پیچ سنگ (rock bolt)

 

استفاده از پیچ سنگ (rock bolt) از سالها پیش برای پایداری تونلها و سایر حفریات زیر زمینی مرسوم بوده و امروزه انواع مختلفی از آنها در این مورد به کار می رود.

به طور کلی، پیچ سنگ از یک میله ی فولادی ساده و تخت تشکیل شده است که برای اتصال لایه ها و قطعات مختلف سنگ به کار می رود و به همین جهت اصطلاح «سنگ دوز» را نیز در مورد آن به کار می برند. برای تأمین این نظر، ابتدا چالی در سنگها احداث کرده و سپس میله ی فولادی را به گونه ای که بعداً خواهیم دید، در آن محکم می کنند. پس از محکم شدن میله، با پیچ انتهای دیگر آن را می بندند.

در مواردی که از پیچ سنگ به عنوان سیستم نگهداری موقت استفاده می کنند، تنــــــــــها به گیرش انتهایی آن اکتفا می شود اما به هنـــگام استفاده از آن به عنوان یک سیستم نگهداری دایمی، فضای خالی بین دیواره ی چال و مبله ی پیچ سنـــــگ را با مواد پر کننده مثل دوغاب سیمان و یا صمغ پر می کنند.

میل مـــهاری نیز موع دیگر پیچ سنــــــــــگ است که پس از نصب، تحت تأثیر کشــــــــــــش قرارمی گیرد.همچنین در مقایسه با پیچ سنگ، استـــــــحکام بیشتر و طول بلندتری دارد. میل مهاری را از فولادهای با مقاومت بالا و معمولاً به صورت کابل می سازند.

 

برای پایدارسازی و تحکیم توده ی سنگ، چهار مکانیسم مستقل به شرح زیر وجود دارد:

الف) در سنگهای نسبتاً مقاوم و با درزه داری خوب، ناپایدری، ناشی از جداشدن قطـــــــعات مجزای سنگ است که از سقف حفریات تمــــایل به ریزش دارند. این امر وقتی اتفاق می افتد که وزن سنگ جداشده، بیش از نیروی چســـبندگی درزه های سنگ شود. چنین توده هایی را می توان با استفاده از پیچ سنگ، پــایدار ساخت. بدیهی ست در چنین مواردی، استحکام میل مهار یا پیچ سنگ، باید به اندازه ای باشد که بتواندوزن قطعه ی جدا شده را تحمل کند.

ب) در سنگهای بلوکی ضعیف تر، مکن است در اثر لغزش یا چرخش قطعات سنگ، تونــــــل تمایل به جمع شدن پیدا کند. برای پایدار سازی چنین سنگهایی از پیچ سنگ های کشش و یا غیر کششی استفاده می شود تا بتواند مقاومت برشی سنگ در امتداد نا پیوستگی ها را حفظ کند.

ج) در مورد سنگهای لایه ای یا ورقه ورقه، ناپایداری معمولا در اثر لغزش در امتداد سطوح لایه بندی یا تورق است. در چنین مواردی می توان با اســــتفاده از پیچ سنـــــــــگ های تمام تزریقی، مقاومت ذاتی بین لایه های سنگ را حفظ کرد و توده ی سنگ را پایدار ساخت.

د) در مورد توده های سنـــگی «بیش تنش دیده» ((over stressed، می توان با استفاده از افزایش درجه ی محصور شدگی و یا افزایش تنش مینیمم، آن را پـــــــــایدار ساخت. در مورد تونلها، در حالت کلی تنش اصلی مینیمم عمود بر دیواره ی تونل است. بنـــــــــــــابر این، اگر بلافاصله پس از حفر تونل پیچ سنگ های تحت کشش نصب شوند، در واقع محدودیت جدیدی را ایجاد می کند و تنش محصور کننده را افزایش می دهد و گسترش شکستــگی ها را محدود می سازد.

 

در بین روشهای مختلف پایداری توده های سنـــــگی، استفاده از پیچ سنگ، مؤثرترین شیوه است. طی دهه ی 1950 میلادی، به کارگیری پیچ سنگ، صنعت معدنکاری آمریـــــــــــکا را متحول ساخت. ایالات متحده را مبتکر استفاده از پیچ سنگ در حفریات زیر زمینی از اوایل 1930 می دانند.

اگر چه نخستین استفاده از پیچ سنگ مربوط به گذشته های دور بوده است، اما در ســـــــــال 1943 میـــــــــــلادی، کاربرد سیستماتیک آن در مبانی توسط ویگل در مجله ی «مهندسی و معدن» ارائه شد. وی به تشریح سیستمی پرداخت که شرکت تولیــد سرب ژوزف در میسوری به سال 1963، آن را معرفی کرده بود.

در سال 1947 میلادی، استفاده از پیچ سنگ در ایالات متحده عمومیت یافت. سازمان معادن برای کاهش تعداد حوادث ناشی از ریزش سقفها، این روش را ابداع کرد. ظرف مدت کمتر از 2سال، در تمام شاخه های صنعت معدن ایالات متحده، کاربرد پیچ سنگ رایج شد. در ســـــال 1949 میلادی این روش در بیش از 200 معدن اجرا شد و در سال 1952 مصرف این پیچ ها به رقم 25 میلیون عدد در سال رسید. رشد آهنگ استفاده از پیچ سنگ خیلی سریـــع بود. به موجب گزارش سازمان معادن ایالات متــحده در سال 1968، در 912 معدن زغال سنگ، 55 میلیون پیچ سنگ مورد استفاده قرار گرفت و 60% استخراج زغال سنگ به روش زیر زمینی، از معادنی استخراج می شد که سقف آنها با پیچ سنگ نگهداری شده بود. در ســــــال 1984، تخمین زده شد که سالانه حدود 120 میلیون پیچ سنـــــگ در معادن آمریکا مصرف می شود و 90% معادن زیر زمینی زغال سنگ، با این روش نگهداری می شوند.

پس از آنکه پیچ سنگ مورد قبول واقع شد ودر استخراج معادن زغال سنگ کاربرد گسترده ای پیدا کرد، حوادث معدنی در حد قابل توجهی کاهش یافت و همزمان با آن، افــــــــــــــزایش چشمگیری در میزان تولیــد، رخ داد. با حذف ستونها و دیگر وسایل نگهداری در معادن زیر زمینی، امکان نصب سیستم های تهویه ی مطلوب هم به وجود آمد. با حذف موانــــع، سیستم های تهویه ی بهتری طراحـــــــی می شود و نیز ابعاد حفریاتی را که بایستی انجام شود تا به حفاری مطلوب دست یابیم، کاهش می دهد و آزادی حرکت بیشتری را برای خــــــــودرو های بدون ریل فراهــــم می آورد، بدون اینکه خطر برخورد به ستون های سیستم نگهداری وجود داشته باشد.

نقش پیچ سنگ، اتصال توده سنگ های ناپیوسته به هم است. مثلاً سنگ های رسوبی را که دارای صفحات لایه بندی هستند و یا سنگ هایی را که درزه و شکاف طبیعی دارند، به هـــــم متصل می سازد.

با اینکه انواع متـــــــداولی از پیچ سنگ ساخته شده است اما متداولترین آنها پیچ سنگ های مکانیکی هستند که حدود 60% آنها را تشکیل می دهند، 30% بقیه نیز پیچ سنــــــگ های چسبی یا تزریقی هستند. انواع دیگر پیچ سنگ ها 10% بقیه را تشکیل می دهند.

 

اگر چه انواع متنوعی از پیچ سنــــــــــگ ها  برای پایدار سازی توده های سنگ و نگهداری حفریات زیر زمینی به کار میروند اما همه ی آنها را می توان در سه گروه پیچ سنـــگ، داول و کابل های مهار رده بندی کرد.

 

پیچ سنگ ها را به سه گروه تقسیم می کنند:

الف) پیچ سنگ های با گیرش مکانیکی(گیرش نقطه ای)

ب) پیچ سنگ های تزریقی(گیرش تمام طول)

ج) پیچ سنگ های مخصوص

 

این گروه این گروه از پیچ سنگ ها را به انواع زیر تقسیم می کنند:

الف) داول های تزریقی

ب) داول های شکافی

ج) داول های تورمی

د) داول های مخصوص

وکابل های مهاری که مبحث گسترده ای ست و در این بحث نمی گنجد.

 

با توجه به طبقه بندی فوق، به شرح انواع پیچ سنگ می پردازیم:

 

در بین پیچ سنگ های مکانیکی، دو نوع پیچ سنگ موسوم به «شکاف و گوه» و «با گیـــره ی منبسط شونده» متداول ترند که در زیر به شرح آنها می پردازیم:

الف) پیچ سنگ های شکاف و گوه

در انتهای این پیچ سنگ، شکافی ایجاد شده است که گوه ای در داخل آن قرار دارد. پــــس از آنکه پیچ سنگ در داخل چـــــال قرار گرفت، با پتک بادی روی آن می کوبند که در نتیجه گوه در داخل شکاف فرو می رود و آن را از هم باز می کند و قسمت های باز شده به جدار چــــال می چسبد و بدین ترتیب میله در داخل چال محکم می شود.در شکل زیر جزییات قابل مشاهده است:

  

 

طول این پیچ سنگ ها 5/. تا 5/2 متر است که از میله های فولادی به قــــــــــــطر 22تا 30 میلیمتر ساخته می شود. طول چال متناسب با طول پیچ سنــــــــگ است. پس از آنکه میله در داخل چال محـــــکم شد، در قسمت بیرونی میله که رزوه شده است، صفحه ی اتصال و واشر قرار می دهند و با پیچ آن را محکم می کنند.

                        

                                    

                           

 

                محکم کردن پیچ سنگ بوسیله ی صفحه ی اتصال، واشر و مهره         

 

                                                   

 

                                 تجهیزات کامل پیچ سنگ شکاف و گوه

برای اینکه کشش میله ی پیچ سنگ در حد مجاز باشد، باید آن را به وسیله ی آچـــــــارهایی که درجه ی سنجش دارند محکم کرد.

در مواردی که محل نصب پیچ سنگ مورب باشد، برای انطباق کامل صفحه با سطح تونل، از دو واشر مورب استفاده می کنند.

از جمله امتیازات این نوع پیچ سنــــــگ می توان ارزان بودن و گیرش مناسب در سنگ های سخت را نام برد، ضمن اینکه بلافاصله پس از نصب می توان از آن استفاده کرد.

ب) پیچ سنگ های با پوسته ی منبسط شونده

این نوع پیچ سنگ اگر چه در انواع مختلفی ساخته می شود، اما اصول کار تمام انــــــواع آن کمابیش یکسان است.

این نوع پیچ سنگ از میله ی فولادی به قــــــطر 17تا 22 میلیمتر تشکیل شده که در انتهای رزوه شده ی آن، مهره ی N قرار دارد. در اطراف این مهره ی N ،چهارپوسته E قراردارد که دراثرپائین رفتن مهره N،ازهم باز می شوند و درنتیجه به جدار داخلی چـــال می چسبند و بدین ترتیب،گیرش مکانیکی حاصل می شود.

                 

 

                                         

 

دراین مورد نیز،برای تأمین گیرش کافی،باید میله پیچ سنگ تا حد معینی پیچانده شود و این کاربه کمک آچارهای مخصوصی انجام می گیرد.(مطابق شکل)                                                                                         

 

                  

   

                      

این نوع پیچ سنگها در شرایط مختلفی قابل استفاده اند.از جمله امتیازات آنها،نظیر انـــــــواع شــــــکاف وگوه،قابل استفاده بودن آنها بلافاصله پس از نصب است.ازسوی دیــــــــگر نصب آن،نیازبه کارگران ماهر ونظارت دقیــق دارد،به ویژه اگر همراه با تزریق مورد استفاده قرار گیرند،تخصص بیشتری مورد نیاز است.این سیستم در بسیاری موارد به عنوان سیــــــــــستم نگهداری دائمی تونلها مورد استفاده قرار می گیرد.

به طور کلی توصیه می شود که پیچ های این قبیل پیچ سنـــگها،حتی المقدور ریز نباشد،زیرا پیچ های ریز،خیلی سریــــــع صدمه می بینند.همچنین بهتراست به جای تراش پیچ،از سیستم نورد پیچ استفاده  شود که البته این نوع پیچ سنگ،گرانتر از بقیه انواع است.

پس از نصب پیچ سنگ، باید دقت شود که به حد کافــــی کشیده شود تا این اطمینان بدست آید که تمام اجزای توده سنگ، در تماس کامل با هم هستند. در مواردی که پیچ سنــــــگ باید بار قابل توجهی را حمل کند،توصیـــــــــه شده است که تا 70% ظرفیت تحملی خود، تحت کشش اولیه قرار گیرد.

یکی از مهم ترین دلایل شکستگی پیچ سنگ ها، خوردگی میله ی آنهاست. بدین منــــــــظور، فضای خالی بین میله ی پیچ سنگ و جدار داخلی چـــــــــال را با دوغاب پر می کنند. این امر به ویژه وقتی که از پیچ سنگ به عنوان سیستم نگهداری دایمی استفاده می شود، بیشتـــــــر ضرورت می یابد.

روش مرسوم برای تزریق دوغاب به داخل چــــال، استفاده از لوله ی کوتاه تزریق دوغاب و لوله ی کوچکتری مرسوم به لوله ی هوا گیری است که تا انتهای میله ی پیچ سنگ ادامـــــه می یابد. قبل از قرار دادن پیچ سنــــــــــگ در چال، این لوله را به آن وصل می کنند و لذا این امکان وجود دارد که به هنگام قرار دادن پیچ سنگ در داخل چال،آسیب ببیند. با اســــتفاده از پیچ سنگ های با میله ی تو خالی چنین اشــکالاتی بر طرف می شود.گر چه استفاده از چنین میله های تو خالی سبب آسان تر شدن محل تزریق می شود اما در عین حال، ســـــاخت چنین پیچ سنـــــــــگ هایی گران تر از انواع معمولی است. با این وجود، در مواردی که پیچ سنگ سیستم نگهداری دایمی را تشکیل می دهد، استفاده از آن توصیه شده است. به هنــــــــــــگام استفاده از این نوع پیچ سنگ های تو خالی، از یک لوله ی کوتاه به عنوان لوله ی تزریق و از سوراخ سراسری میله به عنوان هواگیری استفاده می کنند. این امر در مورد چــــــال های سرازیر بر عکس انجام می گیرد؛ یعنی در این موارد از لوله ی میانی دوغاب تزریق می کنند و هوا گیری به کمک لوله ی کوتاه تزریق انــجام می گیرد.شکل زیر تجهیزات تزریق دوغاب در مورد پیچ سنگ های با پوسته ی منبسط شونده را نشان می دهد.

                                                 

 

از آنجا که هدف اصلی از تزریق در مورد پیچ سنگ های با گیرش مکانیکی، جلوگـــــیری از خوردگی میله ی پیچ سنگ و استحــکام بیشتر آن است لذا استحکام دوغاب در مقایسه با پیچ سنگ های تزریقی اهمیت کمتری دارد.در واقع، دوغاب باید در عین سفت بودن، به آســــانی قابل پمپاژ باشد. بدین منظور تــــــهیه ی دوغابی با نسبت آب به سیمان 4/0 تا 5/0، مناسب

است. آنچه که در این مورد اهمیت دارد، حــــصول اطمینان از پر شدن فضای خالی بین جدار داخلی پیچ سنگ و جدار داخلی چال است. برای دستیابی به این منظور عمل تزریق باید آنقدر ادامه یابد که خروج حباب های هوا از لوله ی هوا گیری متوقف شود.

                                             

 

                          

          نمونه ای دیگر از پیچ سنگ های با پوسته ی منبسط شونده تجهیزات تزریق

 

 

پیچ سنگ های مکانیکی در مواردی که تحت تأثیر ارتــعاشات ناشی از آتش باری و یا موارد مشابه آن قــــــرار گیرند و یا وقتی که اصــــــــــولاً در سنگ های ضعیف به کار روند، سست می شوند. در چنین مواردی بهتر است از پیچ سنگ هایی استفاده شود که گیرش آنها نقطـــه ای نیست، بلکه تمام طول پیچ سنــــگ را در بر می گیرد. این گروه از پیچ سنگ ها را به نام پیچ سنگ های تزریقی می نامند.بسته به نوع ماده ای که برای محکم کردن پیچ سنــــــگ در چال به کار می رود، این گروه را به دو دسته ی دوغاب وچسبی تقسیم می کنند که در زیر به شرح آنها می پردازیم:

الف) پیچ سنگ های دوغابی

برای نصب این پیچ سنگ ها، نیمی از طول چال را با ملات مرکب از سیمان، ماسه ی ریز و آب پر می کنند و دهـــــــانه ی چال را با درپوشی می بندند تا از ریزش دوغـــــــاب جلوگیری شود(مطابق شکل).  

                                                   

 

برای خروج حباب های هوا، یک لوله ی کوچک پلاستیکی را به وسیله ی نوار چسب به پیچ سنگ می چسبانند و آن را به داخل چال می رانند. پس از اینکه دوغـاب سیمان خود را گرفت پیچ سنگ به خوبی در جای خود محـــــــــکم می شود و پس از این مرحله با نصب صفحه ی اتصال و با استفاده از پیچ، آن را محکم می بندند.

در مواردی که سنگ، درزه و شکاف داشته باشد، آب ملات به آســــــانی از طریق این درز و شکاف ها هرز می رود. برای رفـــع این مشکل، مطابق شکل زیر قبل از تزریق دوغاب، یک لوله ی مشبک در چال قرار می دهند. هنــــــگامی که میله ی پیچ سنگ در چال فرو می رود، دوغاب از طریق این سوراخ های ریز به داخل چال تزریق می شود.

                                                   

                                                  

               نحوه ی نصب پیچ سنگ های دوغابی دی سنگ های درز و شکاف دار

 

در مورد این پیچ سنـــــگ ها،انتخاب نوع ملات اهمیت زیادی دارد. بدیهی ست مقاومت ملات نسبت به گذشت زمان افزایش می یابد و پس از یک هفتـــــــــــه، مقاومت آن به حدود 50% مقاومت نهایی می رسد. از سوی دیگر، مقاومت نهایی ملات به نسبت سیمان، آب و ماســـــه بستگی دارد. در نمودار زیر تغییرات مقاومت ملات نسبت به زمان به ازای مقادیر مختلف

      وزن آب

  ـــــــــــــــــــ  = α، نشان داده شده است.

    وزن سیمان   

                                     

                                   

                          تغییرات مقاومت ملات نسبت به زمان به ازای مقادیر مختلف α

 

اخیراً شیوه ی مؤثری برای نصب این پیچ سنگ ها ارائه شده است. بدین منظور، لـــول های محتوی سیمان و مواد افزودنی لازم با پوششی از کاغذ های نفوذ ناپذیر در برابر آب تـــــهیه می شوند. پس از حفر و آماده سازی چال، این لول ها را به مدت چند دقیقه در آب می اندازند و سپس آنهارا به داخل چال فرو می کنند. در مورد چال های سر بالا، برای راندن لول بـــــــه داخل چال،از سمبه های چوبی استفاده می کنند. پس از آنــکه به تعداد کافی لول در داخل چال قرار گرفت، پیچ سنگ را به داخل چــــــال می رانند که در نتیجه پوشش کاغذی دور لول پاره شده و سیمان و مواد همراه آن داخل چال و دور پیچ سنــگ را پر می کنند و بدین ترتیب پیچ سنگ در داخل چال محکم می شود. در شکل صفحه ی بعد  نمونه ای از این لول ها نشــــــان داده شـــــــده است.

             

 

 

ب) پیچ سنگ های چسبی

اگر چه با استفاده از پیچ سنـــــــــگ های دوغابی، مشکل گیرش کامل پیچ سنگ بر طـــــرف می شود اما اشـــــــکال عمده ی این نوع پیچ سنگ ها، طولانی بودن زمان محکم شدن ملات سیمان است. تهیــــه ی ملات منـــــــاسب برای هر وضعیت از جــــمله دیگر مشــــــکلات این پیچ سنگ هاست.

برای رفع این مشــــــکلات به جای تزریق دوغاب سیمانی، از چسب های مخصوصی استفاده می کنند که ظرف مدت چند دقیــــــقه خود را می گیرد و مقاومت مکانیــــــــکی کافی به دست می آورد.

چسبی که برای گیرش پیچ سنگ ها به کار می رود بسیار متنوع است و شرکت های مختلف انواع متفاوتی از آن را می سازند. به عنوان مثال ترکیبات اصلی یک نوع چسب که در این مورد به کار می رود به شرح زیر است:

چسب پلی استر: 5/28 درصد

مواد پر کننده(معمولاً پودر سنگ آهک): 66 درصد

شتاب دهنده: 5/0 در صد

بقیه ی ترکیب این چسب را مواد کاتالیست تشکیل می دهد.

به جای پودر سنگ آهک، از پودر سایر انواع سنگ ها نیز استفاده می شود. علت اصـــــــلی استفاده از مواد پر کننده، کاهش میزان انقباض چسب پس از خشک شدن و نیز کاهش مقدار پلی استر مصرفی ست؛ زیرا چسب به مراتب گران تر از پودر سنگ است. شتاب دهنده نیــــز واکنش بین کاتالیست و چسب پلی استر را تسریع می کند و بنابر این مخلوط آن ها سریــع تر خود را می گیرد. برای آنکه این مخلوط قابل استفاده باشد، مخلوط چسب پلی استر، پر کننده و شتـــــاب دهنده از یک طرف و کاتالیست از طرف دیگر در بسته های جداگانه ای نگهداری می شود. در عمل این مجموعه را در لول هایی به شکل سوسیس به گونه ای تهیـــه می کنند که لول کاتالیست در داخل لول چسب قرار گیرد و بین آنها ورقه ی پلاستیکی قرار می دهــند.

شکل زیر لول چسب برای استفاده در پیچ سنگ های چسبی را نشان می دهد.

 

 

طول لول چسب بین 30 تا 120 سانتیمتر تغییر می کند و قــــــطر آنها 5/2 تا 5/3 سانتیمتر است. معمولاً این چسب ها ظرف مدت 5 دقیقه به خوبی سفت می شوند .

بــــــه هنگام بررسی مقاومت پیچ سنگهای چسبی دو نکته مهم را باید در نظــــــــــــر داشت.

نخست مقاومت سنـــــــگها که درواقع به نوع سنگ بستگی دارد.ثابت شده است که سنگهای   ضعیف ترنسبت به سنگهای محــــــکم به چسب بیشتری نیاز دارد. نکته دوم آنکه طـــــــــول چسبندگی نقش مهمی در مقــــــاومت پیچ دارد. مقاومت پیچ سنگ تابع خطی طــــــــول بخش چسب خورده است. سنگ هایی که این آزمایشات در باره ی آنها انجام گرفته از نوع گرانیت، سنــــگ آهک، ماسه سنگ، زغال سنگ و چاک بوده است. این بررسیــــــــــها نشان داده که مقاومت پیچ سنـــــــگ های چسبی به طور متوسط 7/1 تا 3برابر مقاومت انواع مکانیــــکی بوده است.

در شکل زیر مراحل نصب پیچ سنــــــگ های چسبی نشان داده شده است.  به طوری که دیده

می شود این مراحل شامل موارد زیر است:

الف) حفر چال

 ب) قراردادن لول چسب در داخل چال

 ج)فروراندن پیچ سنگ به داخل چال

د)پیچاندن میله پیچ سنگ در داخل چال طبق نظر کار خـــــــــــــانه سازنده که در اثر آن پاکت محتوی دو قسمت پاره شده و این دو قسمت با هم مخلوط می شوند.

ه)اعمال فشار به پیچ سنگ به وسیله ی  ماشین رانش به مدت 20 تا30 ثانیه

 و)بستن پیچ دهانه

این نوع پیچ سنـــــگ ها را می توان در انواع مختلف سنگ ها و از آن جمله سنــــــگ هایی همچون شل و لای سنگ که در آنها پیچ سنگ های با گیرش مکانیـــکی کاربرد ندارد، به کار برد. در مواردی که از پیچ سنــــــگ به عنوان سیستم نگهداری دایـــــم استفاده می شود(مثل پیچ سنگ هایی که در اطراف پذیرشگاه های چاه های معدنی و یا حفریات بزرگ زیر زمینــی به کار می رود) باید نهایت ســــعی را به کاربرد که تمامی طول پیچ سنگ با جدار چال درگیر

 شود(مطابق شکل زیر)

 

/ 1 نظر / 33 بازدید
ساداتی

خیلی ممنون مفید بود.