کاربرد مواد معدنی در صنایع بررسی رابطه بین سرعت حفاری و خواص ژئومکانیکی سنگ

فهرست مطالب
مقدمه 2
موقعيت جغرافيايي و آب و هوا 3
1-2- تاريخچه مطالعات 3
1-3-تكتونيك و ساختمان زمين شناسي حوضة طبس 4
1-3-2-ناحية زغالي مزینو: 4
1-3-3- ناحية‌زغالي نايبند : 4
1-3-4- ناحية زغالي پروده : 4
1-3-5- ساختمان زمين شناسي 5
1-3-6- وسعت منطقه 5
1-3-7- ضخامت لايه هاي زغالي 6
1-4- عمليات اكتشافي 6
1-4-2- عمليات حفاري 7
هدف از مطالعات ژئوفيزيكي : 7
1-3-4- گاز خيزي منطقه 10
1-4-5- مشخصات كيفي زغالسنگ 11
1-4-6- ميزان ذخاير 11
طبقه بندي لوفر – پاخر : 18
طبقه بندي امتياز ساختاري سنگ RSR : 24
طبقه بندي امتياز توده سنگ   : ( RMR ) 27
سيستم Q  : 44
مقدمه
كاربرد مواد معدني در صنايع بويژه بعد از جنگ جهاني دوم رشد سريع پيدا كرده است.امروزه تعداد زيادي از انواع گوناگون سنگ و كاني و تركيبت آنها در صنايع به كار برده مي شودكه بين آنها ذغال سنگ جايگاه مخصوص به خود را دارد،كه در حال حاضر حيات بسياري از صنايع در گرو اين ماده معدني است.
در كشور ما كه اقتصادي وابسته به نفت داشته و دارد،بيشتر نگاهها معطوف به صنعت نفت بوده است و صنايع ديگر معدني رشد چنداني ننموده ويا به طور ناقص از اين صنايع بهره برداري گرديده است.
در حال حاضر به دلايل زيادي نمي توان به صنايع غير نفتي فقط به عنوان منابع اشتغال زا نگريست و جايگاه اين صنايع اكنون پررنگ تر به نظر مي رسند، پس بايد با نگرشي درست و مديريتي استوار اين منابع را جايگزين نفت نمود.
ذغال سنگ نيز به عنوان يكي از منابع مهم معدني غير نفتي نيز جايگاه خود را بايد پيدا كند.
معادن ذغال سنگ طبس كه در كوير مركزي ايران قرار گرفته اند با دارا بودن ذخيره بيكران خود و همچنين نزديكي به بازار مصرف يكي از با ارزش ترين معادن ايران است كه مي تواند نقش مهمي در صنايع غير نفتي كشور را ايفا كند.
تلاش براي اكتشاف و بهره برداري اين معادن همچنان ادامه دارد.
در اين پروژه سعي شده است با تحليل چند منطقه در حال پيشروي از لحاظ خواص ژئو مكانيكي سنگ(RMR) و ارتباط دادن زمان مخصوص براي حفاري هر منطقه به اين خواص (RMR) ارتباطي بين سرعت حفاري و خواص ژئومكانيكي سنگ بدست آوريم.
و سپس از روي رابطه بدست آمده نتيجه گيريمان را انجام دهيم.
موقعيت جغرافيايي و آب و هوا
ناحيه‌پروده با وسعتي در حدود 1200 كيلومتر مربع در 75 كيلومتري جنوب شهرستان طبس در محدوده عرض جغرافيايي َ50  ْ 32 تا َ 05 ْ 33و طول جغرافيايي َ 45 ْ 56 تا َ15 ْ57 قرار گرفته است . شكل هاي 1-1 و 1-2 موقعيت جغرافيايي پروده را نشان مي دهد .
ارتفاع متوسط ناحية‌زغالدار پروژه از سطح دريا 850 متر مي باشد كه مرتفع ترين نقطة آن در غرب 1047+ متر و پست ترين آن در شرق730+ متر قرار گرفته است . ناحية پروده جزء مناطق كويري با آب و هواي خشك و قاره‌اي محسوب مي شود كه نوسانات درجه حرارت شبانه روزي و ماهيانة آن زياد است .
حداكثر درجه حرارت شهر طبس در تابستان به 45+ درجه ودر زمستان حداقل درجه حرارت به 5- درجه مي رسد . اغلب ماههاي سال خشك و يا كم باران بوده و معمولاً‌در فصل زمستان و اوايل بهار باران نسبتاً كم مي بارد . درمنطقه مورد مطالعة رودخانه هاي داراي جريان دائمي نداريم و رودخانه‌هاي متعدد فصلي كه معمولاً جريان آب در آنها به هنگام بارندگي بصورت سيلاب مي باشد. ناحية زغالدار پروده عاري از پوشش گياهي بوده و تنها بوته هاي خار بصورت پراكنده به چشم مي خورد .
1-2- تاريخچه مطالعات
بررسي مناطق زغالدار طبس براي اولين بار در سال 1347 توسط اكيپ اعزامي از واحد كرمان آغاز شد .
شكل ص 4و 5
به دنبال آن در سال 1349 كارشناسان روسي شركت ذوب آهن ايران به منظور تعيين كيفيت ، از لايه هاي زغالي ناحية نايبند نمونه برداري كردند .سپس در سالهاي 1352 و 1353 به منظور مطالعات جامعتر گروه هايي از كارشناسان روسي و ايراني به مناطق زغالدار اعزام گرديدند و در ارتباط با زغالخيزي  رسوبات ترياس ، ژرواسيك و كيفيت لايه‌اي زغالي مطالعاتي را انجام دادند .
بر اساس مطالعات ياد شده حدود گسترش رسوبات زغالدار ايران (‌مترياليس  ژرواسيك) در حوضة زغالدار طبس مشخص گرديد و وجود زغالهاي كك شو در نواحي شرق حوضچه (پروده – نايبند ) و زغالهاي حرارتي در ناحية غربي ( مزينو) مورد توجه قرار گرفت .
1-3-تكتونيك و ساختمان زمين شناسي حوضة طبس
حوضة طبس بلوكي است نوري شكل كه بين گسلهاي نايبند –کلمردنائين واقع شده است . مشخصات اجمالي اين گسلها عبارتند از :
1-3-1- گسل نايبند :
گسل نايبند با امتداد شمالي جنوبي از شرق حوضه عبور ميكند. اين گسل 500 كيلومتر طول داشته و از نوع راستگرد مي باشد . شيب گسل بطرف شرق بوده و با عملكردي از نوع معکوس بلوك غرب را بالا برده است .
گسل نائيني به موازات گسل کلمردو با عملكردي عكس آن قرار گرفته است .
در حد فاصل گسلهاي اصلي نايبند و در جهتي تقريباً عمود بر آنها گسلهائي وجود دارند كه معمولاًدر نزديكي گسلهاي اصلي به طرف جنوب چرخشي مي نمايند .
اين گسلها از شمال به طرف جنوب عبارتند از : گسل پرورده (‌رستم )، گسل زنوغان ، گسل توري چاي و گسل قدير ، شيب تمامي اين گسلها به طرف جنوب بوده و به صورت رورانده عمل كرده اند .
سه ناحيه زغالي مجزا در حوضة‌طبس وجود دارند كه عبارتند از مزينو، نايبند و پروده
1-3-2-ناحية زغالي مزینو:
اين ناحيه در غرب دشت آبرفتي طبق واقع گرديده است، اين ناحيه از طرف شرق تسوط گسل نامرئي با روند شمالي جنوبي از ناحيه پروده جدا شده و از طرف غرب به گسلهاي کلمرد و نائيني محدود مي شود . لايه هاي زغالي اين ناحيه سن ژوراسيك پاييني داشته اند و از نوع آنتراسيت و حرارتي مي باشد .
در حال حاضر ناحية زغالي فرينو به وسعت 8800 كيلومتر مربع مرحلة اكتشافي مقدماتي را گذرانده است .
1-3-3- ناحية‌زغالي نايبند :
اين ناحيه داراي وضعيتي برابر 4500 كيلومتر مربع مي باشد و ناحيه‌ زغالدار نايبند در جنوب گسل قوري چاي واقع شده است . در اين ناحيه رسوبات ترياس فوقاني و ژوراسيك تحتاني داراي لايه هاي زغالي قابل كار از نوع كك شو مي باشد .
1-3-4- ناحية زغالي پروده :
ناحية زغالدار پروده با وسعتي برابر 6400 كيلومتر مربع يكي از بزرگترين نواحي زغالدار حوضه مي باشد . در اولين مرحله كه در سال 1360 آغاز گرديد بررسي كيفي و كمي زغالهاي كك شو در وسعت حدود 400 كيلومتر مربع انجام گرديد ودرمرحلة دوم مناطق داراي پتانسيل مثبت مورد اكتشاف مقدماتي قرار گرفت . ضمن بررسي هاي پي جوئي مرحلة‌اول ناحية پروده به در بخش شمالي و جنوبي در طرفين گسل رستم تقسيم شد كه مناطق پروده به وسعت 1200 كيلومتر مربع در حد فاصل گسلهاي رستم و قوري چاي واقع شده و نهشته هاي ترياس بالائي در آن داراي لايه هاي زغالي قابل كار از نوع كك شود مي باشد .
شكل شماره 1-3 نقشة شماتيك نواحي سه گانة مذكور را نشان مي دهد .
گسلهاي رستم و قوري چاي كه ناشي از گسلهاي بزرگ نايبند وکلمردمي باشند بر فرم ساختماني و تكنونيكي ناحية تأثير گذاشت و با ايجاد گسيختگيهائي كوچك با روند شمال غربي‌، جنوب شرقي مناطق جدا از هم را به وجود آورده اند . ناحيه زغالدار پروده بر اساس گسلهاي اخير به محدوده هاي كوچكتري تقسيم شده است كه اين مناطق از شرق به غرب عبارتند از IV,III,II,I
پرودة شرقي ، علاوه بر اين مناطق داراي ويژگيهايي مي باشند كه آن را از ساير مناطق زغال دار ايران متمايز ساخته كه بعضي از اين ويژگيها عبارتند از :
1-3-5- ساختمان زمين شناسي
ساختمان زمين شناسي ناحية‌پرودة نسبت به ساير مناطق  زغالي ايران پيچيده نبوده و در اين رابطه دو فاكتور شيب و عدم شكستگيهاي مكرر بسيار قابل توجه مي باشند .تغييرات شيب و تكرار شكستگيها از عمده موانعي هستند كه جريان استخراج و توليد زغالسنگ دچار مشكل مي سازد.
در ناحيه پروده شيب كم و يكنواخت لايه ها و همچنين كم بودن تعداد شكستگيها باعث گرديده كه بلوكهاي معدني جهت استخراج شرايط ايده آل داشته باشند كه اين شرايط بر سهولت استخراج زغال تأثير بسزائي دارد.
1-3-6- وسعت منطقه
ناحية زغالدار پروده با وسعتي حدود 1200 كيلومتر مربع اگرچه در نتيجة عملكرد چندين گسل و همچنين ساختمانهاي زمين شناسي به بلوكهاي متعدد تقسيم شده ولي در عين حال محدوده‌اي است بهم پيوسته بطوريكه كه رخنمون لايه هاي زغالي از غرب به شرق در طول 40 كيلومتر تداوم داشته و تغييرات كمي وكيفي آنها از روند مشخصي پيروي مي كنند . علاوه بر اين به لحاظ شرايط و ويژگيهاي رسوبگذاري ، برخي خصوصيات زمين شناسي و حتي پاره‌اي از مشخصات كيفي و تكنولوژي ، لايه هاي زغالي در كل ناحيه مشابه بوده و تغييرات ، داراي قانونمندي و روند نسبتاً مشخص مي باشد . و امكان طراحي معدن هاي متعددي در مجاورت يكديگر فراهم ميگردد . قطعاً طراحي معدن در مجاورت يكديگر هزينه هاي زير بنائي هر معدن را بسيار كاهش ميدهد و ميزان نيروي انساني و ساير امكانات مورد نياز كاهش مي يابد .
1-3-7- ضخامت لايه هاي زغالي
در ناحيه پروده ،5 لايه زغال اصلي و قابل كار وجود دارند كه از پايين به بالا عبارتند از D,C2,C1,B2,B1، ضخامت كل اين پنج لايه از كمر پايين B1 تا كمر بالاي D بطور متوسط 80 متر مي باشد و عمدتاً از تناوب لايه هاي زغال ، زغال آرژيل،آرژليت ، سيلت و ماسه سنگ تشكيل شده است.
سه لايه زغالي B1,B2,C1 بعلت اينكه ضخامت آنها بيش از يك متر است اقتصادي تر محسوب مي شوند. و از آن ميان لاية‌زغالي C1 در بخشهاي وسيعي از منطقه بين 5/1 تا 2 متر دارد . چهار لاية C2,C1,B2,B1 در طول چهار كيلومتر داراي رخنمون مي باشند .
با توجه به وسعت زياد پرورده لايه هاي زغالي به لحاظ پارامترهاي كيفي و كمي و تغييرات قابل توجهي نشان مي دهند . بطور كلي ضخامت لايه ها از غرب به شرق تدريجاً كاهش مي‌يابد.
1-3-8- ذخيره
بر اساس مطالعات انجام شده تاكنون يك ميليارد تن زغال سنگ در ناحية پروده به ثبت رسيده است . اين مقدار ذخيره به لايه هاي زغالي از سطح زمين تا اعماق 600 متري مربوط مي شود . قابل ذكر است كه 20% اين ذخايريعني 200 ميليون تن آنها در افقهاي نزديكي از سطح زمين قرار گرفته است و دستيابي به اين ذخاير با توجه به حجم عمليات اكتشافي و شناسايي دقيق لايه ها ، بخش اعظم ذخاير پروده در كاتاگوري قطعي قرار مي گيرد و اين بدان معناست كه در ارتباط با سرمايه گذاري به منظور بهره برداري هيچگونه ريسكي وجود نخواهد داشت .
شكل 1-4 نقشه زمين شناسي پروده رانشان مي دهد
1-4- عمليات اكتشافي
1-4-1- نقشه برداري
تهيه نقشه هاي توپوگرافي به مقياس5000/1 ، اين نقشه ها در دو مرحله توسط سازمان نقشه برداري كشور در سال 1361 و شركت نقشه برداري كارتك در سال 67 با عكسهاي هوائي 20000/1 سال 1348 و بطريق فتوگرامتري تهيه شده است فواصل منحني هاي ميزان آن 5 متر ، مبناي ارتفاعات سطح متوسط آب خليج فارس ، مبناي مسطحات اروپايي و در سيستم تصوير UTM انجام گرفته و دقت پليگونها خوب ، خطاي آنها از حد مجاز كمتر است .
1-4-2- عمليات حفاري
با توجه به برداشتهاي مرحلة پي‌جوئي كه بيشتر از رخنمون لايه هاي زغالي بدست آورده اند كه در اين مرحله با ايجاد حفر ترانشه عمود بر امتداد لايه ها و حفر اكلون هاي در داخل لاية‌زغالي از رخنمون تا جائي كه از زون اكسيده آن عبور كنند حفر شده است كه در برداشت ترانشه ها و امتداد لايه ها با مشخصات كمر بالا وكمر پايين آن ، ابتدا با توجه به پيچيدگي لاية زغال كه در مرحله‌ي پي جوئي حاصل شده است شبكة حفاري ( مستطيل ،‌مربع ، لوزي )‌طراحي كرده اند و از آنها حفاري صورت مي گيرد .
البته در ابتدا فاصلة شبكه ما بيشتر و هرچه مطالعات دقيق تر و بيشتر مورد نياز باشد بالطبع فاصلة گمانه ها كمتر خواهد شد.
در ناحية‌پروده ومناطق همجوار تاكنون تعداد 646 حلقة چاه به متراژ برابر 223785 متر حفر گرديده است .
هدف از مطالعات ژئوفيزيكي :
– تعيين خواص فيزيكي سنگها (‌مقاومت الكتريكي ، راديو اكتيويته طبيعي ، عكس العملهاي سنگ در برابر تشعشعات راديو اكتيو )
– تعيين عمق ، ضخامت و توصيف ليتولوژي طبقات سنگي
– تعيين عمق ، ضخامت و استروكتورلايه هاي زغالي
– مشخص نمودن محل گسلها و وزن هاي داراي شكستگي و خرد شدگي
– اندازه گيري قطر چاه
– تعيين گراديان حرارتي
– اندازه گيري مقدار و آزيموت انحراف چاه
– نمونه برداري از لايه هاي زغالي به روش گرانتانوس
– نمونه برداري از لايه هاي زغالي
– پي بردن به ساختمان زمين شناسي رسوبات زغالدار ( شكستگي ها ، گسل ها ، تغييرات رخساره‌اي ، تغييرات ضخامت لايه ها )
روش الكتريكي
برداشتهاي الكتريكي شامل برداشتهاي گراديان ، پتانسيل K,T,B (‌جريان متمركز جانبي ) مي‌باشند كه به وسيلة سوندهاي مخصوص اندازه گيري مي‌گردد.
برداشتهاي گراديان و پتانسيل در مقياس 200/1 دركلية چاهها  حفر شده و در سرتاسر چاه صورت گرفته در صورتيكه برداشت B,T,K در مقياس 50/1 چاههاي كه لايه هاي زغالي را گرفته اند و تنها در محل لايه هاي زغالي انجام پذيرفته است . در روشهاي الكتريكي مقاومت الكتريكي طبقات مختلف و لايه هاي زغالي در چاهها اندازه گيري شده است .
نتايج حاصله از اين اندازه گيري ها كه در كلية‌چاههاي منطقه بررسي گرديده است ، بصورت جداول زير نشان داده شده است .
جدول 1-1[3]
سنگها يا طبقات مشخص مقاومت الكتريكي (‌اهم متر )
آهك بادامو 180-23
گراويليت 200-55
آهك ماسه‌اي 450-27
كوارتز 180-22
ماسه سنگ بالاي لاية زغالي D2 220-12
ماسه سنگ بالاي لاية‌زغالي S1 187-23
جدول 1-2[3]
لايه هاي زغالي مقاومت الكتريكي (‌اهم متر)
F 64-8
E 125-9
D2 140-10
D1 165-10
C2 180-13
C1 450-18
B2 245-11
B1 190-10
با توجه به مطالعات انجام شده در بين لايه هاي زغالي ، لايةC1 داراي بيشترين مقاومت الكتريكي و لايه F كمترين مقدار را داراست . همچنين در بين طبقات ، آهك هاي ماسه‌اي داراي مقاومت الكتريكي حداكثر آهك بادامور كوارتزيت ، داراي حداقل مقاومت مي باشند . مقاومت الكتريكي دو لايه هاي زغالي با ميزان درصد خاكستر در لايه هاي زغالي نسبت عكس دارد
1-4-3-مشخصات لايه هاي زغال منطقه پروده
ويژگي هايي از لايه هاي زغالي كه در استخراج آنها تأثير دارند شامل پيوستگي ، ضخامت شيب و تغييرات لايه ها مي باشد.
در منطقة‌پروده بر اساس اطلاعات زمين شناسي حاصل از گمانه ها ، نقشه برداري سطحي ، ترانشه زني وتونل هاي اكتشافي متعدد ، 5 لايه زغال در مقاطع قائم به اثبات رسيده است .
با استفاده از اطلاعات حاصل از برنامه هاي حفاري اكتشافي ، نقشه هاي هم ارزش متعددي از لايه هاي زغال تهيه شده است كه با توجه به نتايج حاصله توصيف عمومي لايه هاي زغال به صورت زير است :
– لايه ها در يك ساختار پيوسته قرار دارند.
– گسل هاي مشاهده شده سطحي در عمق نيز توسط حفاري هايي انجام شده به اثبات رسيده اند .
– شيب لايه ها در قسمت اصلي ذخاير نسبتاً‌آرام است
– هر 5 لايه فوق داراي درصدزغال و خاكستر متفاوت مي باشد.
– ضخامت كلي اين لايه ها از كمر پايين لاية B تا كمر بالاي لاية‌D بطور متوسط 80 متر و عمدتاً از تناوب لايه هاي زغال ، زغال آرژليت ، آرژليت ، سليت و ماسه سنگ تشكيل شده است.
5 لايه زغالي از پايين به بالا عبارتند از : D,C2,C1,B2,B1، كه با توجه به گمانه ها وحفاري هاي انجام شده در لايه D, C2 اكثر جاها  ضخامت كمتر از 40CM و غير قابل كار مي باشند. سه لاية C1,B2 عمدتاً ضخامت بيش از يك متر داشته و از اين ميان در بخش هاي وسيعي از منطقه ضخامتي ما بين 5/1 تا 2 متر ( متوسط 86/1 متر ) دارد . اين ضخامت 2 تا 3 برابر ضخامت برخي لايه هاي زغالي است كه هم اكنون در ساير معادن كشور استخراج مي شوند.