بخشی از مقاله
چکیده
معدن زغال سنگ شماره یک پروده طبس، تنها معدن زغالسنگ جبههکار بلند مکانیزه در ایران است. یکی از موارد مهم در استفاده از روش جبههکار بلند مکانیزه، پایداری پایههای بین کارگاهها است. پایهها نقش مهمی در اقتصادی بودن معدن، حفظ ایمنی و پایداری کارگاه دارند. در این مقاله با استفاده از روش مدلسازی عددی، پایداری پایه بین کارگاهای جبهه کار بلند معدن پروده بررسی شده است.
بدین منظور، از نرمافزار FLAC3D - روش عددی تفاضل محدود - برای مدلسازی کارگاهها استفاده شده است. پس از ساخت هندسه مدل و تخصیص مدل رفتاری و پارامترهای مکانیک سنگی به مدل، پیشروی جبههکار و تخریب کارگاه شبیهسازی شد. برای بررسی و تحلیل دقیقتر، 11 مرحله پیشروی و تخریب در کارگاه، شبیهسازی شده است. نتایج حاصله نشان داد که تأثیرگذارترین تنش بر روی پایه در کارگاه استخراج جبههکار بلند، تنشکناری میباشد که بیشینه مقدار آن 20/4 مگاپاسکال است. همواره بیشینه تنشها به دیواره پایه، سمت کارگاه در حال استخراج وارد میشود. حداکثر تنش وارد بر پایه در مراحل مختلف پیشروی در فاصله 2/5 تا 7 متری از لبه آن، از سمت کارگاه در حال استخراج قرار دارد.
-1 مقدمه
زغالسنگ یکی از مهمترین و پر کاربردترین مواد معدنی است که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. از اینرو معدنکاریهای زیرزمینی به منظور استخراج زغالسنگ رو به افزایش است و روشهای متفاوتی برای استخراج زیرزمینی آن وجود دارد. یکی از روشهای مرسوم برای استخراج زغالسنگ روش جبههکار بلند1 است. روش استخراج جبهه-کار بلند نوعی روش استخراج زیزمینی بزرگ مقیاس است که در لایههای کم شیب و نسبتاً نازک زغالی صورت میپذیرد
یکی از موارد مهم در روش استخراج جبههکار بلند پایداری پایههای2 بین کارگاهی است. پایهها در روش جبههکار بلند مکانیزه بخشی است که بین دو پهنه استخراجی به جا گذاشته میشود و وظیفه تحمل فشار حاصل از روباره و تامین پایداری کارگاههای استخراج جبههکار بلند را بر عهده دارد .
روشهای متفاوتی برای اندازهگیری تنش وارد بر پایهها وجود دارد که از جمله آنها میتوان به روشهای تجربی، تحلیلی و عددی اشاره نمود. در روشهای تحلیلی و تجربی نمیتوان رفتار پایهها را در برابر تنشهای وارده به درستی اندازه-گیری نمود، چون روشهای تحلیلی و تجربی قادر به در نظر گرفتن تمام پارامترها همزمان با پیشروی در کارگاه نیستند. در این شرایط، شاید استفاده از مدلسازی عددی واقع بینانهتر به نظر برسد. اگر چه تحلیلهای عددی دو بعدی در گذشته مناسب و مفید بودند، اما چند اشکال بزرگ دارند.
اغلب تحلیلهای عددی دو بعدی رفتار فضاهای زیرزمینی را با یک تقریب، به صورت کرنش صفحهای دو بعدی فرض میکنند. در حالی که، شرایط تنش و جابجاییهای اطراف یک فضای زیرزمینی به صورت سه بعدی است. بدیهی است در مواردی مثل بررسی پیشروی جبههکار، رفتار تونلهای متقاطع غیر هم سطح، تحلیل ورودیها و تقاطعها راهی به جز بررسی به صورت سه بعدی وجود ندارد. طبیعت سه بعدی این قسمتها از مشخصات هندسی خاص آنها و شرایط تنش و جابجاییهای اطراف آنها که به صورت سه بعدی است، ناشی میشود.
با توسعه سریع قدرت محاسبات، گرافیک کامپیوتری و ظرفیت ذخیره در طول سالهای اخیر، مدلسازی عددی سه بعدی ابزار قدرتمندی برای بررسی رفتار پایداری فضاهای زیرزمینی مانند کارگاه استخراج جبههکار بلند شده است. پایداری پایهها ارتباط مستقیم با تنش وارده بر آن داشته به همین منظور مطالعات بسیاری در این زمینه انجام شده است.
فرمولهای تجربی متعددی نیز برای بررسی پایداری و طراحی ابعاد پایه در معادن جبههکار بلند ارایه گردیده است. این مطالعات اغلب در کشورهای آمریکا و آفریقای جنوبی انجام شده و به دلیل پیچیدگی و تفاوت زمینشناسی این معادن با معادن زغالسنگ در کشورهای دیگر به ویژه تفاوت معادن مطالعه شده با معدن زغالسنگ طبس، این روشهای تجربی کاربردی در معادن زغالسنگ طبس ندارند .[2] در این تحقیق سعی شده است که با استفاده از روش عددی، با در نظر گرفتن ابعاد و هندسه واقعی پایه و کارگاههای استخراجی، میزان دقیقی از تنشهای وارده بر پایه اندازهگیری گردد.
-2 منطقه مورد مطالعه
ناحیه پروده با وسعتی حدود 1200 کیلومترمربع در 75 کیلومتری جنوب شهرستان طبس در شمال شرقی استان یزد واقع شده است. در این منطقه، دو معدن مهم زغالسنگ شامل معدن مرکزی و معدن شماره 1 مشغول فعالیت هستند، که معدن مرکزی با روش اتاق و پایه و معدن شماره 1 با روش جبهه کار بلند استخراج میگردد. معدن شماره 1 پروده تنها معدن در ایران است که در حال حاضر با استفاده از روش جبههکار بلند، استخراج زغالسنگ در آن انجام میشود. در شکل 1 جانمایی کارگاههای استخراجی به همراه راهروها و پایه بین دو کارگاه نشان داده شده است. ترتیب لایه-های زمینشناسی در محدوده معدن در جدول 1 ارایه شده است
جدول :1 ترتیب لایههای زمین شناسی در محدوده معدن
-3 مدلسازی
برای تحلیل پایداری پایههای مورد مطالعه در معدن جبههکار بلند طبس، کارگاههای استخراجی به همراه پایه میان این دو کارگاه و تونلهای مجاورشان با استفاده از نرمافزار FLAC3D مدلسازی شده است. نرمافزار FLAC3D یک نرمافزار تفاضل محدود برای محاسبات مهندسی است که در محیطهای پیوسته بکار میرود. این نرمافزار رفتار ساختارهای خاکی، سنگی که دارای جریان پلاستیک هنگام رسیدن به حد تسلیم هستند، را شبیهسازی میکند
برای ساخت هندسه ابتدا تونلهای مجاور پایه با عرض 5 متر و ارتفاع 3/5 متر و سپس پایه با عرض 40 متر ساخته شده است. عرض کارگاه درحال پیشروی نیز با توجه به بررسی تاثیر پیشروی در آن بر روی پایداری پایه، 100 متر - عرض پهنه 197 متر میباشد و تقریبا نیمی از عرض پهنه روی پایداری پایه تاثیر دارد - در نظر گرفته شده است.
شکل :1 جانمایی پهنهها در طرح کلی معدن شماره 1 طبس
در شکل 2 آورده شده است. سپس مدل رفتاری موهر-کولمب3 و اعمال شرایط مرزی وجوهی از مدل که عمود بر راستای محور x و y خصوصیات مورد نیاز، به مدل تخصیص داده شده است. - مرزهای اطراف - و کف مدل که عمود بر راستای محور z است، باید ثابت شوند. ولی مرز فوقانی - سقف مدل - باید آزاد باشد تا مدل بتواند نشست کند، بدین منظور روی مرز فوقانی بار ناشی از روباره اعمال شده است. در شکل شماره 3 شرایط مرزی اعمال شده در مدل آورده شده است.
برای تامین شرایط اولیه زمین، تنشهای اولیه برجای قبل از حفاری به کل مدل اعمال گردیده است.
شکل :2 هندسه مدل سه بعدی ساخته شده با نرمافزار Flac3D
پارامترهای مکانیک سنگی - توده سنگ - مورد استفاده در مدلسازی در جدول 2 آورده شدهاند. این مدل رفتاری، مدل مرسومی برای نشان دادن گسیختگی برشی در مکانیکسنگ و خاک برای حالت پلاستیک، است
شکل :3 شرایط مرزی اعمال شده
