بخشی از مقاله
چکیده
تاکنون روشهای طراحی سنتی و تجربی زیادی برای طراحی پایه در روش اتاق و پایه ارایه شده است. به دلیل محدودیتهای موجود در روشهای طراحی سنتی و تجربی ، امروزه روشهای عددی بطور وسیعی برای طراحی پایه به کار میروند. در این تحقیق هدف تعیین پارامترهای موثر بر بازیابی پایهها در روش استخراج اتاق و پایه معدن زغالسنگ پروده طبس با در نظرگرفتن ترتیب مراحل استخراج با استفاده از مدلسازی عددی در نرمافزارFLAC3D است.
نتایج حاصل از مدلسازی عددی بازیابی پایه با در نظرگرفتن پارامترهای ژئومکانیکی موثر و تحلیل حساسیت، نشان داد که با افزایش عمق، چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی و مدول الاستیسیته، فاکتور ایمنی پایههای زغالی به ترتیب کاهش، افزایش، افزایش و افزایش مییابد، این در حالی است که در اثر تغییرات پارامترهای مذکور میزان بازیابی به ترتیب با ضریب همبستگی 0/93، 0/95، 0/97و 0/99 کاهش، افزایش، افزایش و افزایش مییابد. با توجه به نتایج فوق میتوان نتیجه گرفت که پارامتر عمق بیشترین تأثیر بر میزان بازیابی پایه دارد.
-1 مقدمه
روش استخراج اتاق و پایه یکی از قدیمیترین و متداولترین روشهای استخراج است که کاربرد بیشتری در معادن زغال-سنگ دارد. این روش، یک روش استخراج بدون نگهداری است که در آن فضای استخراجی با الگویی منظم یا غیرمنظم حفر میشوند. در این روش برای نگهداری سقف، قسمتی از ماده-معدنی به صورت پایه باقی میماند و بنا به مقاصدی از جمله نگهداری، حفاظتی و کنترلی برجای گذاشته میشوند. جاگذاری بیش از اندازه مادهمعدنی اقتصادی بودن طرحهای معدنکاری را زیر سوال برده و جاگذاری کم آن نیز مشکلات نگهداری را در پی خواهد داشت.
پایههای بهجا مانده به منظور افزایش بازیابی و بهرهوری از منابع زغالی در یک عملیات مجزا که به نام معدنکاری ثانویه، معدنکاری پسرو یا بازیابی پایه شناخته میشود، به صورت جزیی یا کلی استخراج میشوند. بار وارده بر پایه با روشهای تحلیلی، تجربی، عددی و در بعضی مواقع با انجام آزمایشهای برجا برآورد میشود. تاکنون روشهای تحلیلی و تجربی زیادی برای برآورد مقاومت پایه ارایه شده است. روشهای عددی امکانات مناسبی را در اختیار طراح قرار میدهد که با استفاده از آنها میتوان شرایط مرزی مسأله، خصوصیات رفتاری پایه، چگونگی توزیع بار وارد بر پایه و ترتیب مراحل استخراج را در طراحی پایه منظور کرد.
در این تحقیق هدف تعیین پارامترهای موثر بر بازیابی پایهها در روش استخراج اتاق و پایه در سنگهای نرم - زغالسنگ - است. به این منظور ضمن مدلسازی روش اتاق و پایه با پایههایی به ابعاد 10 در 10 متر، تحلیل حساسیت بازیابی پایه نسبت به خصوصیات چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی، مدول الاستیسیته و عمق بررسی شده است.
-2 پیشینه تحقیق
بطور کلی طراحی پایه با توجه به مقدار و چگونگی توزیع بار وارده بر پایه و مقاومت پایه به کمک روشهای تحلیلی، تجربی و عددی انجام میشود. از اینرو ابتدا بار وارد بر پایه و چگونگی توزیع آن برآورد میشود. پارامترهایی چون ضخامت، وزن مخصوص روباره، عرض اتاق، ارتفاع پایه، طول پایه، خواص مکانیکی مادهمعدنی و سنگهای سقف و کف کارگاه تأثیر زیادی بر الگوی توزیع تنش در پایه دارند. تاکنون نظریههای متعددی برای محاسبه تنش وارد بر پایهها ارایه شده است که از آن جمله میتوان به نظریههای سطح تأثیر، مقاومت نهایی و قوس فشار اشاره کرد که با کاربرد آنها تنها میتوان تنش وارد بر پایه را برآورد کرد. همزمان با محاسبه تنش وارد بر پایه به کمک یکی از نظریههای بالا، باید مقاومت پایه محاسبه شود
اولین روابط تجربی برای محاسبه مقاومت پایه در سنگ-های نرم و برای معادن زغالسنگ ارایه شده است. در جدول 1 خلاصه روابط مهم تجربی برای محاسبه مقاومت پایه در زغال-سنگ بیان شده است. در این جدول، WP، HP به ترتیب عرض و ارتفاع پایه، ، مقاومت پایه ، مقاومت فشاری تک محوری زغالسنگ است. با توجه به محدودیتهای بیان شده در مورد روشهای تجربی استفاده از روشهای عددی ضروری است. در روشهای عددی امکان در نظر گرفتن محدودیتهای روشهای تجربی وجود دارد.
جدول:1 خلاصهای از روابط مقاومت پایه در زغالسنگ
-3 موقعیت جغرافیایی و زمینشناسی منطقه
حوضه زغالدار طبس در فاصله 80 تا 200 کیلومتری جنوب و جنوب غرب طبس واقع و با توجه به وضعیت زمینشناسی آن به سه ناحیه پروده، مزینو و نایبند تفکیک و مورد مطالعه قرار گرفته است. این حوضه زغالدار به ناحیه پروده، نایبند و مزینو تقسیمبندی شده که زغال پروده و نایبند از نوع ککشو و زغال مزینو حرارتی است. حوضه طبس در جنوب غربی شهر طبس بین گسل نایبند در شرق و گسل کمر مهدی در غرب واقع گردیده است. گسلهایی با روند شمال شرق و جنوب غرب آن را به پنج منطقه به نامهای 4،3،2،1 و شرقی تقسیم مینماید. در ناحیه پروده پنج لایه زغالی به نامهای وجود دارد که در طول 40 کیلومتر دارای رخنمون هستند.
ناحیه پروده، جزو مناطق کویری با آب و هوای خشک و قارهای محسوب میشود که نوسانات درجه حرارت شبانهروزی و ماهیانه آن زیاد است
-4 مدلسازی عددی
در این تحقیق از نرمافزار که از روش تفاضل محدود بهره میبرد برای مدلسازی عددی استفاده شده است. با توجه به اینکه از مدلهای ارایه شده در این مقاله برای تحلیل و تعیین پارامترهای موثر بر پایههای باقیمانده در روش اتاق و پایه معدن زیرزمینی زغالسنگ طبس استفاده شده، هندسه مدل با توجه به مشخصات هندسی اتاق و پایههای این معدن مدلسازی شده است و نحوه ایجاد پایه در حین استخراج به دقت توسط نرمافزار شبیهسازی شده است. سطح تأثیر - Wt - در تمام مدلهای ساخته شده ثابت است. ارتفاع پایه نیز در تمام مدلها ثابت و متناسب با ارتفاع پایه در معدن زغالسنگ طبس انتخاب شده است. با در نظر گرفتن شرایط معدن زغال-سنگ طبس، فرض شده است که پایهها در عمق 100 متری از سطح زمین قرار دارند. در شکل 1، نمای کلی یک پایه مدل-سازی شده نشان داده شده است.
مدلسازی عددی در نرمافزار FLAC3D در 5 مرحله به ترتیب زیر است:
-1 مشخص کردن مرزها و خصوصیات مواد
-2 تشکیل هندسه مدل و مشبندی
-3 اعمال شرایط مرزی و شرایط اولیه
-4 مدلسازی عملیات استخراج راهروها به منظور ایجاد پایه
-5 تحلیل مدل و بدست آوردن نتایج
لازم به ذکر است که به دلیل محدودیت در حجم مدل هندسی، تنها 3 ردیف از پایههای این پهنه به منظور ایجاد مدل در نظر گرفته شدهاند. همچنین جهت اعمال شرایط مرزی در اطراف پهنه، پایههای حایلی به عرض 10 متر در اطراف پهنه باقی گذاشته شده است.
لازم به ذکر است در مدلسازی عددی انجام شده، مجموعهای از پایهها مدل شده است و تأثیر پارامترهای موثر بر روی بازیابی پایه در یک پایه انتخابی در وسط مدل بررسی شده است.
شکل:1 شمایی از بلوک مدل ساخته شده در نرمافزار FLAC3D
-1-4 نحوه بارگذاری پایه
در روش استخراج اتاق و پایه با پایههای منظم، قطعه معدن ابتدا راهروهایی با تعداد تکههای استخراجی تقسیم میشود. استخراج اتاقها از راهروها شروع شده و توسط میانبرهایی در فاصلههای معین به هم وصل میشوند. با حفر این میانها، پایه-ها تشکیل میشوند. بنابراین در این تحقیق برای شبیهسازی بار وارد بر پایه، عملیات استخراج فضاهای اطراف پایه به صورت مرحلهای انجام شده است و بعد از هر مرحله استخراج، مدل به تعادل رسیده است. از اینرو، ابتدا اتاق ها در جهت امتدادی - جهت - y ایجاد شده و در مراحل بعدی با استخراج میانبرها در جهت شیبی - جهت - x، پایهها شکل گرفتهاند. ترتیب مراحل استخراج فضای اطراف پایه در شکل 2 نشان داده شده است.
در این تحقیق جهت انجام مدلسازی با نرمافزار FLAC3D پهنه مورد نظر که در سمت چپ راهروهای اصلی و در عمق 100 متر قرار گرفته، مورد بررسی قرار میگیرد. با مشخصات اجرایی پهنه مشخصات زمین- معدنی اشاره شده در مدل هندسی مورد استفاده قرار گرفته است.
شکل:2 شماتیک ترتیب مراحل استخراج و پایه مورد بازیابی
-2-4 مدل رفتاری استفاده شده در تحلیل عددی
برای بررسی رفتار پایهها از مدل کرنش نرمی موهر کولمب استفاده شده است، زیرا بعضی از مطالعات انجام شده نشان داده است که مدل الاستوپلاستیک کامل موهر کولمب قادر به شبیهسازی رفتار پایهها نیست. رفتار کرنش نرمی در تودهسنگ، ناشی از رشد و توسعه ترکها و به همپیوستگی ریزترکها و تبدیل آنها به ترکهای بزرگ است.
این امر باعث پوسته پوسته شدن سنگ در مرز فضای زیرزمینی میشود. پایههایی که رفتار کرنش نرمی از خود نشان میدهند میتوانند یک کاهش سریع در ظرفیت باربری را تحمل کنند تا به مقاومت نهایی برسند. منحنی تنش-کرنش ترسیم شده در شکل3 نشان میدهد که مصالح بعد از نقطه حداکثر بارگذاری در حالت کلی سه رفتار پلاستیک، کرنش نرمی و شکننده از خود نشان می-دهند.
مدل کرنش نرمی یکی از مدلهایی است که به کمک آن میتوان تمام مراحل تغییر شکل پایه - الاستیک، تسلیم، مقاومت باقیمانده - را شرح داد. در مدل رفتاری کرنش نرمی کاهش مقاومت به ازای افزایش کرنش پلاستیک بیان میشود.
