مقاله ارزیابی کیفیت اجرایی ماشین های حفاری

مقدمه:
با گسترش پروژه های زیرزمینی در حوزه های معدن، تونل سازی، مترو، تأسیسات شهری و سازه های انتقال انرژی، نقش ماشین های حفاری به عنوان قلب عملیات اجرایی بیش از هر زمان دیگری برجسته شده است. گذار از روش های سنتی مانند آتشباری به حفاری مکانیزه، نه فقط یک تغییر فنی، بلکه نشانه ای از دگرگونی در منطق اجرا، مدیریت زمان و کنترل هزینه در پروژه های زیرزمینی است. ماشین های حفاری امروز تنها ابزار کندن سنگ نیستند، بلکه سامانه هایی پیچیده اند که عملکرد آنها حاصل برهم کنش میان ویژگی های زمین، توان فنی دستگاه و شیوه بهره برداری است.

حفاری مکانیزه بر استفاده از ماشین آلات تخصصی برای ایجاد فضاهای زیرزمینی تکیه دارد و هدف اصلی آن دستیابی به نرخ پیشروی بالا همراه با پایداری در کیفیت اجراست. در چنین شرایطی، حفاری به یکی از پرهزینه ترین و حساس ترین مراحل پروژه تبدیل می شود. انتخاب ماشین حفاری، برخلاف بسیاری از تجهیزات کارگاهی، انعطاف پذیری محدودی دارد؛ زیرا هزینه بالا، زمان طولانی تأمین و وابستگی شدید به شرایط زمین باعث می شود که در هر پروژه معمولاً تنها یک نوع ماشین اصلی به کار گرفته شود. همین محدودیت، اهمیت ارزیابی کیفیت اجرایی ماشین حفاری را دوچندان می کند، زیرا هر خطا در انتخاب یا شناخت عملکرد دستگاه، پیامدهای فنی و اقتصادی گسترده ای به همراه دارد.

کیفیت اجرایی ماشین حفاری مفهومی چندبعدی است که تنها به سرعت پیشروی خلاصه نمی شود. نرخ برش، میزان نفوذ، انرژی ویژه مصرف شده، بهره وری زمانی، میزان تولید، استهلاک ابزار برنده و زمان های افت، همگی اجزای سازنده تصویری جامع از عملکرد واقعی دستگاه هستند. این شاخص ها نشان می دهند که یک ماشین تا چه اندازه توانسته است قابلیت های فنی خود را در شرایط واقعی زمین به فعلیت برساند. بنابراین ارزیابی کیفیت اجرایی، به معنای سنجش نسبت میان توان بالقوه ماشین و کارایی بالفعل آن در میدان عمل است.

عوامل مؤثر بر عملکرد حفاری را می توان در چهار گروه اصلی دسته بندی کرد: ویژگی های ماده سنگ، خصوصیات توده سنگ، ویژگی های فنی ماشین و پارامترهای عملیاتی. مقاومت فشاری و کششی سنگ، میزان سختی و سایندگی کانی ها، نوع بافت و رفتار مکانیکی سنگ از یک سو، و درجه درزه داری، جهت یافتگی ناپیوستگی ها، وجود آب زیرزمینی و تنش های زمین از سوی دیگر، زمینه طبیعی کار ماشین را تعیین می کنند. در کنار این عوامل، وزن دستگاه، توان محرکه، نوع و آرایش ابزارهای برنده و ظرفیت سامانه های پشتیبانی، چارچوب فنی عملکرد را شکل می دهند. پارامترهای عملیاتی مانند شکل و اندازه تونل، شیب مسیر، روش نگهداری زمین و برنامه زمان بندی کاری نیز لایه سوم این معادله پیچیده را می سازند.

ترکیب این عوامل مشخص می کند که یک ماشین خاص در یک سازند معین تا چه اندازه توان تولید دارد. بخشی از این پارامترها، مانند شرایط زمین و برخی الزامات عملیاتی، خارج از کنترل مستقیم هستند، اما ویژگی های ماشین و نحوه بهره برداری از آن، میدان اصلی ارزیابی کیفیت اجرایی به شمار می آیند. از این رو، بررسی عملکرد دستگاه نه تنها به شناخت زمین، بلکه به تحلیل رابطه میان طراحی ماشین و واکنش آن در برابر نیروهای ناشی از حفاری وابسته است.

برای سنجش عملکرد، مفاهیمی مانند نرخ برش آنی و عملیاتی، انرژی ویژه، میزان نفوذ، زمان افت و بهره وری به کار گرفته می شوند. نرخ برش آنی، حجمی از سنگ است که بدون در نظر گرفتن تأخیرها در واحد زمان برداشت می شود، در حالی که نرخ برش عملیاتی تمام توقف ها و افت های کاری را نیز در نظر می گیرد. انرژی ویژه نشان می دهد که برای برداشت هر واحد حجم سنگ چه مقدار انرژی مصرف شده و از این طریق می توان بازدهی واقعی فرآیند برش را ارزیابی کرد. زمان های افت شامل تمام دوره هایی است که ماشین به دلایل فنی یا اجرایی متوقف می شود و بهره وری نسبت زمان کارکرد واقعی به کل زمان در نظر گرفته شده برای عملیات است.

ارزیابی کیفیت اجرایی بدون تکیه بر مدل های پیش بینی عملکرد ممکن نیست. این مدل ها تلاش می کنند رابطه میان خواص سنگ، ویژگی های توده سنگ و خصوصیات ماشین را به صورت ریاضی یا تجربی بیان کنند. مدل های تئوریک بر تعادل نیرو و انرژی استوارند و شکست سنگ را از دیدگاه مکانیک تحلیل می کنند، در حالی که مدل های تجربی بر داده های واقعی پروژه ها تکیه دارند و روابط آماری میان متغیرها را استخراج می کنند. هر یک از این رویکردها نقاط قوت و ضعف خاص خود را دارند و در عمل، ترکیب آنها تصویر دقیق تری از عملکرد دستگاه ارائه می دهد.

در میان ماشین های حفاری، رودهدرها و ماشین های تمام مقطع جایگاه ویژه ای دارند. رودهدرها با بازوهای متحرک و برش انتخابی، امکان ایجاد مقاطع متغیر را فراهم می کنند و عملکرد آنها به شدت به وزن دستگاه، نوع تاج برشی، توان محرکه و پایداری در برابر ارتعاش وابسته است. ماشین های تمام مقطع نیز با حفاری یکنواخت در کل سطح سینه کار، نرخ تولید بالایی دارند و ارزیابی کیفیت اجرایی آنها مستلزم بررسی دقیق نرخ نفوذ، مصرف ابزار برنده و قابلیت اعتماد سامانه در طول زمان است. در هر دو نوع ماشین، کیفیت اجرایی زمانی معنا پیدا می کند که بتوان رابطه میان طراحی فنی، شرایط زمین و نتایج واقعی حفاری را به صورت روشن و قابل تحلیل نشان داد.

فهرست مطالب
۱- مقدمه :
۲- عملکرد و کارایی عملیات حفاری:
۳- عملکرد ماشین رودهدر:
۳-۱ مقدمه:
۳-۲ پارامترهای موثر ماشین رودهدر در عملکرد:
۳-۲-۱ تاثیر  نوع و توان ماشین رودهدر بر عملکرد حفاری:
۳-۲-۲ تاثیر نوع سر مته ماشین رودهدر بر هملکرد حفاری :
۳-۲-۲-۱ انواع مته:
۳-۲-۲-۲  تاثیر فاصله داری برنده ها در سرمته بر عملکرد دستگاه رودهدر:
۳-۳  تاثیر پارامترهای ژئوتکنیکی در عملکرد ماشین رودهدر:
۳-۳-۱ تاثیر مقاومت سنگ:
۳-۳-۲ تاثیر زون چسبنده:
۳-۳-۳ تاثیر مواد ساینده بر عملکرد حفاری:
۴- پیش بینی عملکرد ماشین تمام مقطع:
۴-۱ مقدمه:
۴-۲ عوامل موثر در عملکرد ماشین تمام مقطع:
۴-۲-۱ عوامل ژئوتکنیکی موثر در عملکرد ماشین تمام مقطع:
۴-۲-۱-۱ نرخ نفوذ و مقاومت فشاری.
۴-۳ پیش بینی تجربی عملکرد ماشین حفاری تمام مقطع:
۴-۳-۱  روش ساده :
۴-۳-۲ روش چند متغیره:
۴-۳-۲-۱ روش NTH :
۴-۳-۲- ۲ روش  RMi
۴-۳-۲-۳ روش CSM..
۴-۳-۲-۴ روش QTBM:
۴-۳-۲-۵ روش RSR:
۴-۴ مطالعه موردی پیش بینی تجربی عملکرد ماشین تمام مقطع:
۴-۴-۱ تونل من:
۴-۴-۲ تونل پیو:
۴-۴-۳ تونل وارزو:
۴-۴-۴ طبقه بنده توده سنگ :
۴-۴-۵ روابط های تجربی :
۴-۴-۵-۱ نرخ پیشروی:
۴-۴-۵-۲ روابط تجربی برای سنگ های مختلف:
۴-۴-۶ مقایسه با روش های پیش بینی عملکرد:
۴-۴-۶-۱ مدل RSR:
۴-۴-۶-۲ مدل QTBM:
۵- نتیجه گیری:
۶- منابع: