بخشی از مقاله
ارائه يک سيستم رده بندي جديد به منظور بررسي رفتار سنگ سقف در معادن زغال سنگ
چکيده : موضوع رفتار سنگ سقف در معادن زغال توسط محققين زيادي مورد بررسي قرار گرفته است ؛ اما اين تحقيقات بيشتر در پيشروي ها و تونل هاي معادن زغال بوده ، و به موضوع رفتار سنگ سقف در کارگاه هاي استخراج کمتر توجه شده است . عوامل مختلفي در رفتار سنگ سقف در معادن زغال اثرگذار مي باشند. به طور کلي مي توان اين عوامل را به دو گروه تقسيم بندي کرد. پارامترهاي مربوط به ماده سنگ و پارامترهاي مربوط به توده سنگ . در اين تحقيق سيستم رده بندي جديدي براي رده بندي سنگ سقف در کارگاه هاي جبهه کار طولاني ارائه شده است . بدين منظور ۶ پارامتر مقاومت فشاري تک محوره ، مقاومت کششي ، تاثير رطوبت ، درزه داري ، ضخامت لايه بندي و توجيه فضايي درزه ها و کارگاه مورد بررسي قرار گرفته اند. در اين رده بندي سنگ سقف يک کارگاه جبهه کار طولاني مي تواند امتيازي بين ۱۵.۵ تا ۱۰۰ کسب کند و بر اين اساس مي تواند در يکي از رده هاي بسيار نامقاوم ، نامقاوم ، متوسط ، پايدار و خيلي پايدار قرار گيرد. هر قدر امتياز مربوط به تشکيلات سنگي يک سقف بيشتر باشد، از پايداري بيشتري برخوردار خواهد بود.
واژه هاي کليدي : رفتار سنگ سقف ، معادن زغال ، جبهه کار طولاني ، رده بندي سقف
١. مقدمه
طي دهه هاي اخير استخراج زيرزميني زغال سنگ با روش جبهه کار طولاني بسيار متداول شده است . پيش بيني رفتار سنگ سقف و قابليت تخريب آن در اجراي موفق اين روش و کاهش خطرات ، نقش مهم...ي بر عهده دارد. بررسي آمار حوادث در معادن زغال سنگ نشان مي دهد که ريزش سقف يکي از خطرات عمده اي است که کارگران معادن زيرزميني زغال سنگ با آن مواجه مي باشند [۱].
دليل اين امر آن است که زغال سنگ در بين طبقات رسوبي شامل تناوبي از سنگ هاي مختلف مثل ماسه سنگ ، سيلت استون و شيل قرار دارد که اين طبقات در مقابل نيروي هاي کششي و برشي اعمال شده مقاومت چنداني ندارند. پيشگيري از حوادث ناشي از ناپايداري سقف درکارگاه هاي استخراج معادن زغال سنگ از مباحثي است که هميشه فکر دست اندرکاران را به خود معطوف داشته ولي با توجه پيچيدگي هاي آن کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است . در کشور ما، معدن کاري به صورت سنتي انجام و کنترل سقف معادن کمتر مورد توجه قرار گرفته است . با توج...ه به تفاوت هاي ماهوي در شرايط کاري معادن ايران و ساير کشورها به ويژه از نظر شيب و عمق طبقات ، سرعت پيشروي جبهه کار و نوع وسايل نگهداري کارگاه هاي استخراج ، ارائه نوعي رده بندي که منطبق بر خصوصي...ات و رفتار لايه هاي سنگي موجود در سقف بلاواسطه و شرايط خاص منطقه باشد، ضروري است . در اين تحقيق سعي بر آن است که يک سيستم رده بندي منطبق بر شرايط منطقه توسعه داده شود تا بتوان قبل از احداث يک کارگاه استخراج ، رفتار سنگ سقف و امکان ريزش را بررسي و نگهداري مناسب را پيش بيني کرد.
اين رده بندي به طراحان معادن کمک خواهد کرد تا قبل از مرحله شروع عمليات استخراج يک پهنه جبهه کار طولاني بتوانند شرايط مناسب کار از جمله ابعاد کارگاه استخراج شامل طول جبهه کار، عرض ايمن و مجاز مقابل منطقه عملياتي ، ابعاد پايه ها و لنگه هاي حفاظتي ، احتمال بروز پديده ضربه سقف و همچنين گام پيشروي و تخريب را تعيين و در نتيجه سيستم نگهداري مناسب را پيش بيني کنند.
٢. روش هاي ارزيابي پايداري سقف معادن زغال
طي ساليان گذشته به منظور ارزيابي پايداري سقف معادن زغال و انتخاب سيستم نگهداري لازم ، روش هاي مختلفي ارائه شده است که اين روش ها را مي توان به چهار دسته روش هاي تحليلي ، روش هاي زمين شناسي ، روش هاي مشاهده اي و روش هاي تجربي طبقه بندي کرد [۲]. روش هاي تحليلي معمولا از مفاهيم پايه مقاومت مصالح ، مکانيک جامدات ، تحليل ساختاري و مدل سازي عددي استفاده مي کنند. در روش هاي زمين شناسي اساسا سعي بر کمي کردن ساختارهاي زمين شناسي و ساير خصوصيات موثر بر پايداري سقف مي باشد. روش هاي زمين شناسي مختلفي از جمله استفاده از مغزه هاي حفاري (core drilling)، تهيه نقشه هاي زمين شناسي (geological mapping) و تهيه نقشه ريزش هاي سقف (roof fall mapping) براي تعيين چنين ساختارهايي ارائه شده اند. روش هاي مشاهده اي متکي بر ابزاربندي و اندازه گيري جابجايي ها و نمايش ناپايداري هاي عمده در معادن هستند. نتايج حاصل از اين روش کنترل کننده نتايج و پيش بيني هاي به دست آمده از ديگر روش ها مي باشد. روش هاي تجربي براي ارزيابي پايداري سقف معادن زغال از سيستم هاي رده بندي توده سنگ استفاده مي کنند. در جدول ۱ مهم ترين روش هاي تجربي درج شده است .
٣. پارامترهاي موثر در رفتار سقف معادن زغال سنگ
يکي از موضوعات مهم در رده بندي توده سنگ ، انتخاب پارامترهايي است که عملا بيش ترين اثر را در طراحي هاي مهندسي دارا باشند.
واضح است که هيچ يک از پارامترها يا شاخص ها به تنهايي نمي توانند معرف يک توده سنگ درزه دار باشند. پارامترهاي مختلف تاثير متفاوتي داشته و فقط هنگامي که با هم ترکيب شوند، به طرز رضايت بخشي معرف رفتار توده سنگ خواهند بود[۱۵]. به عقيده وتوکوري خواص مهندسي توده سنگ بيش تر از آن که تابع مقاومت آن باشد، به سيستم ناپيوستگي هاي موجود در آن بستگي دارد.
علاوه بر اين مقاومت توده سنگ غالبا از سطوح مشترک و در هم قفل شده المان هاي مجزا که توده سنگ را تشکيل مي دهند، تاثير مي پذيرد. از ديدگاه مهندسي ، آگاه بودن از نوع و فرکانس ناپيوستگي ها ممکن است مهم تر از دانستن نوع و جنس سنگ باشد.
وتوکوري اظهار مي کند که از آنجا که رفتار مهندسي توده سنگ به مشخصات سنگ سالم و ناپيوستگي ها و وضعيت آب زير زميني بستگي دارد، بدون شک حضور حداقل سه پارامتر زير به منظور طبقه بندي توده سنگ لازم است : يک پارامتر به عنوان معرف مشخصه هاي سنگ سالم ، يک پارامتر به عنوان معرف ناپيوستگي ها و بالاخره پارامتر ديگري که شريط آب زيرزميني را توصيف مي کند [۱۶]. باتوجه به اين که تعيين خصوصيات تعداد زيادي پارامتردر توده سنگ مشکل و حتي غير ممکن است ، مي بايست روش ها و يا مدل هايي توسعه يابند که بتوانند واقعيت پيچيده توده سنگ را تا حد ممکن و با منظور کردن تعداد معين و محدودي پارامتر که نشان دهنده خصوصيات واقعي توده سنگ باشند، ساده کنند [۲].
طي ساليان گذشته سيستم هاي رده بندي متعددي براي توده سنگ پيشنهاد و تکميل شده است . پارامترهايي همچون ماده سنگ (نوع سنگ ، اسم زمين شناسي ، هوازدگي و مقاومت )، ميزان درزه داري سنگ ، تنش هاي برجا، جهت ناپيوستگي يا دسته درزه اصلي ، شرايط درزه ، الگوي درزه ها يا شکل بلوک هاي سنگي ، گسل ها و مناطق ضعيف و خرد شده و نوع و ويژگي هاي فضاي زيرزميني ( ابعاد، جهت و غيره ) به طور مکرر در رده بندي هاي مذکوراستفاده شده اند.
ويتلز و همکاران به منظور شناسايي موثرترين پارامترها در رفتار توده سنگ لايه اي ، معادن زغال کشور انگليس را مورد مطالعه قرار داد. آنها با بررسي دقيق ۲۵۷ مقاله منتشر شده مربوط به اين موضوع ، ليست جامعي از پارامترهاي موثر در رفتار توده سنگ ارائه دادند.
در مجموع ۵۰ پارامتر مختلف طي اين مرحله مشخص شد. به منظور تعيين پارامترهايي که داراي بيش ترين ميزان تاثير بر تغييرشکل توده سنگ مي باشند، اين محققين ۲۰ مدل فرضي را براي بررسي مکانيسم تغييرشکل توده سنگ در نظر گرفتند. سپس اهميت هر پارامتر براي هر مکانيسم شکست و تغييرشکل از ۱ تا ۶ امتياز داده شد. پارامترهاي خيلي موثر در کلاس ۱ و پارامترهاي بي تاثير در کلاس ۶ منظور شدند. در نهايت تعداد ۲۸ پارامتر در کلاس ۱ قرار گرفتند. سپس با حذف پارامترهاي موازي ، ۶ پارامتر مقاومت فشاري تک محوره ماده سنگ ، لايه بندي ، خواص درزه اي ، ميزان قابليت شکاف برداري (Fissility) يا قابليت جدايش لايه ها (Bed separation)، حساسيت در مقابل رطوبت و جريان آب زيرزميني به عنوان موثرترين پارامترها در رفتار توده سنگ لايه اي معرفي کردند[۱۴].
هيچکدام از محققين تاکنون هندسه و توجيه فضايي کارگاه و درزه ها را مورد بررسي قرار نداده اند که اين موضوع در رفتار سقف به خصوص در معادن زغال سنگ ايران اهميت زيادي دارد. از طرف ديگر کليه رده بندي هاي مذکور کاربرد محلي داشته و فقط براي آن محل ها معتبرند. اکثر رده بندي هاي ارائه شده براي کارگاه هاي جبهه کار طولاني و مکانيزه وضع شده اند در حالي که روش استخراج در معادن منطقه مورد مطالعه سنتي بوده و سرعت پيشروي کمي دارند. لذا رطوبت ، هوازدگي و مقاومت کششي تاثير به سزائي در رفتار سقف اين معادن دارند. بنابراين با توج...ه به سيستم هاي موجود طبقه بندي سنگ سقف به کار گرفته شده در ساير کشورها و در نظر گرفتن شرايط خاص زمين شناسي منطقه و روش استخراج ، تعداد ۱۵ پارامتر مندرج در جدول ۲ به عنوان اثرگذارترين پارامترها در رفتار سنگ سقف معادن منطقه البرز شرقي انتخاب شدند.
٤. تعيين امتياز هر کدام از پارامترهاي انتخاب شده
با توجه به ماهيت تجربي کار، به منظور تعيين اهميت هر يک از پارامترها و امتياز مربوط به آن ها، پرسش نامه هايي شامل موثرترين پارامترها مطابق جدول ۲ تنظيم و از ۳۰ نفر مهندس معدن يا زمين شناس که داراي سابقه کار اجرايي در معادن مختلف منطقه بودند، نظر خواهي شد. پس از دريافت پرسش نامه ها ميزان تاثيرات به صورت کمي درآمد، بدين صورت که ميزان اهميت هر يک از پارامترها از ۱ تا ۵ مشخص شد که عدد ۱ نشان دهنده اهميت بسيارکم و عدد ۵ نشان دهنده اهميت خيلي زياد بود. سپس به منظور کاهش پارامترها در حد متداول با سيستم هاي مرسوم ، با ادغام پارامترهاي وابسته (به عنوان مثال جنس سنگ ، اندازه دانه ها و ماتريکس سنگ که مهم ترين عوامل تشکيل دهنده مقاومت فشاري تک محوره هستند) امتياز پارامتر مقاومت فشاري تک محوري سنگ بکر به دست آمد. پس از ادغام پارامترهاي وابسته در نهايت شش پارامتر مقاومت فشاري تک محوره ، مقاومت کششي ، حساسيت در مقابل رطوبت ، خواص درزه ها، ضخامت لايه بندي و توجيه فضايي کارگاه و درزه ها به عنوان موثرترين پارامترها در رده بندي انتخاب شدند. بر اساس تحليل آماري انجام شده بر روي داده ها مقادير تقريبي اهميت هر پارامتر تعيين گرديد. پس از اين مرحله با در نظر گرفتن امتياز هر پارامتر در رده بندي هاي قبلي ، مشاهدات عيني رفتار سقف و قضاوت مهندسي ، امتياز بعضي از پارامترها در حد کمي تعديل و در نهايت امتياز نهايي مربوط به هر پارامتر مشخص شد. جدول ۳ امتياز مربوط به پارامترهاي مختلف موثر در رده بندي را نشان مي دهد
جزئيات اندازه گيري و نحوه امتيازدهي پارامترها در بازه هاي مختلف به شرح ذيل است :
٤-۱. مقاومت فشاري تک محوره
مقاومت فشاري تک محوره سنگ ها در کليه پروژه هاي مهندسي سنگ اهميت ويژه اي داشته و به عنوان معياري تعيين کننده در ارزيابي استحکام سازه هاي سنگي کاربرد دارد. در تئوري ، تعيين مقاومت فشاري تک محوره سنگ ها ساده مي باشد ولي در اجرا جزو آزمايش هاي نسبتا پرهزينه و زمان بر است . اين آزمايش مستلزم تهيه و حمل نمونه به آزمايشگاه ، تهيه مغزه استوانه اي شکل مطابق استاندارد مربوطه و استفاده از دستگاه جک فشاري براي انجام آزمايش به تعداد دفعات کافي براي رسيدن به ميانگين قابل قبول بر اساس استانداردهاي موجود است . عکس العمل سنگ ها درآزمايش تعيين مقاومت فشاري تک محوره ، از يک طرف به شرايط و عوامل مختلف مربوط به خود سنگ از قبيل کيفيت مکانيکي و فيزيکي و ترکيبات مينرالوژيکي و از طرفي به نحوه تهيه نمونه و انجام آزمايش و برخي شرايط محيطي نظير رطوبت و حرارت بستگي دارد. از سوي ديگر برداشت نمونه و انتقال آن به آزمايشگاه باعث تغيير در خواص نمونه شده و خطاي اندازه گيري را به دنبال خواهد داشت . در اين شرايط استفاده از روش هاي ميداني ساده و کم هزينه و در عين حال با دقت قابل قبول که بتواند نتايج نزديک به واقعيت از مقاومت فشاري تک محوري سنگ بکر را ارائه دهد، از اهميت خاصي برخوردار خواهد بود. ازجمله روش هايي که هم مي تواند به صورت آزمايشگاهي و هم به صورت ميداني به کار رود، استفاده از چکش اشميت مي باشد. اين وسيلة قابل حمل به ويژه در عمليات صحرايي مي تواند مقاومت سنگ را به خوبي برآورد کند. ارائه يک رابطه بين عدد اشميت و مقاومت فشاري تک محوري براي کليه سنگ ها از دقت قابل قبولي برخوردار نخواهد بود. در اين تحقيق براي سنگ هاي کمربالاي لايه هاي زغالي معادن البرز شرقي بر اساس آزمايشات بر جا يا ميداني مطابق شکل ۱ رابطه اي بين مقاومت فشاري تک محوره سنگ سقف و عدد چکش اشميت ارائه شد. امتياز مربوط به اين پارامتر با استفاده از جدول ۴ تعيين مي شود.
شکل ۱. رابطه بين عدد چکش اشميت و مقاومت فشاري تک محوره سنگ سقف معادن زغال منطقه البرز شرقي
جدول ٤. تعيين امتياز مقاومت فشاري تک محوري سنگ
٤-٢. مقاومت کششي
