سیستم های بالابری در چاه
مقدمه
بالابر به همراه متعلقات آن، یکی از اجزای بسیار مهم و بسیار گران یک معدن زیرزمینی است. در ضمن چون چاه پیچیده ترین بخش در کل تسهیلات و تاسیسات معدن است، از جنبه فنی و اقتصادی درست نیست که با مطالعه اندک و مستقل از سایر تسهیلات و تأسیسات ساخته شود (مگر برای راه اندازه اولیه) و بایستی با قابلیت اعتماد نزدیک به صد در صد اجرا شود. هزینه اجرایی چاه ممکن است ۵ تا ۱۰ درصد کل بودجه آماده سازی را به خود اختصاص دهد. واضح است که در طراحی دستگاه بالابر به قضاوتهای مهندسی نیاز می باشد.

اجزای سیستم بالابر
سیستم بالابر شامل کلیه قسمت هایی از تأسیسات و تسهیلات معدن است که برای بالابردن کانسنگ، زغال سنگ، سنگ یا باطله و یا بالا وپایین بردن افراد و وسایل در معدن ضروری هستند. این سیستم بخشی از تأسیسات و تسهیلات معدن را شامل می شود. این اجزا بر مبنای موقعیتشان به شرح زیر دسته بندی می شوند:
۱- قسمت های سطحی
الف- اتاقک بالابر (نصب شده روی دکل یا روی زمین)

(۱) چرخ طناب خور یا طبلک بالابر (حرکت را به کابل منتقل می کند)
(۲) تجهیزات مکانیکی و برق بالابر (راه انداز اولیه، ترمز، کلاچ، کنترلها)
(۳) کابلهای بالابر (رشته سیمهای فولادی که به نحو خاصی تنیده شده یا کنار هم قرار گرفته اند)
ب- دکل (برج یا اسکلت فلزی یا بتن مسلح)
(۱) قرقره های هرزگرد
(۲) بونکرهای ذخیره مواد (مواد معدنی و باطله)
(۳) سازو کار تخلیه اسکیپ (برگردان یا تخلیه از کف)

۲- قسمت های داخل چاه
الف- اسکیپها (حمل و نقل مواد خرد شده)
ب- قفسها، آسانسورها (پرسنل، مواد و وسایل)
ج- هادیهای چاه (ریلهایی برای کنترل لنگر قفسها و اسکیپها)

۳- قسمت های زیرزمین
الف- بونکر ذخیره و انبار مواد
ب- سنگ شکن (در صورتی که برای بالابری کاهش ابعاد ضرورت داشته باشد)
ج- دهانه یا انبارة بارگیری
د- تسهیلات انتقال وسایل و افراد

با کمی اصلاح و تغییر، همین جانمایی برای چاه مایلی که از سیستم بالابری استفاده می کند نیز مناسب است (معدنی که با تونل مایل یا رمپ یا تونل امتدادی باز شده باشد، به دلیل عدم استفاده از سیستم بالابری جانمایی متفاوتی نسبت به این شکل خواهد داشت).

سیستم بالابری
از عنوان موضوع مشخص است که برای طراحی سیستم بالابری، طراحی مهندسی به طور اساسی ضرورت دارد (منظور بخشهایی از سیستم بالابری است که در اتاقک بالابر قرار دارند). سه عامل کلیدی در انتخاب بالابر مطرح هستند:
۱- نرخ تولید یا تناژی که در واحد زمان بایستی بالابرده شود.

۲- عمق چاه
۳- تعداد طبقاتی که در آنها کار مرتبط با بالابری وجود دارد.
به طور کلی تنها دو روش بالابری به اضافه برخی تغییرها در کاربرد آنها وجود دارد که امروزه به کار گرفته می شوند: طبلکی و اصطکاکی. در بالابرهای طبلکی (drumhoist) ، کابل دور طبلک پیچیده می شود و در چاه آویزان نمی ماند. در بالابرهای قرقره های اصطکاکی (friction-sheave hoist) ، کابل ( یا کابلها) از دور قرقره عبور می کند، ولی دور آن پیچیده نمی شود. (برخی اوقات، این روش به یادبود مخترعش، بالابری Koepe نامیده می شود). یک روش ابتدایی تر که منسوخ شده است

، روش بالابری قرقره ای (reel hoist) می باشد که در آن یک رشته کابل با عرض مشخص به صورت چند لایه روی هم پیچیده می شود. روش جدیدی که در افریقای جنوبی برای چاههای بسیار عمیق به کار گرفته می شود بالابری چند طبلکی (Blair) با استفاده از کابلهای چندگانه است.
کاربردهای روش های بالابری طبلکی، قرقره اصطکاکی و چند طبلکی خلاصه شده اند، چون در ایالات متحده تاکنون روش بالابری چند طبلکه کاربردی نداشته است، توجه تنها بر روشهای بالابری طبلکی و قرقره اصطکاکی متمرکز می باشد.

 

بالابری طبلکی
ساده ترین سیستم طبلکی، طبلک استوانه ای منفرد، همراه با متعلقات برقی و مکانیکی آن می باشد. با دو اسکیپ، این سیستم فقط برای بالابری از یک طبقه (به طور نمونه استخراج زغال)، مناسب است. برای بالابری چند طبقه ای، از بالابر دو طبلکه، همراه با کلاچ استفاده می شود که اجازه می دهد یک اسکیپ یا قفس در حالی که اسکیپ یا قفس دیگری در حال حرکت است،

متوقف بماند. در روش طبلکی، دو اسکیپ یا قفس در حالت متوازن حرکت می کنند و گهگاه یک وزنه تعادلی جایگزین یکی از وسایل نقلیه می شود (برای مثال: با یک طبلک منفرد به منظور فراهم آوردن امکان بالابری چند طبقه ای). طبلکها باید در روی زمین نصب شوند و قرقره های هرزگرد جهت نگاهداشتن کابلهای بالابر در بالای دکل قرار می گیرند. به منظور بهبود توان و مشخصات قدرتی، طبلکها به شکلهای دیگری نظیر مخروطی و مخروطی استوانه ای نیز به کار برده می شوند.

بالابری با قرقره اصطکاکی
سیستم قرقره اصطکاکی، همان طور که از نامش پیداست بر این اساس عمل می کند که کابل بالابر از روی قرقره متحرکی عبور می نماید که از لغزش کابل، حتی اگر تفاوت قابل ملاحظه ای در کشش دو طرف کابل وجود داشته باشد، جلوگیری می کند. مواد پوششی روی قرقره معمولاً Polyurethane است، استفاده از یک روغن مناسب برای کابل کیفیت لغزندگی آن را بهبود می

بخشد. مانند روش طبلکی، دو وسیله نقلیه (یا یک وسیله نقلیه و یک وزنه تعادلی) برای تعادل و موازنه به کار می رود. بر خلاف روش طبلکی، در این روش یک کابل دنباله ای ترجیح داده می شود (وزن این کابل دنباله ای برابر با وزن کابل است و لغزش را کاهش می دهد). چون زاویه پوش (زاویه درگیری کابل با قرقره) قرقره اصطکاکی نیز بر لغزش تأثیر می گذارد، می توان آن را از طریق یک

قرقره انحرافی (پیچشی) یا نصب قرقره اصطکااکی بر روی زمین افزایش داد (هر چند نصب قرقره اصطکاکی بر روی دکل از جنبه ساختمانی ترجیح دارد). برای بالابری طبقه ای در روش قرقره اصطکاکی باید از یک وزنه تعادلی برای چند طبقه استفاده کرد. معمولاً کابلهای چند گانه (معمولاً چهارتایی) به کار گرفته می شوند. کابلهای چندگانه در مقایسه با کابلهای منفرد انعطاف پذیری بهتری دارند و امکان استفاده از قرقره کوچکتر را فراهم می آورند.

مشخصات اجرایی
با توجه به مشخصات، شکلها، تعداد و ترتیبات متفاوت قرارگیری کابلها، سیستم های بالابری مختلف، ویژگیهای اجرایی کاملاً متفاوتی نیز از خود نشان می دهند. در مقایسه با هزینه های عملیاتی، عاملی که مصرف انرژی و در نتیجه هزینه را تعیین می کند، چرخه کار بالابر است. این امر مبنای محاسبه قدرت لازم در رابطه با زمان بالابری است. تفاوت های

اصلی، به شکل طبلک و استفاده یا عدم استفاده از کابلهای دنباله ای برمی گردد.
معمولاً مناسب ترین سیستم بالابری با اسکیپ در یک طبقه، در عمق متوسط با سرعت بالا، تولید زیاد و انرژی کم، روش قرقره اصطکاکی است. استفاده از وزنه های تعادلی نیز برای بالابری از چند طبقه معمول و متداول است و با نصب قرقره ها روی زمین این روش برای عقمهای تا ۵/۱ کیلومتر یا بیشتر قابل کاربرد است.

عنوان ویژه: طراحی سیستم بالابری
هرچند طراحی و نصب بالابر به عهده شرکت پیمانکاری مهندسی نصب کننده و پیشنهاد تجهیزات به عهده کارخانه سازنده جرثقیل (بالابر) است، ولی مهندس معدن نیز بایستی از فرایند طراحی یک سیستم بالابری معدن آگاهی داشته باشد. به طور نمونه یک شرکت که در حال آماده سازی است، بخش مهدسی خودش را برای نظارت و کنترل کامل بر فرآیند، هم بخش طراحی و هم احداث تأسیسات سطحی و نصب بالابر اختصاص می ده. در ادامه، فرآیند طراحی به تفضیل به همراه مثالی آورده می شود.

۱- بالابری تعادلی
کلیه سیستم های بالابری برای کاهش زمان، گشتاور و توان مورد نیاز بالابر به صورت متعادل عمل می کنند. به طور کلی، دو وسیله نقلیه (اسکیپها و یا قفسها) از یک بالابر آویزان می شوند؛ برخی

اوقات، وقتی به بالابری در بیش از یک طبقه نیاز باشد، یک وزنه تعادلی جایگزین یکی از وسایل نقلیه می شود. وزن آن (وزنه تعادلی) معادل بار مرده اسکیپ یا قفس به اضافه نصف بار زنده آن است. جهت تعادل بیشتر بارها، یک کابل دنباله ای می تواند نصب شود، هر چند این روش (اضافه کردن کابل دنباله ای) باری بالابر طبلکی بندرت استفاده می شود. ولی برای بالابر با قرقره اصطکاکی جهت کاهش لغزش و همچنین زمان، روش معمولی است.

۲- لغزش در بالابری با قرقره اصطکاکی:
لغزش در بالابر با قرقره اصطکاکی وقتی اتفاق می افتد که نسبت کششهای کابل از حد تئوریک فراتر رود. رابطه به قرار زیر است:

که T به کشش کابل و اندیسهای ۱ و ۲ به ترتیب به اسکیپهای حاوی بار و خالی اشاره دارند. e مبنای لگاریتم طبیعی، ضریب اصطکاک= ۵۰/۰-۴۵/۰ و زاویه پوش است که از رادیان ( ) باری بالابرهای نصب شده روی دکل تا رادیان ( ) برای بالابرهای نصب شده روی زممین متغیر می باشد. نسبت حدی یعنی برای بالابرهای نصب شده روی دکل ۶/۱-۵/۱ و برای بالابرهای نصب شده روی زمین ۹/۱-۸/۱ می باشد. برای افزایش می توان از قرقره های انحرافی استفاده کرد. جهت افزایش نیز می توان پوشش قرقره ها یا روغن کابل را تغییر داد.

۳- اندازه کابل فولادی:
کابلهای فولادی ساختمان پیچیده ای دارند، به طور کلی سه نوع کابل برای بالابری در معادن استفاده می شوند. رشته ای گرد، رشته ای پهن و کلافی بافته شده. کابلهای رشته ای گرد با بالابرهای طبلکی، رشته ای پهن در بالابرهای با قرقره اصطکاکی و کلافی بافته شده برای همه نوع سیستمی در اعماق بیش از ۳۲۰۰ فوت (km 96/0) کاربرد دارند.

در طراحی سیستم بالابری، دو ویژگی کابل فولادی که از همه مهمتر هستند عبارت اند از: وزن واحد طول و مقاومت در باربر پارگی (مقاومت گسیختگی). توجه داشته باشید که ویژگیهای مذکور برای دو نوع کابل رشته ای گرد و پهن برای دو کیفیت مختلف فولاد ارائه گردیده است.

در انتخاب اندازه مناسب کابل فولادی برای مصارف بالابری، قابل ملاحظه ترین عامل، ضریب ایمنی است. مقادیر ضریب ایمنی در ایالات متحده امریکا توسط MSHA تعیین می شوند و متناسب با نوع بالابر، عمق و قابلیت جابجایی افراد تغییر می نماید. نمودار یا منحنی پلکانی، حداقل مقادیر مجاز برای بالابری افراد را به دست می دهد. استانداردهای وضع شده توسط انستیتو استانداردهای

ملی امریکا (American National Standards Institute, ANSI) نشانگر حداکثر بار مجاز برای افراد و مواد هستند. چون وزن کابل نیز بایستی در تعیین مجموع بار وارد بر آسانسور منظور شود، فرآیند طراحی در انتخاب اندازه کابل از یک روند سعی و خطا پیروی می نماید. سرانجام، عمق نیز محدودیت دیگری را در بالابری اعمال می کند، به علت این که وزن کابل با عمق افزایش می یابد، در اعماق بحرانی وزن کابل از مقاومت کابل فراتر می رود.

۴- قطر طبلک و قرقره:
به دلیل این که کابل فولادی به دور طبلک یا قرقره پیچیده می شود، برای این که فشار کابل به دور آن به حداقل برسد، حداقل نسبت قطر طبلک یا قرقره به قطر کابل توصیه شده باید رعایت شود. چون هزینه کابل فولادی متوسط است امکان دارد در برخی موارد خصوصاً در چاههای عمیق که هزینه کل عامل تعیین کننده ای است، طبلکی با قطر کمتر انتخاب شود و کابل بالابر به دفعات بیشتر تعویض گردد.

 

۵- زوایه عبور کابل:
این زاویه بین کابل بالابر پیچیده شده روی طبلک و خط مرکزی گذرنده از قرقره هرزگرد تا طبلک تشکیل می شود. جهت کاهش سائیدگی کابل در شیار قرقره، زاویه عبور محدود به شده است. اثر مهم محدودیت این زاویه، محدود کردن عرض طبلک است.

۶- اندازه اسکیپ در برابر سرعت بالابری:
برای دستیابی به یک نرخ تولید مطلوب در چاه، مهندس طراحی به دنبال ایجاد توازن بین اندازه اسکیپ و سرعت بالابری است. محدودیت نهایی در مورد اندازه اسکیپ، مقاومت کابل و در مورد سرعت بالابری، مصرف انرژی است. به طور کلی به عنوان یک امر پذیرفته شده، به نفع است که بالابری با بیشترین بار اسکیپ ممکن و در پایین ترین سرعت بالابری ممکن صورت پذیرد.

۷- سیکل بالابری:
سیکل بالابری به ارتباط بین زمان و فاصله در بالابری اشاره دارد. اجزای زمان و فاصله مطابق روابط زیر محاسبه می شود:
الف- زمان بالابری در حرکت تندشونده

 

که V سرعت بالابری و a نرخ شتاب است؛ به طور کلی، نرخ شتاب و زمان تندشونده با نرخ شتاب r و زمان کند شونده برابر هستند.
ب- فاصله طی شده در حرکت تند شونده
که فاصله طی شده در حرکت کندشونده است.

ج- فاصله طی شده با سرعت ثابت
که فاصله کل بالابری (از دهانه بارگیری تا بونکر دکل) می باشد.
د- زمان بالابری با سرعت ثابت
هـ- زمان سیکل بالابری در هر رفت و برگشت
که زمان بارگیری یا تخلیه می باشد.

۸- سیکل یا چرخه کار:
ارتباط میان توان لازم موتور بالابر و زمانهای سیکل بالابری، چرخه کار نامیده می شود. نمودار چرخه کار بالابر طبلکی نشانگر بار نامتوازن (نامتعادل) کابل بالابر است. تعیین مساحت سطح زیر منحنی (با انتگرال گیری)، مصرف انرژی برای چرخه کار بالابری را به دست می دهد. محاسبات زیر، نکات کلیدی را برای تعیین چرخه کار بالابری با قرقره اصطکاکی در اختیار می گذارند (معادلات توان برای بالابر طبلکی متفاوت است؛ به Harmon مراجعه شود):
الف- وزن کابل
وزن واحد طول کابل و فاصله بونکر تا قرقره هرزگرد یا قرقره متحرک در بالای دکل است. در صورتی که چند کابل استفاده شود، در تعداد کابلها ضرب می شود.

ب- مجموع وزن کابل
که وزن بار مرده اسکیپ و بار زنده اسکیپ است.
ج- بار طراحی
که FS ضریب ایمنی است.
د- مقاومت کابل

هـ- وزن موثر معادل یک وسیله در حال چرخش، نسبت به مرکز کابل برای قطرهای مختلف طبلک کاهش می یابد.
و- کل بار آویزان (معلق)
ز- نقاط کلیدی چرخه کار
اسب بخار
که P توان بر حسب اسب بخار، و اندیس آن معرف یک نقطه در سیکل کار، و g شتاب ثقل برابر ۲/۳۲ فوت بر مجذور ثانیه است.

که راندمان بالابر بر حسب درصد است، برای بالابر با قرقره اصطکاکی، را برابر ۹۰ درصد فرض کنید.

ح- توان Root Mean Square) RMS ، مجذور متوسط مربعات( برای موتور جریان متناوب (ac):
اسب بخار
برای موتور جریان مستقیم (dc)، ضرایب مخرج کسر زیر رادیکال به ترتیب به مقادیر ۷۵/۰، ۱ ، ۷۵/۰ و ۵/۰ تغییر خواهد کرد.
ط- مصرف تقریبی انرژی برای سیکل کار برابر خواهد بود با:
Kw-hr به ازای هر رفت و برگشت

باربری از چاه
باربری از چاه معمولاً از پایین به بالا و برای خروج مواد صورت می گیرد. در مورادی وارد کردن سنگ به داخل چاه برای پرکردن محل استخراج شده لازم می گردد. توان یا راندمان باربری از چاه برای خروج محصول محاسبه می شود. هرگاه میزان استخراج سالانه از چاه یا میزان باربری A تن باشد، توان باربری عبارت است از:

در اینجا k ضریب بی نظمی در باربری (زمانی که باربری انجام نمی گیرد)، N روزهای سال و بالاخره m تعداد ساعات کار باربری در روز است.
مثلاً اگر در معدنی روزانه دو شیفت ۷ ساعته باربری انجام گیرد و سالانه ۲۵۰ روز کار شود، طبق تجربیات حاصله ضریب بی نظمی ۷/۰ است. در یک چاه با ظرفیت اسمی ۱۵۰ هزار تن در سال، قدرت باربری:

است. در محاسبه قدرت موتور چاه روشهای ساده تجربی نیز وجود دارد که توسط آن قدرت موتور الکتریکی در رابطه با مقدار بار مفید W از یک طرف وس رعت باربری V از طرف دیگر قابل محاسبه است. هرگاه وزن کل قفس و بار مفید وزن قفس خالی باشد، بار مورد کشش W عبارت است از:

قدرت کموتورهای الکتریکی از طریق محاسبات نظری و نیز به کمک مونوگرامهای تجربی بدست می آید.
حمل و نقلها شامل بیرون آوردن ماده معدنی، خارج و داخل کردن سنگ، داخل کردن چوب و مصالح و همچنین داخل یا خارج کردن ماشینها از طریق چاه است. رفت و آمد کارگران و مهندسان نیز از طریق چاه مشمول این بخش می شود.

عمق باربری از چاه در طول تاریخ استخراج معادن به طور دائم در حال ازدیاد است. مقدار باربری که در یک نوبت باربری (در یک کشش) از چاه به خارج آورده می شود نیز با پیشرفت فن استخراج رو به افزایش است.
این دو عامل (افزایش عمق و اضافه شدن وزن بار هر کشش) سبب می شود که وسایل و تجهیزات مربوط به چاه و باربری، بزرگتر، قویتر و دقیقتر ساخته شود. تجهیزات و تأسیسات چاههای کمتر از ۱۰۰ متر (عمق) ساده و ارزان است. بین اعمقا ۱۰۰ تا ۵۰۰ متر چاه دارای تجهیزات نسبتاً مفصل است.
تأسیسات چاههای بیش از ۵۰۰ متر آن طور که امروز در معادن اروپا، آفریقا و آسیا وجود دارد بسیار مجهز و دقیق ساخته می شود.
در منطقه رور که یکی از بزرگترین مناطق معدنی و صنعتی جهان است عمق متوسط چاهها (متوسط باربری) در سال ۱۹۵۴، ۷۰۰ متر بوده است و این رقم در سال ۱۹۶۷ به حدود ۸۰۰ متر و در سال ۱۹۹۸ به بیش از ۱۰۰۰ متر رسیده است. به عبارت دیگر مرکز ثقل باربری معادن این ناحیه سالانه به طور متوسط حدود ۸ متر افزایش یافته است.

در ایران نیز در ظرف ۳۰ سال اخیر متوسط باربری از چاه روبه ازدیاد بوده است. اگر برای ایران آمار مشابه ای تهیه شود و برای این منظور چند معدن خاص که از آنها باربری توسط چاه انجام می شود در نظر گرفته شود، عمق متوسط باربری در ایران شاید دارای رشد سالانه ای به اندازه اروپا

باشد (می توان معادن از یک کوه، نخلک، باب نیزو، و زه آباد را از نظر پیشرفت عمق باربری مورد مطالعه قرار داد). راندمان باربری از چاه به عمق باربری بستگی دارد و در چاههای مختلف متفاوت است. این توان بین چند تن تا چندهزار تن در نوبت کار است. یکی از معادن ذغال آلمان روزانه ۶۰۰۰ تن ماده معدنی از عمق ۶۲۵ متری توسط یک چاه باربری می کند.

راندمانی برابر ۹۰۰۰ تن در روز در معادن نمک همان کشور سالها تجربه شده است. در معادن فلزی ناحیه ترانسوال آفریقا از اعماق ۲۰۰۰ متری مقادیر چند هزار تن باربری در روز، امری عادی به شمار می آید.

انواع باربری در چاه
به طور کلی سه نوع باربری از چاه وجود دارد:
– باربری با سطل
– باربری توسط واگن
– باربری توسط اسکیپ
۱- باربری با سطل

در باربری با سطل سنگها و یا مواد در کف چاه به داخل سطل ریخته می شود و سپس سطل که به کابل متصل است به بالا کشیده می شود. در معدن سرب نخلک باربری مواد معدنی به کمک سطل نیز انجام می گیرد.
۲- باربری توسط واگن و قفس
باربری توسط واگن بدین قسم اس

ت که واگنهای حامل ماده معدنی یکی پس از دیگری (در بعضی موارد دوتا دوتا) بر روی قفس رانده می شوند و پس از بالا کشیدن واگنها از قفس، در روی زمین، خالی می گردد. باربری توسط اسکیپ بدین طریق است که ماده معدنی یا سنگ در پذیرگاه پایین به داخل ظرف (اسکیپ) ریخته شده و پس از بالا کشیدن، مواد حمل شده در روی زمین مستقیماً از ظرف خالی می شوند.

مهندسان بسیاری از معادن جهان با این سئوال روبرو هستند که کدام یک از دو طریقه موثر تر و بیشتر مقرون به صرفه است؟ هر یک از این طرق دارای مزایا و معایبی هستند. از مزایای اسکیپ این است که برای تولیدظرفیت بیشتر می توان طول آن را بزرگتر کرد و مقطع چاه که اندازه آن معین است و به سادگی تغییر پذیر نیست (بخش حفر چاه) می تواند بدون تغییرات بماند. به عبارت دیگر در اسکیپ با مقاطع کوچکتر ظرفیت بیشتر در اختیار باربری قرار می گیرد.

در باربری با واگن، با زیاد کردن طبقات قفس می توان ظرفیت باربری یک کشش را افزود ولی مدت زمان لازم برای جابجا کردن قفس از راندمان روزانه باربری می کاهد. در باربری با واگن مقدار بیشتری بار مرده حمل می شود زیرا وزن واگنهای حمل و نقل شونده نسبتاً زیاد است، در حالی که باربری با اسکیپ وزن بار مرده کمتر است.