پروژه حفر چال در استخراج معدن

حفر چال
مقدمه:حفر چال بخش مهمی از عملیات استخراج معدن است. تا کنون هر جا که راجع به کار مواد منفجره ذکری شده، مواجه به این مطلب بوده ایم که مواد منفجره صنعتی بایستی در چال قرار داده شده(خرج گذاری) و سپس منفجر گردند. بعبارت دیگر در استخراج معادن، مواد منفجره وقتی کاربرد پیدا می کنند که چال وجود داشته باشد. لذا جا دارد که قبل از پرداختن به شرح عملیات خرج گذاری مختصری راجع به حفر چال و انواع آن نوشته شود.
بررسی چال:قبل از خرج گذاری باید طول چال را کنترل کرد. این کار بوسیله مترکشی خط کش های طویل امکان پذیر است. اگر چال از عمق مورد نظر گودتر است باید بوسیله خاکریزی ته چال عمق آنرا به مقداری که لازم است رساند. خرج گذاری در چنین چالی موجب بهم خوردن طرح آتشباری، لرزش بیشتر زمین و اتلاف ماده منفجره است. اگر چال کمتر از طول مورد نظر حفر شده باشد حفاری آنرا باید ادامه داد تا بعمق معین برسد.
اگر بعلت افتادن قطعه سنگی در چال و گیر کردن آن در اواسط چال عملاً نتوان از این چال استفاده کرد بایستی با ضربات سنبه یا رها کردن متوالی وزنه ای که به نخ بسته شده و یا استفاده از ماشین آلات چال زنی رفع گیر کرد.
موقع حفر چال ممکن است به حفره ای کوچک یا بزرگ در زیرزمین برخورد شود این محل برای شخص حفار قابل تشخیص است، زیرا در چنین موقعی مته حفاری بسرعت خود ادامه می دهد تا مجدداً به مانعی برخورد کند. خرج گذاری در چنین چالی موجب اتلاف منفجره می گردد لذا بهتر است چنانچخ مقدور باشد این حفره را از خاک پر کرد و الا با تصب درپش نقاط شروع حفره ها می توان از طول مفید چال استفاده کرد. وجود چنین چالهایی و محل حفر حفار باید با رسم نمودار چال به سرپرست عملیات آتشکاری گزارش کند. چنانچه احتمال وجود حرارت غیر عادی در چال باشد که معمولاً این چنین چالی به منطقه ای مثل ذغال سنگ برخورد کرده، بهتر است با فرستادن یک ترمومتر در چال درجه حرارت آن اندازه گیری شود.
تعریف چال
چال حفره ای اس به شکل استوانه که با قطر و طول معین در داخل سنگ به منظورهای زیر حفر می شود.
1-ایجاد فضای خالی در سنگ: فضای خالی در سنگ شامل سازه هائی مثل ترانشه راه کوهبریهای راه و راه آهن، کانالهای انتقال آب و بخشی از کارهای معدنی مثل حفر تونل ها و نظائر آن است. در این گونه کارها یکی از اهداف عمده این است که سطح جانبی فضا باقیمانده حتی الامکان سالم باقی بماند. تا لقی و سستی دیواره پیش نیامده و در صورت بروز این پدیده خسارت وارده حداقل ممکن باشد. در اینگونه کارها، قطر چال کمتر از 64 میلیمتر بوده و عمق چالها از صفر تا 15 متر تغییر می کند.
2-استخراج مواد معدنی: نظر به اینکه شرایط کار در معادن روزبار و زیرزمینی یکسان نیست برحسب مقدار استخراج، وضعیت فیزیکی و مکانیکی سنگهای معدن و شرایط محیط، قطر و عمق چالهای حفر شده متفاوت می باشد.در این گونه کارها قطر چالها 30 تا 500 میلیمتر و عمق آنها تا 30 متر می رسد.
3-حفر چال بمنظورهای متفاوت و متنوع دیگر از قبیل:
در این گونه موارد قطر چالها از 42 تا 700 میلیمتر و عمق چالها تابع شرایط کار و نوع دستگاه است.
مشخصات چال
الف- قطر چال: قطر چال تابع طرحی است که برای برآوردن هدف حفر چال در نظر گرفته شده است. قطر چال هرچه کمتر باشد حفر چال راحت تر است زیرا می توان آن را با دستگاه کوچکتری حفر کرد. اما در انفجار یک توده سنگ معین هرچه قطر چال بزرگتر باشد هزینه عملیات کمتر است. در معادن روباز، ابعاد سنگ شکسته شده، نوع مواد منفجره، وسائل بارگیری موجود، مقدار استخراج روزانه و مسائل ایمنی انفجار از عواملی هستند که قطر چال را مشخص می کنند.
در نگاهداری معدن بطریق پیچ سنگ (پیچ کوه) نوع پیچ مورد نیاز قطر چال را مشخص می کنند.
در حفر چاه آب، قطر پمپ و لوله موجود قطر چال را مشخص نمایند.
ب-عمق چال: تابع نوع عملیاتی است که حفر چال برای آن صورت می گیرد. عمق چال از چند سانتی متر تا چند ده متر ممکن است برسد. برای نصب بعضی وسایل، عمق چال چند سانتی متر، برای حفاری تونل عمق چال تا 5 متر برای معادن روزباز و زیرزمینی عمق چال تا 30 متر و برای نمونه گیری تا 100 متر یا بیشتر می رسد.
پ-امتداد چال: امتداد چال تابع طرح حفاری و آتشباری است.
ج-شیب چال: چال با شیبهای مختلف بسته به نوع عملیات حفر می شود. شیب چالها از قائم سرازیر تا قائم سر بالا تغییر می کند.
چالها باید تا آنجا که ممکن است مستقیم حفر شوند، زیرا وجود چال منحرف عملیات انفجار را از کنترل خارج می کند. باید توجه داشت که تنها وزن دستگاه حفاری نیست که موجب انحراف چال می گردد، بلکه مجموعه نیروهای وارده به دستگاه حفر چال شامل وزن دستگاه و نیروهای فشاری به دستگاه و لرزش آن در حین عملیات است که منجر به انحراف چال از مسیر مستقیم می گردد. در شکل (6-1( نماینده وزن دستگاه چال زنی است و ملاحظه می شود که راستای آن با راستای حفر چال متفاوت است و برآیند نیروی پشت مته و نیروی وزن دستگاه موجب انحراف چال خواهد شد. این امر حتی در مورد چال های قائم هم که وزن دستگاه حفاری و نیروهای فشاری پشت مته در یک امتدادند اتفاق می افتد. نظر به اینکه ثابت ماندن امتداد چال بسیار واجد اهمیت است در ساخت ماشین آلات چال زنی دقت های بسیاری بعمل آمده تا بتوان از میزان انحراف چال کاست.
قطر چال: هرچه قطر چال بیشتر باشد سرعت انفجار نیز بیشتر است برخی از مواد منفجره مثل آنفو به تغییر قطر بیشتر حساس اند. برای مواد منفجره یک قطر حداقل وجود دارد که با قطر کمتر از آن منفجر نخواهند شد و آنرا قطر حداقل یا قطر بحرانی می نامند مقدار قطر بحرانی برای انواع مواد منفجره متفاوت است. مقدار قطر بحرانی یا قطر حداقل برای فولمینات جیوه خیلی کم است ولی قطر حداقل برای مخلوط نیترات آمونیوم و سوخت مایع، 3 سانتیمتر، برای مواد ناریه ژله ای، 5/1 سانتیمتر و برای مواد منفجره با حساسیت کم، 5 سانتیمتر است. بطور کلی اکثر مواد منفجره دارای حداقل قطر قابل انفجار برابر با 10 تا 35 میلی متر می باشند، اما در بعضی مواد ممکن است میزان حداقل قطر به 100 میلی متر هم برسد. در انفجار و حفاری در معادن یا سایر کارهای عمران همیشه باید قطر چال از قطر بحرانی خرج بیشتر باشد.

چال های شیبدار
در معادن روباز بالاخص، در سنگ های سخت و بسیار سخت اکثریت چال های انفجاری به طور قائم حفر می شوند. برای آن که حفر چال های قائم در سنگ های سخت آسانتر، راحتتر و ارزانتر می باشد اما همیشه چال های قائم بالاخص در رابطه با انفجار مطلوبترین روش حفاری نخواهد بود. بدین جهت بعضاً علی رغم دشواری در حفر چال های شیبدار، چال ها به طور زاویه دار حفر می شوند. عمده ترین دلایل آن عبارتند از:
1-به دلیل یونیفرم بودن "B" یا بوردن کیفیت انفجار از نظر جابجایی و درصد خردشدگی مطلوبتر می شود.
علت آن:
الف- جابجایی سنگ های ردیف اول چال ها آسانتر انجام می گیرد. این امر موجب می شود تا سنگ های ردیف بعدی نیز سهل تر جابجا شوند.
ب- به دلیل ایجاد سطوح آزاد، اتلاف انرپی در فضا کم و پتاب سنگ به هوا نیز به حداقل می رسد و نتیجتاً تاثیر انرپی بر روی سنگ های اطراف چال زیادتر و میزان خردشدگی نیز افزایش خواهد یافت.
2-موجب حذف بوردن مختلف در اولین ردیف چال ها خواهد شد.
3-امکان انتخاب پله ها با ارتفاع زیاد پدید خواهد آمد.
4-احتمال تاثیر انفجار هر چال در چال مجاور به حداق خواهد رسید.
5-مشکلات کف و زیرکف پله کمتر خواهد شد.
6-لرزش زمین اطراف انفجار کمتر و شکستگی های نامطلوب نیز به حداقل می رسد و دیواره معدن سالم تر خواهد ماند.
7-شیب چال های شیبدار پایدارترند از شیب چال های قائم

شیب چال ها به گونه ای انتخاب شود که از یکسو راندمان انفجار را افزایش دهد و باعث پایداری شیب شود و از سوی دیگر مشکلات حفاری به حداقل برسد. توصیه آنست که شیب چال های شیبدار بین 15 تا 25 درجه انتخاب شود.
حفر چال های شیبدار دارای معایب و مشکلاتی است که ترجیحاً از آن استفاده نمی شود که عمده ترین معایب عبارتند از:
1-در سنگ های سخت و نیمه سخت حفر چال های شیبدار با دشواری مواجه می شود. علت این امر در تامین بار کافی روی مته است.

2-حفظ شیب چال نیاز به دقت بیش از معمول دارد که وقت گیر خواهد بود.
3-خرابکاری و متراکم سازی آن در چال های شیبدار دشوار می باشد.
4-حفر چال های شیبدار از میان ناپیوستگی سنگ ها مشکل خواهد بود.
چال های قائم
چال های قائم برای سنگ های سخت و نیمه سخت بالاخص از نظر حفاری مناسب اند. چون حفاری آسانتر انجام می گیرد و هم تامین تر است یا با روی مته سهل تر فراهم می شود. نتیجتاً سرعت حفاری نیز بالاست. از عمده ترین معایب حفر چال های قائم می توان به موارد زیر اشاره نمود.
1-اولین ردیف چال ها دارای "B" بوردن مختلف اند به عبارت دیگر لبه پله با B کف پله یکسان نخواهند بود.
2-امکان تاثیر انفجار چال های قائم بر چال های مجاور زیاد است.
3-امکان شکستگی نامطلوب در اطراف چال های انفجار زیاد خواهد بود.
4-نیاز به اضافه عمق می باشد.
5-برای انفجار خوب نیاز به تدابیر خاص می باشد.
ماشین آلات حفر چال از حیث نوع و مکانیسم کار بسیار متنوع اند و بطور کلی بر حسب مکانیسم کار بدستجات زیر تقسیم می شوند:
الف- ماشین های ضربه ای شامل
– پرفوراتورهای هوای فشرده با حرکت دورانی پیستون
– پرفوراتورهای هوای فشرده با حرکت دورانی مستقل
– پرفوراتورهای هیدرلیکی با حرکت دورانی مستقل
ب- ماشین های D.T.H که چرخش در سطح زمین و ضربه در داخل چال صورت می گیرد. این گونه ماشین ها به دو دسته زیر تقسیم می شوند.
– سیستم های D.T.H با چکش هوای فشرده و چرخش هوای فشرده
– سیستم های D.T.H با چکش هوای فشرده و چرخش هیدرولیکی.
ج- ماشین های دورانی که به دو دسته عمده زیر تقسیم می شوند:
– ماشین های دورانی برای چال های کوچک به بعضی اوقات ضربه مختصری هم وارد می کنند.
ماشین های دورانی سنگین برای حفر چال های بزرگ و عمیق که اساس کار آنها بر خراشیدن سنگ می باشد.
خواص سنگها از نظر حفر چال
سنگها بطور کلی به سه دسته تقسیم می شوند:
– سنگهای آذرین که از انجماد ماگما بوجود آمده اند.
– سنگهای رسوبی که از تجمع ذرات ریز سنگها و یا مواد الی حاصل می شوند.
– سنگهای دگرگونی که حاصل متافورفیسم سنگهای آذرین و رسوبی است.
– برخی از خواص سنگها که در چال زنی موثرند بشرح زیر می باشند:
الف- سختی سنگ: سختی هر سنگ ناشی از سختی کانی های تشکیل دهنده آن می باشد. یکی از کانی های سخت، سیلیس می باشد که دارای سختی 7 بوده و بوفور در نقاط مختلف زمین و همراه با سایر کانی ها وجود دارد. هرچه مقدار سیلیس در سنگ بیشتر باشد قدرت سایندگی آن بیشتر است و قطعاتی از ماشین آلات معدنی را که با سنگ تماس مستقیم دارند زودتر فرسوده می کند. در مورد سنگهای سخت بهتر است حفر چال با روش ضربه ای انجام می گیرد. مثلاً در سنگ آهک سخت بهتر است از روش ضربه ای برای حفر چال استفاده شود و چنانچه بخواهیم روش دورانی را برای حفر چال به کار بریم ناچار به استفاده از دستگاههای سنگین می باشیم. اما در سنگ آهک نرم روش دورانی مناسب می باشد.
ب-ابعاد دانه ها: هرچه سنگ دانه درشت تر باشد راحت تر می توان در آن چال حفر کرد برحسب نوع دانه بندی حتی اگر کانی سنگ یکسان باشند نتایج عمل در حفاری متفاوت است.
با اینکه ترکیب هر چار نوع سنگ یکی است ولی بعلت تغییر ابعاد دانه ها حفاری در سنگهای فوق به ترتیب از بالا به پائین (از دانه ریز به دانه درشت) ساده تر می گردد.
ج-مقاومت فشاری شنگ: مقاومت سنگهای مختلف در مقابل فشار متفاوت است و به همین لحاظ در مقابل چال زنی ضربه ای رفتارهای متفاوتی نشان می دهند.
د-درزه و شکاف: سطح مشترک بین لایه ها، وجود درزه های متفاوت بعلت تکنونیک در توده سنگ و وجود گسل ها نقاط ضعفی هستند که به شکستن سنگ کمک می کنند و با استفاده از این نقاط ضعف می توان در بعضی موارد شکستن سنگ را راحت تر صورت داد. اما یادآور می شود که چال زنی در سنگهای شکافدار بمراتب پر دردسر تر از سنگهای بدون درز و شکاف است، هم چنین عملکرد مواد منفجره بعلت فرار گازها از درزه و شکاف، مطلوب نیست. لذا برای حفاری یک توده سنگ بشرح فوق باید در صورت امکان چالها در جائی زده شوند که شکاف و درزه وجود نداشته باشد.

قابلیت چال زنی:سرعت نفوذ مته حفاری در سنگ بر حسب متر در دقیقه قابلیت چال زنی در سنگ را نشان می دهد قابلیت چال زنی به دو عامل عمده ارتباط دارد.
الف- ماشین حفر حفر چال
ب-نوع سنگ
لذا نمی توان از قابلیت چال زنی بطور مطلق صحبت کرد بلکه در بیان آن همیشه بایستی نوع ماشین و کیفیت آن و همچنین نوع سنگ و مشخصات آن را در نظر داشت.
چال زنی ضربه ای
اساس کار چال زنی ضربه ای بقرار زیر است:
سر مته ای را روی سنگ گذاشته و به انتهای آن ضربه ای وارد می کنیم. در اثر این ضربه سر مته مختصری در سنگ فرو رفته و شکافی در آن بوجود می آورد. معادل حجم این شکاف سنگ می شکند. حال چنانچه سر مته را چند درجه بچرخانیم و ضربه دیگری به آن وارد کنیم، شکاف دیگری در سنگ تولید می شود. اگر این کار را تا چرخش یک دور کامل سر مته ادامه دهیم در نهیا استوانه ای در سنگ بقطر معادل سر مته و عمق شکاف بوجود می آید. اگر حفره بوجود آمده را پاک کرده و به ضربه زدن ادامه دهیم، پس از مدتی یک چال بعمق معین و قطر معین حفر می گردد.

روشی که ذکر شد، همان است که به آن طریق و با قلم و چکش در قدیم چال حفر می کردند. مکانیسم کار چال زنی ضربه ای هم بهمین قرار است، اما کار فوق با ماشین حفر چال صورت می پذیرد ماشین حفر چال را پرفوراتور و به اصطلاح معدنکاران چکش می نامند. در یک پرفوراتور معمولی تعداد ضربه های وارده به سر مته تا 3000 ضربه در دقیقه و سرعت چرخش سر مته 80 تا 160 دور در دقیقه می باشد. اجزای حفر چال با پرفوراتور در شکل شماره (6-4) ملاحظه می شود.

مکانیسم ضربه زدن در دستگاههای ضربه ای:
منبع انرپی ماشین های چال زنی، هوای فشرده یا الکتریسیته می باشد. انتقال انرژی به دستگاههای محرکه این ماشینها یا مستقیماً بوسیله هوای فشرده صورت می گیرد و یا اینکه مایعات این نیروها را منتقل می کنند. در هر صورت با اینکه مصرف هوای فشرده گرانتر از انرژی الکتریکی می باشد بعلت رعایت نکات ایمنی هنوز هم کاربرد ماشین های هوای فشرده چال زنی بیش از ماشین های برقی چال زنی است. بهترین وسیله ای که به کمک آن می توان مکانیسم ضربه زدن را بیان کرد کلنگ مکانیکی می باشد.
کلنگ مکانیکی:کار کلنگ مکانیکی شبیه کار قلم و چکش می باشد. قلم، فولاد نوک تیزی است که نوک آن روی سنگ تکیه داده شده و انتهای دیگر آن متصل به ملنگ مکانیکی می باشد. در داخل کلنگ ضربات متوالی به انتهای قلم وارد می شود که بوسیله نوک قلم به سنگ منتقل و سبب شکسته شدن سنگ می گردد. تعداد ضربه ها برحسب نوع کلنگ از 1000 تا 1600 ضربه در دقیقه است. کلنگ مکانیکی با هوای فشرده کار می کند. مصرف هوای فشرده بر حسب نوع کلنگ متفاوت و از 20 تا 80 لیتر در ثانیه می باشد. بشرح زیر شکل شماره (6-5) در هر حرکت رفت و آمد پیستون ضربه ای به انتهای قلم وارد می شود.
الف: هوای فشرده از طریق مجرای (1) و عبور از دریچه (2) وارد سیلندر (3) شده و موجب حرکت پیشتون (4) بطرف جلو می شود.
ب: حرکت پیستون (4) بطرف جلو ادامه یافته و باعث فشرده شدن هوای جلوی پیستون می گردد این هوای فشرده از طریق کانال (6) به پشت دریچه (2) می رسد. البته در این موقع مجرای (7) باز است و پیستون با سرعت نهائی خود به پشت مته یا قلم ضربه می زند.
ج: فشار هئای فشرده بعلت باز شدن مجرای(7) و وصل به فضای باز عملاً به یک اتمسفر می رسد و این امر سبب می شود که دریچه (2) بعلت فشار پشت آن که از طریق کانال(6) اعمال شده بطرف جلو حرکت می کند. این حرکت موجب می شود که مسیر هوای فشرده عوض شده و از طریق کانال (6) هوای فشرده بجلو پیستون رسیده باعث حرکت پیستون به سر جای اول آن می گردد.
د: عقب آمدن پیستون موجب فشرده شدن هوا در پشت آن و باز شدن دریچه(2) می گردد. در این موقع فشار هوای فشرده از راه دریچه(7) به صفر می رسد و باز شدن دریچه(2) موجب ورود هوای فشرده از مجرای(1) به داخل دستگاه ضربه زن می گردد. این حرکت رفت و آمد مرتباً تکرار شده و هر بار ضربه ای به انتهای مته وارد می شود. کلنگ مکانیکی فقط ضربه وارد می کند و برای اینکه حداکثر استفاده از این ضربه ها بعمل آید کار با کلنگ را در امتدادی انجام می دهند که از درزه های طبیعی می توان به منظور شکستن سنگ ها بهره جست. قلم کنگ مکانیکی را به اشکال مختلف برای منظورهای مختلف می سازند. انواعی از این قلم ها در شکل شماره(6-6) ملاحظه می شود.

مکانیسم چرخش مته
می دانیم که پیستون در هر حرکت بطرف جلو ضربه ای به انتهای مته یا مته گیر وارد می کند و به این ترتیب انرپی جنبشی پیستون از طریق مته به سنگ منتقل می گردد. سر مته که انتهای مته است به سنگ تکیه دارد. سنگ در اثر ضربه تغییر شکل می دهد و شکافهائی در اطراف نوک سر مته در سنگ تولید می گردد. تکه هائی از سنگ جدا شده و بوسیله یک سیال از محیط دور می شوند. پیستون و مته در حرکت برگشت پیستون به اندازه معینی باید بچرخند تا در ضربه بعدی نوک سر مته بجای دیگری از سنگ اصابت کند. لذا لازم است که چرخش سر مته همزمان با حرکت پیستون صورت پذیرد.
مکانیسم چرخش مته به دو صورت است:
الف- چرخش در اثر حرکت پیستون
ب-چرخش با موتور جداگانه
الف- چرخش در اثر حرکت پیستون:
موقعی که پیستون بجای اول خود بر می گردد مقدار معینی که بطور متوسط دور است خواهد چرخید و به این منظور روی پیستون دو نوع شیار طولی و مارپیچی وجود دارد. در داخل این شیارها دندانه های چرخ دنده ای قرار دارد که فقط در یک طرف می چرخند. در حرکت رفت، دندانه ها آزاد بوده و پیستون به خط مستقیم جلو می رود. اما در حرکت برگشت بعلت گیر کردن دندانه ها در شیارها پیستون باید اجباراً بچرخد و در اثر آن مته گیر و مته هم می چرخند.
ب- چرخش با موتور جداگانه (مستقل):
برای دستگاههای چال زنی سنگین چرخش مته بوسیله موتور جداگانه ای که روی پرفوراتور است تامین می شود. ساختمان داخلی چنین پرفوراتوری در شکل (6-8) ملاحظه می شود.

پرفوراتور (چکش): پرفوراتور دستگاهی است که حفر چال با آن صورت می گیرد. در پرفوراتورها سیستم ضربه زن و چرخش تواماً وجود دارد. پرفوراتورها با وزن های مختلف ساخته می شوند. پرفوراتور سبک وزن را کارگر حفار بدست گرفته و با آن چال حفر می کند. پرفوراتورهای نیمه سنگین روی پایه های تلسکوپی سوار می شوند و پرفوراتورهای سنگین وزن به منظور حفر چال روی دستگاههای چال زنی مثل واگن دریل و یا جامبودریل نصب می گردند. در شکل (6-9) برخی از مشخصات چند نوع پرفوراتور ساخت اطلس کوپکو مشاهده می شود.
وزن: 1/11 کیلوگرم
مصرف هوا: 24 لیتر در ثانیه
تعداد ضربات: 2700 در دقیقه
کاربرد: حفر چال های ثانویه یا حفر چال به منظور گیر انداختن وسائل
وزن: 25 کیلوگرم
مصرف هوا: 58 لیتر در ثانیه
تعداد ضربات: 2040 در دقیقه
کاربرد: چال برای استخراج

وزن: 250 کیلوگرم
مصرف هوا: 260 لیتر در ثانیه
تعداد ضربات: 2400 ضربه در دقیقه
کاربرد: حفر چال های عمیق

مته چال زنی ضربه ای:
مته های چال زنی اغلب به شکل میله فولادی با مقطع شش ضلعی و به ابعاد معین ساخته می شوند. در محور مته از ابتدا تا انتها سوراخی سرتاسری وجود دارد. از طریق این سوراخ سیال (هوا یا آب) عبور کرده به ته چال می رسد و در ته چال علاوه بر خنک کردن سر مته ریز های حفاری (خرده سنگ) را از فضای بین دیواره چال و میله مته به بیرون چال می راند. جنس میله از فولاد کربن دار می باشد بدین جهت در مقابل سایش مقاوم است. بعلاوه برای اینکه مته در مقابل خستگی و خمش نیز مقاومت کند میله را تا 900 گرم کرده سپس به کمک آب آن را سریعاً سرد می کنند. کربونیزه کردن فولاد علاوه بر اینکه مقاومت آن را در مقابل فشار و خشتگی زیاد می کند در مقابل خورندگی هم فولاد را مقاوم می نماید. مته های چال زنی ضربه ای به دو دسته تقسیم می شوند.
– مته یک پارچه
– مته های چند تکه
الف- مته های یک پارچه: در این مته ها سر مته به مته وصل بوده و از آن قابل جدا شدن نیست. طول مته های یک پارچه از 80 سانتیمتر تا 4 متر می باشد. برای حفر چال ابتدا با مته 80 سانتیمتری شروع کرده و پس از رسیدن چال به عمق حدود 80 سانتیمتر، مته را با مته درازتر عوض کرده و به همین ترتیب حفر چال را تا رسیدن به طول مورد نظر ادامه می دهند. اتلاف انرژی در چال زنی ضربه ای با مته های چند تکه بیش از حالتی است که از مته های یک پارچه استفاده شود.

ب-مته های چند تکه:
که برای حفر چالهای عمیق بکار می روند. با مته های یک پارچه حداکثر عمق چال 4 متر است. اما می دانیم که بسیاری از کارهای معدنی نیاز به حفر چال بیش از این مقدار دارند و بعلاوه حفر چال با تعویض پی در پی مته ها بسیار وقت گیر است. لذا برای حفر چالهای عمیق از مته های چند تکه با اجزای زیر استفاده می شود.
1-ته مته: که داخل چکش حفاری قرار می گیرد.
2-میله مته: که هر دو طرف آن حدیده شده و به کوپلینگ پیچ می شود. میله مته دارای مقطع دایره یا شش ضلعی است. هر دو طرف میل مته حدیده شده تا بتوان از هر دو طرف به کمک کوپلینگ ها آنها را به هم وصل کرد. طول میله بسته به نوع دستگاه چال زنی از 3 متر تا 9 متر است.
3-کوپلینگ: که میله های مته را بهم یا به سر مته وصل می کند.
4- سرمته: که همیشه به انتهای میله مته آخری وصل می شود.
با اضافه کردن کوپلینگ و میله مته می توان چال با طول دلخواه حفر کرد. ولی باید در نظر داشت که افت انرژی در محل اتصال کوپلینگ ها زیاد است.

سر مته: سر مته نقش اصلی را در شکستن سنگ دارد. نوک سر مته مخلوطی از کربور تنگستن به ابعاد حدود 2 تا 5 میلکرو میلی متر و کبالت است. سر مته باید این شرایط را داشته باشد:
الف- مقاوم در مقابل سائیدگی ب- مقاوم در مقابل فشار- ج- قابلیت هدایت حرارتی بالا
سرمته ها را به اشکال مختلف یک تیغه، دو تیغه(چهار پر) و غیره می سازند سرمته ها چهارپر کمتر در چال گیر می کنند بهمین سبب در سنگهای نرم و شکافدار برای حفاری مکانیزه بکار می روند. سر مته بیش از سایر اجزا مته در معرض سایش قرار دارد و معمولاً پس از مدتی کار کردن قابل تیز کردن و استفاده مجدد است. برخی از سر مته ها در شکل شماره(6-12) مشاهده می شوند.

1-سر مته یک پر که رایج ترین نوع سر مته در چال زنی است به سهولت تیز می شود و در شرایط عادی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.
2-سرمته چهارپر با مقاطع صلیبی و ضربدری که برای چال زنی در سنگهای شکسته شده و کار با دستگاه های مکانیزه کاربرد دارد.
3-سرمته دکمه ای که معمولاً عمرش بیش از سایر سر مته هاست.
4-سرمته مخصوص چال های ریزشی که در صورت ریزش چاه می توان آن را راحت تر از سایر مته ها از چال بیرون آورد.
5-و بالاخره سر مته ای که سوراخهای عبور سیال آن در بالای سر مته تعبیه شده و این امر باعث می شود که خزده های ریزه های حفاری راحت تر از چال خارج شده و سرعت چال زنی افزایش یابد. سر مته دارای اجزاء مختلفی است و واضح است که هر یک از اجزاء سر مته در کیفیت کار مته نقش دارند.

محاسبه تعداد مته و سرمته مورد نیاز در چال زنی ضربه ای
برای حفر چالهای عمیق علاوه بر ماشین حفر چال(پرفوراتور) از ته مته (Shank)، کوپلینگ، میله مته(Eod) و سرمته(Bit) نیز استفاده می شود. هر کدام از این وسائل در حفر چال بکار گرفته شده و عمر مفید آنها به حسب متراژ چال حفر شده تعیین می شود. اگر:
H: عمق متوسط چالها به متر R: نماینده میله مته
L:طول میله مته به متر C: نماینده کوپلینگ
T:طول کل چالهای حفر شده به متر d:نماینده سرمته
b:عمر متوسط هر کدام از لوازم به متر چال s:نماینده ته مته
N: تعداد هر یک از ابزارها فوق
باشد روابط زیر را خواهیم داشت:
تعداد سر مته
تعداد ته مته
تعداد میله مته
تعداد کوپلینگ
در مورد میله مته و کوپلینگ باید ذکر شود که اگر در یک چال تعدادی میله مته مصرف شود میله اول تا آخر چال باید کار کند و میله دوم باندازه طول چال منهای طول میله اول بایستی کار کند و بهمین ترتیب میله آخری تنها باندازه طول میله در کار حفر چال مشارکت خواهد داشت. این اعداد یک تصاعد حسابی را تشکیل می دهند که:
تعداد جمله ها- تعداد میله های مصرفی در یک چال
جمله اول- L
جمل آخر-H
لذا مجموع این جمله ها برابر است با . چون تعداد کل چالها خواهد بود لذا طول کلیه میله های مصرفی در حفر T متر چال برابر است با و اگر عمر یک میله برابر باشد تعاد میله های مورد نیاز برابر است با
عوامل موثر در راندمان چال زنی ضربه ای
چال یکی از عوامل عمده تولید در بهره برداری از معادن است. ازدیاد سرعت حفاری به معنای ازدیاد تولید است. بدین لحاظ سعی می شود که عوامل موثر در بهبود راندمان حفاری شناسائی شده و با توجه به قوانین مربوطه، در بالا بردن این راندمان اقدام لازم بعمل آید.
– نیروی فشاری پشت سر مته
– انرژی ضربه ای ویژه پیستون و تعداد ضربات پیستون در دقیقه
– زاویه چرخش و تعداد دورهای سر مته در دقیقه
– فشار هوای فشرده
– خروج ریزه های حفاری و ماده شستشو از چال
– اتلاف انرژی حین انتقال آن توسط مته از پیستون به سر مته
ضمن اینکه هر یک از عوامل نامبرده به تنهائی در راندمان چال زنی ضربه ای موثرند بایستی دقت کافی مبذول داشت که بین آنها هماهنگی نیز وجود داشته باشد.
نیروی فشاری پشت سر مته: خرد کردن سنگ فقط بعهده انرژی ضربه ای پیستون دستگاه حفاری خواهد بود. تنها وظیفه ای که نیروی فشاری پست سر مته در چال زنی ضربه ای بعهده دارد، عبارتست از برقرار نمودن ارتباط بین سرمته و سنگ قبل از آنکه انرژی ضربه ای پیستون به سر مته منتقل شود.
در شکل (6-15)منحنی تغییرات سرعت چال زنی بعنوان تابعی از نیروی فشاری پست سر مته نشان داده شده است. می بینیم که به ازاء یک نیروی فشاری حداقل و یک نیروی فشاری حداکثر سرعت چال زنی دستگاه حفاری به صفر خواهد رسید. به ترتیبی که از منحنی تغییرات سرعت بر می آید، فقط بازاء یک نیروی فشار معین که با نشان داده شده است، سرعت چال زنی دستگاه حفاری ضربه ای به میزان حداکثر می رسد. نیروی فشار کوچکتر و یا بزرگتر از موجب کاهش سرعت چال زنی خواهند شد. چون تولید و نگاهداری یک نیروی فشاری ثابت پشت سرمته، عملاً غیر ممکن است لذا توافق شده است که نیروهای فشار کمتر و یا بیشتر را که بازاء آنها سرعت چال زنی حداکثر 10% کوچکتر از می باشد، نیز بعنوان نیروهای فشاری قابل قبول پذیرفته شود.
علت کاهش سرعت چال زنی ضربه ای بعنوان تابعی از نیروی فشاری پشت سر مته این است که نیروی کوچک فشاری پشت سر مته موجب می شود که سرمته تماس لازم را با سنگ نداشته باشد. این عدم تماس موجب خواهد شد که انرژی ضربه ای پیستون دستگاه حفاری توسط مته و سرمته به سنگ منتقل نشده و بالاجبار در داخل خود مته و سرمته بمصرف برسد. اتلاف انرژی ضربه ای در مته و سرمته بدینصورت انجام می پذیرد که انرژی پس از رسیدن به سر مته، در آن انعکاس یافته و بطرف سرمته بازگشت داده می شود. تکرار این انعکاسها موجب می شود که مته و سرمته عملاً یک حرکت ارتعاشی پیدا نموده و انرژی ضربه ای حاصله از پیستون دستگاه حفاری صرف انجام این حرکت ارتعاشی گردد. مدت تقریباً هشت ثانیه طول می کشد تا حرکت ارتعاشی ناشی از ضربه در یک مته دو متری بپایان برسد. چون در عمل در فواصل زمانی کوتاهتی ضربه ای پیستون به مته وارد می شوند ارتعاشات حاصله از این ضربات در داخل مته و سرمته تداخل حاصل می نمایند. این عمل موجل خواهد شد که مته بعلت خستگی، خیلی زود شکست حاصل نموده و بی مصرف شود. از طرف دیگر نیروی فشاری بزرگ باعث می شود که سر مته بصورت مداوم روی سنگ فشرده شده و حین بازگشت پیستون، امکان چرخش لازم به مته و سرمته داده نشود و بالنتیجه ضربه بعدی سرمته نیز تقریباً روی شکاف تولید شده قبلی در سنگ وارد شود. این عمل موجب می شود که بتدریج شکاف تولید شده در سنگ عمیق تر شده و مته در آن گیر کند. بالنتیجه در اثر مقاومتی که در مقابل چرخش سرمته بوجود می اید به تدریج زیاد می شود، دستگاه "خفه کرده" و از کار باز می ایستد. در این زمینه یادآوری این نکته ضروری است که نیروی فشاری بزرگتر از حد لازم در پشت سر مته موجب کاهش انرژی ضربه ای دستگاه حفاری نیز می شود.
زیرا که راه بازگشت پیستون کوتاه شده و بالنتیجه در عمل رفت، پیستون سرعت لازم را پیدا نمی کند. همانطور که می دانیم انرژی ضربه ای منتقل شده از پیستون به سرمته، تابع مستقیمی است از انرژی سینیک پیستون که از رابطه زیر بدست می آید:

انرژی سینیک به کیلوگرم
جرم پیستون به کیلوگرم
سرعت پیستون هنگام وارد آوردن ضربه به متر بر ثانیه
در نتیجه کاهش سرعت پیستون، انرژی ضربه ای آن با مجذور سرعت کاهش می یابد. در مورد تعداد ضربات پیستون در دقیقه یادآوری این نکته ضروری است که با کوتاه تر شدن راه رفت و برگشت پیستون که در نتیجه نیروهای فشاری بزرگتر پست سر مته حاصل می شود، تعداد این ضربات بعنوان تابعی از نیروی فشاری پشت سرمته مرتباً افزایش می یابد.
سرعت دوران سرمته با افزودن نیروی فشاری پشت سرمته کاهش می یابد، علت این امر این است که با بالا رفتن نیروی فشاری پشت سرمته بطور مداوم از چرخش آزاد مته جلوگیری شده و بدین ترتیب زاویه چرخش سرمته کوچکتر می شود.

انرژی ضربه ای پیستون پرفوراتور و تعداد ضربات سرمته در دقیقه:
انرژی ضربه ای پیستون عبارت است از مقدار انرژی است که در حرکت رفت پیستون هنگام وارد آمدن ضربه به مته، به آن انتقال داده می شود و مقدازش با صرفنظر از اصطکاک از رابطه بدست می آید.
گرچه هم انرژی ضربه ای پیستون و هم تعداد ضربان آن در دقیقه در سرعت چال زنی موثرند ولی این دو مربوط به ساختمان دستگاه حفاری بوده و حفار دخالت مستقیمی در تغیر آنها ندارد. با این حال آشنایی با تاثیر آنها در راندمان چال زنی کمک شایانی به شناخت مسائل مربوط به چال زنی نموده، و در انتخاب دستگاه حفاری مورد نیاز راهنمای خوبی خواهد بود. توان ضربه ای پیستون دستگاه حفاری در دقیقه مطابق است با حاصلضرب انرژی ضربه ای ویژه پیستون در تعداد ضربات پیستون در دقیقه.

N: تعداد ضربات پیستون در دقیقه
به ترتیبی که از این روابط بر می آید، می توان تاثیر ضربه پیستون را در حفر چال بالا برد در صورتیکه:
الف- انرژی سینتیک ضربه پیستون اضافه شود.
ب-تعداد ضربات پیستون در دقیقه اضافه شود.
ج- هم مقدار انرژی سینتیک ضربه پیستون و هم تعداد ضربات آن در دقیقه اضافه شود.
باید در نظر داشت که حرکت پیستون در داخل سیلندر دستگاه نوعی حرکت متشابه التغیر تند شونده است که از رابطه کلی تبعیت می کند در این رابطه F نیروی وارده به پیستون، M جرم پیستون و شتاب حرکت است. بنابراین هرچه F زیادتر باشد شتاب پیستون نیز بیشتر می شود.
نیروی F بایستی از فشار هوای فشرده تامین شود. اگر فشار هوای فشرده (P) و سطح مقطع پیستون (S) باشد نیروی F برابر است:

از این رابطه چنین در می یابیم که برای ازدیاد F بایستی (P) فشار هوای فشرده، s سطح مقطع پیستون و یا هر دو را زیاد کرد.
از طرف دیگر وقتی که فشار هوای فشرده روی پیستون اثر گذاشت و آنرا تحت تاثیر نیروی قرار داد پیستون بحرکت در آورد، اگر تا زمانی که پیستون به ته مته برخورد می کند فاصله (L) را طی کرده باشد در انتهای حرکت مقدار سرعت پیستون برابر است با:

در این رابطه t زمان حرکت پیستون است. از این رابطه نیز نتیجه گیری می شود که برای ازدیاد V بایستی مقدار (L) که همان طول سیلندر دستگاه حفاری است اضافه گردد.
از آنچه که ذکر شد رویهمرفته نتیجه گیری می شود که برای بردن توان ضربه دستگاه حفاری باید اقدامات زیر صورت گیرد.
– پیستون هرچه بزرگتر باشد یعنی هم سطح مقطع و هم جرم آن زیاد انتخاب شوند.
– کورس پیستون یا در حقیقت طول سیلندر هرچه ممکن است بزرگتر باشد.
– فشار هوای فشرده ازدیاد پیدا کند.
– تعداد ضربات در واحد زمان (N) اضافه شود که این امر مستلزم کاهش زاویه چرخش سرمته است.
با این حساب ظاهراً بالا بردن توان ضربه ای پیستون دستگاه حفاری ساده بنظر می رسد ولی در عمل امکانات صنعتی برای تحقق بخشیدن به این هدف بسیار محدودند. اما با یادآوری این مطلب که برای انتقال کامل انرژی ضربه ای پیستون از سرمته به سنگ نیاز به یک مدت تماس حداقل در مورد هر نوع سنگ می باشد. خودبخود مشخص می شود که نمی توان تعداد ضربات پیستون در دقیقه و انرژی ضربه ای آنرا بدلخواه بالا برد. بعنوان مثال ذکر می شود که حداقل زمان لازم تماس بین سرمته و سنگ آهک برای انتقال کامل انرژی معادل با می باشد. برای درک اثر عوامل فوق الذکر بر سرعت چال زنی به این منحنی ها توجه می کنیم. به ترتیبی که از شکل بر می آید، با افزایش مقدار انرژی ضربه ای پیستون، ابتدا عمق شکاف تولید شده در سنگ بصورت خطی افزوده شده و به ازای یک انرژی ضربه ای معین، منحنی شکست حاصل نموده و از آن به بعد با ضریب زاویه کوچکتری ادامه می یابد.

علاوه بر انرژی ضربه ای پیستون اثر نوع سنگ نیز برسرعت چال زنی بررسی گردیده و به ترتیبی که ملاحظه می شود تحت شرایط مساوی سرعت چال زنی در سنگ آهک بمراتب زیادتر از سرعت چال زنی در گرانیت وسرعت چال زنی درگریی واگ می باشد. در مورد این منحنی ها بایستی یادآوری نمود که هر قدر انرژی ضربه ای ویژه پیستون پرفوراتور بزرگتر باشد عمق شکاف تولید شده توسط سرمته بزرگتر بوده وعمل تخریب سنگ سریعتر انجام می شود.
در مورد کاهش ضریب زاویه منحنی ها بعنوان تابعی از مقدار انرژی ضربه ای پیستون بایستی ذکر نمود که هر قدر عمق شکاف تولید شده توسط مته زیادترشود بهمان نسبت به میزان نیروهای مقاوم در مقابل پیشروی سرمته اضافه خواهد شد. بهمین علت نمی تواند بین انرژی ضربه ای پیستون وعمق شکاف تولید شده توسط سرمته در سنگ ویاکانی که مستقیما با سرعت چال زنی ارتباط خواهدداشت رابطه خطی وجودداشته باشد.

زاویه چرخش و تعداد دورهای سرمته در دقیقه:
در صورتی که اثر یک سرمته ساده را که حین چال زنی روی سنگ گذارده شده با اثر آن در نتیجه ضربه بعدی مقایسه نمائیم ملاحظه می کنیم که سرمته باندازه زاویه مشخصی چرخیده است. این زاویه را بر حسب تعریف زاویه چرخش سرمته نامگذای مینماییم برای هر سنگ زاویه چرخش مشخصی برای سرمته وجوددارد که اگرسرمته در اثر هر ضربه پیستون به آن اندازه بچرخد در شرایط مساوی سرعت چال زنی بیشترین مقدار را خواهد داشت این زاویه را زاویه چرخشی اپتیموم سرمته می نامیم
سرعت چال زنی بعنوان تابعی از زاویه چرخش سرمته ابتدا افزایش یافته و پس از رسیدن به مقدار ماکزیمم مجددا کاهش می یابد. همانطور که از منحنی های مربوط به سنگ آهک وگرانیت بر می آید زاویه اپتیموم برای سنگ ها وکانی های مختلف متفاوت است
هر قدر سنگ سخت تر باشد زاویه چرخشی اپتیموم آن باید کوچکتر باشد.بعلاوه زاویه چرخشی در مورد سنگهای بسیار سخت اثر خود را از نقطه نظر تغییرات سرعت چال زنی تقریبا به صورت کامل از دست می دهد این مطالب توسط منحنی تغییرات سرعت چال زنی در مورد سنگ گری واک بخوبی روشن می شود.
چون سرمته بازاء هر ضربه پیستون باندازه زاویه a می چرخد تعداد دوره های سرمته در دقیقه برابر خواهد بود:

در این رابط Z تعداد ضربات در دقیقه و R تعداددور سرمته در دقیقه است.
اینک به علل اثر و زاویه چرخش سرمته درسرعت چال زنی بازگشته ویادآوری می کنیم که در هر سنگ پس از وارد شدن ضربه توسط سرمته شکافی کم یا بیش عمیق بوجود می آید. طبیعی است که عمق این شکاف در مورد سنگهای نرم بیشتر ودر مورد سنگهای سخت کمتر است. انرژی ضربه ای سرمته موجب خواهد شد که سنگ اطراف شکاف نیز تحت تاثیر قرار گفته وکم یا بیش خرد شود. در صورتی که زاویه چرخش سرمته کوچکتر از حد لازم باشد سرمته در ضربات بعد روی قسمت خرد شده وارد می شود وانرژی منتقل شده از آن به ته چال موجب نرم تر کردن قطعات خرد شده خواهد شد و حال آنکه بایستی سعی شود که با هر ضربه سرمته قطعه جدید از سنگ ته چال جدا شود تا بتوان بسرعت چال زنی ماکزیمم رسید. در صورتی که زاویه چرخش سرمته بزرگتر از حد لزوم باشد قطعاتی از سنگ ویا کانی خرد نشده در ته چال بین دو قسمت تخریب شده باقی مانده و از پیشرفت سرمته جلوگیری می نماید.
این قطعات نیز در اثر ضربات بعدی سرمته خرد شده و از ته چال جدا میشوند . بدین ترتیب ملاحظه می شود که زاویه چرخش کوچکتر ویا بزرگتر از حد لازم سرعت چال زنی را کاهش میدهد.
فشار هوای فشرده:
انرژی لازم در چال زنی ضربه ای بصورت معمول توسط هوای فشرده تامین می شود. همانگونه که در بحث مربوط به انرژی ضربه ای ویژه پیستون ملاحظه شد فشار هوای فشرده تاثیر مستقیم روی انرژی جنبشی پیستون ودر نهایت سرعت چال زنی خواهد داشت. فشار هوای فشرده در کمپرسورهای حدود 7تا8 اتمسفر است. هر چه فشار هوای فشرده بیشتر شود سرعت چال زنی نیز افزایش خواهد یافت. دراین صورت مصرف انرژی دستگاه حفاری عملا بیشتر خواهد شد وطبیعی است که فشار زیاد خستگی زودرس ماتریال وسایل حفاری واحتمال شکست مته را بدنبال خواهد داشت.در حال حاضر فشار هوای فشرده کمپرسورهای معمولی معدنی حدود 8 اتمسفر وبرخی دارای فشار بالای 15 اتمسفر هستند.

خروج ریزه های حفاری از ته چال:
برای خروج ریزه های حفاری از ته چال از سیال های مثل هوای فشرده و آِ اب استفاده می شود.همانطور که می دانیم در صورتی که وزن مخصوص جسمی از بتدریج اضافه می شود تا این جسم بسرعت نهایی خود در مایع رسیده و از آن رسیده و از آن پس با سرعتی ثابت به سقوط خود ادامه می دهد.نیروی موثر برای سقوط جسم وزن آن وعوامل جلوگیری کننده از سقوط مقاومت مایع در مقابل حرکت جسم ونیروی ارشمیدس است.
ریتینگر سرعت نهایی سقوط ریزه ها حفاری را مطابق رابطه زیر محاسبه کرده است.در این رابطه v سرعت ،سقوط،c عدد ثابت ،dk قطر ریزه حفاری، kچگالی ریزه حفاری، m چگالی سیال است.

ملاحظه می شود سرعت نهایی سقوط ریزه های حفاری با جذر چگالی وابعاد آنها نسبت مستقیم وبا جذر چگالی مایع نسبت معکوسدارد برای آنکه ریزه های حفاری به محض جدا شدن از ته چال توسط ماده شستشو دهنده حمل گردند ضروری است که سرعت سیال از سرعت نهایی سقوط بزرگترین تکه جدا شده سنگ بزرگتر باشد. در این صورت خرده سنگ بلافاصله از ته چال جدا شده وحفر چال ادامه می یابد. در صورتی که خرده سنگ در ته چال باقی بماند سرمته ضربات خود را روی ریزه های حفاری جدا شده که هنوز در ته چال باقیمانده اند وارد آورده و به ریزتر نمودن آ"ها می پردازد تا با توجه به ابعاد ریزه های حفاری حمل آنها از چال امکان پذیر شود. در این حالت سرعت چال زنی کم می شود.
در حالتی که برای شستشو از آب استفاده می شود در چال قائم سرازیر سرعت آب بایستی 4/0 تا1 متر بر ثانیه باشد واگر از هوا استفاده می شود سرعت هوا باید 15تا30 متر بر ثانیه باشد تا چال از گرد وخاک پاک گردد. تمیز شدن چال معایب زیر را بوجود می آورد.
– گیر کردن مته در چال در حین حفر چال
– پایین آمدن سرعت چال زنی
– کم شدن راندمان ماده منفجر

اتلاف انرژی در چال زنی ضربه ای
در مسیر انتقال انرژی از کمپرسور تا رسیدن آن به سنگ مورد حفاری مقداری از انرژی بعلل مختلف از بین می رود وهمه انرژی تولید شده به سنگ نمی رسد. علل ومحلهای اتلاف انرژی در سه بخش زیر مورد بررسی قرار می گیرند

1-اتلاف انرژی از کمپرسور تا پرفوراتور:
هوای فشرده در مسیر خود از کمپرسور تا محل مصرف که پرفوراتور است باین علل بخشی از انرژی خود را ازدست می دهد.
معایب مکانیکی کمپرسور- اصطکاک هوای فشرده با جدار لوله های انتقال- افت انرژی در محل اتصالی ها از قبیل دو راهی، سه راهی، شیر،زانو،انشعابات وغیره
افت انرژی در پیچ و خمهای لوله -نشت هوای فشرده به بیرون بعلت نقص کار لوله کشی .بدیهی است که انتخاب لوله مناسب ولوله کشی صحیح مقداری از اتلاف انرژی خواهد کاست اما هرگز آن را به صفر نمی رساند و مقداری انرژی به وجود خواهد داشت.
2-اتلاف انرژی از ته مته به سرمته:
وقتی که پیستون دستگاه حفاری تحت تاثیر هوای فشرده بحرکت افتاده وضربه ای به ته مته وارد میکند تمام انرژی منتقل شده به مته بر سر مته نخواهد رسد و بخشی از آن در راه تلف میگردد . این اتلاف به دو علت عمده صورت می گیرد :
– اتلاف انرژی بدلیل نوع مته مصرفی ( یک پارچه چند تکه )
– اتلاف انرژی بعلت وزن سمته
الف- اتلاف انرژی به دلیل نوع مته : پس از وارد آمدن ضربه بوسیله پیستون ، در مته حرکتی مثل حرکت کرم خاکی تولید می شود . بدین ترتیب که اگر مته را بصورت قطعات در کنار یکدیگر چیده شده فرض نمائیم در قسمتی از مته که انرژی ضربه ای به آن نقطه رسیده است قطعات به یکدیگر مثل مته هاییک پارچه ، اتلاف انرژی از این بابت حداقل خواهد بود . ولی در حالتی که میله های حفاری بوسیله کوپلینگ بهم وصل می شوند . در واقع نگاهداشتن این دو قطعه در کنار یکدیگر به توسط نیروی اصطکاک انجام می گیرد و در این نقطه انتقال انرژی ضربه ای بصورت حرکت کرم خاکی انجام نشده بلکه بصورت ضربه از قسمت اول به قسمت دوم انتقال می یابد . در این نقطه بخش قابل ملاحظه ای از انرژی ضربهای که می تواند تا 30% انرژی وارده نیز باشد تلف گشته و بقیه آن به قطعه بعدی منتقل می شود . بنابر این در حفر چالهای عمیق باید با انتخاب مته های بلندتر حتی المقدور از تعداد نقاط ارتباطی که در آنها ارتباط توسط نیروی اصطکاک انجام می شود کاست .
ب- اتلاف انرژی در اثر وزن مته : هر چه مته سنگین تر باشد اتلاف انرژی وارده به آن از ته مته (محل اصابت ضربه ) تا سرمته ( محل انتقال انرژی به سنگ ) بیشتر است . می دانیم که در پرفوراتور ابتدا پیستون با سرعت V به ته مته برخورد کرده سپس هر دو با سرعت U بحرکت ادامه می دهند که البته مدت و مسافت حرکت اخیر خیلی سکم است و آن مقداری است که سرمته در سنگ نفوذ می کند و انرژی جنبشی منتقل شده به سرمته سبب شکسته شدن سنگ می شود . اگر :
M جرم پیستون
M جرم مته
V سرعت پیستون هنگام برخورد با ته مته
U سرعت حرکت مجموعه پیستون و مته بعر از برخورد باشد .
(1) طبق اصل بقاء مقدار حرکت MV=(M+m)U
(2) نتیجه گیری می شود
(3) انرژی جنبشی منتقل شده به ته مته
(4) انرژی جنبشی منتقل شده به سنگ
با جاگذاری از رابطه (2) در رابطه (4) نتیجه میگیریم که انرژی منتقل شده به سنگ برابر است با :

با دقت در این رابطه ملاحظه می شود که هر چه m بزرگتر باشد اتلاف انرژی بیشتر است . مثلاً در حالتی که m=M باشد تلف انرژی 50% انرژی جنبشی کل خواهد بود . هر چه چال عمیف تر شود بدلیل ازدیاد m اتلاف انرژی زیاد شده و انرژی منتقله به سرمته کم می شود . با اضافه شدن طول چال ممکن است مقدار m به حدی بر سد که انرژی کافی برای شکستن سنگ به سرمته نرسد و کار چال زنی منحصر بکار کردن بی مورد چکش حفاری و سایر لوازم مربوط گردد.
حالتهایی پیش می آید که باید چال عمیق حفر کرد ( حفره چاه آب ، چاههای اکتشافی ) و یا اینکه باید چال قطور مثل حفرچالهایمخصوص معادن روباز بزرگ حفر شود که احتیاج به سرمته بزرگ وزین دارد . در چنین حالتهائی برای این که از هدر سرفتن انرژی حتیالمقدور جلوگیری شود ، روش های دیگری برای حفر چال ابداع شده اند که عبارتند از:
– روسش چال زنی D.T.H
– روش چال زنی دورانی
3- اتلاف انرژی از سر مته تا سنگ : همانطور که قبلاً اشاره شد تماس لازم بین سر مته و سنگ باعث بهبود کیفیت انتقال انرژی از مته به سنگ خواهد شد و این امر به عهد نیروی فشاری پشت مته است . برای جلوگیری از اتلاف انرژی در این وضعیت ، حفار باید با اعمال نیروی فشاری لازم این تماس را برقرار سازد .

تاثیر تکتونیک بر راندمان چال زنی
برایاینکه چال با سرعت مطلوب در سنگ حف شود لازم است کلیه عوامل دست اندر کار در وضعیت مطلوب باشند . یعنی هم ماشین چال زنی بحد کافی قوی باشد و هم سنگ مورد عمل استقامت و سختی مناسب را در مقابل سرمته های حفاری نشان دهد و یکی از این عوامل وجود شکاف و درزه در سنگ می باشد که عملاً هر چه مقدار آن بیشتر باشد سرعت چال زنیکمترمی گردد .
وجود شکاف سبب گیر کردن مته حفاریمی شود زیرا هنگام عبور مته از شکاف بعلت وجود نقاط ضعف ، امکان شکسته شدن تکه های بزرگ سنگ و در نتیجه انحراف متیه از مسیر مستقیم و گیر افتادن آن می شود .در چال زنی لازم است وقتی که چال حفر می شود خرده ریزه های حفاری از چال خارج شوند این عمل را که معمولاً بوسیله هوای فشرده صورت می گیرد پاک کردن چال می نامند . در این سنگ های شکسته شده پاک کردن چال همیشه با اشکال مواجه می گردد .
تاثیر قطر چال در راندمان چال زنی
فطر چال بنوبه خود در سرعت حفر چال موثر است . برای درک این ارتباط به منحنی شکل (6-20) توجه می کنی در روی محور افقی قطر چال به اینچ و در محور قائم سرعت حفر چال به فوت در ساعت نشان داده شده است . این منحنی برای دو نوع سنگ با مقاومت فشاری مختلف ترسیم شده ایت . از این منحنی های نتیجه گیری می شود که :
– هر چه قطر چال کمتر باشد سرعت چال زنی بیشتر است .
– هر چه مقومت فشاری سنگ کمتر باشد سرعت چال زنی بیشتر است .
با این حال بایستی در نظر داشت که در حفاریهای معدنی ، سرعت چال زنی نیست که قطر چال را معین سمی کنند بلکه عوامل متعدد دیگری از قبیل خرد کردن ، لرزش زمین ، پرتاب سنگ ، طرح ایتخراج و مقدار استخراج است که قطر چال معلوم می کنند .

چال زنی ضربه ای بروش D.T.H.
در این روش قسمت ضربه زن چکش حفاری که قبلاً تحت عنوان پیستون از آن یاد میشد ، در ته چال قرار دارد و مستقیماً روی سرمته ضربه می زند . چون در این حالت واسطه ای بین سرمته و ضربه زن وجود ندارد ، مقدار قابل توجهی از وزن رابط های بین ضربه زن و سرمته حذف خواهد شد و در نتیجه اتلاف انرژی کم می گردد و حداکثر انرژی ضربه ای صرف خرد کردن سنگ می شود .
چرخش لوله های رابط وتامین نیروی فشاری پشت و مته و انتقال و انتقال و هوای فشرده از سطح زمین صورت می گیرد . اجزای کار چال زنی D.T.H. طبق شکل (6-21) است .
1- موتور چرخاننده ضربه زن و سرمته که بوسیله آن چرخش سرمته تامین میشود .
2- گیره برای هداست لوله های رابط بداخل چال .
3- موتور تامین نیروی فشار پشت مته .
4- کوپلینگ با عامل اتصال .
5- لوله های رابط برای انتقال چرخش سبه سرمته و تامین هوای فشرده بداخل دستگاه ضربه زن.
6- دستگاه ضربه زن
7- سرمته

با روش D.T.H می توان چالهائی بقطر 80 تا 700 میلیمتر حفر کرد .
موتورهای چال زنی باروش D.T.H. : موتورهای 1،2،3و6 نیاز به انرژی دارند . در دستگاههای کوچک هر سه موتور باهوای فشرده کار می کند . هوای اگزوزاین موتور صرف بیرون کردن خرده سنگها از ته چال می شود. لذا مصرف هوای فشرده در این نوع چال زنی کمتر و از روشهای عادی می باشد . در زمین های گلی یا مربوط برای بیرون راندن خرده ریزه ها از ته چال از آب استفاده می شود .
لوله های رابط : این لوله که در شکل شماره (6-21) با شماره 5 نشان داده شده برای انتقال چرخش به سرمته ، انتقال هوای فشرده با آب و یا هر دو بدستگاه ضربه زن بکار گرفته می شوند . این لوله ها توخالی می باشند و دارای شیارهای نرو ماده در دو انتهای خود هستند و بدون کوپلینگ قابل اتصال بیکدیگرند . طول آنها حدود 3 متر و قطرشان بر حسب قطر سزمته تغییر می کند .

سرمته های D.T.H
چونکه قسمت ضربه زندستگاه داخل چال و پشت سرمته قرار می گیرد چال باید دارای حداقل قطر معین باشد . عموماً چالهای حفر شده بوسیله این متد از 80 میلیمتر به بالا می باشند لذا قظر سرمته ها نیز از این مقدار بیشتر است .
در انتخاب سرمته چند پارامتر اصلی شامل نوع سرمته . قطر قیمت ، سرعت نفوذ در سنگ ، عمر سرمته و هزینه تیر کردن آن را باید در نظر گرفت . سرمته ها بایستی پس از هر چند مدت کار تیز شده و مجدداً استفاده شوند .
چال زنی دورانی
در این حفر چال ، سرمته روی سنگ فشرده شده و چرخش آن سبب خراشیده شدن سنگ می گردد و خرده ریزه های حاصل را با هوای فشرده از چال خارج می کنند .
چال زنی دورانی در معادن بزرگ +روباز که قطر چالها 150 تا 700 میلیمتر رایج می باشد. در ابتدا از این روش برای حفرچال در سنگهای با قدرت سائیدگی کم استفاده می شد اما با تغییراتی که در ساختمان سرمته داده شدهو تحولاتی کهدر جنس آن بکار رفته است در حال حاضر چال زنی دورانی در سنگ های سخت و برای حفر چالهائی بقطر 150 تا 250 میلیمتر کاملاً با چال زنی ضربه ای و D.T.H. رقابت می کند .
چال زنی دورانی مخصوصاً برای سنگهای شکاف دار بکار می رود زیرا سرعت زیاد چرخش سرمته سبب مب شود که امکان گیر افتادن آن کم شود . هوای فشرده از طریق سوراخ وسط میله های مته به سرمته رسیده و علاوه بر خنک کردن سرمته موجب خارج شدن خرده ریزهای حفاری از فیمابین جدار چال و مته می شود . به جای هوای فشرده می توان از آب نیز استفاده کرد تا از ایجاد گرد و خاک جلوگیری شود .
یک دستگاه چال زنی دورانی شامل قسمتهای زیر است :
– دکل حفاری که نگهدارنده میله های حفاری بوده و آنها را به طرف چال هدایت می کند .
– موتور دیزل یا برقی برای حمل و نقل دستگاه ، تامین انرژی قسمتهایی هیدرولیک و کمپرسور دستگاه .
– کمپرسور برای تولید هوای فشرده جهت تغذیه قسمتهای مختلف .
– موتور چرخاننده میله های حفاری که روی دکل نصب می شود .
– کابین کنترل .
سابقاً با این نوع دستگاه فقط می توانستند چالهای قائم با کمی مایل حفر کنند ولی انواع جدید آن قادر است چالهای افقی به طریق دورانی نیز حفر نماید .
عوامل موثر در سرعت چال زنی دورانی
یکی از فاکتورهای مهم چال زنی سرعت آن است که تاثیر عمده ای بر تولید و قیمت تمام شده ماده معدنی می گذارد . عوامل موثر در سرعت چال زنی بشرح زیر می باشند .
– نیروی فشاری پشت مته – سرعت دوران سر مته
– شکل مته – خروج ریزه های حفاری
همانطور که در چال زنی ضربه ای ذکر شد ، در مورد چال زنی دورانی نیز بایستی سعی شود ، ضمن اینکه هر یک از عوامل فوق الذکر به حد اپتیوم خود می رسند هماهنگی بین عوامل فوق نیز حفظ شود .
نیروی فشاری پشت سر مته : بر خلاف چال زنی ضربه ای که در آن نیروی فشاری پشت سر مته فقط وظیفه داشت که تماس لازم بین سر مته و سنگ ته چال را بوجود آورد ، نیروی فشاری در چال زنی دورانی موظف است که سر مته را در سنگ ته چال فرو برد تا در نتیجه چرخش سر مته بتوان سنگ ته چال را تراشید . بدیهی است که با وظیفه جدیدی که نیروی فشاری پشت سر ته در چال زنی دورانی درک دورانی درک کرد ، بایستی ابتدای رابطه این نیرو را با عمق فرو رفتگی سر مته در سنگ و یا کانی مورد بررسی قرار داد شکل (6-26) در محور طولی آن نیروی فشاری پشت سر مته نشان داده شده و هر واحد آن معادل با 20 کیلوگرم می باشد .

اثر نیروی فشار پشت سر مته بر عمق فرو رفتگی آن در سنگ

به ترتیبی که از از شکل بر می آید تا نیروئی معادل 30 کلیلوگرم هیچ نوع فرورفتگی در سنگ بوجود نمی آید . از 30 تا 73 کیلوگرم فرو رفتگی سر مته در سنگ خطی و کوچک بوده و از آن پس با افزایش نیروی فشاری پشت سر مته ، فرورفتگی سآن در سنگ نیز بمیزان قابل ملاحظه ای افزایش می یابد . از آن نیروی فشاری معادل 420 کیلوگر به بعد افزیش فرورفتگی سر مته دیگر قابل ملاحظه نبودهو بتدریج تغییرات آن بحد صفر می رسد . درباره علل واقعیات نشان داده شدهدر شکل فوق بایستی ذکر نمود که برای شرایط آزمایش تنش حاصله از نیروی فشاری تا 30 کیلوگرم موجب تغیر شکل الاستیک سنگ مورد نظر گردیده است و این تغییرات پس از حذف عامل بوجود آورنده آنها در سنگ باقی نمی مانند . تنش حاصله از نیروهای فشاری پشت سرمته بین 30 تا 73 کیلوگرم را میتوان در حد تنش لازم برای تغییر شکل الاستیک – پلاستیک دانست . بنابر این طبیعی است است که شکاف بافیمانده در سنگ ، کوچک و غیر قابل توجه باشد . نیروی فشاری پشت سرمته از 73 کیلوگر به بالا موجب تولید تنشی در سنگ گردیده است که تغییر شکل پلاستیک آن را بدنبال داشته است . لذا عمق شکافهای بافیمانده در سنگ بصورت قابل ملاحظه ای افزایش یافته است . نیروی فشاری بالاتر از 420 کیلوگرم موجب تراکم بیش از حد سنگ گردیده ، بصورتی که نفوذ بیشتر سر مته در آن عملاً ممکن گردیده است .
با توجه به شکل شماره (6-26) می توان نتیجه گرفتکه نیرو فشاری پشت سرمته بایستی بین دو حد مینیمم و ماکزیمم نگاه داشته شود تا بتوان بسرعت چال زنی معقولیدر روش دورانی رسید .
سرعت دوران سرمته : مدت زمان تماس بین سر مته و سنگ ، تاثیر اساسی در سرعت چال زنی دارد بدین ترتیب می توان گفت ، در صورتی که تعداد دورهای سر مته در دقیقه کم باشد ، سرمته مدتی بیش از حد لازمبا یک نقطه از سنگ ته چال تماس داشته و بنابراین سرعت چال پائین خواهد آمد . بالعکس در صورتی که تعداد دورهای سر مته در دقیقه زیاد باشد ، زمان لازم برای انتقال انرژی سنگ ته چال رعایت نشده و بعلت نشده عدم انتقال کامل انرژی، سرعت چال زنی کاهش خواهد یافت . برای سنگ هایسخت سرعت دوران سرمته 60تا 90 دور در دقیقه و برای سنگ های نرم از این مقدار بیشتر است . سرعت چرخش تابع قطر چال نیز می باشد .
شکل سر مته : در چال زنی دورانی انرژی لازم برای تراشیدن سنگ از ممان چرخشی سرمته نتیجه می شود . همانطور همانطور که می دانیم ، ممان چرخشی برابر است با :
M=F.r
M = ممان به کیلوگرم متر
F = نیروی ممان بر مسیر حرکت چرخشی به کیلوگرم
r = فاصله نقطه اثر نیرو تا محور خنثی به متر
بدین ترتیب ملاحظه می شود که انرژیمنتقل شده بهتهچال در محل محورسر مته (r=O) برابر صفر و در محیط سر مته هائی که فرم دمماهی را دارند ،بزرگترین عمل تخریب سنگ در محیط سر مته انجام می شود . اما سر مته هائی که چنین شکلی را دارند ، در محیط خود بزرگترین فرسایش را پیدا نموده و بتدریج فرم B را پیدا می نمایند که سر مته های بشکل دم ماهی ، فشار اپتیموم پشت سرمته را در حالتی اندازه گیری می نمایندکهسر مته نو بوده و بنابراین سطح تماس آن به ته چال حداقل است . اما با فرسایش محیط سر مته ، مرتباً بسطح تماس سرمته و سنگ افزوده سده و در نتیجه فشار پشت سر مته کاهش می یابد و نفوذ سر مته در سنگ کم می شود . بدین لحاظ نبایستی تعجب آور باشد که با کهنه تر شدن سر مته ای فرم دم ماهی را دارد ، سرعت چال زنی خیلی زود کاهش می یابد . یهمین علت امروزهدر چال زنی دورانی عمومی از سرمته های بفرم B استفاده می شود .
سرمته های جدید چال زنی دورانی از سه غلطت مخروطی تشکیل شده اند که این مخروط ها به کمک بلبرینگ بسیار مقاوم به اسکلت سسر مته وصل می باشند . شکل غلطک ها ، سجنس و ساختمان نوک آنهاست که نوع سر مته را مشخص می نماید .
در وسط هر یک از این سر مته های شکافی وجود دارد که حین چال زنی ، مغزه ای ازسنگ را در ته چال باقی می گذارد . این مغزه هر چند گاه یکبار بعلت ارتعاشات سر مته خرده شده و توسط سیال شستسو همراه با سایر خرده دیزه های حفاری از چال خارج می شود .

عمر سرمته:
منحنی های عمر سرمته ها را در چال زنی دورانی نشان میدهد.این منحنی مربوط به سرمته های کربور تنگستن است. روی محور افقی عمر سرمته بر حسب قابلیت حفاری به فوت وروی محور قائم قطر سرمته برده شده است.این منحنی برای سه سنگ با مقاومت فشاری 18000 و25000 و45000 پوند بر اینچ مربع رسم شده است مثلا یک سرمته 10اینچ قادربه حفر 700 فوت چال در سنگی به مقاومت فشاری spi 45000 ویا 1250 فوت چال در سنگی به مقاومت psi 25000 یا 1800 فوت چال در سنگی به مقاومت فشاری psi18000 خواهد بود. ازاین منحنی ها چنین نتیجه گیری می شود که:
– برای یک نوع سنگ هر چه قطر سرمته کمتر باشد عمر آن نیز کمتر است.
– برای چند نوع سنگ هر چه مقاومت سنگ بیشتر است عمر سرمته کمتر است.

عمرسرمته برحسب جنس سنگ وقسرسرمته

محاسبه سرعت چال زنی دورانی
طبق آزمایشهای Bauer , calder که در سال 1996 انجام گرفت رابطه ای بین سرعت نفوذ مته در سنگ (سرعت چال زنی) ومقاومت فشاری سنگ ،وزن سرمته و سرعت دوران بصورت زیر تعیین شده است.

در این فرمول
V سرعت چال زنی بر حسب فوت بر ساعت
S مقاومت فشاری یک محوری سنگ بر حسب 1000 پوند بر اینچ مربع
W وزن سرمته بر حسب 100پوند
قطر سرمته بحسب اینچ
R سرعت چرخش سرمته به دور در دقیقه
در عوامل ذکر شده بالا مقاومت فشاری سنگ در یک معدن قابل کنترل نیست زیرا مقدار آن جابجا در سطح وعمق متغیر می ابشد.
اما انتخاب سایر عوامل مثل سرعت دوران ووزن سرمته در دست حفار است.

تامین نیروی فشاری پشت مته در چال زنی
بطوریکه دیدیم وجودنیروی فشاری پشت مته به مقدار اپتیموم ضروری است تا همیشه سرمته به سنگ تکیه داشته باشد. در حالتی که پرفوراتور سبک است کارگر می تواند آن را با دست در یک حالت ثابت نگکه دارد و نیروی فشاری پشت مته را تامین نماید. اما بعلت خستگی ناشی از وزن و لرزش پرفوراتور عموما راندمان چال زنی به این طریق کمم است. برای تامین نیروی فشاری لازم از دو وسیله می توان استفاده کرد.
-پایه های انفرادی
-بازوهای حفاری در ماشین آلات حفر چال

پایه های انفرادی
این پایه ها تلکسوپی بوده و با هوای فشرده شبیه جک عمل می کنند.چال زنی به کمک این پایه هابه سهولت انجام می گیرد. پرفوراتور را به پایه وصل کرده وآن را بکار می اندازند. برای کنترل نیروی فشاری شیرهای مخصوصی روی پایه نصب شده است. با این شیرها مقدار دهی هوای وارد شده به پایه را تنظیم می نماید
نیروی فشاری اعمال شده به چکش حفاری (پرفوراتور) توسط پایه در اثر هوای فشرده بوجودمی آید. مقدار این نیرو تابع قطر مفید پیستون وفشار هوا می باشد. اگرقطر مفید پیستون d و فشار هوای فشرده P باشد در اینصورت نیروی بوجود آمده در پایه برابر است با:

اگر شیب پایه a وشیب امتداد چکش ومته برابر باشد.
نیروی F1 که در امتداد چکش اعمال می شود برابر است با

نیروی F1 موقعی ماکزیمم است که ماکزیمم باشد یعنی باشد.
در این حالت چکش و پایه در یک امتداد قرار دارند.
در حالتی که چکش بحالت افقی است در این صورت :

برای ازدیاد F1 میتوان یک یا چند تا از عوامل فرمول فوق را تغییر دارد.
-ازدیاد قطر پیستون (d)
-ازدیاد فشار هوا (P)
-ازدیاد Cos a یعنی کم کردن شیب پایه
برای تغییر نیروی F1 می توان به روشی زیر عمل کرد
1-فشار هوای ورودی به پایه را با فشاردادن دکمه ای که در پایه تعبیه شده عوض کرد.
2-شیب پایه را مطابق شکل تغییرداد.

تجزیه نیروی پایه

با تغییر محل پایه میتوان نیروی اعمال شده به چکش را تغییر داد
بازوی حفاری
برای حفر چالهای عمیق و با قطر زیاد نیروی فشاری پشت مته بعلت ازدیاد وزن مته اهمیت خاصی پیدا می کند.
در مورد چالهای قائم و رو به پایین وزن چکش ومته ها به نیروی فشاری کمک می کند ولی در صورت عمیق شدن چال بعلت ازدیاد وزن میله های حفاری کنترل فشار پشت مته لازم است تا بیش از حد معین نگردد.در مورد چالشهای افقی، مایل وقائم سربالا وزن مته وچکش عملا در خلاف جهت نیروی فشاری اثر می کنند. گفتیم بهترین حالت موقعی است که نیروی فشاری و جهت حفر چال در یک امتداد باشد بدین منظور بازوهای مخصوص ساخته شده است که چکش روی آن سوار شده و در امتداد آن بصورت کشوئی بکمک یک چرخ زنجیر حرکت می کند.در این حالت نیروی فشاری پشت مته درست در جهت امتداد مته وحفرچال می باشد. در عمل بازویی کشوئی و پرفوراتور را روی یک شاسی قابل تحرک سوار می کنند و مجموعه دستگاه را با اسامی واگن دریل وجامبو می نامند. واگن دریل برای حفر چال در معادن روباز وجامبو برای حفر چال در معادن زیر زمینی بکار می روند.
انرژی لازم برای جابجایی وحفر چال در این ماشین آلات از هوای فشرده یا برق تامین می شود. برای جلوگیری از ایجاد گرد و خاک هنگام چال زنی واگن دریل ها مجهز به دستگاه گردگیر هستند. دستگاه گردگیر در حقیقت یک پمپ مکنده می باشند که یک سرش در دهانه چال قراردارد و سردیگرش به مخزین برای انباشتن گرد وخاک مربوط می شود.با استفاده از این مخزن علاوه براینکه از ایجاد گرد وخاک جلوگیری می شود ومی توان خرده سنگهای انبار شده را بعنوان نمونه سنگ زیرزمین در نظر گرفت چند نوع واگن دریل وجامبوهای زیرزمینی مشخص است.

آبکشی از چال
قبل از خرج گذاری برای جلوگیری از تاثیر مرطوب بر ماده منفجره بهتر است آب موجود در چال خارج شود. بدین منظور پمپ هایی ساخته شده که با هوای فشرده و یا الکتریسیته کار می کنند. این نوع پمپ ها روی پایه مخصوص با کامیون خرج گذاری قابل سوار کردن و کاربرد می باشد. استفاده از پایه مخصوص بر نصب روی کامیون ترجیح دارد زیرا در وضعیت اخیر قابلیت انعطاف عمل از بین رود مشخصات پمپ ها بر حسب قطر چال ،میزان آب وعمق چال متغیر است ومعمولا می توان پمپ مناسب را از بین پمپ های موجود انتخاب کرد.
این پمپ ها شناورند و با فشار روغنی( نیروی هیدرولیک)کار می کنند وبرای آبدهی 75 تا 1100 لیتر در دقیقه وتا ارتفاع 60متر مناسب اند.برای جلوگیری از نفوذ آب در چال می توان از لوله های پلی اتلین نیز استفاده کرد یکطرف این لوله ها بسته است وبا قطر مناسب هر چال انتخاب و درچال قرار می دهند.در صورت استفاده از لوله عملا بخشی از حجم چال از دست می رود.
بدیهی است که آبکشی از چال زمانی مورد احتیاج خواهد بود که وجود رطوبت موجب لطمه زدن به کیفیت ماده منفجره گردد والا اگر مدت زمان خرج گذاری کوتاه بوده و امکان سالم ماندن ماده منفجره باشد نیازی به عملیات فوق نیست. اما در آتشکاریهای معادن بعلت تعداد چالهای معمولا خرج گذاری بدرازا می کشد وبهتر است که عملیات خشک کردن چال با دقت صورت پذیرد چالهای باریک نمی توان از پمپ استفاده کرد. در مواردی ممکن است با دمیدن هوای فشرده آب موجود در چال را خارج کرد
برای خرج گذاری در چال های آبدار می توان از کیسه های مخصوص نیز استفاده کرد. این بایستی واجد شرایط زیر باشند تا برای خرج گذاری بتوان از آنها استفاده کرد.
– آب در آنها نفوذ نکند
– قابلیت انعطاف داشته باشند تا بخوبی فضای چال را پرکنند
– در مقابل ضربات ناشی از رها شدن در چال پاره نشوند

جنس این کیسه ها پروپلین است مواد منفجره رادر داخل این کیسه ها قرار داده و کیسه در دهانه چال می گذارند. در اثر رها شدن کیسه در داخل چال واصابت آن به کف چال کیسه باد وحتی تا 2 برابر قطر اولیه می رسد.

کیسه برای خرج گذاری در چال مرطوب

مقایسه روش های مختلف چال زنی
روش حفر چا ل
مزایا
معایب
ضربه ای معمولی
تعمیرات راحت
سهولت تنظیم در جمع جهات
ارزان
استفاده بهتر از انرژی
سروصدای زیاد
انحراف چال از مسیر اصلی
عمر کم مته ها
غیرقابل استفاده در چالهای کمتر از 60درجه
D TH
صرفه جویی در هوا
سروصدای کم
کنترل جهت چال زنی
قابل استفاده در سنگهای شکسته
سائیدگی زیاد سرمته
تعمیرات چکش
هیدرولیکی
استفاده بیشتر از انرژی
تنظیم اتوماتیک نیروی فشاری
سروصدای کم
مصرف انرژی کم
گران بودن
تعمیرات زیاد
حرارتی
قابل کاربرد در امور استثنایی
گرانی، دردسترس نبودن
دورانی
حفاری در سنگهای شکسته
مصرف انرژی زیاد

5-6 آرایش چال های انفجاری
آرایش چال های انفجاری وتناژ سنگ در هر چال تابع شرایط زیر می باشد.
1- پهنای پله که در تعیین تعداد ردیف چال ها تاثیر خواهد گذاشت هر چه پهنای پله زیادتر باشد تعداد ردیف چال ها زیادتر وبالعکس خواهد بود.
2- نوع ماشین بارگیری واندازه آن که در تعیین ارتفاع پله و چال های انفجاری موثر خواهد بود.
3- نوع سنگ ،هر چه سنگ سخت تر باشد فواصل چال ها کمتر انتخاب خواهند شد تا انفجار از کیفیت مطلوبتری برخوردار باشد.
4- نوع سیستم حمل وتوانایی ماشین در پذیرش وحمل قطعه سنگ های منفجر شده (ماکزیمم اندازه سنگ ها که اسکرپیر می تواند برداشت وحمل نماید نباید از 24 اینچ بیشتر باشد)
5- پایداری شیب پله ومعدن که دراندازه درپل، فواصل حال و میزان مصرف مواد منفجره در هر چال تاثیر خواهد گذاشت.
6- خصوصیات فیزیکی وشیمیایی مواد منفجره هزینه آن
7- ابعاد فیزیکی عملیات استخراج معدن
ارزیابی وشناخت از پارامترهای فوق الذکر منجر به تعیین آرایش چال ها وتناژ سنگ در هر چال خواهد شد.

5-7 نحوه انتخاب ماشین حفاری
در حال انتخاب ماشین حفاری عوامل چندی مانند سرعت حفاری، راندمان، عمرماشین،قطر چال، عمق چال،جنس سنگ، میزان تولید، مقاومت فشاری سنگ، چگالی دورمته در دقیقه با روی مته به روز بودن ماشین نوع ماشین بارگیری ظرفیت جام خرج ویژه وامکان سرویس به موقع وفراهم بودن قطعات یدکی باید مورد توجه قرار گیرد. اما آنچه که برای طراحان معادن مهم است انتخاب اندازه ماشین حفاری است که به قطر چال هایی که باید حفاری شوند بستگی دارد.درگذشته گفته شد که قطر چال های انفجاری یا قطر مته ماشین حفاری به عوامل متعددی وابسته است که کمتر سعی شده است بین قطر چال وعوامل موثر در آن رابطه یا فرمول ارائه شود.
در اولین سمپوزیوم بین المللی که به منظور نحوه انتخاب ماشین آلات معادن سطحی در کانادا تشکیل گردید مدلی توسط A.Bilgin N.Celebi,A.G.Pasamehmetoglu ارائه شد که می تواند به عنوان الگو در انتخاب قطر چال (قطر ماشین حفاری) مورد استفاده قرار گیرد.
در این مدل باید ارتفاع پله اندازه جام ماشین بارگیری ومیزان خرج مصرفی تعیین شده باشد.سپس براساس پارامترهای فوق قطر چال و ماشین حفاری را انتخاب نمود.

5-8 محاسبه بازدهی ظاهری ماشین حفاری
در بازدهی ظاهری ماشین تنها مدت زمانی که ماشین در تعمیرگاه به منظور تعمیرات اساسی وتعویض قطعات یدکی به سر میبرد در عملکرد ماشین منظور میشود واز رابطه زیر به دست می آید:

که:
R1- بازدهی ظاهری یا تئوری ماشین حفاری
Tt- تعدادروزهای سال که امکان حفاری وجود دارد که ازتفاضل تعداد روزهای تعطیل رسمی در یک سال از 365 به دست می آید.
TM&R – تعداد روزهای از سال که ماشین جهت تعمیرات اساسی وتعویض قطعات یدکی در تعمیرگاه به سر می برد. این مدت معمولا از سوی کارخانه سازنده قابل پیش بینی است و به طور متوسط حدود 60 روز است.

باید توجه داشت که بازدهی ظاهری بیشتر ایده آل وغیرعملی خواهد بود ومعمولا از سوی کارخانه های سازنده ماشین این بازدهی برای ماشین ذکر می شود.

5-9-محاسبه بازدهی واقعی ماشین حفاری
از نظر عملی تنها زمان تعمیر و تعویض قطعات ماشین نیست که مانع از ادامه عملیات حفاری میشود بلکه عوامل دیگری از قبیل شرایط جوی،جابجایی ماشین، تعویض شیفت، وقت نهار،مشکلات تکنیکی وامثالهم نیز در عملکرد وراندمان ماشین موثرند. لذا راندمان واقعی ماشین حفاری غیر از راندمان ظاهری یا تئوری ماشین خواهند بود. این راندمان است که باید در محاسبات وطراحی مورد توجه قرار گیرد. راندمان واقعی از رابطه زیر به دست می آید:

که:
Whps -ساعت کار مفید در یک شیفت
Ta- تعدادروزهای سال که ماشین آماده حفاری است این پارامتر از تفاضل تعداد روزهایی که ماشین جهت تعمیرات اساسی وتعویض قطعات یدکی در تعمیرگاه بسر می برد از تعداد روزهای سال که امکان حفارری وجود دارد به دست می آید.

5-11-محاسبه حداقل تعداد ماشین حفاری مورد نیاز در معدن
حداقل تعدادماشین حفاری مورد نیاز در یک معدن از رابطه زیر به دست می آید:

که در رابطه فوق:
Nd- حداقل تعداد ماشین حفاری مورد نیاز
Ra- بازدهی واقعی ماشین حفاری که نحوه محاسبه آن قبلا نشان داده شده است.

TTT- مجموعه ساعات سال که امکان حفاری وجود دارد و از حاصل ضریب تعداد روزهای سال که می توان حفاری کرد در تعداد ساعت در هر روز که امکان حفاری وجود دارد به دست می آ ید.اگر در روز سه شیفت حفاری صورت گیرد و تعداد روزهای سال که امکان حفاری وجود داشته باشد 350 باشد.مجموعه ساعات سال که امکان حفاری وجوددارد 8400 ساعت خواهد بود(8400=24*350) به دست می آیاد و چنانچه حفاری در یک شیفت صورت گیرد این زمان 2800 ساعت است که از حاصل ضرب (2800=8*350) به دست می آید.
Td- ساعات مورد نیاز حفاری در یک سال جهت دسترسی به تولید سالانه که از رابطه زیر به دست می آید.

که :
– تعداد ساعات مفید در یک شیفت که قبلا نحوه محاسبه آن نشان داده شده است.
– تعداد شیفت های مورد نیاز جهت حفاری به منظور تامین ساعات مورد نیاز حفاری و از رابطه زیر به دست می آید.

که:
-سرعت نفوذ پذیری ماشین حفاری در یک شیفت که معمولا از سوی کارخانه سازنده ماشین حفاری میزان آب برای شرایط نرمال داده خواهد شد.
چنانچه امکان دسترسی به اطلاعات مربوط به سرعت نفوذ پذیری ماشنی حفاری نبود می توان سرعت نفوذ پذیری آرمانی (مورد نظر) را در فرمول منظور نمود.
-متراژ کل حفاری مورد نیاز در سال که از رابطه زیر به دست می آید:

H- ارتفاع چال بر حسب متر که قبلا نحوه محاسبه آن نشان داده شده است
– تعداد چالی که باید در یک سال حفاری شود تا تولید سالانه حاصل شود و ازرابطه زیر به دست می آید.

که :
Ppy-میزان تولید سالانه برحسب تن
m- تناژ سنگی که در یک چال وجود دارد و ازرابطه زیر به دست می آید.

که پارامترهای رابطه قبلا تعریف ونحوه محاسبه نیز نشان داده شده است.
لذا با استفاده از رابطه می توان حداقل تعداد ماشین حافری مورد نیاز را برای یک معدن محاسبه نمود.
با توجه به تولید سالانه از طبقات نرم (m1) تعدادچال هایی که باید در این مناطق حفاری شوند برابرند با:

تعداد چال هایی که باید در طبقات نرم حفاری شوند.
متراژ حفاری سالانه در طبقات نرم از رابطه زیربه دست می آید:

تعداد شیفت مورد نیاز در سال جهت حفاری از رابطه زیر به دست می آید:

جهت محاسبه ساعات کار مفید در شیفت می توان از رابطه زیر استفاده نمود:

تعداد ساعات حفاری در طبقات نرم از رابطه زیر حاصل خواهد شد:

با توجه به محاسبات انجام شده کل ساعات مورد نیاز جهت حفاری طبقات مختلف به منظور استخراج 30میلیون تن سنگ درسال برابر است با:

جهت محاسبه تعداد ماشین حفاری مورد نیاز در یک معدن میتوان ازرابطه زیر استفاده نمود.

5-12 -محاسبه هزینه حفاری
در محاسبات مربوط به هزینه حفاری دونوع هزینه باید محاسبه شود
1-هزینه مستقیم
2-هزینه غیرمستقیم
هزینه های مستقیم مستقیما در ارتباط با ماشین حفاری است.در حالی که هزینه هیا غیرمستقیم شامل هزینه های بالاسری است.

الف-هزینه استهلاک ماشین حفاری از رابطه زیر قابل محاسبه است:

هزینه استهلاک بر حسب ریال درساعت
– هزینه تعمیر ماشین بر حسب ریال در ساعت
3-متوسط سرمایه گذاری سالانه از رابطه زیر بدست می آید:

که:
AAI- متوسط سرمایه گذاری سالانه بر حسب ریال
IC- کل قیمت اولیه تمام شده ماشین
N- عمر ماشین برحسب سال

6-14 -آرایش چال های انفجاری در معادن روباز
در معادن سطحی چال های انفجاری با آرایش مختلف حفاری وانفجار می شوند.رایج ترین آنها مربعی است ومربع مستطیل است که در آ ایش مربعی فواصل چال ها با یکدیگر برابرند (s=B)

آرایش چال ها به گونه مربعی مستطیلی ومربعی

در آرایش مربع مستطیل فاصله طولی چال ها زیادتراز فاصله ردیف چال ها است (S بزرگتری از B است) آرایش چال ها ممکن است مربع یا مربع مستطیل باشداما یک ردیف در میان در بین فواصل چال ها، چال اضافی حفر خواهند شد. لذا آرایش چال ها از شکل هندسی خاص برخوردار نیستندکه بدان آرایش نامنظم می گویند

آرایش چال ها به گونه ای که یک ریدف در میان در فواصل چال ها چال اضافی حفر شده است

در معادن سطحی معمولا سنگ های منفجر شده در اثر فشار وانرژی که به آنها وارد می شود از جای خود کنده شده و به سمتی که باز دارای فضای کافی وکمترین مقاومت است حرکت می کنند این مسیر یا در قسمت جلویی عملیات است یا به طور قائم وبه سمت دهانه چال وهوا می باشند. در مورد این که چگونه می توان از پرتاب وجهش بسیار شدید سنگکهای منفجر شده به هوا جلوگیری به عمل آورد در بخش های گذشته بحث شده است بعضا شرایط توپوگرافی موقعیت جغرافیایی و حساسیت محیط اطراف زون های اصلی انفجاری موجب می شود که چال های حفاری به شیوه خاصی منفجر شوند وسنگهای منفجر شده به محدوده از پیش تعیین شده ای منتقل داده شوند.در ذیل به تعدادی از این طرح ها اشاره می شود.

آرایش v گونه
انفجار چال ها با آرایش v گونه باری کلیه سنگ ها قابل اجرا است. این شیوه هم برای چال های با آرایش مربع وهم برای آرایش مربع مستطیل می تواند مورد استفاده قرار گیرد. در آرایش V گونه از چاشنی های تاخیری میلی ثانیه MS استفاده می شود. زاویه مسیر حرکت خرده های انفجاری نسبت به سطح آزاد 45 درجه است. لذا در آرایش چال های مربعی(آرایش چال های حفاری) که فواصل چال ها یکسان می باشند.
مثلا 10متر (متر 10=B=S) آرایش انفجاری چال ها مربع مستطیل ومقدرا S برابر 14/14 متر ومقدار B مساوی 07/7 می شوند .به

آ‍رایش چال های انفجاری V مانند که برای کلیه سنگ ها وآرایش های مربعی ومستطیلی حفاری مورد استفاده قرار می گیرند

عبارت دیگر فاصله بوردن نصف فاصله دو چال می گردد. این فواصل را که نسبت به مسیر حرکت خرده های انفجاری محاسبه می شود فواصل موثر یا واقعی می گویند.
در آرایش انفجاری V گونه به منظور تعیین زاویه مسیر حرکت خرده های انفجاری نسبت به سطح آزاد می توان از رابطه زیر استفاده نمود.

که :
a- زاویه مسیر حرکت خرده های انفجاری
b- بوردن با فاصله بین دو ردیف
s-فاصله بین دو چال در ردیف چال ها
به منظور تعیین بوردن وفاصله موثر چال ها خواهیم داشت.

که:
Se- فاصله موثر بین چال ها در هر ردیف از آرایش انفجاری
Be- بوردن موثر
با توجه به شرایط موجود در شکل مقادیر موثر بوردن وفاصله دو چال در هر ردیف برابرند با:

زاویه مسیر حرکت خرده های انفجاری
فاصله موثر دو چال در هر ردیف انفجار -متر

چنانچه آرایش چال های حفاری مربع مستطیل باشند به گونه ای که متر S=12 ,B=8 باشند مقادیر Be,Se برابرند با:

آرایش انفجاری V-MS با گوشه های مربعی را نشان میدهد.

آرایش حفاری چال ها و آرایش انفجاری چال ها به گونه V وعلامت فلش جهت حرکت خرده های انفجاری

آرایش V-MS با گوشه های شیبدار نشان میدهد
الف) آرایش حفاری چال ها
ب) آرایش انفجاری چال ها به روش V وعلامت فلش مسیرحرکت خرده های انفجار

آرایش V گونه با تاخیره های میلی ثانیه غالبا برای چال های با قطر بین تا 5 اینچ وعمق تا 60فوت18متر به کار برده می شود. در انفجار چال های حفاری به گونه ای نباشند که فواصل موثر B,S از حد متعارف خارج باشند. آرایش انفجاری V-MS را با گوشه ای مربعی وانفجاری V-MS را با گوشه های شیبدار نشان میدهد.

انفجار چال ها به روش اچیلونی باگوشه های مربعی را نشان می دهد
الف)آرایش حفاری چال ها
ب)آرایش انفجاری به شیوه اچیلون وعلامت فلش مسیر حرکت خرده های انفجاری

آرایش انفجاری اچیلون با چاشنی های تاخیری
هنگامی که محدوده انفجاری دارای دو سطح آزاد مشرف به یکدیگرند با روش اچیلون منفجر می گردن آرایش انفجاری به روش اچیلون این امکان را به وجود خواهد آورد که سنگ های منفجر گردیده و دو سطح آزاد منتقل شوند واز تراکم آنها در یک سطح آزاد جلوگیری به عمل می آید. دو شیوه از انفجار چال ها به روش اچیلون را نشان می دهد. آرایش انفجاری اچیلونی با گوشه های مربعی آرایش انفجاری اچیلونی با گوشه های شیبدار را نشان می دهند.
انفجاری اچیلونی به سبکی که در نشان داده شده غالبا برای پله های کم ارتفاع وقتی که نسبت بین ارتفاع پله و بوردن نزدیک به یک باشد
به کار برده می شود. این روش همچنین برای سنگ های متراکم وتوده ای نیز کاربرد دارد.

آرایش انفجاری کانالی با چاشنی های تاخیری
چنانچه در معادن روباز در قسمت جلویی محدوده انفجار به اندازه کافی فضا وجود نداشته باشد یا محدودیت در انتقال خرده های انفجاری وجود داشته باشدکه ازآرایش انفجاری v گونه یا اچیلون استفاده شود.در این شرایط می توان چال ها را با آرایش کانالی منفجر نمود.

1