Analytical representativeness versus operational viability in blasthole drill cuttings sampling for the cement industry

لصناعة الإسمنت، تحتاج المصانع إلى تدفق مستمر من الحجر الجيري ذي التركيبة الكيميائية المتسقة. فإذا كان الصخر غنياً جداً ببعض العناصر أو فقيراً جداً في عناصر أخرى، فقد يكون المنتج النهائي ضعيفاً أو تصبح عملية التصنيع غير فعالة ومكلفة. وقبل تفجير الصخور من المحجر، يجب على الجيولوجيين أخذ عينة لفهم ما تحتويه بدقة. وهم يفعلون ذلك عن طريق حفر ثقب في الأرض وجمع الحطام الناتج، أو شظايا الصخور المكسورة، التي تندفع من الثقب. ويُسمى كومة الحطام هذه "المخروط". وتكمن المشكلة في أن هذا المخروط ليس خليطاً متجانساً؛ فبينما يتم حفر الصخر، لا تستقر القطع الثقيلة والخشنة والتراب الناعم والخفيف وفق نمط يمكن التنبؤ به. بدلاً من ذلك، يؤدي تأثير الإعصار الناتج عن المثقاب إلى حدوث انفصال مكاني عشوائي وغير طبقي، مما يعني أن مزيج الأحجام يكون غير متوقع. وهذا الانفصال يعني أنه إذا أخذ الجيولوجي حفنة من أعلى الكومة، فقد يحصل على وصفة كيميائية مختلفة عما لو أخذ حفنة من أسفلها. وبما أن الخطأ في هذه العينة قد يؤدي إلى أخطاء مكلفة في المصنع، فإن إيجاد طريقة لجمع قطعة من المخروط تمثل الكل حقاً يعد مهمة بالغة الأهمية لصناعة الإسمنت.

في محجر للحجر الجيري في أوروغواي، شرع فريق من الباحثين في محاولة لحل هذه المشكلة من خلال اختبار طرق مختلفة لجمع حطام الحفر هذا. لقد عملوا في منجم نشط حيث التكوينات الصخرية معقدة، وتحتوي على حجر جيري مطوي ومتصدع وصخور رسوبية أخرى. اختار الفريق أربعة ثقوب حفر محددة، وقسموا حطام كل منها إلى أربعة أقسام متساوية. وقد تعاملوا مع قسم كامل كمرجع مثالي، حيث أخذوا كل ذرة من المواد الموجودة فيه لمعرفة التركيبة الكاسية والفيزيائية الحقيقية لتلك الكومة. منحهم هذا خط أساس للقياس عليه. أما بالنسبة للأقسام الثلاثة الأخرى، فقد اختبروا ثلاث طرق مختلفة لأخذ العينات. استخدمت الطريقة الأولى أنبوباً بسيطاً يُدفع في الكومة لمرة واحدة فقط. واستخدمت الثانية أنبوباً مشابهاً ولكن تم دفعه ثلاث مرات في نمط مثلثي لجمع المزيد من المواد من أماكن مختلفة. أما الطريقة الثالثة، فقد استخدمت أداة خاصة مصممة للغرف من مركز الكومة وصولاً إلى الحافة في حركة واحدة، بهدف التقاط شريحة من كامل العمق.

وعندما حلل الباحثون النتائج، وجدوا شيئاً مفاجئاً حول سلوك الصخور في هذا المحجر تحديداً. ففي أماكن كثيرة أخرى، يتوقع الجيولوجيون أن يستقر الغبار الناعم على الجزء الخارجي من الكومة بينما تبقى الصخور الخشنة في المركز. ومع ذلك، فإن الآلات المستخدمة هنا، والتي تستخدم تياراً قوياً من الهواء لتنظيف الثقب، خلقت نمطاً مختلفاً. فقد عمل الهواء مثل الإعصار، دافعاً الجسيمات الأكثر نعومة إلى حافة الثقب تماماً، بينما ترك كمية مدهشة من الصخور الخشنة والكتلية في المنتصف. خلق هذا مزيجاً عشوائياً لم يتبع القواعد المعتادة، مما جعل من الصعب جداً تخمين ما تحتويه الكومة بأكملها بمجرد النظر إلى جزء صغير منها.

أظهرت الدراسة أن الطريقة التي جمعت الصورة الأكثر دقة للكومة بأكملها هي الأداة الخاصة التي تأخذ العينات من المركز إلى الحافة. فقد التقط هذا "العينات الشعاعي" التوازن الحقيقي بين الصخور الخشنة والغبار الناعم، وطابقت تحليلاته الكيميائية العينة المرجعية المثالية بدقة تقارب التامة. ومع ذلك، كان لهذه الطريقة عيب رئيسي: فقد جمعت كمية كبيرة من المواد تطلبت وقتاً ومعدات إضافية لفرز العينة وتقليص حجمها لتناسب الحجم الذي يمكن للمختبر التعامل معه. وفي محجر مزدحم حيث لا يتوقف الإنتاج أبداً، تؤدي هذه الخطوات الإضافية إلى إبطاء العمل. أما الأنبوب البسيط الذي يُدفع لمرة واحدة فقط، فقد كان الأسرع والأسهل في الاستخدام، وأثبت أنه الأكثر فائدة من الناحية التشغيلية. ورغم أنه لم يطابق العينة المرجعية بدقة الأداة الشعاعية، إلا أن الدراسة تشير إلى أن عدم اليقين الجيوكيميائي المرتبط به يمكن نمذجته وتصحيحه، مما يجعله خياراً قابلاً للتطبيق للحفاظ على سير العمل في المنجم بسلاسة.

خلص الباحثون إلى أنه بينما تعد أداة أخذ العينات من المركز إلى الحافة هي الأكثر دقة من الناحية العلمية، فإن متطلباتها العالية من حيث التكلفة والوقت تجعل من الصعب استخدامها في بيئة صناعية سريعة الوتيرة. إن الأنبوب البسيط ذو الدفعة الواحدة هو الأكثر عملية للحفاظ على سير العمل في المنجم بسلاسة، حتى وإن تسبب في بعض عدم اليقين في البيانات الكيميائية. ولجسر هذه الفجوة، اقترح الفريق أن أفضل نهج قد يكون الجمع بين الطرق أو متوسط النتائج من العديد من ثقوب الحفر لتنعيم الأخطاء. كما أشاروا إلى أن الطريقة المحددة التي يحرك بها هواء الحفر الصخور هي العامل الرئيسي هنا؛ ولأن هذا المحجر يسلك سلوكاً مختلفاً عن غيره، فإن قواعد أخذ العينات القياسية لا تنطبق عليه. وتسلط الدراسة الضوء على أنه لا يوجد حل مثالي واحد لكل منجم، بل يجب على المشغلين الموازنة بين الحاجة إلى بيانات مثالية والحاجة إلى السرعة، وإيجاد توازن يحافظ على تشغيل المصنع بكفاءة دون فقدان الكثير من الدقة في العملية.