حفر الآبار

يُعدّ حفر المناجم أو نفق المناجم عملية حفر نفق منجم من الأعلى إلى الأسفل، حيث لا يوجد في البداية أي منفذ إلى القاع. ^{[ 1 ]} وتختلف النفق الضحلة ، التي تُحفر عادةً لمشاريع الهندسة المدنية ، اختلافًا كبيرًا في طريقة التنفيذ عن النفق العميق، الذي يُحفر عادةً لمشاريع التعدين .

يُعدّ حفر الأعمدة من أصعب أساليب تطوير التعدين: فالمساحة المحدودة، والجاذبية، والمياه الجوفية، والإجراءات المتخصصة تجعل المهمة بالغة الصعوبة. ^{[ 2 ]} ويمكن حفر الأعمدة باستخدام الحفر والتفجير التقليديين أو الوسائل الميكانيكية.

تاريخياً، كان حفر مناجم الفحم من بين أخطر مهن التعدين، وكان حكراً على مقاولي التعدين المعروفين باسم " الحفارين" . [ ^{3 ] أما} اليوم ، فيتركز مقاولو حفر المناجم في كندا وألمانيا والصين وجنوب إفريقيا .

يشهد قطاع حفر الآبار الحديث تحولاً تدريجياً نحو المزيد من الميكنة. وقد أظهرت الابتكارات الحديثة في مجال حفر الآبار بكامل وجهها ^{[ 4 ]} (المشابهة لآلة حفر الأنفاق العمودية ) نتائج واعدة، إلا أن استخدام هذه الطريقة، حتى عام 2019، لم يكن واسع الانتشار. ^{[ 5 ]}

تُعد أعمدة المناجم أنفاقًا رأسية أو شبه رأسية ، يتم "حفرها" كوسيلة للوصول إلى جسم خام تحت الأرض، أثناء تطوير منجم تحت الأرض.

تختلف أشكال (في المسقط الأفقي ) وأبعاد وعمق مناجم التعدين اختلافًا كبيرًا تبعًا للاحتياجات الخاصة بالمنجم الذي تقع فيه والتركيب الجيولوجي الذي تُحفر فيه. على سبيل المثال، في أمريكا الشمالية والجنوبية، تُصمم المناجم الصغيرة على شكل مستطيل في المسقط الأفقي مع دعامات خشبية . أما المناجم الأكبر حجمًا فهي دائرية في المسقط الأفقي ومبطنة بالخرسانة . ^{[ 6 ]}

يمكن استخدام مناجم الفحم لأغراض متنوعة، بما في ذلك كوسيلة للهروب في حالة الطوارئ تحت الأرض، والسماح بحركة:

• الناس
• مواد
• خدمات التعدين (مثل الهواء المضغوط، والماء، والردم، والطاقة، والاتصالات، والوقود)
• هواء التهوية
• الصخور المتكسرة (على شكل خام قابل للاستخراج ، أو نفايات غير قابلة للاستخراج)
• أو أي مزيج مما سبق

عندما يكون سطح الحفرة على سطح الأرض، يُطلق عليها اسم بئر ؛ أما عندما يكون سطح الحفرة تحت الأرض، فتُسمى بئرًا فرعية أو بئرًا فرعية . يمكن حفر آبار صغيرة من داخل منجم قائم إلى الأعلى طالما كان هناك منفذ في الأسفل، وفي هذه الحالة تُسمى آبارًا صاعدة .

قد يكون البئر عموديًا أو مائلًا (بزاوية تتراوح بين 80 و90 درجة عن المستوى الأفقي)، مع أن معظم آبار المناجم الحديثة عمودية. إذا كان الوصول متاحًا في قاع البئر المقترح، وسمحت ظروف التربة بذلك، فيمكن استخدام الحفر الرأسي لحفر البئر من الأسفل إلى الأعلى؛ وتُسمى هذه الآبار بآبار الحفر .

في أعقاب كارثة منجم هارتلي ، حيث انسدت البئر الوحيدة في المنجم، ^{[ 7 ]} حظرت المملكة المتحدة المناجم ذات البئر الواحدة عام 1862، وأرست مبدأ ضرورة وجود " مخرج ثانٍ " في جميع المناجم تحت الأرض. وقد تبنت العديد من الدول الأخرى العاملة في مجال التعدين هذا المبدأ، ولذلك غالباً ما توجد الآبار في أزواج (مع وجود طرق بديلة متعددة لتوفير مخرج ثانٍ).

حالياً، يُعدّ البئر الرئيسي في منجم ساوث ديب بجنوب إفريقيا، المملوك لشركة غولد فيلدز المحدودة ، أعمق بئر منجم مستمر ذي رفع واحد في العالم ، حيث يبلغ عمقه 2991 متراً. ^{[ 8 ]} وقد استغرق حفره وتجهيزه، إلى جانب بئري التهوية التوأم، عشر سنوات.

أبرز ما يميز منجمًا مبنيًا بالطريقة التقليدية هو برج الرفع (أو برج الرفع، أو رأس المنجم) الذي يعلو المنجم. وبحسب نوع الرافعة المستخدمة، يحتوي الجزء العلوي من برج الرفع إما على محرك الرافعة أو بكرة (مع تثبيت محرك الرافعة على الأرض). كما يحتوي برج الرفع عادةً على صناديق لتخزين الخام المنقول إلى منشأة المعالجة.

يقع أسفل وحول برج المنجم، على مستوى سطح الأرض، طوق البئر (ويُسمى أيضًا بالضفة أو السطح)، والذي يُوفر الأساس اللازم لدعم وزن برج المنجم، ويُتيح دخول وخروج العمال والمواد والخدمات من البئر. عادةً ما تكون الأطواق هياكل خرسانية مُسلحة ضخمة تتكون من أكثر من مستوى. إذا استُخدم البئر لتهوية المنجم ، يتم دمج حيز أو غلاف في الطوق لضمان التدفق السليم للهواء داخل وخارج المنجم.

يُطلق على الجزء من العمود الذي يستمر في الأرض أسفل الطوق اسم برميل العمود .

في المواقع التي يلتقي فيها أنبوب المنجم بالأنفاق الأفقية، توجد محطة (أو مدخل) تسمح بدخول وخروج العمال والمواد والخدمات من المنجم. ومن هذه المحطة، تمتد أنفاق (ممرات أو معارض أو مستويات) باتجاه جسم الخام ، وقد تمتد أحيانًا لعدة كيلومترات. غالبًا ما تكون أدنى محطة هي النقطة التي يخرج منها الصخر من مستويات المنجم وينتقل إلى المنجم، وفي هذه الحالة، يتم حفر جيب تحميل على أحد جانبي المنجم في هذا الموقع للسماح بإنشاء مرافق النقل.

أسفل محطة البئر الأدنى، يمتد البئر لمسافة معينة؛ وتُعرف هذه المنطقة بقاع البئر . ويربط نفق يُسمى منحدرًا عادةً قاع البئر ببقية أجزاء المنجم. ويحتوي هذا المنحدر غالبًا على مرفق معالجة المياه في المنجم، والذي يُسمى حوض التجميع ، حيث تتدفق المياه بشكل طبيعي إلى أدنى نقطة في المنجم.

تُبطّن العديد من الآبار (وإن لم يكن جميعها) بعد الحفر وتركيب دعامات أرضية مؤقتة . وتؤدي بطانة البئر وظائف متعددة؛ فهي في المقام الأول ميزة أمان تمنع سقوط الصخور السائبة أو غير المستقرة داخل البئر، ثم توفر مكانًا لتثبيت مسامير تثبيت البئر، وأخيرًا سطحًا أملسًا لتقليل مقاومة تدفق الهواء للتهوية.

يعتمد الاختيار النهائي لبطانة البئر على طبيعة الصخور التي يمر بها البئر، فبعض الآبار تحتوي على عدة أقسام مبطنة حسب الحاجة ^{[ 9 ].} أما في حالة حفر الآبار في صخور شديدة الصلابة، فقد لا تكون هناك حاجة للتبطين إطلاقاً، أو قد يقتصر الأمر على تركيب شبكة ملحومة ومسامير تثبيت صخرية . المادة المفضلة لتبطين الآبار هي الخرسانة الكتلية التي تُصب خلف قوالب البئر على طبقات بسمك 6 أمتار مع تقدم البئر (ازدياد عمقه).

استُخدمت الخرسانة المرشوشة ، والخرسانة الليفية، والطوب ، وأنابيب الحديد الزهر ، وقطع الخرسانة مسبقة الصب في مراحل مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، استدعت ظروف معينة استخدام مواد مثل البيتومين وحتى كرات الاسكواش. في الحالات القصوى، وخاصة عند الغرق في طبقات الهاليت ، قد يلزم استخدام بطانات مركبة تتكون من مادتين أو أكثر. ^{[ 10 ]}

لا يصل غلاف البئر إلى قاع البئر أثناء عملية الحفر، بل يتأخر عنه بمسافة ثابتة. تُحدد هذه المسافة بناءً على منهجية الحفر وسماكة الغلاف الدائم. ولضمان سلامة العاملين في قاع البئر، يتم تركيب دعامات أرضية مؤقتة، تتكون عادةً من شبكة ملحومة ومسامير تثبيت صخرية . يُعد تركيب هذه الدعامات (المعروف بالتثبيت بالمسامير ) من أصعب مراحل عملية حفر البئر، إذ يجب تثبيت المسامير باستخدام حفارات صخرية تعمل بالهواء المضغوط .

لهذا السبب، ولتقليل عدد الأشخاص في قاع البئر، نجح عدد من المشاريع في التحول إلى استخدام الخرسانة المرشوشة لتبطينها المؤقت. ويركز البحث والتطوير في هذا المجال على تطبيق الخرسانة المرشوشة آلياً وتسويق البطانات البوليمرية الرقيقة المرشوشة .

عند استخدام العمود للرفع، يُقسّم عادةً إلى عدة أقسام بواسطة مجموعات الأعمدة ، والتي قد تُصنع من الخشب أو الفولاذ . تُسمى العناصر الرأسية في مجموعة العمود بالموجهات ، بينما تُسمى العناصر الأفقية بالوصلات . بالنسبة لموجهات الأعمدة الفولاذية، يتوفر خياران رئيسيان: المقاطع الهيكلية المجوفة والمقاطع ذات الشكل المخروطي. توفر المقاطع ذات الشكل المخروطي العديد من المزايا مقارنةً بالمقاطع الهيكلية المجوفة، بما في ذلك سهولة التركيب، ومقاومة التآكل المحسّنة، وزيادة الصلابة. تتحرك عربات النقل في المناجم على هذه الموجهات بطريقة مشابهة لحركة قطار الملاهي الفولاذي على قضبانه، حيث تحتوي كلتاهما على عجلات تُثبّتهما في مكانهما بإحكام.

بعض الأعمدة لا تستخدم عوارض توجيه، بل تستخدم بدلاً من ذلك حبل سلك فولاذي (يسمى حبل التوجيه ) يتم الحفاظ عليه مشدودًا بواسطة أوزان ضخمة في أسفل العمود تسمى أوزان الجبن (بسبب تشابهها مع قطعة أو عجلة الجبن) حيث يسهل صيانتها واستبدالها.

تُستخدم أكبر حجرة عادةً لقفص المنجم ، وهو عبارة عن وسيلة نقل تُستخدم لنقل العمال والإمدادات تحت سطح الأرض، ويتم تعليقها من الرافعة بواسطة حبل سلكي فولاذي. ويعمل بطريقة مشابهة للمصعد . قد تكون الأقفاص ذات طابق واحد أو طابقين، ونادرًا ما تكون ثلاثية الطوابق، وتحتوي دائمًا على أنظمة أمان احتياطية متعددة في حالة حدوث عطل غير متوقع.

تُستخدم الحجرة الثانية لرافعة أو أكثر ، تُستخدم لرفع الخام إلى السطح. تستخدم عمليات التعدين الصغيرة رافعة مثبتة أسفل القفص، بدلاً من جهاز منفصل، بينما تحتوي بعض المناجم الكبيرة على أعمدة منفصلة للقفص والرافعات. تُستخدم الحجرة الثالثة كمخرج طوارئ؛ وقد تحتوي على قفص إضافي أو نظام سلالم. تحتوي حجرة إضافية على خدمات المنجم مثل كابلات الجهد العالي وأنابيب نقل المياه والهواء المضغوط ووقود الديزل .

ثمة سبب آخر لتقسيم البئر وهو التهوية . يمكن استخدام حجرة أو أكثر من الحجرات المذكورة أعلاه لسحب الهواء، بينما تُستخدم حجرات أخرى لسحبه. في هذه الحالة، يُركّب جدار فولاذي أو خرساني يُسمى " الحاجز" بين الحجرتين لفصل تدفق الهواء. في العديد من المناجم، توجد بئر مساعدة منفصلة أو أكثر، مزودة بمعدات رأسية وأقفاص منفصلة.

تُعرف أدنى نقطة في بئر الحفر باسم "قاع البئر". وتختلف مشاريع الآبار عن بعض أشكال تطوير المناجم الأخرى في أن جميع الأنشطة التي تُجرى في قاع البئر تُصبح جزءًا من المسار الحرج لجدول المشروع. ويُشار إلى البنية التحتية اللازمة لحفر البئر باسم "مجموعة تجهيز الحفر".

من المعتاد أن يتبع التقدم (معدل الحفر) في مرحلة حفر الآبار (أي الحفر، ودعم التربة، والتبطين) منحنى التعلم ، حيث يكرر فريق المشروع نفس سلسلة الأنشطة مرارًا وتكرارًا فيما يُعرف بـ"دورة الحفر"، وصولًا إلى الحد الأقصى النظري لمعدل الحفر مع مرور الوقت. لذا، يُعدّ الاستعانة بخبراء حفر آبار ذوي خبرة أمرًا ضروريًا لتقليل مدة منحنى التعلم هذا، وبالتالي تقليل مدة المشروع قدر الإمكان.

من أهم عوامل نجاح مشروع حفر الآبار ما يلي:

• التأكد من صحة وتركيب المكونات المختلفة لنظام الغمر في الوقت المناسب.
• إشراك أشخاص ذوي خبرة منذ المراحل الأولى للمشروع قدر الإمكان
• استخدام الوقت المتاح في أسفل العمود بأكبر قدر ممكن من الكفاءة.

على الرغم من التركيز الكبير الذي يوليه خبراء حفر الآبار على معدل تقدم دورة حفر المشروع، إلا أن الحفر ليس سوى مرحلة واحدة من بين عدد من المراحل في البناء التقليدي لبئر جديد، كما يلي؛

• الحفر الصندوقي . الحفر الصندوقي هو حفر كبير مربع أو مستطيل الشكل، يُنفذ عادةً باستخدام معدات الحفر وصولاً إلى الصخر الأساسي، حيث يُبنى داخله طوق البئر. من الضروري نقل الأحمال الناتجة عن الطوق، وإطار الرفع، ومعدات الرفع إلى الصخر الصلب لمنع الهبوط غير المخطط له. عندما يكون عمق الصخر الأساسي كبيرًا جدًا بحيث لا يكون الحفر الصندوقي مجديًا اقتصاديًا، أو عندما لا يكون الصخر الأساسي قويًا بما يكفي، يمكن استخدام تقنيات الهندسة المدنية مثل الجدران الحاجزة أو الركائز الخرسانية لإنشاء أساس عميق بدلاً من ذلك.
• مرحلة الحفر التمهيدي . تشمل هذه المرحلة حفر ودعم أول 60 إلى 100 متر من نفق المنجم، وتُنجز عادةً باستخدام معدات صغيرة مثل معدات الحفر اليدوية والهوائية لحفر ثقوب التثبيت ودعم الأرض، بالإضافة إلى حفارات صغيرة لإزالة الأنقاض. خلال هذه المرحلة، يتم رفع الأنقاض والمعدات عادةً بواسطة رافعة متحركة على السطح. من الضروري حفر هذا الجزء من النفق أولاً حتى يتسنى تركيب منصة العمل متعددة المستويات (غالاوي) بمسافة رأسية كافية من قاع النفق لحمايتها من التلف الناتج عن تطاير الصخور أثناء التفجير .
• بناء طوق العمود . من أسفل القطع الصندوقي، يتم بناء طوق العمود من الأسفل إلى الأعلى في سلسلة مخططة من صب الخرسانة.
• إنشاء وتركيب منصة غالاوي (منصة الغمر). منصة غالاوي (المعروفة أيضًا باسم منصة الغمر أو السقالة) هي منصة عمل متعددة المستويات، معلقة في البئر بواسطة رافعات موجودة على السطح. تتيح منصة غالاوي لعمال الغمر العمل بكفاءة على مستويات مختلفة حسب متطلبات مهام دورة الغمر. عادةً ما يتم إنشاء منصة غالاوي على أحد جانبي البئر وإنزالها إلى منطقة الغمر المسبق بواسطة رافعة وهي في حالة شبه مكتملة. بمجرد تثبيتها، يتم تعليق منصة غالاوي من طوق البئر بينما يتم بناء الإطار العلوي فوقها، وغالبًا ما يكون محميًا بحاجز.
• بناء برج الرفع وغرفة الرافعة. بعد بناء الطوق وتركيب جهاز غالاوي، يمكن بناء برج الرفع وغرفة الرافعة (أو غرفة اللف) وتركيب حبال الرافعة والونش. قد يكون برج الرفع مصنوعًا من الفولاذ أو الخرسانة، ويحدد تصميمه طريقة بنائه. يُنقل جهاز غالاوي داخل البئر بواسطة ونشات بطيئة الحركة ومصممة لتحمل أحمالًا كبيرة، بينما تُنقل الدلاء الغاطسة (أو الحُفر) داخل البئر بواسطة رافعة غاطسة سريعة الحركة ومصممة لتحمل أحمالًا أقل من الونشات. لحماية الرافعة (أو الرافعات) والونشات والإلكترونيات الحساسة المستخدمة للتحكم في تشغيلها، تُركّب عادةً داخل مبنى يُسمى غرفة الرافعة (أو غرفة اللف).
• تشغيل نظام الغمر. يجب بعد ذلك تشغيل نظام الغمر للتأكد من أن جميع الأجزاء تعمل كما هو مخطط لها.
• مرحلة الحفر الكامل . تتم جميع أنشطة دورة الحفر (الحفر، وتركيب دعامات أرضية مؤقتة، ووضع بطانة البئر، وتمديد خدمات البئر) في هذه المرحلة من الإنشاء. في البئر الذي يحتوي على مستويات عمل متعددة، يقوم عمال الحفر بإنشاء محطات البئر وأجزاء المحطات الفرعية (أجزاء قصيرة من نفق أفقي يمتد من المحطة) أثناء نزولهم. ولأن معدات حفر هذه المحطات يجب أن تكون صغيرة بما يكفي لتمر عبر فتحات بئر غالاوي، فإن معدل التقدم في إنشاء أجزاء المحطات الفرعية يكون عادةً منخفضًا مقارنةً بما يمكن تحقيقه باستخدام معدات التعدين كاملة الحجم، لذا تُصمم أجزاء المحطات الفرعية عادةً بأقصر طول ممكن.
• تجهيز البئر وتغيير هيكل الرفع. بمجرد وصول البئر إلى عمق التصميم النهائي، يتم إزالة أي تجهيزات مؤقتة، وتقطيع أو تعديل نظام غالاوي ليتناسب مع تركيب نظام البئر الدائم، وتركيب مجموعات البئر (إن لزم الأمر)، وتعديل هيكل الرفع/الرافعات للسماح بالرفع الدائم. وسيتم تركيب أي وسائل نقل دائمة في هذه المرحلة.
• تشغيل الإعداد الدائم. يجب بعد ذلك تشغيل الإعداد الدائم للتأكد من أن جميع الأجزاء تعمل كما هو مخطط لها قبل تسليمها إلى المالك الجديد.

كما هو الحال مع عمق وتصميم الآبار، قد توجد اختلافات كبيرة في هذا التسلسل تبعًا للظروف المحلية. على سبيل المثال، لا تحتاج الآبار في الدرع الكندي عمومًا إلى غلاف عميق ومعقد، نظرًا لصلابة الصخور الأساسية وقربها من السطح. وهذا يقلل من الوقت اللازم لإنشاء غلاف البئر.

تقليديًا، كان مقاولو حفر الآبار يبنون هيكلًا مؤقتًا لتركيب معدات الحفر، ثم يُفكك لإفساح المجال لهيكل دائم. ومع ازدياد تعقيد مشاريع حفر الآبار وطول مدتها بمرور الوقت، أصبح من الشائع دمج جزء أكبر من تجهيزات البئر الدائمة في مرحلة الحفر. وينتج عن ذلك تقليل المدة الإجمالية للمشروع، فعلى سبيل المثال، لا يلزم إزالة أنابيب الخدمة المستخدمة في حفر البئر لإفساح المجال للأنابيب الدائمة.

مع التطورات التي شهدتها تقنية الحفر الرأسي، استُخدمت آلات الحفر الرأسي لإنشاء ثقب تجريبي لحفر الأعمدة، حيثما وُجد منفذ في قاع العمود الجديد. في هذه الحالة، تُخصص مرحلة الحفر لتوسيع هذا الثقب التجريبي إلى قطره الكامل (وهي عملية تُعرف عادةً باسم "التوسيع التدريجي"). تُعد هذه الطريقة أسرع بكثير من الحفر الكامل للواجهة، حيث يتساقط حطام الحفر (الصخور المُهدرة) عبر الثقب التجريبي ويتم التعامل معه باستخدام البنية التحتية القائمة للمنجم خارج المسار الحرج.

• مناجم وأنفاق مهجورة
• أقسام قبعة توب