روش های تحلیلی و عددی در مهندسی معدن
سال:1401 | دوره:12 | شماره:30 |تعداد مقالات:7

یکی از مباحث مهم در طراحی تونل های غیر هم سطح، تعیین جانمایی بهینه تونل ها نسبت به هم هست. این موضوع در مناطق متراکم شهری که اغلب به صورت تونل های غیرمسلح انجام می شود، اهمیت بیشتری پیدا می کند. در این تحقیق به منظور جانمایی بهینه از دو عامل نشست سطح زمین و پایداری (ضریب ایمنی) تونل ها استفاده شده است. جانمایی بهینه تونل های غیر هم سطح در شرایط متنوع زمین شناسی بایستی از روش های احتمالاتی و قابلیت اعتماد استفاده کرد. از طرفی آگاهی از میزان تأثیر هر یک از پارامترهای طراحی در مقدار نشست سطح زمین و ضریب ایمنی می تواند منجر به کاهش صدمات سازه های سطحی شود. در این مقاله از نرم افزار المان محدود PLAXIS3D جهت مطالعه حالت های مختلف تونل های غیر هم سطح استفاده شده است. سپس به کمک الگوریتم جستجوی هارمونی دو تابع حالت حدی به صورت جدا برای ضریب ایمنی و حداکثر نشست سطح زمین تخمین زده شده است. در ادامه با استفاده از دو تابع حالت حدی به دست آمده از مرحله ی قبل و روش های قابلیت اعتماد مرتبه اول و شبیه سازی مونت کارلو در نرم افزار RT بهترین جانمایی برای حفر تونل جدید نسبت به تونل قبلی (موجود) بر مبنای داشتن بیشترین ضریب ایمنی و کمترین نشست سطح زمین پیشنهاد شده است. نتایج نشان می دهد که احتمال شکست تونل اول (موجود) تقریباً 0/3 درصد بوده و ازنظر پایداری و عکس العمل نسبت به موقعیت بهینه تونل جدید شرایط ایده آلی خواهد داشت.

مجتمع فسفات اسفوردی به عنوان مهم ترین تولیدکننده فسفات در ایران، از ذخیره ای با منشأ آذرین، به روش فلوتاسیون کنسانتره آپاتیت تولید می کند. مدار فعلی این کارخانه برای جدایش فسفات از کانی های آهن دار طراحی شده است. بخشی از ماده معدنی، دارای کانی های سیلیکاته منیزیم دار به عنوان باطله می باشد که به سنگ سبز معروف است. تا به امروز از سنگ سبز به عنوان خوراک کارخانه فرآوری استفاده نشده است. درحالی که پنج میلیون تن از ذخیره معدن را سنگ سبز با عیار متوسط 7 درصد P2O5 تشکیل می دهد. در این تحقیق فرآوری سنگ سبز با استفاده از مدار فرآوری فعلی بررسی شد. برای این منظور نمونه سنگ سبز مورد شناسایی قرار گرفت و کانی های موجود و درجه آزادی آن ها مشخص شد. نتایج نشان داد که بخشی از کانی های آهن دار به صورت مگنتیت می باشند. آزمایش های جدایش مغناطیسی شدت بالا مشخص کرد که بخشی از کانی های سیلیکاته به کنسانتره جدایش مغناطیسی آهن راه می یابند (بازیابی 38/10 درصد MgO درشدت 5000 گوس). آزمایش های فلوتاسیون نشان داد که بازیابی برای نمونه سنگ سبز بسیار پایین است و در شرایط معمول بازیابی و عیار P2O5، 39/7 و 11/21 درصد به دست آمد که بعد از نرمه گیری به 65/38 و 98/27 درصد ارتقا یافت. پایش کارایی مدار فعلی با خوراک دهی سنگ سبز انجام شد و بازیابی کم فلوتاسیون، همراه با پایداری زیاد کف مشاهده گردید. همچنین کارایی مدار آسیا کنی و سیکلون های نرمه گیری بررسی شد. در ادامه پیشنهادهایی جهت بهبود مدار فعلی کارخانه برای فرآوری سنگ سبز ارائه گردید.

یکی از روش های مؤثر بهسازی خاک روش ستون سنگی است. در این روش خاک مسئله دار با ستون هایی از جنس مصالح شنی جایگزین می شود و منتج به افزایش ظرفیت باربری و کاهش نشست پذیری و افزایش توان زهکشی خاک می گردد. یکی از عوامل مهم باربری ستون های سنگی، کیفیت محصورشدگی آن ها در خاک است. در خاک های سست فشار جانبی اعمالی به ستون کافی نبوده و ستون سنگی تحت اثر بارهای اعمالی دچار کمانش جانبی می شود. مدل سازی عددی سازوکار باربری ستون های سنگی با استفاده از روش های تحلیلی و شبیه­سازی­های عددی مبتنی بر مکانیک محیط های پیوسته درگذشته انجام شده است. در این پژوهش با استفاده از روش عددی اجزای مجزا که توانایی خوبی در شبیه سازی رفتار مکانیک محیط های گسسته دارد، ظرفیت باربری ستون سنگی و سازوکار کمانش جانبی ایجادشده در زنجیره های باربر ذرات ستون سنگی سست بررسی شده است. در ادامه برخی پارامترهای مؤثر بر ظرفیت باربری ستون سنگی مانند دانه بندی، قطر و شرایط انتهایی ستون سنگی مورد ارزیابی قرارگرفته است. نتایج این شبیه سازی با نتایج تئوری اعتبار سنجی شده است که نشان می دهد روش عددی اجزای مجزا، توانمندی لازم را در شبیه سازی ستون سنگی دارا است. نتایج نشان می دهد افزایش قطر ستون سنگی باعث افزایش ظرفیت باربری می شود و ستون سنگی گیردار بین 25 تا 30 درصد ظرفیت باربری بیشتری نسبت به ستون سنگی شناور دارد. نتایج شبیه سازی نشان می­دهد کاهش اندازه دانه بندی تأثیرات محدودی بر کاهش ظرفیت باربری مجموعه ستون سنگ-خاک سست دارد. چراکه با افزایش تعداد ذرات در واحد سطح و به دنبال آن با افزایش تعداد تماس ها، تعداد ذرات بیشتری در باربری مشارکت داشته و چنانچه ذره­ای که در زنجیره اصلی باربر واقع شده است، از مسیر خارج شود، باز توزیع نیرو صورت گرفته و کمانش کلی زنجیره­های نیرویی رخ نمی­دهد.

شکست هیدرولیکی به عنوان یکی از مهم ترین تکنیک های تحریک مخزن دارای پیچیدگی های خاصی است. ازآنجاکه این عملیات بسیار هزینه بر و حساس است، انجام آن نیازمند یک طراحی دقیق بوده و لازمه طراحی عملیات، آگاهی از میزان رشد شکاف در نرخ های تزریق مختلف و پارامترهای هندسی شکاف در شرایط متفاوت است؛ بنابراین مدل سازی سه بعدی تنها راه به دست آوردن این مجهولات با بالاترین دقت است. در این تحقیق با استفاده از نرم افزار اجزاء محدود آباکوس و بر پایه روش ناحیه چسبناک، یک مدل سه بعدی غیرخطی کوپله سیال- جامد ایجاد شده است. این عملیات در یک چاه قائم به وسیله این مدل شبیه سازی شده است. در ساخت این مدل از گزارش های فنی و نیز تست های آزمایشگاهی و برجای انجام شده، در مخزن و چاه مدنظر استفاده شد. از ویژگی های این مدل سازی می توان به مقیاس میدانی آن اشاره کرد. پس از تزریق سیال هندسه شکستگی تحت نرخ ها و ویسکوزیته های مختلف سیال تزریق شده موردمطالعه قرار گرفت. با توجه به نتایج به دست آمده با افزایش مدت تزریق و همچنین نرخ پمپاژ طول شکستگی افزایش می یابد و حداکثر طول ایجاد شده برای سیال با ویسکوزیته یک سانتی پواز در زمان تزریق 5 دقیقه با نرخ 35 بشکه در دقیقه یا در زمان تزریق 18 دقیقه و با نرخ 10 بشکه در دقیقه حدود 22 متر است. درحالی که حداکثر ارتفاع شکستگی حدود 70 متر است. به علت اختلاف کم تنش برجای شکست هیدرولیکی بیشتر تمایل به رشد ارتفاعی دارد. همچنین حداکثر بازشدگی شکستگی حدود 9 میلی متر است. افزایش ویسکوزیته سیال موجب افزایش بازشدگی و تا حدودی باعث بیشتر شدن طول شکستگی می شود. درنهایت هندسه شکاف پس از شروع و گسترش شکاف تحت نرخ ها و ویسکوزیته های مختلف سیال شکاف موردمطالعه قرار گرفت.

یکی از مهم ترین مواردی که در طراحی، تحلیل و ساخت تونل های شهری NATM موردتوجه قرار می گیرد میزان نشست سطح زمین در حین ساخت تونل است. نشست بیش ازحد زمین معمولاً به تأسیسات، ساختمان های مجاور و زیرساخت های شهری آسیب های جبران ناپذیری وارد می کند؛  جهت تحلیل واقعی و بررسی دقیق نشست سطح زمین در حفاری تونل های شهری لازم است تا شرایط واقعی خاک موردتوجه قرار گیرد. روش های استفاده شده مرسوم در ارزیابی نشست سطح زمین معمولاً تغییرپذیری مکانی خصوصیات خاک را در نظر نمی گیرند بلکه خصوصیات خاک به صورت قطعی در محاسبات لحاظ می شود بنابراین در این مطالعه سعی شده جهت مدل سازی شرایط واقعی خاک، تغییرپذیری مکانی مدول یانگ خاک با استفاده از یک میدان تصادفی سه بعدی مدل شده و با روش عددی تفاضل محدود ترکیب شود سپس با تحلیل های پارامتریک از مقیاس های مختلف نوسان توسط شبیه سازی مونت کارلو، برای هر میدان تصادفی ایجادشده حداکثر نشست سطح زمین به دست آید. نتایج نشان می دهد که مقدار میانگین و ضریب تغییرات مربوط به حداکثر نشست  به ترتیب با افزایش مقیاس نوسان از 28 میلی متر به 31 میلی‎متر و از 02/0 به 35/0 افزایش می یابد. همچنین تغییرپذیری خصوصیات خاک هم در بزرگی و هم در توزیع تغییر شکل زمین در سه بعد، مؤثر بوده و نادیده گرفتن آن منجر به دست کم گرفتن خطر نشست بیش ازحد سطح زمین می شود.

انتشار زیاد گاز متان از محدوده کارگاه استخراج فعال و همچنین از لایه‏ های بالا و پایین لایه استخراجی می‏ تواند بر ایمنی و بهره وری معادن زیرزمینی زغال سنگ اثرگذار باشد. ازآنجاکه تهویه به تنهایی ممکن است برای کنترل سطح گاز متان در محیط استخراج جبهه کار طولانی کافی نباشد، استفاده از گزینه های استاندارد کنترل متان مانند گاززدایی لازم است انجام شود. استفاده از روش های مختلف گاززدایی می تواند منجر به کاهش انتشار متان به محیط کاری استخراج و پایین آمدن خطر انفجار و نهایتاً افزایش ایمنی و تولید شود. در معدن زغال سنگ شماره یک پروده طبس، گاززدایی با روش گمانه های متقاطع صورت می پذیرد. این روش با حفر گمانه‏هایی از راهرو بالایی در لایه‏های بالای لایه زغال‏سنگ در حال استخراج و در ایستگاه‏هایی با فواصل متفاوت در طول پهنه استخراجی صورت می‏گیرد. هدف اصلی این تحقیق تعیین مقادیر مناسب پارامترهای مختلف گمانه‏های گاززدایی به منظور افزایش راندمان گاززدایی است. پارامترهای موردبررسی شامل طول گمانه‏های گاززدایی، زاویه گمانه‏ها نسبت به محور راهرو بالایی و زاویه گمانه‏ها نسبت به کف راهرو یا افق می باشند. بر این اساس تحلیل داده های عملیاتی حاصل از گاززدایی از پهنه E4 نشان داده است که با افزایش شیب پهنه زاویه گمانه‏های گاززدایی نسبت به محور راهرو بالایی را باید کمتر در نظر گرفت همچنین به طورمعمول دبی گاز خروجی ایستگاه‏های گاززدایی در فاصله بین 15 تا 25 متری از لبه کارگاه شروع به افزایش می‏کند درنتیجه طول گمانه‏های گاززدایی را نباید بیشتر از 45 متر در نظر گرفت.

عملیات باربری تشکیل دهنده سهم قابل توجهی از هزینه های عملیاتی استخراج در یک معدن روباز است؛ بنابراین، بهینه سازی زمان بندی کار کامیون ها، به عنوان اصلی ترین ماشین باربری، امری ضروری و تأثیرگذار در بهره وری عملیات استخراج است. بهینه سازی زمان بندی عملیات باربری به طور سنتی، در قالب دو مسئله بهینه سازی تخصیص و سپس گسیل کامیون ها تعریف می شود و تاکنون مدل ها و روش های مختلفی مبتنی بر تکنیک های شبیه سازی و مدل سازی ریاضی چندمرحله ای، برای بهینه سازی این دو مسئله ارائه شده است. لیکن با توجه به گسترش روزافزون سیستم های جمع آوری اطلاعات، ارتقا سیستم های محاسباتی و ضرورت تصمیم سازی برخط، وجود یک مدل ریاضی تک مرحله ای برای حل هم زمان این دو مسئله در یک سیستم یکپارچه و پویا، ضروری است. در این تحقیق، یک مدل ریاضی کارگاه گردش کاری، به عنوان ابزاری قدرتمند برای مدل سازی مسائل زمان بندی و بهینه سازی تخصیص و گسیل کامیون های معادن روباز توسعه داده شده است. این مدل برای یک مطالعه موردی کوچک مقیاس پیاده سازی شده است و نتایج آن موردبحث قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که این مدل ریاضی یک ابزار کارا برای بهینه سازی تخصیص و گسیل پویای کامیون ها است که می تواند منجر به افزایش توان تولیدی معدن شود.