بخشی از مقاله
چکیده
برآورد تنش های برجا که در فرآیند تحلیل پایداری به عنوان اصلی ترین عامل مطرح است، در اغلب موارد به سختی انجام می گیرد. با توجه به عدم انجام مطالعات جامع مکانیک سنگی و آزمون های برجا جهت برآورد مؤلفه های میدان تنش در منطقه پروده زغالسنگ طبس و لزوم تعیین مقادیر تنش ها و خصوصیات ژئومکانیکی صفحات شکستگی، در این تحقیق پارامترهای ژئومکانیکی گسلهها و مقادیر تنش با استفاده از کد تفاضل محدود تحت نرمافزار FLAC3D با بهکارگیری از روش تحلیل برگشتی مستقیم تعیین شده است. با توجه به ایراداتی که در فرضیات ساده سازی مدل های عددی در خصوص ساخت صفحات ناپیوستگی و بهکارگیری طول محدود آنها در مدل وارد است، لزوم طراحی صفحات ناپیوستگی فاقد تداوم با شکل هندسی پیشرفته دیده می شود. در این راستا، منطقهای از ناحیه پروده که از لحاظ اطلاعات سیستم ناپیوستگیها دارای فراوانی بیشتری بوده، انتخاب و صفحات شکستگی آن ها با کمک نرم افزار صنعتی Rhinoceros طراحی و با نرمافزار واسطه Kubrix وارد نرمافزار عددی شده و مورد تحلیل قرار گرفتهاند . با بهرهگیری از مکانیزم گسلش و مقادیر جابجاییهای صورت گرفته گسلهها، مدل طراحی شده با تغییرات مقادیر نسبت تنش و خصوصیات ژئومکانیکی گسله ها، تحت تحلیل برگشتی قرار گرفت. نتیجه مدل سازی نسبت تنش افقی به قائم 0/3 را به عنوان مقدار بهینه پیشنهاد میکند که به ازای مقدار نسبت تنش مذکور، پارامترهای بهینه ژئومکانیکی ناپیوستگیها حاصل شدهاند.
کلمات کلیدی: تحلیل برگشتی مستقیم، زغالسنگ طبس، نسبت تنش،
-1 مقدمه
فعالیت های اصلی معدنکاری زیرزمینی، شامل حفر زمین، نگهداری جبهه کار و محیط تونل، انتقال مواد حفاری شده، تحلیل نشست و تحلیل جریان سیالات میباشد. در راستای نیل به این اهداف نیاز به شناخت پارامترهای محیطی تأثیرگذار نظیر خصوصیات ژئومکانیکی توده سنگ برجا و صفحات ناپیوستگیها، میدان تنش اولیه حاکم بر محیط، سطح آب زیرزمینی و نفوذپذیری احساس میشود. روش های عددی ابزاری مهم در حل مشکلات مهندسی و طراحی سازه ها می باشد. اما با این وجود تعیین رفتار مکانیکی این سازهها با دقت بالا دشوار بوده و اعتبار آنها شداًی بهدقت داده های ورودی جهت مدل سازی وابسته است [1]غالباً. انجام اندازه گیریهای برجا در دوران ساخت وساز، هم برای رفتار نگاری سازه و همجهت کنترل مقادیر پارامترهای ژئومکانیکی بکار میرود . در این حالت، با کنترل این مقادیر، اختلاف مابین رفتار واقعی و رفتار پیشبینی شده سازه را میتوان به حداقل مقدار ممکن کاهش داد. جهت حصول به این نتایج باید از روشهای تحلیل برگشتی استفاده نمود .[2]
از دیدگاه تحلیلی، تعیین مقادیر جابجایی به علت تأثیرپذیری کمتر از عوامل محلی در برابر تنش و کرنش که پارامترهای دیفرانسیلیاند و از نقطه ای به نقطه دیگر تغییرات دارند، ارجح تر است. هدف از تحلیل برگشتی، واسنجی تخمینهای اولیه پارامترهای ژئومکانیکی از روی جابجاییها و بارهای اندازهگیری شده با استفاده از مدلهای عددی است. برای انجام یک تحلیل برگشتی ملزومات زیر باید رعایت شوند :[3]
الف - انتخاب یک مدل محاسباتی مناسب که قادر به تعیین تنشها و کرنشها باشد
ب - استفاده از تابع خطا و
ج - یافتن راهکاری برای کاهش خطا بین نتایج حاصل از مدل عددی و دادههای اندازهگیری شده برجا.
مطالعات انجام گرفته در زمینه تحلیل برگشتی با توجه به هدف آن ها، اغلب پیرامون تعیین خصوصیات ژئومکانیکی محیط نگهبان سازه بوده و توجهی به خصوصیات تضعیف کننده محیط نگهبان سازه نشده است. سیستم شبکه شکستگیخصوصاً صفحات ناپیوستگی بزرگ بهعنوان عامل آشفتگی میدان تنشهای برجا، نقش بزرگی در پایداری محیط سازه ایفا میکنند. لذا هدف از این مقاله، تعیین پارامترهای ژئومکانیکی با بهرهگیری از نرم افزار عددی FLAC3D و نیز جابجاییهای ثبت شده گسله ها مطابق با تحلیل برگشتی مستقیم میباشد. مبنای واسنجی مدل، مقادیر جابجایی گسلهها است. به همین دلیل، جهت به حداقل رساندن فرضیات سادهسازی هندسه مدلهای عددی در خصوص ساخت صفحات ناپیوستگی بزرگ و بهکارگیری طول محدود آنها در مدل، صفحات ناپیوستگی فاقد تداوم با شکل هندسی پیشرفته شامل صفحات ناپیوستگی غیرمسطح، مسطح و نیز لایهبندیهای غیرمسطح با کمک نرم افزار راینو1 طراحی گردید و جهت تعیین وضعیت تنشهای برجا و خصوصیات ژئومکانیکی صفحات ناپیوستگی مورد تحلیل برگشتی قرار گرفته شد. این تحقیق در سه بخش اصلی شامل معرفی تکتونیک منطقه مورد مطالعه، طراحی هندسه مدل عددی و تحلیل برگشتی مدل عددی ارائه شده است.
-2 مشخصات عمومی و تکتونیکی حوضهی زغال دار طبس معدن زغالسنگ طبس بزرگ ترین معدن زغالسنگ خاورمیانه است که 45000 کیلومتر مربع وسعت دارد و ذخایر اکتشاف شده آن حدود 2/5 میلیارد تن است . این معدن شامل چهار ناحیه: پروده، نایبند - ککشو - ، مزینو - حرارتی - و آبدوغی است. ناحیه پروده با وسعتی حدود 1200 کیلومترمربع در 70 کیلومتری جنوب شهرستان طبس در محدوده عرض جغرافیایی 32 ֯50’ تا 33 ֯5’ و طول جغرافیایی 57 ֯15’ تا 45’ 76 ֯ قرار گرفته است. این ناحیه در قسمت شرقی ایران مرکزی، حاشیه شمال غربی کویر از شمال به دشتکاملاً هموار کویری و از جنوب به ارتفاعات تریاس – ژوراسیک محصور شده است. شرق منطقه را رشتهکوه شتری و غرب آن را ارتفاعات ناحیه کلمرد - کمر مهدی - محدود مینماید. منطقه تقرباًی ناهموار و ارتفاع آن از سطح خلیجفارس 800-1050 متر است. این معدن به پروده I,II,III,IV و پروده شرقی تقسیمبندی میشود. لایههای زغالی مناطق پروده شامل B1,B2,C1,C2,D میباشند .[4]
حوضه طبس بلوکی لوزی شکل است که بین گسل های نایبند و کلمرد نائین واقع شده است. گسل نایبند با امتداد شمالی- جنوبی از شرق حوضه عبور می کند. این گسل 500 کیلومتر طول داشته و از نوع راستگرد است. شیب گسل بهطرف شرق بوده و با عملکردی از نوع معکوس، بلوک غرب را بالا برده است. گسل نائین بهموازات گسل کلمرد و با عملکردی عکس آن قرار گرفته است. در حد فاصل گسلهای اصلی نایبند و در جهتی تقرباًی عمود بر آن ها، گسل هایی وجود دارد کهمعمولاً در نزدیکی گسل های اصلی به طرف جنوب چرخش می نمایند. این گسلها از شمال به طرف جنوب عبارت اند از: گسل پروده - رستم - ، گسل زنوغان، گسل قوری چای، گسل قدیر؛ شیب تمامی این گسل ها به طرف جنوب بوده و بهصورت رو رانده عمل کردهاند 4]و.[5 ساختمان زمین شناسی منطقه پروده، یک طاقدیس2 نامتقارن است که به سمت غرب میل دارد. گسل بزرگ رستم با روند شرقی- غربی در یال شمالی واقع بوده و شیب لایه ها در یال شمالی و یال جنوبی با یکدیگر اختلاف دارد و لایهها همراه با پیچشهای محلی است. همچنین گسلهای بزرگ و کوچک متعددی نیز در یال شمالی مشاهده میشود که باعث درهم ریختن نظم لایهبندی شده است. در یال جنوبی شیب لایهها کمتر بوده اکثر گسل ها به صورت بین لایه ای میباشند. طاقدیس پروده یک از شمال به گسل رستم و از جنوب و جنوب شرقی به گسل مرز پروده یک و دو از شرق به طاقدیسهای رسوبات حد زیرین سازند نایبند محدود میشود .[5]
در جریان مطالعه ژئوتکنیکی طاقدیس پروده، بیشترین تعداد درزه ها برای دسته های اول و دوم بوده اند و دسته سوم از تعداد کمتری برخوردار است و درزه های دسته دوم، درزه غالب منطقه هستند. با توجه به اینکه بین شیب لایهبندی و شیب درزههای دسته اول و دوم نسبت عکس برقرار بوده و این موضوع در مورد دسته سوم خیلی کمتر صدق میکند، لذا میتوان گفت که درزه های دسته اول و دوم دارای روند تقرباًی به موازات محور طاقدیس پروده یک هستند. حالت پلهای فقط در دستهدرزه سوم دیده میشود که به علت جدیدتر بودن آنها و اختلال در سیستم دسترسی در زمان تشکیل آن ها به هنگام رسیدن به سطح درزه های قدیمیتر است. پرشدگی ضعیف تر درزه های دسته سوم نسبت به دسته اول و دوم و همچنین قطع شدن درزههای پر شده دسته اول و دوم توسط دسته سوم بیانگر جدیدتر بودن درزههای دسته سوم است .[5]
اکنون با توجه به روند درزه های دسته اول و دوم که تقرباًی به موازات محور طاقدیس پروده یک است و در حقیقت این درزهها حاصل کشش لایهها در لولای چین میباشند و با توجه به اینکه فرکانس درزهها با نزدیک شدن به لولای چین افزایش مییابد، میتوان گفت که تشکیل درزههای دسته اول و دوم حاصل چین خوردگی طاقدیس پروده و هم زمان با آن میباشند و از طرفی مکانیزم رو راندگی گسل رستم نیز عامل اساسی در تشکیل طاقدیس پروده یک است و در حقیقت چینخوردگی مرتبط با گسله است. حال با توجه به اینکه درزه های دسته سوم جدیدترین درزههاست و دارای روندی عمود بر طاقدیس پروده یک است، بنابراین در اثر چین خورگی ثانویه با امتداد شمالی- جنوبی به وجود آمده اند که چین جدید از نوع ناودیس1 است . با توجه به مطالب فوق میتوان طاقدیس پروده را به عنوان F1 و ناودیس را به عنوان F2 در نظر گرفت که F2 ضمن چین دان سطح محوری F1 باعث پلانچ دار شدن آن گردیده و بدین ترتیب حالت زین اسبی به وجود آمده است. در یک دید کلی با توجه به حرکت راست گرد و امتدادی بودن گسل نایبند و موقعیت چینهای F1 و F2 و روند درزهها و گسلهای منطقه پروده به نظر میرسد که جهت اصلی تنش شمال شرق – جنوب غرب است 4]و5و.[6
گسل های موجود در محدوده یال های طاقدیس به علت زون فشارشیاکثراً از نوع معکوس و گسل های محدوده لولای چین به علت زون کششیاکثراً از نوع نرمال میباشند که جوانتر بودن آنها را نسبت به درزهها و گسل رستم مشخص میکند. به طورکلی درزه های دسته اول و دوم حاصل طاقدیس پروده F1 با روند شرقی – غربی و درزههای دسته سوم حاصل چینخوردگی F2 با روند شمالی – جنوبی است واحتمالاً دستههای دوم و سوم به علت کشش لایهها در طرفین چین به وجود آمدهاند. طاقدیس F1 درواقع بهعنوان یک چین کشیده بزرگ، نامتقارن و متمرکز است 5]و.[6
-3 طراحی هندسه منطقه مورد مطالعه
با توجه به آنچه در بخش قبل گفته شد، محدوده ای از منطقه پروده یک پیرامون پهنه W0 جهت مدل سازی این مطالعه انتخاب شد، بهگونه ای که پهنه مذکور در مرکز مدل قرار دارد. در پیرامون این پهنه، گسل های محدوده لولای چین به علت زون کششیاکثراً از نوع نرمال میباشند، پس واضح است که رژیم گسلش غالب در محدوده مورد مطالعه، نرمال خواهد بود. با توجه به موجود بودن نوع حرکت گسلهها و میزان جابجایی آنها در این محدوده و نیز فراوانی گسله ها در پهنه W0 ، این منطقه جهت مدلسازی انتخاب شد. در ادامه با داشتن مقادیر واقعی جابجاییهای صورت گرفته و برداشت شده توسط گسله ها از لایه C1 و نقشه زمینشناسی منطقه، میتوان از طریق تحلیل برگشتی دادهها به مقادیر واقعی تنشها و خصوصیات ژئومکانیکی صفحات شکستگی در این ناحیه پی برد. همان طور که در ادامه خواهد آمد، جهت شیب گسله ها با تأثیرپذیری از قرارگیری در جوار لولای چین، با مقدار تقرباًی یکسانی تکرار میشوند.
بر این اساس، لزوم طراحی صفحات ناپیوستگی کهاکثراً به حالت هندسه غیرمسطح وجود دارند، دیده میشود. در این مطالعه جهت ساخت مدل هندسی مذکور، به دلیل ضعف ساختاری نرم افزارهای عددی سه بعدی در طراحی مدل سه بعدی پیشرفته، از نرم افزار طراحی صنعتی راینو استفاده شده است. مراحل طراحی مدل در ذیل آمده است 7]و:[8 الف - طراحی سه بعدی صفحات لایهبندی جهت ساخت صفحات لایه بندی از گمانه های اکتشافی محدوده مورد مطالعه در نرم افزار راک ورکس2 استفاده شده است. در شکل 1 لایهبندیها ملاحظه میشود. ب - طراحی سه بعدی توپوگرافی سطح زمین توپوگرافی ناحیه مورد مطالعه با استفاده از نقشه رقومی ارتفاعی1 و به کمک نرمافزار ArcGIS تهیه شد.
