بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی تاثیر تغييرات GSI سقف بلاواسطه بر طول گام تخریب دوره ای معادن زغال سنگ با استفاده از روش عددی
چکیده
روش استخراج جبهه کار طولانی یکی از پرکاربرد ترین روش ها در استخراج معادن زغال سنگ است. از مهمترین پارامترهایی که در ایمنی و موفقیت عملیات استخراجی به روش جبهه کار طولانی موثر می باشد، تخمین طول گام تخریب دوره ای است. چرا که در نظر گرفتن طولی کمتر از مقدار واقعی، می تواند با انتخاب سیستم نگهداری ناکافی، جان معدنکاران را به خطر اندازد و همچنین در نظر گرفتن طولی بیشتر از مقدار واقعی، هزینه های اضافی را به معدن تحمیل نماید. از طرفی وجود ناپیوستگی های موجود در سقف بلاواسطه تاثیرات منفی در طول گام تخریب معادن زغال سنگ دارد. در این تحقیق براساس مدلسازی های عددی متعدد با مقادیر متفاوت GSI طول گام تخریب برای هر حالت از GSI محاسبه گردیده و معادله طول گام تخریب بر اساس تغییرات GSI تعیین گردیده است. به منظور ارزیابی نتایج مدل ارائه گردیده، نتایج حاصل از بررسی طول گام تخریب دوره ای در یازده پانل از معادن هندوستان با نتایج مدل مذکور، مورد ارزیابی قرار گرفته است. با بررسی انجام شده، ملاحظه کردید که نتایج حاصل از مدل ارائه گردیده و نتایج مقادير عملی گام تخریب دوره ای معادن هندوستان، به خوبی با هم منطبق می باشند.
واژگان کلیدی: جبهه کار طولانی، سقف بلاواسطه، گام تخریب، اجزای محدود، GSI
مقدمه
یکی از روشهای پرتولید در معادن زغال سنگ، روش جبهه کار طولانی است. این روش مختص ذخایر لایه ای افقی یا شیب کم می باشد. در روش مکانیزه جبهه کار طولانی، زغال سنگ توسط ماشین شیرر لودر یا رنده، کنده شده و توسط ناو زنجیری به بیرون از کارگاه استخراج انتقال می یابد. سقف کارگاه استخراج نیز توسط نگهداری قدرتی نگهداری می گردد. با پیشروی سینه کار به جلو، سقف بلاواسطه در پشت کارگاه استخراج ریزش می نماید. سقف بلاواسطه قسمتی از لایه های فوقانی لایه استخراجی است که پس از پیشروی نگهداری های قدرتی به سمت جلو ریزش می نماید[9]. شکل ۱ نمایی از روش جبهه کار طولانی را به نمایش می گذارد. لازم به ذکر است که در مواردی سقف بلاواسطه تا فاصله نسبتا دوری از پشت نگهداری های قدرتی ریزش نمی نماید و به صورت طره در می آید[9] که این امر می تواند فشار بسیار زیادی به سیستم نگهداری وارد نماید. براین اساس سقف بلاواسطه را به سه گروه تقسیم می نمایند [32] که عبارتند از: الف: سقف بلاواسطه ناپایدار، ب: سقف بلاواسطه نیمه پایدار، پ: سقف بلاواسطه پایدار. شكل ۲ سقف بلاواسطه نوع پایدار را به نمایش می گذارد. همانگونه که در شکل ۲ ملاحظه می گردد، در بسیاری موارد سقف بلاواسطه تا فاصله نسبتا دوری از پشت سینه کار ریزش نمی کند و می تواند فشار زیادی را به سیستم نگهداری وارد نماید. بنابراین تعیین این فاصله که به طول گام تخریب دوره ای موسوم می باشد، از اهمیت فراوانی به منظور حفظ ایمنی در معادن زغال سنگ برخوردار می باشد چرا که در نظر گرفتن طولی بیش از حد لزوم می تواند فشار مضاعفی را به سیستم نگهداری اعمال نماید . در تعیین طول گام تخریب پارامترهای متعددی دخيل می باشند که از مهمترین آنها ضخامت سقف بلاواسطه، مقاوت لایه های سقف بلاواسطه و میزان ناپیوستگی های موجود در سقف بلاواسطه می باشد [ 32 , 33 ]. در این تحقیق سعی بر آن است که به بررسی میزان تاثیر و مقدار ناپیوستگی های موجود در سقف بلاواسطه در میزان طول گام تخریب معادن زغال سنگ پرداخته شود که در این راستا از روش عددی اجزای محدود به منظور شبیه سازی رفتار توده سنگهای سقف بلاواسطه بهره گرفته شده است. در طی سالیان متعدد روش های مختلفی به منظور بررسی رفتار توده سنگها ارائه گردیده است که این روشها مطابق جدول ۱ می باشند.
یکی از پرکاربردترین روشهای طبقه بندی توده سنگ، روش Geological Strength Index ) GSI )می باشد. در این روش توده سنگ، بر اساس جنس سنگ، ساختار و شرایط ناپیوستگی های موجود در توده سنگ، طبقه بندی می گردد [18] یکی از مزایای این روش، وجود روابط آن با دیگر روشهای طبقه بندی توده سنگ همچون RMR
می باشد (روابط 1 و ۲ و ۳) که باعث سهولت در استفاده از این روش شده و از طرفی با افزایش روز افزون کاربردهای این روش بر قدرت و کارائی این آن نیز افزوده شده است(۴و۵ و ۴۱)
که در این روابط
: RMR امتیاز توده سنگ بینیاوسکی
شاخص کیفیت تونل زنی اصلاح شده
RQD شاخص کیفیت سنگ
jnضریب تعداد دسته درزه
Jrضریب زبری سطح درزه
Jaضریب هوازدگی سطح درزه
لذا به دلیل مزایای فوق الذكر، در این تحقیق به منظور بررسی تاثیر میزان ناپیوستگی های موجود در سقف بلاواسطه و طول گام تخریب دوره ای معادن زغال سنگ از روش GSI استفاده گردیده است.
تخمین اطلاعات مورد نیاز مدلسازی
عددی همانگونه که پیشتر ذکر گردید، در این تحقیق به منظور بررسی تاثیر تغییرات GSI بر طول گام تخریب از روش عددی (و نرم افزارPhase ) استفاده می گردد و سپس نتایج حاصل از مدلسازی عددی با مقادير عملی در تعدادی از معادن هندوستان مورد ارزیابی قرار می گیرد. لذا به منظور استفاده از مدلسازی عددی نیازمند آماده سازی اطلاعات ورودی به نرم افزار می باشیم که در ادامه مطالب به نحوه تخمین این اطلاعات اشاره می گردد.
۱- ارتفاع سقف بلاواسطه
سقف بلاواسطه قسمتی از لایه های بالای کارگاه استخراج می باشد که پس از حرکت نگهداری های قدرتی به سمت جلو ریزش می نماید (شكل 3). به منظور مدلسازی عددی گام تخریب بایستی ارتفاع سقف بلاواسطه در مدل مورد نظر تعيين گردد. بدین منظور روابط متعددی ارائه گردیده است که معتبر ترین آنها توسط سانگ و دنگ ( Song & Deng ) به صورت روابط ۴ تا ۶ ارائه گردیده است [ 43 , 32 ].
در این روابط:
Hm: ارتفاع سقف بلاواسطه m
H: ارتفاع معدنکاری m
d : خم شدگی پایین ترین لایه ریزش نکرده (m)
d.حداکثر خم شدگی (بدون شکسته شدن) پایین ترین لایه تخریب نشده،
cنسبت خم شدگی لایه (قبل از شکسته شدن) به ارتفاع استخراج و M فاکتور تورم می باشد.
مقدار پارامتر C از جدول ۲ و مقدار پارامتر M از جدول ۳ بر اساس جنس لایه های سقف بلاواسطه تعیین می گردد [32]
. به منظور مدلسازی روند تغییرات گام تخریب بر اساس تغییرات GSI مقادير متوسط c = 0.55 و M=1.18 و با ارتفاع لایه استخراجی H = 1.5 m در نظر گرفته شده است[32]، لذا مقدار ارتفاع سقف بلاواسطه Him = 3.75m ما خواهد بود.
۲- نسبت تنش های افقی به تنش عمودی
جهت مدلسازی گام تخریب با نرم افزار های شبیه سازی، نیاز به آگاهی از نسبت تنش های افقی به تنش های قائم می باشیم. بدین منظور مدلهای متعددی ارائه گردیده است که در میان این مدل ها، مدل شئوری[۴] از مقبولیت بیشتری برخوردار است. این رابطه به صورت زیر است
که در این رابطه:
Kنسبت تنش های افقی به قائم
Ehمدول الاستیسیته توده سنگ در جهت افقی(GPa)
Zعمق سازه یا فضای زیرزمینی (m)
به منظور مدلسازی گام تخریب و تعیین نسبت تنش های افقی به تنش عمودی Z=200m و Eh = 2.85 GPA در نظر گرفته شده است [۱ و ۴] که مقدار K=0.37 می شود
۳ - تخمين خصوصیات توده سنگ سقف بلاواسطه اطلاع از خصوصیات رفتاری و مکانیکی توده سنگها، از موارد ضروری در طراحی فضاهای زیرزمینی مانند تونلها و معادن زیرزمینی می باشد. سنگهای بکر (Intact Rock) پس از مقاومت حداکثر دارای مقاومت باقی مانده ای (Residual strength) می باشند که در تحلیل رفتار سنگها در طراحی فضاهای زیرزمینی بسیار حائز اهمیت می باشد [۳]
توده سنگها نیز همچون سنگهای بکر بعد از مقاومت حداکثر دارای مقاومت باقی مانده می باشند که بایستی در تحلیل و طراحی فضاهای زیرزمینی مورد توجه قرار گیرد. تصاویر)۴و۵) رابطه بین GSI ، ابعاد بلوکها و فاکتور شرایط درزه ها در حالت مقاومت حداکثر و مقاومت باقی مانده را برای توده سنگ ها نشان می دهد [۱۰]. رابطه معيار شكست هوک- براون برای بررسی مقاومت توده سنگها به صورت رابطه 8 می باشد (21)
که در این رابطه Mb و s و a ثابت های توده سنگ و مقاومت فشاری سنگ بكر می باشد. مقادیر
Mb و s و a از روابط 9 و 10 و 11 حاصل میگردند .
که در این روابط D فاکتور آشفتگی است که به عواملی چون میزان آسیب دیدگی سنگ تحت تاثير انفجار وابسته می باشد که میزان آن در مواردی که انفجاری در معدن رخ ندهد D=0 می باشد (21)
مقادیر پارامترهای mb وs وa بسیار وابسته به تغییرات GSI می باشند. تصاویر۶ و۷ رابطه بین mb و s و a را با GSI نشان می دهند (10) لذا مقادیر پارامترهای ثابت معیار شکست هوک و براون بسیار وابسته به تغییرات GSI می باشند و از طرفی پارامتر D در حالت مقاومت باقی مانده، برابر با صفر می باشد (D=0)، بنابراین روابط معيار شكست هوک و براون در حالت مقاومت باقی مانده مطابق روابط (۱۲تا۱۵) می باشند (10)
که در روابط فوق mr و sr و ar ثابتهای هوک و براون در حالت مقاومت باقی مانده می باشند. GSI نیز شاخص مقاومت زمین شناسی توده سنگ (GSI) در حالت مقاومت باقی مانده می باشد که نمودار رابطه بین GSI و نسبت مطابق شکل می باشد و همچنین رابطه آنها به صورت فرمول (۱۶) می باشد .
لذا مقادير mr و sr و ar و GSIr که در مدلسازی گام
تخریب نیاز می باشند از روابط ۱۳ تا ۱۶ حاصل می گردند که این مقادیر برای توده سنگ سقف بلاواسطه کارگاه استخراج بر اساس مقادير مختلف GSI ( و روابط ۱۳ تا ۱۶) مطابق جدول ۴ می باشند.
4تخمين خصوصیات مواد قسمت تخریب
با پیشروی سینه کار استخراجی به سمت جلو، مواد قسمت تخریب در زیر لایه های سنگهای سقف مرتبا فشرده می گردند، لذا چگالی، مدول یانگ و نسبت پواسون مواد این قسمت به صورت تابعی از زمان عمل خواهند نمود [17] نتایج حاصل از تجربیات عملی نشان داده است که این پارامتر ها به صورت زیر محاسبه میگردند .
در این روابط به ترتیب چگالی مدول یانگ (MPa) و ضریب پواسون مواد تخریب شده می باشند و t زمان (سال) می باشد . لذا مقادیر پارامترهای فوق برای مدلسازی عددی کارگاه استخراج در این تحقیق بر اساس روابط ۱۷ تا ۱۹ برابر
و می باشد
۵- خصوصیات لایه زغال سنگ و کمر پایین
به منظور مدلسازی یک کارگاه استخراج متعارف، خصوصیات لایه زغال سنگ و کمر پایین بر اساس متوسط پارامترهای مقاومتی این لایه ها در معادن زغال سنگ انتخاب گردیده است که این مقادیر مطابق جدول (5) می باشد[ 12 , 17 , 46 ]
روش عددی و نرم افزار مورد استفاده
یکی از روشهایی که امروزه به صورت گسترده از آن جهت تحلیل سازه های سطحی و زیر زمینی استفاده می گردد، روشهای عددی می باشد که بر اساس آنها نرم افزارهای متعددی نیز ارائه گردیده است.
ش
