بخشی از مقاله
چکیده
نشست زمین جزء جدایی ناپذیر معدنکاری جبهه کار بلند زغالسنگ می باشد. در اغلب موارد، نشست معدنکاری جبهه کار بلند باعث ایجاد ترک هایی در سطح زمین می شود که این ترک ها می توانند باعث ایجاد مشکلات و خسارت به تاسیسات و محیط زیست شود. به منظور بررسی و تحلیل شرایط این ترک های سطحی، از روش عددی المان مرزی استفاده شد. مدلی دو بعدی از مسئله نشست معدنکاری جبهه کار بلند با کد کامپیوتری SEMIQCRACK در محیط فرترن ایجاد و اجرا شد. با جانمایی ترک سطحی در نقاط مختلف روی سطح زمین، مقادیر مختلف فاکتور شدت تنش نرمال شده در نوک ترک موجود به دست آمد. سپس برای عمق های مختلف لایه معدنکاری شده و نیز ضخامت های مختلف لایه معدنی، مقادیر فاکتور شدت تنش نرمال شده به دست آمد. نتایج نشان داد که مقدار فاکتور شدت تنش برای ترک های سطحی به مقدار زیادی بستگی به عمق لایه معدنکاری شده دارد.
-1 مقدمه
معدنکاری جبهه کار بلند یکی از رایجترین روش های استخراج زغالسنگ است. از آنجایی که پس از استخراج جبهه کار، سقف تخریب شده و فرو می ریزد نیاز به فهم اثرات تخریب و نشست وجود دارد. معدنکاری جبهه کار بلند باعث ایجاد آشفتگی تنش در قسمت بین افق استخراجی و سطح زمین خواهد شد .[1] در حالی که به نظر می رسد ناحیه تخریب تنها یک اثر محلی بر همسایگی افق معدنکاری شده دارد، اما انتشار جابجایی های نشست به سمت سطح زمین باعث تحریک ترک ها، درزه ها، جدایش ها و بازشدگی صفحات زمین شناسی ضعیف از پیش موجود مانند گسل ها می شود .[2]
نشست حاصل از معدنکاری موضوع بسیاری از تحقیقات در دهه های گذشته بوده است و امروزه همچنان یک موضوع مهم در زمینه صنعت معدنکاری باقی مانده است. به منظور تخمین، جلوگیری یا کاهش خسارات حاصل از نشست معدنکاری، باید مدلهایی ایجاد شوند که توانایی تعیین پارامترهایی مانند بیشینه مقدار نشست قائم روی سطح زمین، مکان رخداد آن و سایر پارامترهای نشست را داشته باشند .یکی از اثرات مهم نشست معادن زیرزمینی زغالسنگ، ایجاد ترک های کششی در سطح زمین است که حاصل آشفتگی در داخل زمین و روی سطح زمین هستند .[5 ,4] ترک های سطحی یک جنبه مهم از نشست معدنکاری هستند که می توانند باعث آسیب به زیرساخت ها و محیط زیست شوند.
-2 نشست معدنکاری و ترک های سطحی حاصله
هدف اصلی همه روش های پیش بینی نشست این است که ارزیابی دقیق و قابل قبولی از نشست حاصل از معدنکاری و در بعضی موارد از اثرات مرتبط با آن بر روی سازه های سطحی و شرایط زمین ارائه دهند. اغلب مطالعات در مورد پیش بینی نشست، بر اساس شرایط معدنکاری زغالسنگ بوده است. ویژگی خاصی که باعث توجه به زغالسنگ شده است، این حقیقت است که زغالسنگ دارای لای ه های با ضخامت یکنواخت و با گستردگی افقینسبتاً زیاد و توسعه منظم استخراجی است و از این رو قواعدی دارد که روش های پیش بینی نشست می توانند به صورت رضایت بخشی اعمال شوند.
روش های پیش بینی نشست همه به صورتی هستند که به ایجاد یک فرورفتگی سطحی در بالای قسمت استخراج شده معدنی منتج می شود و فرض می شود استخراج به اندازه کافی پیشروی کرده باشد که نشست بیشینه به شکلی ایجاد شده باشد که مسئله به صورت دوبعدی در نظر گرفته شود .[7]
روش های مختلفی برای پیش بینی نشست و یافتن پارامترهای مختلف نشست ایجاد شده اند. می توان این روش ها را در 6 گروه دسته بندی کرد: روش های نظری، تابع پروفیل، تابع تاثیر، گرافیکی، فیزیکی و مدلسازی عددی .[15-8] اساس روش های عددی بر تقریب عددی معادلات حاکم، به عنوان مثال معادلات دیفرانسیلی تعادل، رابطه کرنش-جابجایی و روابط کرنش-مقاومت، است و محصول نهایی آن جابجایی ها و تنش های القایی ایجاد شده در ناحیه مورد تحلیل است. مدل سازی عددی یکی از عملی ترین و موثرترین روش ها برای حل مسئله نشست است .[5]
علی رغم تئوری ها و روش های زیادی که برای محاسبه تغییرات سطح زمین در بالای عملیات معدنکاری زیرزمینی توسط افراد مختلف انجام شده است، تخمین مقادیر و توزیع حرکات افقی در سطح زمین هنوز شفاف و روشن نیست اسلام و همکاران [17] با مطالعه توزیع تنش ناشی از معدنکاری در معدن زغال باراپوکوریا در بنگلادش، نواحی تحت کرنش کششی را مشخص کردند، که در شکل 1 قابل مشاهده است.
در بسیاری موارد کرنش های کششی افقی ایجاد شده می توانند باعث ایجاد ترک های کششی روی سطح زمین شوند .[7] هنگامی که نشست رخ میدهد، معمولاً ترک هایی در همین ناحیه های تحت کرنش کششی ظاهر می شوند. این ترک های کششی سطحیاحتمالاً، منطبق با کرنش های کششی حداکثر رخ خواهند داد.. ترک های قابل توجه، به احتمال زیاد در مقادیر پایین کرنش ها یعنی جایی که کرنش ها کمتر از 2 میلی متر بر متر هستند کمتر رخ می دهند .[18]
از نظر هارتمن، ترک های سطحی ناشی از نشست معدنکاری که در روی زمین به وجود می آیند ممکن است به شکل های مختلف ایجاد شوند و منعکس کننده تنش های کششی یا برشی در زمین هستند . ترک ها یا درزه ها رایج ترین شکل خسارت ناشی از نشست معدنکاری به سطح زمین هستند که می توانند به صورت کاملاً بسته یا در عرض های چند فوتی باشند .[13]
ویتاکر و همکارانش [1] آزمایشی را بر روی نمونه ای از ماسه و پلاستر انجام دادند و به بررسی جابجایی ها در محدوده بین فضای استخراجی و سطح در شیب های مختلف لایه پرداختند. آنها با این آزمایش به بررسی جابجایی های افقی و عمودی پرداختند. بر اساس نتایج آنها جابجایی های ایجاد شده باعث ایجاد کرنش های کششی شدند و سپس کرنش های کششی باعث ایجاد ترک های کششی در سطح شدند.
مسئله ترک های کششی در مورد نشست های حاصل از برداشت آب زیرزمینی بیشتر از نشست حاصل از معدنکاری مورد توجه قرار گرفته است و بررسی های بیشتری بر روی آن انجام شده است. بوور [19] عنوان می کند که تحت شرایط معینی، اضافه برداشت آب زیرزمینی و نشست حاصل از آن می تواند باعث ایجاد ترک هایی در سطح زمین شود. اغلب این ترک ها به صورت شکست های کششی ظاهر می شوند و هیچ انحرافی به صورت قائم یا جانبی ندارند. البته در مسئله نشست معدنکاری، بحث متراکم شدن سنگ و خاک که در مورد برداشت آب زیرزمینی وجود دارد مطرح نیست و می توان گفت که ترک های کششی ایجاد شده در سطح زمین بر اثر کرنش های افقی ناشی از جابجایی های تفاضلی ایجاد می شوند.
-3 روش المان مرزی برای بررسی ترک های سطحی حاصل از نشست
مسائل خاصی در مکانیک سنگ و مهندسی ژئوتکنیک وجود دارد که می توانند به صورت یک مسئله نیم صفحه الاستیک ایده آل سازی شوند، خصوصا در جاهایی که مرز نیم صفحه نشان دهنده سطح زمین است .[20] مسئله گسترش ترک های سطحی حاصل از نشست، مسئله ای است که می تواند به خوبی به صورت یک مسئله نیم صفحه الاستیک ایده آل سازی، مدلسازی و حل شود.
سطح نیم صفحه می تواند مانند هر مرز دیگری در مسئله تلقی شود و می توان آن را به مانند سایر مرزها به المان های کوچکتر تقسیم کرد. سپس معادلات مرتبط با مسئله می توانند به گونه ای ایجاد شوند که شرایط تنش و جایجایی مورد نیاز در این المان ها را ارضا کنند. البته تقسیم کل سطح به المان های مرزی غیرممکن است و لذا یک بخش از سطح با طول کافی باید با این شیوه المان بندی شود. در بیشتر موارد تعداد نسبتا زیادی از المان های مرزی برای نمایش مناسب اثرات سطح در مسئله مورد نیاز است .[20]
با توجه به هندسه و فیزیک مسئله نشست معدنکاری جبهه کار بلند که یک مسئله نیم صفحه - در مقایسه با مسائل تمام صفحه - است و از طرفی قابلیت و دقت بالای روش عددی المان مرزی، از این روش عددی برای بررسی موضوع استفاده خواهد شد تا به مدلسازی نشست حاصل از معدنکاری پرداخته شود و چگونگی گسترش ترک های کششی سطحی حاصل از نشست مورد بررسی قرار گیرد.
-4 روش المان مرزی
روش المان مرزی دارای فواید زیادی است که مهمترین آن به شرح زیر است :[21]
• مجزاسازی فقط در مرزهای مسئله انجام می شود و از این رو ایجاد مدل عددی با روش المان مرزی آسان است.
• برای دامنه های نامحدود، مسئله به سادگی به صورت خارجی فرمول بندی می شود.
• روش المان مرزی اجازه ارزیابی جواب ها و مشتقات شان در هر نقطه از دامنه مسئله و در هر لحظه از زمان را می دهد.
