انواع روش های حفاری معدن

به طور کلی روش های حفاری معادن بر اساس شرایط آنها به لحاظ موقعیت روباز یا زیرزمینی بودن آن،شرایط زمین شناسی از قبیل نوع سنگ و سازندها ، انجام مطالعات ژئوتکنیک و بسیاری دیگر از پارامترهای قابل توجه دیگر، متفاوت و منحصر به فرد خواهد بود؛ بنابراین برای تعیین یک روش مناسب جهت حفاری معدن مورد نظر، ابتدا می بایست با سنجش کامل شرایط فیزیکی معدن و موقعیت آن اقدام به انتخاب مناسب ترین روش نمود.

پس از تعیین نوع روش حفاری معدن، مهم ترین اقدام، انتخاب مناسب ترین امکانات، تجهیزات و دستگاه های مورد نیاز جهت سبک حفاری تعیین شده در شروع عملیات است.در این مقاله به بررسی انواع روش های حفاری معادن و معرفی تجهیزات مورد استفاده در هریک از این روش ها خواهیم پرداخت.

انواع روش های حفاری معادن

انواع روش های حفاری معادن براساس نوع پروژه (تحقیقی،مطالعاتی و یا صرفا بهره برداری) و همچنین امکانات وتجهیزات موجود،بسیار متنوع و گسترده خواهد بود. اما بد نیست قبل از پرداختن به روش های حفاری معادن، به صورت اجمالی روش های کلی حفاری را مورد بررسی قرار دهیم.

از جمله روش های حفاری، حفر چاله یا چاهک، چاه، ترانشه و گمانه می باشد. روش های حفر چاله یا چاهک و چاه از روش های سنتی حفاری بوده و به صورت کاملا دستی انجام می شود. در روش ترانشه، با کمک گرفتن از بیل مکانیکی می توان در سطح زمین به حفاری به عمق نهایتا 5متر و عرض 60تا 100سانتی متر پرداخت که این روش کاربرد چندانی نداشته و صرفا برای پروژه های کانال های آبیاری مناسب می باشد.

مهم ترین و پرکاربرد ترین روش حفاری، روش گمانه می باشد که کاربرد های زیادی در صنعت از جمله در حفاری معادن دارد و شامل حفاری مته ای یا اوگری، شستشویی، دورانی یا چرخشی، چکشی و ضربه ای می باشد که در ادامه به تفکیک، به  بررسی هر یک از روش ها در حفاری معادن می پردازیم وپس از آن تجهیزات و دستگاه های مناسب جهت استفاده در هریک از این روش ها را بیان می کنیم.

انواع روش های حفاری معادن

حفاری ضربه ای

حفاری ضربه ای یا Percussive Drilling از قدیمی ترین و تاحدودی متداول ترین روش های حفاری معدن است که  به منظور حفرچاه آب مورد استفاده قرار می گیرد ودر آبرفت ها انجام می شود. در این روش به بیان ساده، یک مته سنگین وزن از سطح زمین بلند شده و به صورت عمودی روی زمین انداخته می شود که باعث شکستن وخردشدن سنگ می گردد. بسته به درجه سختی سنگ، میزان ارتفاع مته از سطح زمین و تعداد ضربه های لازم جهت شکستن سنگ، متغیر خواهد بود. در حین عملیات حفاری، جهت جلوگیری از ریزش، عملیات لوله گذاری در زمین انجام می شود.

این روش بسته به نحوه اتصال مجموعه مته که شامل مته، جارز،روپ ساکت و استیم است در دونوع حفاری ضربه ای پنسیلوانین و کانادین انجام می شود. اگر در دستگاه حفاری مورد استفاده در حفاری ضربه ای، مجموعه مته اتصال مستقیمی با کابل حفاری داشته باشند، حفاری این دستگاه به روش پنسیلوانین انجام خواهد شد و اگر مته در ابتدا به ساقه های سنگین متصل باشد، روش حفاری مورد استفاده، کانادین خواهد بود. در کشور ایران روش کانادین چندان رایج نبوده و اغلب اوقات از روش پنسیلوانین جهت حفاری ضربه ای استفاده می شود.

حال شاید این سوال برای شما به وجود بیاید که ساز و کار مته چگونه است و نیروی لازم جهت حرکت آن چگونه تامین می شود؟در پاسخ به این سوال باید گفت برای این فرایند که باید حرکت رفت وبرگشتی و یا تناوبی توسط مته انجام شود، به یک میل گاردان و یک چرخ لنگر نیاز است که برای تامین  نیروی محرکه ی آن، از یک موتور دیزل استفاده می شود.

در فرایند حفاری ضربه ای، با قطع متناوب عملیات حفر، مواد استخراج شده توسط گل کش بیرون آورده شده و با بسته شدن دریچه آن، مواد حاصل از حفاری به سطح زمین تخلیه می شوند.

در استفاده از این روش برای حفر چاه های بسیار عمیق، حتما باید توجه داشت که چاه به صورت کاملا عمودی باشد تا برای نصب پمپ و عملکرد آن مشکلی به وجود نیاید.

از مزایای این روش جهت حفاری معادن، می توان به اقتصادی بودن آن برای تعبیه گمانه ها تا قطر 60سانتی متر، نمونه گیری بدون استفاده از گل حفاری، قابلیت اندازه گیری تغییرات سطح ایستابی و نمونه گیری در حین عبور از لایه های آب دار اشاره کرد.

حفاری ضربه ای

حفاری چکشی

حفاری چکشی، در حقیقت روشی است که می توان آن را نوع پیشرفته تر روش ضربه ای دانست. روش ضربه ای، به دلیل زمان بر بودن فرایند متناوب بالا وپایین رفتن مته و همچنین در مواردی که سنگ از سختی و مقاومت زیادی برخوردار است، می تواند روشی کند وطاقت فرسا باشد؛ اما روش حفاری چکشی سعی در رفع این مشکلات داشته و با بهره گیری از یک مته چکشی، فرایند حفاری را به طور چشمگیری تسهیل وتسریع می نماید. این روش در بقیه موارد هیچ تفاوتی با روش ضربه ای نداشته و کاملا شبیه به آن می باشد و به دوشکل حفاری داخل چال و خارج چال انجام می پذیرد.

روش حفاری داخل چال، روشی است که در آن چکش در داخل چال قرار گرفته و ضربات چکشی مستقیما به سر مته منتقل میشود. این امر باعث به حداقل رسیدن افت انرژی در آن می شود.این روش کمترین میزان انحراف چال را در میان روش های دیگر دارد و در شرایط نامساعد زمین شناسی می توان بهره برداری مناسبی به کمک این روش داشت.در روش حفاری خارج چال، ضربه زن در خارج از چال قرار می گیرد وباعث انتقال انرژی به سر مته می شود. این روش دارای راندمان نسبتا کم در عملیات حفاری و همچنین انحراف قابل توجه چال می باشد اما در عین حال به دلیل صرفه اقتصادی  و مصرف سوخت پایین در دستگاه، رواج یافته و مورد استفاده قرار می گیرد.

حفاری چکشی

حفاری چرخشی ( Rotary Drilling )

از جمله رایج ترین ومتداول ترین روش های حفاری معادن، روش حفاری چرخشی است که اصطلاحا به آن روش حفاری مته دورانی نیز گفته می شود. در این روش که از سرعت نسبتا بالایی نیز برخوردار است، از تعدادی لوله های توخالی که عمدتا از جنس فولاد وآلومینیوم هستند، استفاده می شود. با اتصال مته به انتهای این لوله ها، گشتاور و نیروی موتور به مته منتقل شده و باعث حرکت آن می شود. حرکت مته، باعث شکستن سنگ می شود. در این روش، برای خارج کردن مواد خرد شده به گل حفاری نیاز داریم.

گل حفاری در حقیقت حاصل ترکیب نوعی رس و آب بوده که به جای آب به گردش در می آید. این ماده چسبندگی ندارد ودر برخی حفاری ها به ویژه حفاری های که به منظور اکتشاف نفت صورت می گیرند، مورد استفاده قرار می گیرد وبا نام های تجاری گوناگونی از جمله بنتونیت و آکوا ژل شناخته می شود.

حفاری چرخشی هیچ محدودیتی در عمق حفاری ندارد. امکان حفر چاه قائم بدون انحراف در آن و همچنین سرعت بالای حفاری از مزایای این روش محسوب می شود و از محدودیت های آن می توان به هزینه نسبتا بالای تجهیزات، مشکلات حمل ونقل تجهیزات به خصوص در مناطق صعب العبور وهمچنین استفاده از گل حفاری اشاره کرد.

حفاری شستشویی

 روش شستشویی یا Wash boring در پروژه هایی که به منظور آزمایش خاک و عملیات مطالعاتی واکتشافی، انجام می شوند، متداول و رایج است. در این روش مته در محل گمانه قرار می گیرد ونیروی لازم جهت حرکت دورانی، توسط سیستم هیدرولیک دستگاه مورد استفاده در این نوع حفاری، تامین می شود.سرمته با پیشروی و خرد کردن سنگ، عملیات حفاری را انجام می دهد. لازم به ذکر است در این روش نیز از گل حفاری جهت خروج مواد خردشده از گمانه، استفاده می شود. در این روش به دلیل استفاده از آب  وگل حفاری، نمونه های استخراج شده دستخوش تغییر می شوند و همچنین تراز آب زیرزمینی هم قابل تشخیص نخواهد بود.

حفاری مته ای(اوگری)

حفاری مته ای یا اوگری روشی است که با توجه به نوع مته دستگاه به سه حالت اوگر مارپیچی ممتد،اوگر میان تهی و اوگرهای با قطر زیاد انجام می شود. اوگر مارپیچی ممتد با حفر سوراخ هایی با قطر کم ویا متوسط، عملیات نمونه برداری را در خاک های مقاوم وسنگ های نسبتا نرم با سرعت بالایی و به صورت دست نخورده انجام می دهد. در روش اوگر مارپیچی، اوگر به صورت ممتد و مارپیچی می چرخد و عملیات حفر را انجام می دهد. این روش مناسب برای مکان هایی است که چاه بدون عملیات لوله گذاری دچار ریزش نمی شود. این روش جهت نمونه گیریSPTپیشنهاد می شود.

سازوکار اوگر میان تهی نیز مشابه با اوگر مارپیچی ممتد بوده وتنها تفاوت آن، این است که در این روش ساقه مجوف به داخل زمین پیچانده شده و نقش یک لوله جدا را خواهد داشت.

در روش استفاده از اوگر هایی با قطر زیاد می توان با سرعت بالا به نمونه هایی به صورت دست خورده رسید. حداکثر قطر اوگر 10سانتی متر بوده وعمق حفاری به کمک این روش به شرایط سنگ و سطح ایستابی بستگی خواهد داشت.

حفاری مته ای

عملیات مغزه گیری

مغزه گیری یا هسته گیری یا همان کرگیری، نوعی نمونه برداریست که در آن از ماشین های چرخشی استفاده می شود و به کمک آن نمونه هایی استوانه ای شکل در ابعاد مختلف تهیه شده و جهت مطالعه وتحقیق روی نمونه های به دست آمده وپروژه های اکتشافی استفاده می شود. این روش برای مناطق کم عمق مناسب بوده و برای مناطق عمیق می توان از نمونه برداری پودری استفاده کرد که درآن چکش هوا به کمک هوا حرکت رفت وبرگشتی انجام داده وکمپرسور دستگاه، قطعه را در مقابل مته خشک می نماید.

مته هایی که در روش مغزه گیری مورد استفاده قرار می گیرند، دارای دهانه باز می باشند و سنگ را به صورت گرد برش می دهند. نمونه های به دست آمده از این روش، سیلندری شکل بوده وبه آنها اصطلاحا مغزه یا کر گفته می شود.

هدف از مغزه گیری دستیابی به اطلاعات مهم مخزن از قبیل میزان نفوذپذیری، پی بردن به شکستگی های طبیعی، میزان بهره دهی از مخزن، تخلخل و تراوایی سنگ مخزن، تجزیه وتحلیل سنگ مخزن وپی بردن به وجود آثار نفت وگاز می باشد.

عملیات مغزه گیری

حفاری معادن به روش مغزه گیری به دو طریق انجام می شود که در ادامه به بررسی هر کدام می پردازیم.

الف) سیستم متریک

سیستم معمولی مغزه گیری یا همان سیستم متریک، روشی است که در آن توسط کربارل دوبل و یا سینگل نمونه گیری انجام می شود. جنس مته ها می تواند الماس و یا فولادی باشد و نوع سرمته را می توان بر حسب قطر حفاری و سنگ مورد نظر، تغییر داد. به دلیل صرفه اقتصادی، معمولا مته های الماسی برای قطر کمتر از 3اینچ مورد استفاده قرار می گیرند ومته هایی با قطرهای بیشتر از  3اینچ از جنس دیگری غیر از الماس ساخته می شوند. قطر رایج حفاری در سیستم حفاری به روش متریک،86 میلی متر می باشد.

در سیستم متریک، سیال از فضای بین دیواره داخلی لوله و دیواره خارجی لوله عبور می کند و پس از گذشتن از منافذ سر مته، مواد خرد شده را از فضای میان لوله بیرونی دیواره چاه به بیرون منتقل می کند. در این روش از حفاری معادن ، پس از پر شدن لوله داخلی، تمامی لوازم درون چاهی باید از گمانه خارج شود وبرای هر بار خارج نمودن نمونه باید تمام رادهای حفاری را از هم جدا کرده و مجددا آنها را به هم متصل نمود.

این امر موجب اتلاف 75% از بازه زمانی که جهت عملیات حفاری در نظر گرفته شده، می شود وهمچنین راندمان وسرعت عمل پایینی را به همراه داشته و می تواند موجب افزایش هزینه های اقتصادی در حفاری شود.

سیستم وایرلاین

ب) سیستم وایرلاین

سیستم وایرلاین یا اصطلاحا سیستم سیم بکسلی، نوعی روش مغزه گیری است که در آن لوله درونی یا همان تیوپ درونی دارای قابلیت جداشدن است و به کمک سیم بکسلی که درون لوله حفاری قرار دارد، به سطح زمین منتقل می شود. درحقیقت هنگام خروج مغزه از تیوپ درونی، تیوپ درونی دیگری به داخل رشته حفاری درون چاه منتقل شده وعملیات حفاری بی وقفه ادامه می یابد. از مزایای این روش که باعث شده به سرعت جایگزین روش مغزه گیری معمولی شود، می توان به اتلاف وقت کمتر در مقایسه با روش متریک اشاره کرد. مته های الماسی که در روش وایرلاین مورد استفاده قرار می گیرند، عموما دارای قطر کمتری نسبت به مته های به کار برده شده در روش متریک هستند.

طول نمونه هایی که از روش وایرلاین تهیه می شود حدودا بین 3 تا6 متر است و قطر آنها بین 27تا 85 میلی متر بسته به نوع عملیات متغیر می باشد.

حال که به شرح انواع روش های مورد استفاده در حفاری معادن پرداختیم، لازم است دستگاه های مورد استفاده در هر یک از روش های ذکر شده را به تفکیک بیان کنیم.

دستگاه حفاری دریل واگن

دستگاه حفاری دریل واگن، در روش حفاری ضربه ای مورد استفاده قرار می گیرد که در ابتدای مقاله به آن اشاره شد. ساز وکار این دستگاه به این صورت می باشد که در آن چالزن به وسیله تسمه هایی به دکل متصل می شود و برروی دکل بالا و پایین می رود. این مجموعه بر روی  دو نوع زیربندی که شامل چرخ شنی و چرخ لاستیکی می باشد سوار می شوند.

دستگاه دریل واگن می تواند در زوایای متفاوتی، چال حفاری کند که در مقایسه با چکش های حفاری در شرایط یکسان، عملکرد بهتری خواهد داشت. نیروی این دستگاه توسط موتورهای هیدرولیکی تامین می شود.

 هم اکنون این دستگاه توسط شرکت آرمیکو با بهره گیری از دانش روز دنیا وبه کمک پیشرفته ترین تجهیزات در زمینه حفاری معادن، در کشورمان طراحی؛ تولید وارائه می گردد. این شرکت اقدام به تولید انواع دستگاه دریل واگن با عملکرد های متفاوت نموده و بر حسب نوع عملیات و درخواست مشتری، می تواند دستگاه را با قابلیت های منحصر به فردی، طراحی و ارائه نماید.همچنین از انواع دستگاه دریل واگن می توان به دریل واگن نیلینگ(میخ کوبی در خاک)، عمود زن، انکراژ، و… اشاره کرد. تنوع در این دستگاه بسیار بالا بوده و نحوه کار سیستم حفاری در آن با توجه به نوع عملیات, می تواند چکش بالا(بیرون گمانه)، چکش ته چال(انتهای گمانه)، ترکیبی از هردو و همچنین حفاری چرخشی می باشد.

دستگاه حفاری دریل واگن

دستگاه حفاری راسول

دستگاه حفاری راسول در انواع حفاری های عمودی و افقی با کمترین میزان خطا مورد استفاده قرار گرفته و قابلیت نصب رادهای حفاری مختلف و انواع چکش های حفاری را دارا می باشد. به کمک این دستگاه می توان تا عمق 20 متری حفاری انجام داد و همچنین امکان حفاری از قطر 76میلی متر تا6اینچ وجود دارد. از مزایای این دستگاه می توان به نسبتا کوچک وسبک بودن دستگاه اشاره کرد که حمل ونقل آن را به مناطق مختلف، میسر وآسان می سازد. سهولت در راه اندازی و استفاده از این دستگاه موجب شده تا در انواع عملیات حفاری مورد استفاده قرار گیرد.

 انواع دستگاه راسول که شامل دستگاه راسول هیدرولیک برقی، راسول هیدرولیک دیزلی و راسول فول پنوماتیک می باشد، توسط شرکت آرمیکو طراحی، تولید و ارائه میگردند که به ترتیب به کمک نیروی برق وباد، دیزل وباد و باد کار می کنند و می توان از آنها بهره برد.

دستگاه حفاری راسول

دستگاه حفاری سبک ارس

دستگاه حفاری سبک ارس به منظور حفاری پودری و چال زنی عمودی مورد استفاده قرار می گیرد. همانطور که گفته شد عملیات نمونه برداری در حفاری معادن، به دوصورت پودری و مغزه گیری انجام می شود. این دستگاه با قابلیت های مونتاژ در کمترین زمان، راندمان بالا، قابلیت تنظیم انواع ولتاژهای خروجی و سهولت در استفاده به خصوص در مناطق صعب العبور به دلیل وزن کم دستگاه، در عملیات حفاری معادن بسیار مورد توجه قرار گرفته و پرکاربرد می باشد. به کمک این دستگاه می توان عملیات حفاری را تا عمق 40 متر انجام داد وهمچنین، قطر حفاری صورت گرفته به کمک این دستگاه بین 76 تا 90 میلی متر می باشد.

این دستگاه از بخش های مختلفی از قبیل مجموعه زیربندی اسکی دار، مجموعه دکل حفاری، مجموعه کنترل پنل، مجموعه روتیشن یا دوران، مجموعه پاوریونیت و مجموعه مکانیزم پیشروی تشکیل شده است.انواع این دستگاه براساس حداکثر عمق حفاری شامل دستگاه سبک ارس 400،300،200،100 و500 بوده وقدرت موتور آن برحسب نوع آن، بین 8تا36 اسب بخار متغیر می باشد که توسط شرکت آرمیکو طراحی و تولید می می گردد.

دستگاه حفاری سبک ارس

دستگاه حفاری کرگیری

دستگاه حفاری کرگیری به منظور تهیه نمونه به روش مغزه گیری در حفاری معادن مورد استفاده قرار می گیرد که پیش تر درباره این روش توضیحاتی را ارائه نمودیم. این دستگاه که عملیات مغزه گیری در حفاری را به صورت استوانه ای  میسر می سازد، در هردو روش متریک و وایر لاین قابل استفاده می باشد که شامل قسمت های مختلفی از جمله قسمت های زیربندی در دونوع چرخ دار و اسکی دار، مجموعه کنترل پنل، مجموعه دکل حفاری، روتیشن، تزریق آب، پاوریونیت ومکانیزم پیشروی است.

قطر حفاری صورت گرفته به کمک  استفاده از این دستگاه، 76میلی متر بوده و بر اساس نوع آن که شامل کرل25،کرل 50و کرل 100می باشد، می توان تا عمق 100متر را حفاری نمود. قدرت موتور دستگاه، براساس نوع آن از 23تا 48 اسب بخار متغیر بوده و توسط شرکت آرمیکو تولید وارائه میگردد.

دستگاه حفاری کرگیری

به طورکلی به منظور انجام حفاری مناسب با روش های درست و اصولی، فاکتورهایی را باید مدنظر قرار داد که به اختصار به شرح آنها می پردازیم.

بررسی ابعاد حفاری و موقعیت لایه بندی های زمین و اطمینان از حصول نتیجه مطلوب در عملیات حفاری، انتخاب روش و سیستم حفاری متناسب با شرایط، بهره گیری از بهترین تجهیزات و دستگاه های مرتبط با سیستم حفاری مدنظر جهت تسریع در عملیات، آماده سازی مواد و لوازم حفاری که در طول عملیات مورد نیاز است؛ همگی از مراحلی هستند که قبل از شروع عملیات حفاری باید به بهترین نحو انجام گیرند.

روش های حفاری