شکستن سنگ یک مرحله ضروری در پروژه‌های معدنی و مهندسی عمران است. می‌توان آن را به عنوان فرآیند حذف مواد سخت، فشرده یا سیمانی با استفاده از روش‌های معمولی یا جایگزین انفجار ماننده استفاده از مواد شیمیایی برای شکستن سنگ تعریف کرد. از زمان‌های قدیم، از روش شکستن سنگ سخت متفاوت در شکستن سنگ‌ها برای استفاده در فرآیندهای بعدی مورد استفاده قرار گرفته است. در قرن هفدهم، پودر سیاه (باروت) به عنوان وسیله‌ای برای شکستن سنگ‌ها در پروژه‌های معدنی و ساختمانی مورد استفاده قرار گرفت، در حالی که روش‌های مکانیکی در این زمینه تقریباً 120 سال پیش آغاز شد.
با وجود پیشرفت شتابان در صنعت معدن و همچنین سایر صنایع مرتبط، حفاری و انفجار معمولی گزینه‌های ترجیحی برای شکستن سنگ باقی مانده است. در این محتوا به بررسی هر دو روش شکست سنگ مرسوم و غیر متعارف را بررسی می‌کنیم تا اثرات منفی بالقوه روش‌های مرسوم را برجسته کنیم. علاوه بر این، ما در مورد مزایای روش‌های مدرن شکستن سنگ (استفاده از مواد شیمیایی برای شکستن سنگ)، از جمله حفاظت از محیط زیست و افزایش ایمنی در طول فرآیند شکستن سنگ بحث می‌کنیم.
تکامل روش‌های شکستن سنگ
قدمت توسعه معدن به عصر حجر برمی‌گردد، جایی که از ابزار سنگی استفاده می‌شد. به تدریج با کشف آهن، مس و برنز، این ابزارهای اولیه توسعه یافتند. چکش و کلنگ به ابزار اصلی در تولید معدن تبدیل شدند و به طور مستقیم به افزایش بهره وری کمک کردند. اختراع پودر سیاه مواد منفجره (همچنین به عنوان باروت شناخته می‌شود) انقلابی در مهندسی معدن ایجاد کرد و با آن دوره جدیدی در مهندسی معدن پدید آمد.
پودر سیاه مورد استفاده مخلوطی از گوگرد، زغال سنگ و نیترات پتاسیم به نسبت‌های مختلف بود. دینامیت که توسط آلفرد نوبل در سال 1867 ثبت شد، نقطه محوری در توسعه مهندسی معدن بود و به مدت 70 سال به عنوان ماده منفجره شناخته شد. نیترات آمونیوم به تدریج در اواسط قرن بیستم استفاده شد. از آن زمان، این ماده منفجره نقش مهمی در مهندسی معدن، به ویژه برای سنگ سخت که به انرژی انفجار قابل توجهی برای حفاری نیاز دارد، ایفا کرده است. (مطالعه بیشتر در مورد مواد منفجره در این لینک)
معایب استفاده از انفجار برای شکستن سنگ
روش‌های مورد استفاده در شکستن سنگ به آغاز تمدن بشری برمی گردد. با گذشت زمان، تحولات زیادی رخ داده است.در مقایسه با روش‌های دیگر، حفاری و انفجار معمولی راه‌حل‌های واقعی‌تری را برای دو موضوع مهم معدن، یعنی هزینه معدن و کارایی تولید ارائه می‌کنند. با این حال، اثرات منفی مستقیم خاصی وجود دارد که می‌تواند هنگام استفاده از انفجار برای شکستن سنگ ایجاد شود. این تاثیرات شامل:
- پرتاب سنگ
- ارتعاشات زمین
- فشار بیش از حد هوا
- گرد و غبار هوا
- انتشار گاز
علاوه بر این، انفجار می‌تواند بر پایداری و ایمنی توده سنگی باقی‌مانده و سازه‌های اطراف در ایستگاه‌های زیرزمینی، مانند ستون‌های مانع، پس‌پرها و دیواره‌های عمودی تأثیر بگذارد.
- پرتاپ سنگ (فلای راک)
پرتاپ سنگ (فلای راک)، که می‌تواند به عنوان سنگ‌های تکه تکه شده تعریف شود که به طور غیرمنتظره ای از منطقه انفجار به بیرون رانده می‌شوند یا توسط نیروی انفجار جابه جا می‌شوند، بزرگترین نگرانی در طول انفجار در نظر گرفته می‌شود. عوامل اصلی که می‌توانند باعث تولید فلای راک شوند عبارتند از: ناپیوستگی ساختار زمین شناسی، چیدمان و بارگذاری نامناسب سوراخ انفجار، بار ناکافی و ساقه گیری نامناسب و زمان تاخیر.
- ارتعاش
مشکلات زیست محیطی مربوط به فرآیند انفجار می‌تواند بر مشاغل و ساکنان تأثیر بگذارد. ارتعاشات ناشی از انفجار در پروژه‌های معدنی و ساختمانی یک نگرانی عمده زیست محیطی است. می‌تواند به سازه‌ها و ساختمان‌های مجاور آسیب برساند. به عنوان مثال، ارتعاشات زمین از طریق زیرزمین‌ها و پایه‌ها بر خانه‌های اطراف تأثیر می‌گذارد، در حالی که امواج هوا از روی دیوارها و سقف‌ها وارد ساختمان‌ها می‌شود. انسان‌ها ارتعاشاتی را احساس می‌کنند و نسبت به آن واکنش نشان می‌دهند که شدت آنها کمتر از حد آستانه آسیب ساختاری است.
- فشار بیش از حد هوا
در معدن روباز، فشار بیش از حد هوا (انفجار هوا) ناشی از عملیات انفجار یک نگرانی عمده است. برای ساختمان‌ها و سازه‌های اطراف خطر ایجاد می‌کند. مطالعه انجام شده در این زمینه نشان داد که 80 تا 85 درصد از انرژی انفجاری هدر می‌رود و تأثیر منفی بر محیط زیست ایجاد می‌کند.
- گرد و غبار هوا
گرد و غبار زیادی از فرآیندهای معادن روباز، از زمان توسعه معدن تا بهره برداری، تولید می‌شود. این گرد و غبار می‌تواند منبع آسیب قابل توجهی به اتمسفر اطراف باشد و شرایط ناایمن برای کار ایجاد کند. مطالعات بررسی شده نشان داد که حفاری و انفجار به دلیل مجموع گرد و غبار ساطع شده در حین انجام این عملیات بیشترین آسیب را دارند. حدود 90 درصد از گرد و غبار موجود در جو از حفاری و انفجار تولید می‌شود، در حالی که 10 درصد از سایر عملیات معدنی حاصل می‌شود.
- انتشار گاز
مقررات حاکم بر صنعت معدن به دلیل تأثیرات زیست محیطی معدن، به ویژه تأثیر گازهایی مانند اکسیدهای نیتروژن (NOx) که در طول عملیات انفجار به جو منتشر می‌شود، سخت‌تر می‌شوند. بر اساس منابع موجود، محدوده متوسط انتشار سالانه NOx از انفجار معدن 195.1 اینچ است. انفجار دومین منبع بزرگ انتشار گاز پس از کامیون‌های حمل و نقل است.
روش شکستن سنگ سخت بدون انفجار
برای غلبه بر معایب انفجارهای معمولی و اطمینان از تداوم فرآیند حفاری سنگ، چندین رویکرد مدرن به عنوان راه حل‌های عملی برای شکستن سنگ تحت استانداردهای عملیاتی ایمن و سازگار با محیط توسعه یافته است.
تکنیک‌های مدرن توسعه یافته به عنوان روش‌های غیر متعارف برای حفاری سنگ سخت و بتن و جایگزینی برای روش انفجار معرفی شده‌اند. بکارگیری این روش‌های مدرن در زمینه معدن نیز به تداوم فرآیند حفاری، کاهش رقت و تلفات معدنی، کاهش تعداد کارگران مورد نیاز و تضمین شرایط ایمن برای عملیات معدن کمک می‌کند. برخی از روش‌های مدرن شامل:
- جت آب و سیستم‌های گاز فشار
- سیال هیدرولیک برای استفاده برای شکستن سنگ سخت
- مواد شیمیایی برای شکستن سنگ
استفاده از مواد شیمیایی برای شکستن سنگ
عوامل شیمیایی منبسط کننده، عوامل غیر منفجره‌ای هستند که هنگام استفاده در پروژه‌های معدنی و عمرانی برای شکستن سنگ، مزایای زیادی را ارائه می‌دهند. در مقایسه با مواد منفجره معمولی، بسیار ایمن‌تر هستند و سطوح پایین‌تری از نویز، ارتعاشات و پرتاپ سنگ را تولید می‌کنند. علاوه بر این، بر خلاف مواد منفجره که مشمول مقررات سختگیرانه هستند، می‌توان از عوامل شیمیایی منبسط کننده بدون هیچ محدودیتی استفاده کرد. با توجه به مطالعات انجام شده این روش در بین روش‌هایی که در زمینه شکستگی سنگ و بتن صدای کمی‌ایجاد می‌کند یا بدون صدا تولید می‌کند، رتبه اول را کسب کرده است.
فرآیند کار زمانی شروع می‌شود که عوامل شیمیایی گسترده با آب مخلوط شوند. سپس مخلوط دوغاب در یک سوراخ از قبل دریل شده ریخته می‌شود. در طی چند ساعت، دوغاب تزریق شده به دلیل فعل و انفعالات شیمیایی منبسط می‌شود و زمانی که تنش کششی از استحکام کششی بیشتر شود، سنگ ترک خواهد خورد. به طور معمول، اکسید کلسیم (CaO)، همچنین به عنوان آهک سوخته شناخته می‌شود، یک عنصر فعال است. برای انتشار گرما از واکنش هیدراتاسیون استفاده می‌شود. حجم انبساط در سوراخ از پیش حفاری شده، فشار انبساط ایجاد می‌کند که سنگ را می‌شکند.
دمای ترکیب را می‌توان با یک واکنش شیمیایی تا 150 درجه سانتی گراد افزایش داد. طبق آزمایشات، فشار انبساط ایجاد شده به 30 تا 44 مگاپاسکال می‌رسد، در حالی که فشار لازم برای شکستن سنگ نرم یا بتن 10 تا 20 مگاپاسکال است. عوامل تخریب شیمیایی بدون صدا (SCDAs) در دهه 1970 به عنوان یک روش جایگزین شکستن سنگ معرفی شدند اما در معدن مورد استفاده قرار نگرفتند. بعدها، این روش کارایی خود را به عنوان یک روش جایگزین بالقوه برای شکستن سنگ با مزایای واضح در مقایسه با روش‌های دیگر ثابت کرد.
مواد شیمیایی برای شکستن سنگ را می‌توان برای ایجاد شکستگی در سنگ‌های اشباع شده از آب و نفت برای کاربردهای زیر آب استفاده کرد. علاوه بر این، آنها همچنین می‌توانند در مخازن عمیق زمین شناسی استفاده شوند. با این حال، کاربردهای SCDA در شرایط زیرزمینی و غرقابی به دلیل اثر رقیق‌سازی، کاهش جرم شستشو و تأخیر در ایجاد فشار گسترده هنوز محدود است.
انواع مواد شیمیایی برای شکستن سنگ
اگرچه انواع مختلفی از SCDAها وجود دارد، ترکیب شیمیایی ارائه شده در جدول زیر با نسبت بالایی از CaO رایج ترین است.
| مواد شیمیایی برای شکستن سنگ | جرم (%) |
| سیلیکون دی اکساید SiO2 | 1.5–8.5 |
| آلومینیوم هیدروکسید Al2O3 | 0.3–5.0 |
| اکسید آهن Fe2O3 | 0.2–3.0 |
| کلسیم اکسید CaO | 81–96 |
| منیزیم اکسید MgO | 0–1.6 |
| سولفورتری اکسیدSO3 | 0.6–4.0 |
به طور کلی، عوامل موثر بر عملکرد مواد شیمیایی برای شکستن سنگ عبارتند از محتوای آب، دمای محیط و قطر چاه است. از آنجایی که آنها راندمان پایینی دارند، به حجم زیادی آب نیاز دارند، و زمان طولانی (بیش از 10 ساعت) برای القای ترک خوردگی سنگ طول می‌کشد، عوامل شیمیایی گسترده به طور گسترده استفاده نمی‌شوند. (برای مطالعه بیشتر در مورد روش های مختلف شکستن سنگ به این لینک مراجعه کنید.)
