بخشی از مقاله
چکیده
انفجار یکی از عملیات اصلی در چرخه فعالیتهای معدنی است و هدف از آن خردایش، کندن، و انتقال سنگ است. در دهه های اخیر تحقیقات زیادی در جهت شناخت دقیق فرآیند انفجار انجام شده و پیشرفت های چشمگیری نیز در این زمینه حاصل شده است. علیرغم پیشرفتهای انجام شده، پدیده انفجار در محیطهای سنگی هنوز از مسائل لاینحل در جامعه مهندسی به شمار می رود و یک راه حل واحد برای توصیف و حل این مساله ارائه نشده است. هدف از این مقاله تشریح فیزیک و دینامیک انفجار سنگ و نقش آن در خردایش است. ابتدا رفتار دینامیکی سنگ بحث شده و سپس با تمرکز بر مقوله احتراق ماده منفجره و نحوه تجزیه انرژی ماده منفجره در حین انفجار، دینامیک انفجار و نحوه اندرکنش ماده منفجره با محیط سنگی تشریح شده و مورد بحث قرار گرفته است. تحقیقات برتر و پراستناد در زمینه ارزیابی انرژی انفجار و نتایج حاصله ارائه شده و در نهایت اهمیت نحوه تجزیه انرژی انفجار، مکانیزم انتقال انرژی به سنگ، و نقش مولفه های مختلف در خردایش از منظر طراحی انفجار و انتخاب ماده منفجره مناسب مورد بحث قرار گرفته است.
واژههای کلیدی: انرژی انفجار، دینامیک انفجار، خردایش سنگ
.1 مقدمه
مطالعه فرآیند خردایش سنگ ناشی از انفجار اهمیت بسیار زیادی در مهندسی دارد. دانش فنی این مساله کاربردهای زیادی در مهندسی معدن، مهندسی عمران، و مهندسی نفت دارد. بهبود تکنولوژی استفاده از مواد منفجره باعث خردایش بهینه سنگ در استخراج مواد اولیه و کاهش خسارات وارده به سنگ در پروژه های معدنی، عمرانی، و ساخت و ساز می شود. برای مطالعه فرآیند خردایش سنگ سه مقوله ماهیت پیچیده و رفتار غیرخطی توده سنگ، احتراق و سوختن ماده منفجره، و شرایط مرزی و محیطی حاکم بر انفجار باید دانسته و حل شوند. علیرغم پیشرفتهای بسیار زیاد در این زمینه، هنوز حل کامل این مساله در قالب یک راه حل واحد ارائه نشده است.
به علت مکانیزم ناشناخته انفجار در سنگ، نقطه نظرات مختلف توسط محققین مختلف ارائه شده است و این اختلاف نظر هنوز هم تا حدی باقی است.فرآیند انفجار سنگ توسط ماده منفجره یک پدیده پیچیده است که توسط پارامترهای گوناگون کنترل می شود. گنجانیدن همه این پارامترها در یک روش تحلیل در حال حاضر ممکن نیست بویژه اینکه بعضی از این عوامل هنوز ناشناختهاند. در گذشته روشهای تجربی برای طراحی انفجار و پیشبینی خردایش سنگ توسط ماده منفجره استفاده میشده است. عیب این روشها این است که برای یک نوع سنگ خاص و شرایط انفجار خاص محل، بنیان گذاشته شده و به راحتی نمیتوان آنها را به تمام شرایط عمومیت داد.
همچنین آزمایش هایی در مقیاس کوچک توسط محققین انجام شده است که پی به مکانیزم خردایش سنگ توسط مواد منفجره ببرند. در غالب این آزمایشات، رفتار مواد استفاده شده - به عنوان مثال پلکسی گلاس ، بتن و ... - ، در مقایسه با رفتار سنگ، بهتر دانسته و شناخته شدهاند. بنابراین علیرغم اینکه این آزمایشات در بعضی موارد اطلاعات سودمندی را به دست دادهاند در بعضی موارد نیز باعث گمراهی و سردرگمی شدهاند. از طرف دیگر آزمایشات در مقیاس بزرگ نیزمعمولاً مقدور نبوده و اگر هم بوده، پیچیدگی محیطهای سنگی و پارامترهای آن باعث پراکندگی بسیار زیاد در اطلاعات حاصله شده وعملاً نتیجهگیری روشن و مشخصی از این مطالعات ارائه نشده است. هدف از این مقاله تشریح مکانیزم انفجار در محیطهای ژئومکانیکی و اندرکنش انرژی ناشی از انفجار با محیط است. همچنین اهمیت دینامیک انفجار در طراحی و خردایش سنگ مورد بحث قرار گرفته است.
.2 رفتار دینامیکی سنگ
رفتار محیطهای درونگیر سازه های زیرزمینی - سنگ یا خاک - تحت شرایط محیطی و بارگذاری متفاوت فرق میکند.پارامترهای اصلی کنترل کننده رفتار محیطهای ژئومکانیکی پارامترهای مقاومتی، پارمترهای مکانیکی و دگرشکلی، پارامترهای ناپیوستگی های محیط، پارامترهای مرتبط با آبهای زیرزمینی و تنش های برجا میباشند. برای طراحی یک سازه ژئومکانیکی ابتدا باید پارامترهای رفتاری و مقاومتی توده سنگ و یا خاک به صورت برجا و تحت شرایط بارگذاری مورد انتظار محاسبه شده و مبنای طراحی قرار گیرد. به طور کلی پارامترهای طراحی محیطهای سنگی را میتوان به سه دسته پارامترهای فیزیکی، مکانیکی، و مقاومتی تقسیم کرد.
بعضی از این پارامترها مستقیماً در آزمایشگاه قابل اندازهگیری بوده و بعضی دیگر را باید با تلفیق نتایج آزمایشگاهی و روشهای تجربی در مقیاس توده سنگ برجا به دست آورد - مرتضوی، . - 1994 نرخ بارگذاری تاثیر زیادی روی رفتار و عملکرد اجسام جامد دارد. با توجه به ماهیت فرآیند انفجار، نرخ کرنش اعمالی به سازه بسیار بالاتر از حالت استاتیکی و دیگر پدیده های دینامیکی نظیر زلزله و ضربه است. گستره نرخ کرنش در حالات مختلف بارگذاری در شکل 1 نشان داده شده است.برای محاسبه پارامتر های سنگ تحت شرایط بارگذاری استاتیکی نرخ بارگذاری بین 0/5 تا 1 مگاپاسکال برثانیه متغیر در نظر گرفته میشود.به طور مشابه با بقیه جامدات، رفتار سنگ تحت بارگذاری دینامیکی متفاوت بوده وعمدتاً پارامترهای مقاومتی و دگرشکلی مقادیر بالاتری را دارا میباشند.
با توجه به تنوع در جنس و بافت سنگها و همچنین بازه تغییرات بارگذاری دینامیکی، سنگها رفتار متفاوتی را تحت بارگذاری دینامیکی از خود نشان می دهند. لذا رابطه واحدی برای بیان پارامتر های دینامیکی سنگها نمیتوان ارائه کرد. براساس تحقیقات انجام شده توسط محققین مختلف مدول دینامیکیسنگها خیلی به نرخ بارگذاری وابسته نیست اما پارامتر های مقاومتی سنگ حساسیت بیشتری به نرخ بارگذاری دینامیکی از خود نشان می دهند. به عنوان مثال میتوان به تلاشهای زائو همکاران - Zhao et al., 2000; Zhao and Li, 2000 - اشاره کرد. از طرف دیگر پیشرفتهای روز افزون در زمینه محاسبات عملی و کامپیوتری امکان شبیه سازی فرآیند انفجار را فراهم کرده و میتوان مکانیزم های اصلی حاکم بر بارگذاری دینامیکی در محیطهای سنگی را با تقریب قابل قبول نشان داد. در این خصوص تحقیقات نسبتا زیادی با تمرکز بر مقوله های مختلف فرآیند انفجار و رفتار دینامیکی انجام شده است.
.3 دینامیک انفجار
مواد منفجره را می توان به دو دسته مواد منفجره قوی و مواد منفجره ضعیف تقسیم کرد. فرق اصلی بین مواد منفجره قویو ضعیف در نحوه سوختن آنها است. مکانیزم سوختن مواد منفجره قوی به صورت احتراق است در حالیکه مواد منفجره ضعیف به صورت معمولی و طی یک فرآیند حرارتزا میسوزند. علاوه بر تقسیمبندی ذکر شده در فوق، مواد منفجره را براساس نحوه کاربری آنها به دو دسته مواد منفجره صنعتی و مواد منفجره نظامی می توان تقسیم کرد. مواد منفجره صنعتی بیشتر در صنایع معدنی و عمرانی کاربرد داشته و با استفاده از آنها انواع مختلف حفریات معدنی و عمرانی احداث میشوند.
مهمترین مواد منفجره صنعتی عبارتند از: آنفو، امولایت، اسلاری، دینامیت، و پودر آذر. بنابر نظریه پرسون، احتراق یکنواخت و پایدار در طول یک خرج استوانه ای را می توان به عنوان یک فرآیند خود پیش رونده دانست که در آن اثر فشارشی موج ضربه حالت ماده منفجره را طوری عوض میکند که فرآیند حرارتی خود به خود و با سرعت مورد نیاز پیش میرود. این فرآیند در مواد منفجره مایع مانند نیتروگلیسیرین در فاصله زمانی حدود 12-10 ثانیه انجام میشود. در مواد منفجره قوی مانند RDX و PETN این فرآیند حدود هزار میکروثانیه طول میکشد. در مواد منفجره صنعتی حاوی نیترات آمونیوم زمان فرآیند بیشتر است که منجر به منطقه احتراق طویل تر ونهایتاً رفتار غیرایده آل ماده منفجره می گردد.
.1-3 مکانیزم سوختن و احتراق ماده منفجره
پروسه احتراق مواد منفجره یک فرآیند ترمو- هیدرودینامیکی است که در آن یک موج شوک با سرعت ثابت در داخل ماده منفجره پیشرفته و واکنش شیمیایی پشت جبهه موج ضربه متضمن پیشروی جبهه موج با سرعت ثابت در قسمت سوخته ماده منفجره است. این نظریه مبنای پایه گذاری تئوری کلاسیک هیدرودینامیک چپمن-جوگت - Chapman-Juget - برای احتراق پایدار شده و توسط محققین مختلف مورد استفاده قرار گرفته است.با در نظر گرفتن فرآیند احتراق یک خرج استوانه ای شکل، فرآیند تجزیه شیمیایی کامل ماده منفجره در جبهه احتراق باعث تشکیل موج شوک شده که حالت ماده منفجره را بطور ناگهانی از یک جسم جامد دارای انرژی جنبشی پایین به گازهای با فشار و حرارت بالا تبدیل کرده و باعث ایجاد یک موج فشار قوی و میدان تنش بالا در محدوده اطراف چال می شود.
در جبهه موج احتراق حالت ماده منفجره طوری عوض می شود که تمام انرژی آن آزاد شده و باعث دوام فرآیند احتراق می شود. در پشت جبهه احتراق در نقطه ای که دما و فشار افت کرده و دیگر واکنش شیمیایی نقشی در تداوم و تقویت جبهه احتراق ندارد صفحه چپمن- جوگت یا صفحه C-J نامیده میشود. شکل -2الف نمای شماتیک از جبهه احتراق و روند تغییرات فشار در آن را نشان می دهد. باتوجه به شکل، طول ناحیه واکنش تابعی از نوع ماده منفجره است. در مواد
