بخشی از مقاله
خلاصه
فعالیت هاي گوناگون مهندسی نیازمند حفریات در سنگ ها و خاکریزها می باشد و معادن روباز نیز یکی از این فعالیت ها است که وجود آنها براي تولید مواد خام صنعت ضروري است. براي رسیدن به حداکثر ذخیره موجود در معادن ملزم به کاهش عرض پله ها و نیز افزایش شیب دیواره ها می باشیم و این امر وجود مطالعات ژئوتکنیکی و بررسی هاي پایداري دیواره ها را می طلبد. بررسی پایداري دیواره ها با روش هاي مختلف قابل اجرا می باشد که در این گزارش به تحلیل پایداري شیب دیواره نهایی منطقه جنوبی از تودة C شمالی، توسط روش عددي می پردازیم. در ابتدا با فرض پیوسته بودن محیط از نرم افزار Flac2D براي بررسی شرایط پایداري تک پله ها و دیوارة نهایی این دیواره پرداخته و در ادامه نتایج حاصل از نرم افزار Flac2D با نتایج نرم افزار UDEC - فرض ناپیوسته بودن محیط - مقایسه شده است.
.1 مقدمه
در بسیاري از فعالیت هاي مهندسی مجبور به حفاري در سنگ می باشیم. بطور مثال در پروژه هاي مربوط به مهندسی عمران ازقبیل بزرگراه ها، ترانشه هاي راه آهن، سدها جهت تولید قدرت و نیز تأمین آب و نیز فعالیت هاي صنعتی و شهري، حفریات در سنگ و خاك بسیار متداول می باشد. در زمینه ي معدنکاري، معادن روباز به عنوان بخش اصلی براي تولید محصولات معدنی جهان محسوب می شوند. در معادن روباز، دیواره هاي استخراجی در مناطقی که سنگ داراي کیفیت بالا می باشد، می تواند داراي شیب تقریباً قائم باشد.
و در مناطقی که سنگ با کیفیتی وجود ندارد، براي ایجاد شرایط پایدار باید شیب نهایی دیواره کمتر از 30 درجه درنظر گرفته شود. میزان اهمیت پایدارسازي دیواره هاي سنگی بسته به دو عامل می باشد. در وهله اول نوع پروژه بر نحوه پایدارسازي این دیواره ها تأثیر می گذارد و علاوه بر آن، پی آمدهاي ناشی از شکست درصورت عدم پایدارسازي نیز بر نحوه ي اجراي عملیات پایدارسازي مؤثر است.
بطور مثال براي ترانشه هایی چون بزرگراه هایی که حجم بالایی از ترافیک دارند، پایدار ماندن شیب نهایی دیواره امري ضروري است و این امر اغلب نیازمند دقت در عملیات آتشباري در حین اجراي پروژه و نیز نیز نصب پایدارکننده هایی چون بولت است که عمر مفید این نگهدارنده ها فقط 10 تا 30 سال است که بسته به آب و هوا و نرخ هوازدگی سنگ، ممکن است نیاز به نگهدارنده ي دائم باشد. در کل می توان گفت که ضریب ایمنی براي معادن روباز در طراحی ها معمولاً 1.2 تا 1.4 درنظر گرفته می شود. با این مقدار ضریب ایمنی باید جابجایی هاي شیب و امکان ریزش هاي بخشی دیواره را پذیرفت.
روش هاي طراحی براي شیب هاي سنگی به دو بخش اصلی تحلیل تعادل حدي و روش هاي تحلیل عددي تقسیم می شود. روش هاي تعادل حدي براي محاسبه ضریب ایمنی شیب هاي سنگی می باشد که احتمال ریزش هاي گوناگون از قبیل صفحه اي، گوه اي و واژگونی و دایره اي در آنها وجود دارد که نوع ریزش بسته به هندسه شیب می باشد. ولی در روش هاي عددي، تنش ها و کرنش هاي موجود نیز وارد مدل می گردد و پایداري شیب سنگی با مقایسه تنش ها و کرنش ها در برابر مقاومت سنگ ارزیابی می گردد.
.2 موقعیت جغرافیایی منطقه مورد بررسی
معادن سنگ آهن سنگان با ذخیره زمین شناسی 1.2 میلیارد تن از نظر کمی، دومین معدن بزرگ سنگ آهن در کشور بوده و به عنوان بزرگترین پروژه ملی شرق کشور در فاصله 300 کیلومتري جنوب شرقی شهر مشهد و 16 کیلومتري شمال شهر سنگان از توابع شهرستان خواف واقع شده است.
شکل :1 موقعیت معدن سنگ آهن سنگان
براساس نتایج آخرین مطالعات انجام شده و برآوردهاي اولیه، بیش از یک چهارم ذخایر سنگ آهن کشور به معادن سنگ آهن سنگان تعلق دارد. معدن سنگ آهن سنگان براي اولین بار و در حدود 600 سال پیش با عنوان معادن سنگ آهن خواف در کتاب نزهت القلوب حمداالله مستوفی معرفی گردید. نتایج مطالعات انجام شده حاکی از آن است که ابعاد تقریبی کانسار سنگان در حدود 8×26 کیلومتر مربع بوده و از سه ناحیه معدنی
شرقی، مرکزي و غربی تشکیل شده است و ذخیره زمین شناسی آن در حدود 1.2 میلیارد تن تخمین زده می شود. بیشترین ذخایر سنگ آهن به ناحیه معدنی غربی تعلق دارد که خود به پنج آنومالی C,B,A,A' شمالی و C جنوبی تقسیم می گردد. از لحاظ ژئوتکنیکی تنها فعالیت صورت گرفته در این معدن توسط شرکت استرالیایی BHP در سال 1992 می باشد که در تودة C شمالی دو گمانه ژئوتکنیکی حفر نموده اند. تمامی طرح هاي استخراجی صورت گرفته در این معدن بر پایه این گزارش صورت گرفته است و این پروژه نیز بر اساس گزارش این شرکت تهیه گردیده است.
.3 تحلیل پایداري با فرض پیوسته بودن محیط - استفاده از نرم افزار - FLAC2D
.1.3 بررسی شرایط پایداري تک پله ها
از آنجا که در منطقه جنوبی این آنومالی تنها دو پله بوجود آمده و سطح آب زیرزمینی در تراز 1480 متري سطح آب هاي آزاد می باشد، براي بررسی پایداري تک پله مجبوریم در دو حالت خشک - بالاتر از سطح آب زیرزمینی - و اشباع - زیر سطح آب زیرزمینی - مدلسازي نماییم.
.1.1.3 بررسی شرایط پایداري تک پله هاي خشک
شرکت BHP براي تک پله ها در تمامی مناطق آنومالی C شمالی ارتفاع پله برابر 20 متر، شیب دیواره 70 درجه و عرض پله 12 متر درنظر گرفته است.
علاوه بر مشخصات هندسی پله ها، در گزارش BHP خواص مواد تشکیل دهندة این دیواره آمده است که عبارتند از:
• جنس سنگ دیواره: سیلتستون سیلیسی شده - دانسیته برابر 2.56 تن بر مترمکعب -
• زاویه اصطکاك داخلی: 42 درجه
• میزان چسبندگی: 250 کیلوپاسکال
• مقدار مقاومت تک محوري: 64.8 مگاپاسکال
از آنجا که مقدار مدول الاستیسیته توده سنگ و ضریب پوآسون در این گزارش تعیین نشده، ناگزیر با استفاده از شرایط صحرایی محل و مقدار مقاومت تک محوري و وارد کردن این مقادیر در نرم افزار RocLab به مقدار تقریبی از مدول الاستیسیته توده سنگ دست یافتیم و در نهایت با استفاده از مقدار ضریب پوآسون رایج - 0.25 - مقادیر مدول بالک و مدول برشی که براي مدل رفتاري الاستو پلاستیک لازم است، مشخص گردید که عبارتند از مدول برشی و مدول بالک به ترتیب 720 و 1200 مگاپاسکال. براي مدل کردن تک پله ها با استفاده از نرم افزار Flac2D از مش بندي 40*40 استفاده می شود.
شکل :2 مدل اولیه با شرایط مرز
شکل :3 به صفر رسیدن نیروي نامتعادل قبل از حفاري
شکل :4 مدل تک پله پس از حفاري
شتاب ثقل و شرایط مرزي اولیه را اعمال نموده و پس از حصول اطمینان از پایدار شدن مدل قبل از حفاري باید جابجایی هاي اولیه اي که ناشی از اجراي اولیه مدل می باشد را حذف نمود و در نهایت قسمت بالاي پله را حفر کرد. - شکل . - 4 پس از اجراي مجدد مدل کمترین مقدار ضریب ایمنی ممکن در مدل تعیین می گردد که برابر 3.06 برآورد شده است. این مقدار از ضریب ایمنی 1.5 که براي معادن روباز به عنوان ضریب ایمنی مرزي شناخته می شود بیشتر است پس تک پله در شرایط خشک پایدار خواهد بود. نمودار 1 و 2 به ترتیب آنالیز حساسیت ضریب ایمنی نسبت به مقدار چسبندگی و زاویه اصطکاك داخلی را نشان می دهد.
نمودار :1 حساسیت ضریب ایمنی به تغییرات چسبندگی نمودار :2 حساسیت ضریب ایمنی به تغییرات زاویه اصطکاك
.2.1.3 بررسی شرایط پایداري تک پله در حالت اشباع
براي بررسی تأثیر آب زیرزمینی در تک پله ابتدا آن را اشباع فرض می کنیم یعنی با بدترین شرایط وجود آب زیرزمینی. زمانی تک پله اشباع است که ازتفاع آب در آن 20 متر باشد. با اجراي نهایی مدل بافرض اشباع بودن تک پله، مقدار ضریب ایمنی به 2.10 کاهش می یابد. همانطورکه مشاهده می شود باوجود اشباع فرض کردن تک پله همچنان ضریب ایمنی آن بالاتر از 1.5 می باشد. پس می توان نتیجه گرفت که تک پله در هر شرایطی از وجود آب پایدار خواهد بود. در زیر آنالیز حساسیت مقدار ضریب ایمنی نسبت به ارتفاع آب زیرزمینی در تک پله آمده است. براي این منظور میزان سطح آب زیرزمینی را به تناوب 20 درصدي کاهش می دهیم.
جدول :1 مقادیر ضریب ایمنی براي سطوح آب زیرزمینی متفاوت
