الحفر والتفجير

الحفر والتفجير هما استخدام مُتحكم به للمتفجرات وغيرها من الأساليب، مثل التفجير بالغاز المضغوط والألعاب النارية، لتكسير الصخور لأغراض الحفر . ويُمارس هذا الأسلوب بكثرة في التعدين واستخراج المحاجر والهندسة المدنية ، مثل بناء السدود والأنفاق والطرق. وتُعرف نتيجة تفجير الصخور عادةً باسم القطع الصخري .

تستخدم عمليات الحفر والتفجير حاليًا أنواعًا عديدة من المتفجرات ذات تركيبات وخصائص أداء مختلفة. تُستخدم المتفجرات عالية السرعة للصخور الصلبة نسبيًا لتفتيتها وتكسيرها، بينما تُستخدم المتفجرات منخفضة السرعة للصخور اللينة لتوليد ضغط غاز أكبر وتأثير اهتزازي أقوى. على سبيل المثال، شبّه دليل تفجير من أوائل القرن العشرين تأثير البارود الأسود بتأثير الوتد، والديناميت بتأثير المطرقة. ^{[ 1 ]} تُعد الخلطات القائمة على نترات الأمونيوم والوقود (ANFO) أكثر المتفجرات استخدامًا في التعدين اليوم نظرًا لانخفاض تكلفتها مقارنةً بالديناميت .

قبل ظهور آلات حفر الأنفاق (TBMs)، كان الحفر والتفجير الطريقة الاقتصادية الوحيدة لحفر أنفاق طويلة عبر الصخور الصلبة، حيث يتعذر الحفر. وحتى اليوم، لا تزال هذه الطريقة مستخدمة في بناء الأنفاق، كما هو الحال في بناء نفق لوتشبيرغ الأساسي . ويعتمد قرار بناء النفق باستخدام آلة حفر الأنفاق أو الحفر والتفجير على عدد من العوامل. يُعد طول النفق عاملاً أساسياً يجب مراعاته، إذ أن آلات حفر الأنفاق الكبيرة المستخدمة في الأنفاق الصخرية تتطلب تكلفة رأسمالية عالية، ولكن نظرًا لأنها عادةً ما تكون أسرع من أنفاق الحفر والتفجير، فإن سعر المتر الواحد من النفق يكون أقل. ^{[ 2 ]} وهذا يعني أن الأنفاق الأقصر تميل إلى أن تكون أقل اقتصادية في بنائها باستخدام آلة حفر الأنفاق، ولذلك تُبنى عادةً باستخدام الحفر والتفجير. كما أن إدارة ظروف التربة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على الاختيار، حيث توجد طرق مختلفة تناسب المخاطر المختلفة في التربة.

يعود استخدام المتفجرات في التعدين إلى عام 1627، ^{[ 3 ]} عندما استُخدم البارود لأول مرة بدلاً من الأدوات الميكانيكية في مدينة بانسكا شتيانيكا المجرية ( السلوفاكية حاليًا) . وسرعان ما انتشر هذا الابتكار في جميع أنحاء أوروبا والأمريكتين.

كانت الطريقة المعتادة لتفجير الصخور هي حفر حفرة بعمق كبير، ووضع شحنة من البارود في نهايتها، ثم ملء ما تبقى منها بالطين أو أي مادة معدنية لينة أخرى، مع دكّها جيدًا لجعلها محكمة قدر الإمكان. ثم يُزال سلك موضوع في الحفرة أثناء هذه العملية، ويُستبدل بسلسلة من البارود. تُشعل هذه السلسلة بفتيل بطيء ، غالبًا ما يكون عبارة عن ورق بني مدهون بالشحم، مصمم ليحترق لفترة كافية تُمكّن من يُشعله من الوصول إلى مكان آمن. ^{[ 4 ]}

أدى عدم اليقين في هذه الطريقة إلى العديد من الحوادث، ما استدعى اتخاذ تدابير مختلفة لتحسين سلامة المشاركين. تمثلت إحدى هذه التدابير في استبدال السلك الحديدي، الذي يُشكل ممر البارود، بسلك نحاسي، وذلك لمنع الشرر الذي قد يُشعل البارود قبل الأوان. كما تمثلت تدبير آخر في استخدام فتيل أمان ، يتكون من سلسلة صغيرة من البارود مُدخلة في سلك مقاوم للماء، تحترق بمعدل ثابت ومنتظم. وقد استُبدل هذا الفتيل لاحقًا بسلك طويل يُستخدم لتوصيل شحنة كهربائية لإشعال المتفجرات. وكان تشارلز باسلي أول من استخدم هذه الطريقة في التفجير تحت الماء ، حيث وظّفها عام 1839 لتفتيت حطام السفينة الحربية البريطانية "إتش إم إس رويال جورج" التي أصبحت تشكل خطرًا على الملاحة في سبيت هيد . ^{[ 4 ]}

كان أول استخدام رئيسي للتفجير لإزالة الصخور في عام 1843 عندما استخدم المهندس المدني البريطاني ويليام كوبيت 18000 رطل من البارود لإزالة جرف طباشيري يبلغ ارتفاعه 400 قدم بالقرب من دوفر كجزء من بناء خط سكة حديد الجنوب الشرقي . وقد تم إزاحة حوالي 400000 ياردة مكعبة من الطباشير في عملية قُدِّر أنها وفرت للشركة ستة أشهر من الوقت و7000 جنيه إسترليني من النفقات. ^{[ 4 ]}

في حين أن عمليات الحفر والتفجير شهدت استخدامًا محدودًا في العصور ما قبل الصناعية باستخدام البارود (كما هو الحال مع نفق بلو ريدج في الولايات المتحدة، الذي تم بناؤه في خمسينيات القرن التاسع عشر)، إلا أنه لم يتم تحقيق إمكاناتها بالكامل إلا بعد تطوير متفجرات أكثر قوة (وأكثر أمانًا) ، مثل الديناميت (الذي حصل على براءة اختراع عام 1867)، بالإضافة إلى الحفارات الآلية.

تم استخدام الحفر والتفجير بنجاح لبناء الأنفاق في جميع أنحاء العالم، ولا سيما نفق فريجوس للسكك الحديدية ، ونفق جوتهارد للسكك الحديدية ، ونفق سيمبلون ، وجونغفراوبان ، وحتى أطول نفق طريق في العالم، ليردالستونلين ، تم بناؤها باستخدام هذه الطريقة.

في عام 1990، استُهلك 2.1 مليار كيلوغرام من المتفجرات التجارية في الولايات المتحدة (12 مترًا ^مكعبًا للفرد)، وهو ما يمثل إنفاقًا يُقدّر بنحو 3.5 إلى 4 مليارات دولار أمريكي (بقيمة عام 1993) على عمليات التفجير. وفي العام نفسه، تصدّر الاتحاد السوفيتي قائمة الدول من حيث إجمالي حجم الاستهلاك، حيث بلغ 2.7 مليار كيلوغرام من المتفجرات (13 مترًا ^مكعبًا للفرد)، بينما سجّلت أستراليا أعلى معدل استهلاك للمتفجرات للفرد في ذلك العام، بواقع 45 مترًا ^مكعبًا للفرد. ^{[ 5 ]}

كما يوحي الاسم، فإن عمليات الحفر والتفجير تتم على النحو التالي:

• يتم إنشاء نمط انفجار
• يتم حفر عدد من الثقوب في الصخر، ثم يتم ملؤها جزئياً بالمتفجرات.
• يتم حشو الثقوب بمادة خاملة لتوجيه قوة الانفجار إلى الصخور المحيطة. ^{[ 6 ]}
• يؤدي تفجير المتفجرات إلى انهيار الصخرة.
• تتم إزالة الأنقاض ويتم تعزيز سطح النفق الجديد.
• كرر هذه الخطوات حتى يكتمل الحفر المطلوب.

يتم تحديد مواقع وأعماق الثقوب (وكمية المتفجرات التي تتلقاها كل ثقب) من خلال نمط مصمم بعناية، والذي يضمن، جنبًا إلى جنب مع التوقيت الصحيح للانفجارات الفردية، أن يكون للنفق مقطع عرضي دائري تقريبًا.

أثناء التشغيل، يمكن استخدام حصائر التفجير لاحتواء الانفجار، وكبح الغبار والضوضاء، ومنع تطاير الصخور، وأحيانًا لتوجيه الانفجار. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

مع تقدم أعمال حفر الأنفاق أو الحفريات، يلزم تدعيم السقف والجدران الجانبية لمنع سقوط الصخور داخل الحفرية. تختلف فلسفة وأساليب تدعيم الصخور اختلافًا كبيرًا، ولكن أنظمة تدعيم الصخور النموذجية قد تشمل ما يلي:

• مسامير تثبيت الصخور أو دبابيس تثبيت الصخور
• الخرسانة المرشوشة
• الأضلاع أو أقواس التعدين والعزل
• مسامير الكابلات
• الخرسانة المصبوبة في الموقع

عادةً ما يتضمن نظام دعم الصخور عددًا من طرق الدعم هذه، وكل منها مصمم للقيام بدور محدد في دعم الصخور مثل الجمع بين تثبيت الصخور بالمسامير والخرسانة المرشوشة.

• 
  حفر ثقوب التفجير باستخدام جهاز Tamrock Scout 700
• 
  حفر ثقوب التفجير في منجم بينغهام كانيون ، يوتا. لاحظ نمط ثقوب الحفر التي يتم تجهيزها للتفجير.
• 
  تعبئة ثقوب التفجير بمادة ANFO
• 
  تم تفجير سطح صخري حديثاً. يُطلق على هذه العملية اسم "التفتيت المسبق"، وهي تقنية تُستخدم لترك سطح أملس.
• 
  تم تشكيل الطريق المنحدر في سايدلينج هيل بواسطة تفجير الصخور
• 
  حصائر تنظيف الإطارات لمنع تطاير الحصى وكبح الغبار.
• 
  خريطة توضح مناطق التطهير أثناء عمليات التفجير في محجر الحجر الجيري. هذه الإشعارات من إعداد المساحين (انظر قسم التضاريس ).
• 
  حفر ثقوب التفجير في محجر الدوليريت في بروسبكت هيل ، سيدني ، أستراليا

• هدم مبنى
• هدم
• الجمعية الدولية لمهندسي المتفجرات

• "انفجار حواجز الستائر الهوائية" Popular Mechanics ، أغسطس 1954، الصفحات  96-97، الانفجار الدقيق المتحكم فيه في عام 1954 لربط الخزانين في محطة توليد الطاقة الكندية في شلالات نياجرا.
• هوجيبوم، تشارلز ل. (1879). "التفجير"  . الموسوعة الأمريكية .
• "التفجير"  . الموسوعة البريطانية . المجلد 4 ( الطبعة الحادية عشرة). 1911. الصفحات 44-48 . هذا مسح شامل للتقنيات المستخدمة في أوائل القرن العشرين.