با پیشرفت علم و پیشرفت در ساخت ماشین های حفاری، استفاده وسیع ماشین آلات حفاری به جای عملیات آتشباری برای حفاریات زیرزمینی کاربرد وسیعی پیدا کرده است. در حفاری مکانیزه از ابزار و ماشین آلات برای حفر فضاهای زیر زمینی استفاده می شود و هدف اصلی آن رسیدن به سرعت بالا در احداث و حفر این فضاها می باشد. عملیات حفاری یکی از پرهزینه ترین عملیات اجرای در حفریات زیرزمینی می باشد. از طرفی در انتخاب دستگاه حفاری محدودیت زیادی وجود دارد و یا به بیان دیگر در انتخاب دستگاه حفاری انعطاف پذیری وجود ندارد یعنی در یک پروژه استفاده از چندین ماشین حفاری, به دلیل بحث اقتصادی و هزینه بالایی ماشین آلات حفاری کمتر استفاد می شود. بنابراین باید قبل از انجام عملیات، نوع دستگاه و ماشین آلات حفاری مشخص شده باشد. در انتخاب نوع ماشین حفاری بررسی و کارایی آن، یکی از عوامل بسیار مهم می باشد. در نتیجه بررسی عملکرد و کارایی هریک از ماشین الات حفاری یکی از عوامل بسیار حیاتی در حفریات زیر زمینی می باشد. در این جا بحث در مورد عوامل تعیین کننده در انتخاب نوع دستگاه نمی باشد بلکه عملکرد دستگاه حفاری رودهدر و TBM به طور جداگانه مورد بررسی قرار گرفته شده است
2- عملکرد و کارایی عملیات حفاری:
عوامل مؤثر بر عملکرد عملیات حفاری را به طور کلی میتوان به چهار گروه اصلی تقسیمبندی کرد(شکل 1). این چهار گروه عبارتند از:
- پارامترهای ماده سنگ : مقاومت فشاری و کششی سنگ، درصد سختی و کانیهای ساینده(کوارتز)، نوع بافت و ماتریس سنگ، وجود خواص مکانیکی جهتدار در ترکیب معدنی و رفتار الاستیک مواد سنگی، خواص انرژی سنگ مانند شاخص سفتی، میزان آزاد شدن انرژی بحرانی، .
- پارامترهای توده سنگ : از قبیل درجة درزهداری(RQD)، تعداد درزهها، جهت یافتگی ناپیوستگیها (هر چه زاویة برخورد این ناپیوستگیها با محور تونل به حالت عمود نزدیکتر باشد، حفر تونل آسانتر است)، وضعیت درزهها (درزههای بسته تأثیری بر روی نرخهای نفوذ نمیگذارد ولی درزههای باز خیلی مؤثر هستند، درزههای کششی در دیوارهها نیز که بعضاً جوش خورده هستند تأثیر مثبتی بر افزایش نرخ حفاری دارند)، آب زیرزمینی، نواحی گسله، موقعیت جبههکار پیچیده، طبقهبندی عمومی تودة سنگ و نیازهای نگهداری، تنشهای زمین.
- خصوصیات ماشین : وزن، توان کاج یا کلگی، نیروهای ماشین ، نوع ابزار برنده، تعداد، ترتیب قرارگیری ابزار برنده و ظرفیت سیستم پشتیبانی[1].
- پارامترهای عملیاتی : شکل، اندازه و طول بازکننده، شیب، قوس مسیر، ترتیب حفاری، عملیات تعریض، شماره و تعداد سازندهای سنگی در مسیر تونل، روش نگهداری زمین، برنامة زمانبندی کاری به معنی تعداد شیفتهای کاری در روز و روزهای هفته.
ترکیبی از این پارامترها ظرفیت تولید یک ماشین خاص در یک سازند و شرایط سنگی را مشخص میکند. در میان این پارامترها، چند پارامتر وجود دارد که قابل کنترل نیستند آنها شامل وضعیت زمین و سنگ و برخی پارامترهای عملیاتی هستند. به عبارت دیگر در یک پروژة تونلسازی تنها پارامترهای قابل کنترل، پارامترهای مربوط به ماشین هستند.
همانطور که در شکل 1 می توان مشاهده کرد عوامل بسار زیادی در عملکرد و کارایی ماشین آلات حفاری تاثیر می گذارد در نتیجه نمی تواند کارایی یک ماشین حفاری را به صورت کمی مورد بررسی قرار داد، به همین دلیل تمام نمودار های ارایه شده به صورت کیفی می باشد.
قبل از این که عملکرد هر یک از ماشین آلات حفاری مورد بررسی قرار گیرد باید چندین تعریف را ارائه داد.
میزان یا نرخ برش : حجم سنگ استحصال شده در واحد زمانی را میگویند که بر حسب واحدهای یا نشان داده می شود و گاهی از آن به نام نرخ برش آنی (ICR)[1] یاد میکنند. به عبارت دیگر این میزان برش آنی مقدار برشی است که بدون تأخیر برای هر نوع ماشین بدست میآید در برابر این تعریف یک تعریف دیگر وجود دارد که به آن OCR[2] یا میزان برش عملیاتی میگویند و همة زمانهای تأخیر و افت کار را در نظر میگیرد.
انرژی ویژه[3] : مقدار انرژی استفاده شده برای استحصال واحد حجم سنگ است که با توجه به آن بازدهی و قابلیت برش مشخص میشود. این ویژگی بر حسب یا بیان میشود.
میزان نفوذ : بیشتر برای ماشینهای تمام مقطع است و برابر عمق نفوذ مته به سنگ در یک واحد زمانی میباشد. میزان عمق نفوذ مته را در سنگ را بر حسب یا بیان میشود. و نرخ نفوذ بر حسب یا بیان میشود. در مورد رودهدر ها این مقدار برابر میزان نفوذ سرمته در امتداد مسیر است.
زمان افت : مجموعة زمانهایی است که ماشین کار نمیکند. این زمانها شامل زمان نگهداری دستگاه، زمان نصب، زمان آبکشی، نقشهبرداری و غیره میباشد.
بهرهوری : درصد زمانهایی است که ماشین کار میکند به کل زمان یک شیفت یا یک روز یا زمان کل پروژه است.
میزان تولید : میزان پیشروی بر حسب حجم یا تناژ در محور طولی تونل است و بر حسب یا و یا بیان میشود.
در واقع عملکرد ماشین آلات محاسبه یا اندازهگیری نرخ حفاری[4] یا تولید این دستگاه در واحد زمان میباشد. به عبارت دیگر خارج قسمت حجم حفاری شده بر زمان حفاری که بر حسب واحدهای یا بیان میشود.
اگر در هنگام محاسبة نرخ حفاری، زمانهای توقف محاسبه نگردد آن را به صورت نرخ حفاری آنی تعریف میکنند. به عبارت دیگر نرخ حفاری آنی مقدار حفاری است که بدون تأخیر برای هر نوع ماشین بدست میآید. از طرف دیگر، در یک شرایط عمومی عملیاتی، زمان حفاری مترادف با میزان بهرهدهی[5] است که تمام زمانهای توقف را در نظر میگیرد و زمان واقعی عملیات حفاری را مشخص کرده و نرخ حفاری عملیاتی از روی آن بدست میآید. در عملکرد علاوه بر محاسبة نرخ تولید، میزان مصرف ابزار برنده را نیز مد نظر قرار میدهند زیرا یکی از مهمترین پارامترهایی است که از نظر اقتصادی اهمیت دارد. در زمان امکان سنجی روشهای حفاری مکانیزه، سؤالات اساسی زیر مطرح میشوند:
- آیا این ماشین قادر به حفر سنگ است؟
- اگر اینگونه است، چطور میتوان به حفاری سریعتری دست یافت؟
- هزینة ثابت ماندن این عملکرد چه مقدار است؟
مطمئناً پاسخ به این سؤالات به یک روش قابل اعتماد برای پیشبینی عملکرد حفاری نیاز دارد. برای پاسخ به این سؤالات عملکرد ماشین را باید از دو جنبه یکی از نقطه نظر نرخ حفاری یا نفوذ و دیگری از جنبة عملکرد و قابلیت اعتماد به سیستم مخصوصاً با توجه به بهرهدهی ماشین، ارزیابی کرد.
پیشبینی نرخ حفاری به اطلاعاتی دربارة خواص مواد سنگی، خواص توده سنگ و خصوصیات ماشین نیاز دارد. برای برقراری ارتباط بین این سه دسته اطلاعات، باید از مدلهای رفتاری متقابل بین سنگ و ماشین استفاده کرد که نتایج این رفتار در تخمین عملکرد ماشین مؤثر خواهد بود. بطور کلی مدلهای پیشبینی عملکرد را میتوان به دو گروه کلی تقسیم کرد.
1 مدلهای تئوری
اساس این مدلها، نیروهای وارد بر ابزار برنده و یا کار انجام شده برای حفر یک واحد حجمی سنگ (انرژی ویژه) است.
خصوصیات این مدلها را میتوان به صورت زیر بیان کرد :
- اساس آنها تعادل نیرو یا انرژی است .
- در حالت شکست هر دو تنش کششی و برشی را در نظر میگیرند .
- در این مدلها معمولاً مواد همگن فرض شده و تأثیر شکستگیهایی را که از قبل وجود داشتهاند، نادیده فرض میشود .
- حالت توزیع تنش را بصورت دو بعدی در نظر میگیرد (مانند بارگذاری خطی یا نقطهای)
این مدلها دارای نقاط ضعف نیز میباشند؛ از جمله نقاط ضعف این مدلها میتوان به موارد زیر اشاره کرد :
- درک ضعیف از حالت گسترش تنش در سنگ در اثر نیروها و مکانیک آغاز شکست
- در این مدلها شکستگیهایی که از قبل در سنگ وجود داشتهاند؛ نادیده گرفته میشود
- حالت توزیع تنش سه بعدی یعنی اندرکنش ابزار برنده را در نظر نمیگیرند
- به طور کلی این روشها از دقت مناسبی برخوردار نیستند و گاهی اوقات انحرافاتی در استفاده از این مدلها پیش میآید.
این مدلها گاهی با استفاده از عمق نفوذ حفاری، نیروهای عمودی و چرخشی را تخمین میزنند و گاهی نیز از این مدلها برای پیشبینی میزان عمق حفاری استفاده میکنند. در نهایت میتوان گفت که این مدلها بیشتر برای دستگاههای مکانیزة تمام مقطع توسعه یافتهاند و در مورد رودهدرها کمتر از آنها استفاده میشود.
2 مدلهای تجربی
استفاده از مدلهای تجربی بیشتر به علت محدودیتها و مشکلاتی که به صورت ذاتی در روشها و مدلهای تئوریکی وجود دارد، گسترش یافتند. این روشها ادعا میکنند که مدلهای تئوری برخی از پارامترهای مؤثر بر عملکرد را در نظر نمیگیرند. از خصوصیات این روشها میتوان به موارد زیر اشاره کرد :
- این روشها همیشه از چند پارامتر ثابت و بدون بعد استفاده میکند
- اساس این مدلها بر پایة اطلاعات واقعی محلی است که در یک پایگاه اطلاعاتی ثبت میشود
- روابط بین سنگ و ماشین را به صورت ساده نشان میدهد
از ضعفهای این مدلها میتوان به موارد زیر اشاره کرد :
- جمعآوری دادههای باکیفیت برای این مدلها مشکل است
- در بیشتر موارد از روابط تجربی نمیتوان در دو محل خاص استفاده کرد.
تا اینجا عوامل تاثیر گذار در عملکرد و انواع مدل پیش بینی عملکرد مورد بررسی قرار گرفته شده است. از آنجایی که بررسی هریک از این عوامل در رودهدر و ماشین تمام مقطع بسیار وسیع می باشد ، سعی شده با بررسی عوامل موثر در عملکرد ماشین رودهدر و پیش بینی تجربی عملکرد ماشین تمام مقطع تمام موضوعات وابسته ارائه شود.
3- عملکرد ماشین رودهدر:
3-1 مقدمه:
این نوع ماشینها دارای بازوهایی برای حفاری انتخابی هستند . بازوها به شکلهای مختلفی به ماشینهای حفر متصل می شوند . عملیات حفر توسط این ماشین به صورت خراشیدن سینه کار می باشد. به طوریکه بازوها در جهتهای مختلف حرکت می کنند و سینه کار را می خراشند . در توان مؤثر این ماشینها به وزن آنها بستگی دارد . بطوری که اعمال نیروی فشاری برای حفر بوسیله نیروی متقابل ناشی از وزن ماشین تأمین می شود[2]
نمونه ای از این ماشین در شکل 2 و 3 نمایش داده شده است. ماشین های تونلسازی بازوئی عموماً برای سنگهای با مقاومت متوسط مناسب هستند. آنها شامل یک بازوی حفاری هستند، که بر روی یک شاسی خود پیشرونده نصب می شوند. هیچگونه ارتباط مستقیمی بین ماشین و شکل تونلی که حفر می شود وجود ندارد. سطح مقطع تونلی که با این ماشینها حفر می شود می تواند متغیر و متفاوت باشد. سینه کار تونل در هر زمانی به طور مستقیم در دسترس است. از آنجایی که این ماشینها مستقیماً بر کف تونل اثر می گذارد. لذا کف تونل بایستی ظرفیت باربری خاصی داشته باشد [2].
بازوها در این ماشینها معمولاً همراه با کله های برشی مخروطی یا استوانه ای[6] هستند که سینه کار را طی چند مرحله حفر می کنند. قطر کله برشی این ماشینها از قطر تونل خیلی کوچکتر است .
حداکثر نیروی رانشی و فشاری کله برشی رودهدر مستقیماً وابسته به وزن ماشین است[2]. برش دهنده ها یا بصورت متقاطع(عمود بر بازو) و یا خطی(در راستای محور بازو) عمل می کنند. این بازو قابلیت حرکت به سمت بالا و پایین محور و همچنین چپ و راست را دارد و به این ترتیب کل سطح سینه کار را میتواند پوشش دهد[2]. مواد کنده شده که از سینه کار می ریزند، توسط یک صفحه با بازویهای جمع کننده که درجلوی ماشین ثابت شده اند جمع آوری و توسط یک نوار نقاله به پشت ماشین حمل می شوند. این روش حفر گرد و خاک زیادی تولید می کند که باید به شیوه های مختلف کنترل شوند(آب پاشی و فیلتر کردن و...).
هیچگونه نگهداری بلافاصله در ارتباط با این نوع ماشین وجود ندارد. این روش حفر تونل باید با یکی از روشهای نگهداری به کار برده می شود که متناسب با شکل تونل و شرایط زمینی است که در آن کار می شود (پیچ سنگ ها، شاتکریت و...). این نوع ماشین در مقابل فشار هیدرواستاتیک نمی تواند مقاومت کند، بنابراین ممکن است بعضی اقدام های جانبی مانند به سازی و تقویت زمین، پایین آوردن آب زمین و...لازم باشد.
و...
NikoFile
