نادرستى را برای باروت نشان مى دهد و اجرای آن خردایش مطلوبى در پى نخواهد داشت. خرج ویژه ای که از طریق نمودار حاصل از رابطه اصلاح شده بوسیله PI در شکل 2 برای باروت ملاحظه مى شود نیز در عمل به علت نیاز به حفاری ویژه (Specific Drilling) زیاد قابل اجرا نمى باشد که این امر خود مبین صحت این نمودار است و درست به همین علت است که امروزه باروت ماده منفجره ای با استفاده محدود تلقى مى شود.
علاوه بر مسایل خاص باروت که از آنها در استدلال جهت اثبات صحت عملکرد P1 در اصلاح رابطه (SC – BI) آنفو برای سایر مواد منفجره استفاده گردید، ملاحظه مى شود که سایر نمودارها نیز جابجایى نشان مى دهند. هر چند ظاهرا این جابجایى ها از نظرعددی کوچک مى باشند، حاصلضرب آنها درتناژ سنگ سایت انفجاری در پروسه طراحى عددی با معنى خواهد بود.
منابع:
[1] Akhavan, Jacqueline, (1998), “The Chemistry of Explosives”, Royal Society of Chemistry, Cambridge.
[2] Sudweeks, W.B., (1985), “Physical and chemical properties of industrial slurry explosives”, I&EC Product Research and Development Vol.124, pp 436 - 432