حفاری سنگ چیست؟ بررسی دستگاه و روش های حفاری سنگ

در یک تعریف کلی، می توان گفت حفاری سنگ، به معنای نفوذ و ایجاد حفره در سنگ می باشد. این نفوذ، در اغلب موارد به منظور خرد نمودن سنگ صورت می پذیرد. در یک تعریف جامع تر، صرف نظر از نوع تکنیک و منبع انرژی جهت انجام فرایند، مجموع عملیاتی را که به حفر چال در سنگ منجر می شود، حفاری سنگ و نفوذپذیری در آن می نامند.
امروزه حفاری سنگ و بهره برداری از انواع مختلف سنگ ها توسعه یافته و دچار تحولات عظیمی گردیده است. از مهم ترین عواملی که موجب این افزایش گردیده، می توان به پیشرفت در تکنولوژی، توسعه روش ها و متدهای حفاری، پیشرفت در زمینه بررسی و اکتشاف به دلیل مطالعات بر روی منشاء و نحوه تشکیل ذخایر مختلف اشاره کرد.

مطلب پیشنهادی: حفاری چیست و چه روشهایی دارد؟

مطابق با آنچه گفته شد، حفاری سنگ دارای تاریخچه ای طولانی می باشد. در این مقاله در رابطه با تاریخچه حفاری سنگ، روش ها و تکنیک های حفاری سنگ، پیشرفت های حاصل شده در این زمینه، معیارها و مشخصه های حفاری سنگ، بیان رابطه بین جنس و نوع سنگ با سیستم حفاری و … مطالبی را ارائه خواهیم نمود.

حفاری سنگ دارای تاریخچه ای بسیار طولانی و مبهم می باشد. به طور کلی از گذشته های دور، ملت های متمدن جهت دستیابی به آب و برخی ساختارهای کریستالی با ارزش، فرایند حفاری سنگ را به انجام می رساندند. در طی دهه های قبل، سیستم حفاری سنگ به صورت دستی جهت حفر چال به منظور احداث تونل، حفاری معدن و … انجام می شده است. پس از گذشت مدت زمان اندکی و با افزایش نیازهای انسان برای حفر چاه ها و گودال های عمیق در سطح زمین، تکنیک دیگری از حفاری دستی، که حفاری به روش کابلی نامیده می شد، رایج و متداول گردید. در این روش، از یک مته با طول بیشتر استفاده می شد و یک کابل از جنس فولاد جهت ایجاد ضربه به کار برده می شد.
معدنکاران مجارستانی و آلمانی به کمک کابل های بزرگ و با استفاده از چکش هایی که حدود 2 اینچ قطر و حدود 40 اینچ طول داشتند، عملیات حفاری سنگ را انجام می دادند. سپس حفره های ایجاد شده را با حدود 16 گرم پودر و مواد اشتعال زا پر می کردند و آن را منفجر می کردند . از آن زمان تا کنون، تکنیک انفجار به منظور حفاری و شکستن سنگ در همه نقاط جهان رایج گردید.

بهره گیری از این تکنیک، موجب گسترش فناوری و پیشرفت در حوزه بهره برداری از معادن گردید. در تکنیک جدید، برای حفاری سنگ، خدمه ای متشکل از پنج نفر فعالیت داشتند. یکی از آن ها، میله را نگه می داشت و می چرخاند، سه مرد دیگر با پتک های سنگین به نوبت به میله ضربه می زدند و نفر آخر بر این روند نظارت داشت تا فرایند حفر به درستی انجام گیرد.
در حالی که نوآوری هایی از قبیل انفجار به کمک پودر اشتعال و حفاری دستی کابلی، تغییر عمده ای در عملیات حفاری سنگ به وجود آورده بود، تکنولوژی جدید حفاری در سال 1683 توسط هنینگ هاتمن ارائه گردید. او سیستم حفاری جدیدی را پیشنهاد کرد که از گرانش زمین برای حفاری سنگ استفاده می کرد. در این روش، مته فقط برای ایجاد حفره های عمودی مانند حفاری در معادن روباز مورد استفاده قرار می گرفت.

در شروع حفاری، مته به سنگ برخورد می کرد و سپس دو نفر از پرسنل، وزنه سنگینی را که روی یک کابل در جای خود نگه داشته شده بود، برمی‌داشتند، آن را بلند می‌کردند و روی میله می ‌انداختند. گفته شده در این روش، تنها 10 ضربه برای مته در عمق 1.5 اینچی مورد نیاز بوده است و به راحتی می توان دریافت که فرایند حفاری در این روش تا چه حد کند و طاقت فرسا بوده است.

استفاده از مته های حفاری، کمک شایان توجهی را به فرایند حفاری سنگ نمود. مکانیزم مته هایی که در این فرایند به کار می رفت، به صورت انداختن وزنه بر روی میله فولادی بود که چرخش آن موجب پیشروی مته می گردید. این مکانیزم مشابه با روش حفاری ضربه ای است که امروزه هم مورد استفاده قرار می گیرد. اما انجام این کار هم از سختی های زیادی برخوردار بود؛ چرا که فرد می بایست وزنه سنگین را بلند کرده و آن را رها می کرد. علاوه بر آن، این مته ها با مته های امروزی تفاوت هایی داشتند و در حفاری و شکستن سنگ، کند و ناکارآمد بودند. در روند حفاری، از آب و هوا برای شست و شو استفاده نمی شد و تمام عملیات، متکی به ضربات کوبنده بود. در دهه 1749، معدنکاران مجارستانی، رویکرد جدیدی را اتخاذ کردند؛ با این وجود نتوانستند مشکلات مربوط به برش مته را حل کنند.

تحقیقات آن ها نشان داد که ترکیبی از تعداد ضربات و وزنی که روی مته اعمال می‌شود، هر دو به سرعت حفاری سنگ کمک می‌کنند. این آزمایش در سراسر جهان موسوم به وزن ایده آل برای سیستم حفاری، در حال انجام بود. در سال 1840، روش جدیدی برای حفاری سنگ ابداع گردید. این روش، سیستم حفاری چرخشی نام داشت. مکانیزم این سیستم،بسیار ساده بود و بدین صورت بود که فرد با دست، مته فولادی را می چرخاند و به آرامی سوراخی را در سنگ ایجاد می کرد. این سیستم در ابتدا، فقط برای حفاری زغال سنگ و سنگ های نرم مورد استفاده قرار می گرفت، زیرا فشار و سرعت چرخش برای نفوذ در سنگ سخت، به اندازه کافی نبود.

با گذشت زمان و در دهه 1844، اولین مته ضربه ای مکانیزه توسط برونتون اختراع گردید که از هوای فشرده جهت اعمال بار ضربه ای به منظور ضربه زدن به مته استفاده می کرد. این اختراع، بعدها توسط Nasmyth توسعه یافت و امروزه استفاده از این نوع مته ها به یک روش آسان برای حفر سوراخ های افقی با هوای فشرده تبدیل شده است. مته های ضربه ای، که امروزه آن ها را تحت عنوان مته های jackleg می شناسیم از این نوع مته ها هستند.

پیشنهاد مرتبط: خدمات حفاری به صورت پیشرفته و مکانیزه را به تیم با سابقه آرمیکو بسپارید!

با توجه به اینکه حفاری سنگ در معادن سطحی، نیازمند ایجاد حفره‌ هایی با قطر بیشتر از 1.25 تا 2.25 اینچ هستند، سیستم حفاری چرخشی توسعه یافته و شروع به پیشرفت نمود. در ابتدا، با پیشرفت این سیستم، قطر سوراخ ها به 4 اینچ، و سپس 6 اینچ تبدیل شد و در طول اعصار، این روند به رشد خود ادامه داد. در همان زمان، اختراع دینامیت باعث حفر سوراخ‌ های عمیق‌تر گردید و همه چیز تغییر کرد و استفاده از مته های چرخشی متداول گردید.
این مته‌ ها می‌توانستند عملیات حفاری سنگ را با قطر بزرگ ‌تری انجام دهند و همچنین قابلیت حمل آسان تری نسبت به مته های اولیه داشتند. این مته ها، با گذشت زمان دچار تغییراتی شدند. این تغییرات، باعث پدیدار گشتن مته های چرخشی مدرن و با قطر بزرگ تر که امروزه در دسترس هستند، شدند.

در ادامه، پاره ای از تحولاتی که در صنعت حفاری سنگ رخ داده است را بررسی می کنیم. در سال های 1810 تا 1820، استفاده از سیستم حفاری چرخشی با بهره گیری از ماشین های بخار، رواج یافت. پس از گذشت حدود یک دهه، بین سال های 1830 تا 1840 سیستم حفاری کابلی به کمک ماشین های بخار در پروژه ها مورد استفاده قرار می گرفت. پس از آن با روی کار آمدن دستگاه های حفاری مجهز به الماس در سال های 1850 تا 1860 راندمان عملیات حفاری به طور چشمگیری افزایش یافت. دیری نپایید که با روی کار آمدن سیستم های مغزه گیری الماسه در دهه 1870، فرایند مغزه گیری از سنگ ها با سهولت بیشتری انجام گرفت.
گفته شده در دهه 1890 استفاده از سیستم های حفاری ضربه ای و چرخشی رواج یافت. پیدایش مته های کربور تنگستن در دهه 1920 نیز از دیگر تحولات ایجاد شده در صنعت حفاری می باشد. سرانجام با روی کار آمدن ماشین های حفاری هیدرولیکی در دهه 1975، پیشرفت قابل توجهی در این زمینه حاصل گردید. امروزه سرعت جابجایی ماشین آلات حفاری به لطف استفاده از زیربندی چرخ زنجیری، بسیار افزایش داشته است.
در ادامه به معرفی روش های مهم و متداول حفاری سنگ اشاره شده که به آن می پردازیم:

از مهم ترین روش های حفاری سنگ، می توان به سه روش اصلی زیر اشاره نمود که دیگر متدها حاصل پیشرفت و اشتقاق این روش ها می باشد:

در این روش که از قدیمی ترین روش های حفاری سنگ می باشد، همان گونه که اشاره شد ضربات ممتد مته به سطح سنگ باعث حفاری و خرد شدن سنگ می گردد. از جمله مهم ترین معایب این روش، سرعت پایین عملیات و نیاز به نیروی زیاد جهت ایجاد ضربه می باشد.

پیشنهاد مطالعه: روش‌هایی مانند روش حفاری داخل چاه، حفاری شوئیدنی و حفاری کوپراد نیز توسط کارشناسان آرمیکو معرفی شده‌اند.

این روش، از متداول ترین روش های حفاری سنگ می باشد که در آن مته به انتهای لوله های حفاری متصل می گردد. سپس به کمک نیروی موتور، نیروی چرخش مته فراهم می گردد و این نیروی دورانی باعث ایجاد حفره در سنگ می گردد.

در این سیستم، از مته های الماسه که دارای درجه سختی بالایی می باشند و با سرعت بالایی می توانند فرایند حفاری سنگ را به سرانجام برسانند استفاده می شود.

بی شک شاخص ها و ویژگی های سنگ تحت عملیات، در عملیات حفاری سنگ موثر می باشد و تعیین کننده نوع سیستم حفاری در طی عملیات خواهد بود. در ادامه به معرفی و بررسی این شاخص ها می پردازیم:

به طور کلی سختی کانی ها با ابزاری مانند ناخن, سوزن برنجی, یک جسم فولادی یا کوارتز در مقیاس موهر قابل سنجش می باشد. لازم به ذکر است، ارزیابی سختی سنگ کار پیچیده و زمانبری می باشد؛ زیرا علاوه بر آنکه به سختی کانی بستگی دارد، به سختی باند های متصل کننده و منشاء آن نیز وابسته است.

همچنین بخوانید: به پیشنهاد ما همچنین در مورد حفاری وایرلاین مطالعه کنید؛ زیرا این روش یکی از بهترین روش‌ها برای مغزه گیری و تعریف سختی سنگ است.

از دیگر معیارهای حفاری سنگ، سفتی آن می باشد. سفتی سنگ به سختی آن بستگی دارد. سفتی سنگ در سنگ های رسوبی به باند متصل کننده کانی ها و در سنگ های آذرین به بافت آن بستگی دارد. این معیار در سنگ های متامورفیک به ساختار سنگ وابسته است.

در یک عملیات حفاری سنگ, سایندگی به ویژگی از سنگ اطلاق می گردد که قادر است سرمته را که معمولا از جنس فولاد کربور تنگستن و یا الماس باشد را از بین ببرد. خاصیت سایندگی به صورت کیفی قابل ارزیابی بوده و به سختی کانی ها وابسته است. این شاخص، شامل شکل دانه ‌ها و کلیواژ سنگ می باشد. در سال های نه چندان دور، که تنها مته های فولادی مورد استفاده قرار می‌گرفتند، عمر این مته ها در سنگ های شامل کوارتز مانند ماسه سنگ در حد چند سانتی ‌متر بوده است. گرچه کوارتز سختی بیشتری نسبت به فولاد دارد، اما شکل ذرات نیز در کاهش عمر مته موثر می باشد.
با گذشت زمان، این مشکل با جایگزین نمودن مته هایی که از جنس کربور تنگستن هستند، برطرف شده است. پر واضح است، خرده سنگ های زاویه ‌دار در مقایسه با خرده سنگ های گرد و بدون زاویه، آسیب های بیشتری به مته وارد می کنند و مانع از آن می‌شوند تا انرژی منتقل شده به مته، سنگ ها را خرد نماید. از طرفی، قطعات ریز و گرد سنگ نیز باعث اصطکاک سر مته و کند شدن روند حفاری می‌ گردند.

سنگ هایی که خاصیت سایندگی زیادی در فرایند حفاری سنگ دارند عبارتند از :

• سنگ های حاوی کوارتز، کوارتزیت، ماسه سنگ
• سنگ های آذرین اسیدی
• سنگ های حاوی سیلیس و سنگ های الیوین دار و برخی از بازالت ها
• سنگ های حاوی گارنت

در فرایند حفاری سنگ، سیستم حفاری ضربه‌ ای در مقایسه با سیستم حفاری چرخشی، حساسیت بیشتری به خاصیت سایندگی دارد.

می توان گفت سرعت حفاری سنگ در سنگ های دانه درشت از سنگ های دانه ریز بیشتر می باشد. در سنگ های آذرین، دانه های درشت نشان دهنده کند بودن روند سرد شدن ماگما است. همچنین در سنگ های رسوبی اندازه و نیز شکل دانه ها بستگی به مسافتی دارد که طی کرده است. دانه ‌هایی که از نظر شکل متفاوت هستند، نشان دهنده ته نشینی سریع ماگما می باشند.

برخی از سنگ ها از قبیل شیل، دارای خاصیتی هستند که به موازات لایه‌ بندی در امتداد کلیواژ مانند اسلیت و شیست به سهولت تفکیک می گردند. عملیات حفاری در این سطوح آسان تر بوده و سریع تر انجام می شود.

می دانیم سنگ ها به سه گروه کلی تقسیم می‌شوند. گروه اول شامل سنگ هایی می باشد که پیش از سرد شدن ماگمای مذاب به وجود می‌آیند. برحسب اینکه ماگما چه وقت و در کجا سرد می‌شود، سه گروه از سنگ های آذرین را خواهیم داشت. گروه اول سنگ های آذرین پلوتونیک می باشند که دانه درشت می باشند. گروه دوم سنگ های آذرین درونی هستند که در آن دانه ‌ها از حیث اندازه متوسط می باشند و سرد شدن ماگما در آن ها در درون زمین صورت گرفته است. گروه سوم سنگ های آذرین بیرونی می باشند که دانه ریز بوده و دارای بافت شیشه‌ای هستند. این نشانه ها بیانگر این است که ماگما در سطح زمین سرد شده است.
گفتنی است از آنجا که سنگ های آذرین از نوع سنگ های سخت‌ هستند و سفتی زیادی هم دارند، سیستم حفاری سنگ در اغلب آن ها سیستم ضربه‌ای بوده و در برخی موارد هم ممکن است به کمک ماشین های چرخشی نیز حفاری انجام پذیرد.

مطالعه آزاد: آیا در مورد آزمایش نفوذ استاندارد چیزی شنیده‌اید؟ به این مقاله برای اطلاعات بیشتر سر بزنید.

قابلیت حفاری سنگ، میزان سختی یا سهولت حفر سازند را بیان می‌کند. قابلیت حفاری هر سنگ می بایست بر اساس ویژگی ‌های آن تعیین گردد. از مهم ترین عواملی که در انتخاب روش حفاری و نوع مته، موثر هستند، می توان به پیش ‌بینی نرخ حفاری و تعیین عمر مته اشاره کرد. در بسیاری از مدل‌ های نرخ نفوذ که ارائه شده است، این پارامترها نادیده گرفته شده و یا کمتر به آن بها داده شده است.
می توان از داده ‌های میدانی جهت تعیین قابلیت حفاری سنگ بهره برد. در این بررسی ها، نرخ نفوذ اندازه ‌گیری شده ناشی از تاثیر همه پارامترهای عملیاتی می باشد. در یک بررسی علمی، تاثیر ویژگی‌ های ژئوفیزیکی، به خصوص مقاومت فشاری محدود شده، بر روی سرعت نفوذ بسیار حائز اهمیت می باشد. با توجه به وابستگی زیاد برخی از این ویژگی ها به یکدیگر، پارامترهای مقاومت فشاری محدود شده، چگالی و … برای تعیین قابلیت حفاری موثر و مفید واقع می شوند.

در این مقاله، در رابطه با تاریخچه حفاری سنگ و انواع مته های حفاری اختراع شده توسط انسان از ابتدا تا کنون مطالبی بیان گردید. همچنین پیشرفت های صورت گرفته در طول تاریخ در این زمینه مورد بررسی قرار گرفت. گرچه حفاری دارای تاریخچه ای دیرینه تر و طولانی تر می باشد اما مهم ترین رویدادهای اساسی و تاثیرگذار در این زمینه، شرح گردید. سیستم های حفاری مدرن امروزی بسیاری از مشکلاتی را که در گذشته با آن ها روبرو بوده ایم، از بین برده و باعث ایجاد یک جهش بزرگ در این زمینه شده است. این سیستم های حفاری که امروزه در صنایع معدنی و ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرد باعث رونق و شکوفایی اقتصادی هر چه تمام تر گردیده است.
از مهم ترین پیشرفت ها در زمینه حفاری سنگ، تولید مته های کارآمد تر می باشد. به طور کلی در یک طبقه بندی اصلی می توان مته ها را در سه گرده جای داد. اولین و رایج ترین آن، سیستم مته چکشی بالایی است. این سیستم، یک سیستم ضربه ای است که شامل یک مته فولادی می باشد. ضربات ممتد و چرخش سریع مته امکان حفاری سریع را فراهم می کند. اندازه معمولی مته چکشی بالا بین 2 تا 4 اینچ است و حداکثر عمق آن حدود 60 فوت می باشد.
سیستم دوم حفاری سنگ، سیستم مته چکشی پایین سوراخ یا DTH است که متد حفاری توسط آن ضربه‌ای می باشد. این سیستم، امکان حفاری گمانه ‌های عمیق‌تری را فراهم می‌ آورد که می‌توانند بیش از 300 فوت در عمق زمین گسترش یابند. این مته‌ها همچنین می‌توانند در گمانه‌ هایی با قطر بیشتر عمل کنند. اندازه مته های معمولی از 3.5 اینچ تا 10 اینچ متغیر است. این سیستم، پیشرفت بزرگی در فناوری ‌های حفاری ضربه‌ای ایجاد کرده است امروزه مته‌های DTH بخش اعظمی از بازار فروش مته‌ های حفاری در سنگ ‌های متوسط تا سخت را به خود اختصاص داده‌اند.
سومین سیستمی که در حال حاضر در بازار ارائه می گردد، مته های چرخشی هستند که مشابه با سیستم های چرخشی اواخر دهه 1800 و اوایل دهه 1900 عمل می کنند. این سیستم ها از یک فشار رو به پایین زیاد استفاده می کنند تا مته را در تماس با سطح سنگ نگه دارند و به آهستگی از توده سنگ جدا کنند و نهایتا گمانه هایی با قطر زیاد حفر نمایند. این مته ها دارای حداقل انحراف گمانه می باشند، زیرا در ساخت آن ها از فولادهای سختی استفاده شده که برای حفاری سنگ رزوه می شوند. در سنگ‌های سخت با قطر زیاد، معمولاً از یک مته سه مخروطی استفاده می‌شود که سرعت حفاری را تا ده برابر افزایش می‌دهد و می‌تواند آن را به قطر 17.5 اینچ برساند.

مطلب پیشنهادی: نیلینگ چیست؟

مطابق با آنچه بیان گردید، اهمیت حفاری سنگ، در فرایند حفاری معدن و استخراج مواد معدنی مشخص می شود. این مواد، زیربنای اقتصاد و صنعت یک کشور را تشکیل می‌دهند. جوامع بشری از آغاز و در طول تاریخ، مطابق با نیازها و شناخت خود، از مواد معدنی گوناگون بهره جسته اند. اکنون بخش مهمی از نیازهای انسان از طریق مواد معدنی با روش ها و تکنیک‌ های مختلف تامین می گردد. به عبارت دیگر این، مواد معدنی هستند که پایه، اساس و زیربنای تمدن ها را تشکیل می‌دهند.

مطالعه بیشتر: آرمیکو همچنین در زمینه‌های استخراج معدن و خرید معدن نیز به شما عزیزان مشاوره می‌دهد.

امروزه در کشورمان ایران، پیشرفت های زیادی در این زمینه صورت گرفته و با طراحی، ساخت و تولید دستگاه ها وتجهیزات پیشرفته و به روز، عملیات حفاری معادن توسعه یافته است. این دستگاه ها قابلیت استفاده در متدهای مختلف حفاری سنگ را دارا می باشند و پاسخگوی تمام نیاز های این بخش از صنعت کشور هستند.

از جمله دستگاه های پیشرفته و پرکاربرد در زمینه حفاری سنگ، می توان به دستگاه های زیر اشاره کرد:

از جمله کاربردی ترین دستگاه های حفاری معدن، دستگاه راسول می باشد. این دستگاه در انواع پروژه های چال زنی، به خصوص حفاری در معادن سنگ های ساختمانی قابل استفاده می باشد.

پیشنهاد ما: آیا در مورد نحوه کار دستگاه حفاری راسول در معادن اطلاعات دارید؟

دستگاه حفاری دریل واگن در ابعاد و انواع مختلف ساخته شده و در متدهای مختلف حفاری سنگ از جمله حفاری ضربه ای مورد استفاده قرار می گیرد.

همانطور که ذکر گردید، یکی از مهم ترین کاربردهای حفاری سنگ، مغزه گیری و نمونه برداری از سنگ مورد نظر می باشد. دستگاه کرگیری این فرایند را به سهولت و در کمترین زمان ممکن به انجام می رساند.