بخشی از مقاله
چکیده
کلمات کلیدی
تولید زغال، حمل و نقل مناسب افراد، تجهیزات معدنی و تدارکات لازمه زمانی امکانپذیر است که تونلهای معدن از پایداری قابل قبولی بهرهمند باشند. یکی از مواردی که طراحی تونلها را مشکل و پیچیدهتر میکند و
همواره تحلیلها را با عدم قطعیت همراه میکند وجود آب زیرزمینی است. در حین احداث فضاهای زیرزمینی در توده سنگ، آب زیرزمینی از طریق ناپیوستگیها و درزههای موجود در تودهسنگ به داخل فضا راه پیدا می-کند و باعث بروز مشکلات فراوانی از جمله تأثیر بر خواص ژئومکانیکی، کاهش ضریب پایداری ساختاری در توده سنگهای اطراف تونل، سختی کار در شرایط آبدار برای پرسنل و اثرات زیستمحیطی میشود. در بسیاری از نفوذپذیری ساختارهای زمینشناسی رفتار هیدرولیکی تودهسنگ توسط شکستگیها کنترل میشود و برآورد آن نیازمند آبهای زیرزمینی فهم مناسبی از رفتار هیدرولیکی شبکه شکستگیها است. نفوذپذیری وابسته به تنش توده سنگ از مهمترین تودهسنگ
موضوعات برای طراحی و ارزیابی جریان آب زیرزمینی در تونلها است. در این تحقیق تأثیر تنشهای شبکه شکستگی مجزا محصورکننده و پارامترهای مکانیکی درزه بر الگوهای جریان سیال در تودهسنگ در برگیرنده تونل شماره یک معدن زغالسنگ طبس معدن مرکزی زغالسنگ طبس، با استفاده از روش شبکه شکستگی مجزا- المان مجزا مورد مطالعه قرار گرفته است. درزهها مجرای اصلی عبور جریان در مدلها هستند و به طور کلی افزایش نسبت تنشها موجب کاهش نفوذپذیری کلیه مدلها میشود. کاهش مقادیر نفوذپذیری مدلها، ناشی از افزایش بارگذاری نرمال و در نتیجه کاهش بازشدگی درزهها است و همچنین تأثیر زیاد مقدار زاویه اتساع درزهها، در نفوذپذیری و الگوهای جریان
در تودهسنگ درزهدار هست.
-1 مقدمه
در دو دهه گذشته توجه روز افزونی به تحلیل توأمان بین جریان سیال و تنش-تغییر شکل در سنگهای دارای شکستگی وجود داشته است. دلیل این توجه را میتوان در نیازهای شبیه سازی به منظور طراحی و ارزیابی عملکرد جریان آب زیرزمینی در میان پی سد، تونلها و فضاهای زیرزمینی و نظایر آن دانست. با این وجود جریان سیال در میان سنگهای دارای شکستگی هنوز یکی از چالش برانگیزترین مسائلی است که مهندسان ژئوتکنیک با آن روبرو هستند. به طور اساسی این دشواریها از این حقیقت ناشی میشوند که سنگ یک ماده زمینشناسی ناهمگن که دارای شکستگیهای گوناگوگونی با مقیاسهای مختلف است. هنگامیکه پروژههای مهندسی در حال ساخت در تودهسنگ هستند ، در نتیجه تغییرات حالت تنش، تغییر شکلهایی در شکستگیها و سنگ بکر رخ میدهد و به دلیل اینکه سنگ بکر از صلبیت بیشتری نسبت به شکستگیها برخوردار است، بیشتر تغییر شکلها در شکستگیهای موجود در توده سنگ ایجاد میشوند. در نتیجه این تغییر شکلها ممکن است باعث ایجاد شکستگیهای جدیدی و یا گسترش شکستگیهای موجود شوند که این خود باعث ایجاد تغییراتی در ساختار سنگ و خواص هیدرولیکی آن می-شود. به علاوه در بسیاری از تودهسنگها نفوذپذیری سنگ بکر در مقایسه با نفوذپذیری شکستگیها قابل چشم پوشی است و میتوان شکستگیها را مجراهای اصلی عبور سیال در تودهسنگ دانست. بنابراین شکستگیها نقش اساسی در فهم رفتار توأمان هیدرومکانیکی یک سیستم سنگی ایفا میکنند. برای به دست آوردن درک دقیقی از رفتار هیدرولیکی توده سنگ درزهدار میبایست به دقت به مطالعه خواص مکانیکی و هیدرولیکی درزههای موجود در توده سنگ پرداخت .[1]
روشهای پیشبینی جریان آب ورودی به داخل حفریات زیرزمینی را از دیدگاه مدلسازی میتوان به دو دسته پیوسته و ناپیوسته تقسیمبندی کرد. مدلهای پیوسته به دو صورت تحلیلی و عددی، المان مرزی، المان محدود و تفاضل محدود برای محاسبه جریان آب ورودی به داخل حفریات زیرزمینی به کار گرفته میشوند. برای به دست آوردن نتایج قابل اعتماد بالاتر میتوان از روشهای عددی ناپیوسته استفاده کرد چراکه در این روشها هندسه شکستگیها همخوانی مناسبی با وضعیت واقعی دارد. در حال حاضر چنین شرایطی تنها با استفاده از مدل شبکه شکستگی مجزا قابل دستیابی است، این مدلسازیها در قالب دو و سه بعدی انجام میشوند. نکته کلیدی استفاده از شبکه شکستگی مجزا برای مدلسازی رفتار هیدرولیکی توده سنگ و برآورد مناسب خواص هندسه شکستگیها است. مهمترین مشخصه هندسه شکستگیها از نظر هیدرولیکی مقدار بازشدگی شکستگی است که دسترسی مستقیم به این مشخصه ممکن نیست. هر دسته شکستگی مجزا با استفاده از توابع توزیع مربوط به مشخصات هندسی ساخته میشود. اهمیت موضوع جریان سیال در شبکه شکستگیها عاملی تأثیرگذار بر پایداری، جابهجایی و تغییر شکل بلوک، به ویژه در مناطقی که ماتریس سنگ نفوذپذیر است .[2]
لاپسویک و همکاران - 1998 - شبکه شکستگیهای تودهسنگ را به عنوان مسیرهای ذاتی جریان سیال در تودهسنگ بررسی و معرفی کردند .[3] فرهادیان - 1388 - با استفاده از روشهای تحلیلی و عددی - المان مجزا- نرم افزار یودک - که قابلیت کاربرد در محیط ناپیوسته و انجام تحلیل همزمان هیدرولیکی را دارند میزان نشت آب به تونل امیرکبیر را تخمین و بررسی کرده است .[4] ملایوسفی - 1388 - ابتدا مناسبترین توابع توزیع احتمال را برای پارامترهای هندسی شکستگیهای تودهسنگ تعیین کرده است. سپس با استفاده از توابع توزیع احتمال پارامترهای هندسی شکستگیها و روش شبیهسازی مونت کارلو، تعدادی مدل DFN ساخته است .[5] باغبانان - 2008 - تأثیر اندازه تنش روی نفوذپذیری، تغییر شکل و طول شکستگیهای توده سنگ را بررسی کرده است .[6]
وجود درزهها به شدت رفتار هیدرولیکی تودهسنگها را پیچیده میکند. همچنین تحقیقات انجام گرفته بر روی رفتار آبگذری درزهها به خوبی نشان میدهد که رفتار هیدرولیکی درزهها به شدت تحت تأثیر رفتار مکانیکی آنها و تنشهای وارده بر سطوح آنها است. بازشدگیهای درزهها ممکن است در اثر تغییر تنش نرمال باشد و یا در اثر تنشهای برشی وارده درزهها اتساع پیدا کنند . در نتیجه نفوذپذیری سنگهای درزهدار را می توان وابسته به تنش فرض نمود. مطالعات آزمایشگاهی که بر روی رفتار نرمال درزهها انجام گرفته، نشان میدهد که بازشدگی درزهها با افزایش بارگذاری نرمال، به صورت غیر خطی تغییر شکل مییابد و در اثر اعمال تنش نرمال، نفوذپذیری درزه ممکن است تا 3 برابر تغییر کند .[1]
در این پژوهش با استفاده از روش ترکیبی شبکه شکستگی مجزا- المان مجزا به مطالعه تأثیر تنشهای محصور کننده و زاویه اتساع درزهها بر رفتار آبگذری تودهسنگ درزهدار پرداخته شده است. مدلسازی عددی، بر روی تودهسنگ در برگیرنده تونل شماره یک معدن مرکزی زغالسنگ پروده طبس انجام گرفته است. به این منظور مدلهای شبکه شکستگی مجزا در اندازه حجم اولیه معرف 60 - متر در 60 متر - با در نظر گرفتن وابستگی بین طول و بازشدگی درزهها تولید شده است.
-2 معدن مرکزی زغالسنگ پروده طبس
معادن زغالسنگ پروده طبس در شمال استان یزد و جنوب استان خراسان رضوی و در فاصله 75 کیلومتری غرب طبس، در مسیر جاده آسفالته طبس - یزد و در رسوبات زغالدار ایران مرکزی قرار دارد. این معادن با وسعتی حدود 30000 کیلومتر مربع شامل چهار ناحیه - پروده، نایبند، مزینو و آبدوغی - است. ناحیه پروده مهمترین حوضه زغالدار طبس و دارای زغال ککشو است و به لحاظ جایگاه زمینشناسی ساختمانی در زون ایران مرکزی واقع شده است. این حوضههای زغالی اغلب در محیطهای زمینساختی فعال و عموماً ناودیسی تشکیل شدند. سنگهای در برگیرنده این حوضهها شامل کنگلومرا، ماسه سنگ، شیل، سیلت و ماسهسنگ آهکی هستند. معدن مرکزی به صورت مکانیزه و به روش جبهه کار کوتاه استخراج میشود و دارای 3 میلیون تن ذخیره است. تونل شماره یک معدن مرکزی که دارای شیب 8 تا 12 درجه و در عمق 250 متری است .[7] در شکل 1 موقعیت معدن زغالسنگ طبس نشان داده شده است.
شکل:1 موقعیت معدن زغالسنگ طبس .[8]
-1-2 مشخصات هندسی شکستگیها و ناپیوستگیها در منطقه
برای به دست آوردن مشخصات هندسی شکستگیها از ناپیوستگیهای ثبت شده بر روی دیواره تونل شماره یک معدن مرکزی استفاده شده است. با بررسی و ارزیابیهای انجام شده در نهایت سه دسته شکستگی اصلی M1 ، M2 و M3 به عنوان الگوی شکستگیداری تودهسنگ درونگیر تونل در نظر گرفته شده است. خصوصیات مربوط به توده سنگ درونگیر تونل، ناپیوستگیهای تونل و مشخصات این سه دسته شکستگی اصلی در جدولهای 1،2،3 و4 آورده شده است.
