روش های تحلیلی و عددی در مهندسی معدن
سال:1394 | دوره:5 | شماره:9 |تعداد مقالات:9

استفاده از مغارهای نمکی برای ذخیره سازی هیدروکربن های سیال، به عنوان یکی از پیشرفته ترین روش ها بکار گرفته می شود. اطمینان از پایداری مغارهای نمکی ذخیره گاز و در عین حال اقتصادی بودن نسبت گاز بیشینه به کمینه، همواره مساله ای مهم بوده که تاکنون در ایران کمتر به آن پرداخته شده است. با توجه به خصوصیات سنگ نمک و عمق زیاد، تنش عمده در این ناحیه تنش ثقلی است که این تنش به صورت یک فشار خارجی به مغار وارد می شود و سبب کاهش حجم مغار می شود. در مقابل با توجه به اینکه در مغارهای نمکی امکان بکارگیری نگهداری های مرسوم در مغارهای سنگی مانند شاتکریت، پیچ سنگ و غیره وجود ندارد، پایداری مغار تنها با ایجاد یک فشار داخلی (عکس العمل) به وسیله گاز درون مغار تامین می شود.این مقاله به بررسی پایداری مغارهای نمکی ذخیره گاز می پردازد. مشخصات هندسی و ژئومکانیکی محدوده مورد مطالعه در جنوب ایران، در نظر گرفته شده و در ادامه پایداری دو مغار کپسولی و هویجی شکل در محیطی پیوسته با استفاده از نرم افزارهای Phase2 و FLAC3D بررسی شده است. با مدلسازی هندسی و مکانیکی این مغارها بر پایه روش اجزاء محدود و تفاضل محدود در عمق مربوط، فشار کمینه (پایه) و بیشینه گاز جهت پایداری مغارها تعیین گردید و بر این اساس نسبت گاز کاری برای مغارها محاسبه شد. مقایسه این نتایج نشان داد که در حالت پایدار مغار هویجی شکل دارای نسبت گاز کاری بیشتری بوده که این مطلب بیانگر صرفه اقتصادی بیشتر این نوع مغار است.

در پژوهش حاضر پاسخ GPR مدل های مصنوعی مختلف متناظر با ساختارهای ژئوتکنیکی فرضی نظیر استوانه افقی منفرد، منشور دوبعدی، استوانه افقی جفت، چندضلعی دوبعدی دلخواه و زمین لایه ای، با استفاده از مدلسازی عددی پیشرو به روش تفاضل محدود دوبعدی حوزه زمان بهبود یافته در حوزه فرکانس، مدلسازی شده است. در این تحقیق بر اساس پارامترهای ریاضی هذلولی و نتایج مدلسازی پیشرو داده های GPR هدف استوانه ای، نشان داده شده که بین نسبت ارتفاع به پهنای هذلولی با پارامترهای هندسی هدف استوانه ای (قطر و عمق دفن) یک سری روابط خطی وجود دارد. این روابط می تواند به عنوان معیارهای کمی مناسب برای شناسایی مشخصات فیزیکی و هندسی اشیا استوانه ای مدفون در زیر زمین با تصاویر GPR مورد استفاده قرار گیرد. برای دست یابی به هدف و تحلیل حساسیت، تاثیر پارامترهای مختلف هدف نظیر شکل هندسی، جنس، اندازه و ابعاد، عمق دفن، نوع و سطح سیالات محتوی (درصد حجمی سیالات) و ویژگی های فیزیکی محیط میزبان بر روی پاسخ های GPR، مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاکی از پتانسیل بالقوه روش GPR برای آشکارسازی انواع اهداف مدفون، شناسایی جنس مدل و ارزیابی ویژگی های محتوای سیال مدل است. با استفاده از این شبیه سازی ها می توان اهداف استوانه ای فلزی را از غیرفلزی تشخیص داد و نوع سیال محتوای درون ساختارهای غیرفلزی (نظیر هوا، آب شیرین و آب شور) را تعیین نمود. نتایج تحقیق با مطالعه موردی برای شناسایی قنات واقع در دشت شاهین شهر اصفهان نیز اعتبارسنجی گردیده است، به گونه ای که عمق دفن و قطر قنات به ترتیب با خطای 3.4 درصد و 12 درصد تقریب زده شد.

مدل نهایی بدست آمده در وارونسازی داده های مگنتوتلوریک بایستی تا حد امکان با زمین شناسی منطقه مورد مطالعه همخوانی داشته باشد. در اغلب روش های وارونسازی یک بعدی مگنتوتلوریک که بصورت لبه های تیز ارایه می شود، مدل هایی بدست می آید که انطباق زیادی با زمین شناسی منطقه مورد مطالعه ندارد. این عدم انطباق بخصوص در آخرین لایه دیده می شود. الگوریتم هایی که بصورت هموار ارایه می شود، اغلب آنقدر هموار هستند که لایه های نازک به سختی قابل مدل بوده و یا اصلا مدل نمی شوند. در الگوریتم لارسن بخصوص در لایه آخر عدم اعتماد وجود دارد که لارسن برای حل این مشکل از توابع کرنل استفاده کرده است. اما در روش حاضر برای این منظور از الگوریتم لارسن استفاده شده به اضافه این که تعداد لایه ها در این روش زیاد بوده و اغلب بیشتر از 10 لایه است. در این الگوریتم برخلاف روش لارسن نیازی به حل توابع کرنل نیست و مشکل انتخاب پارامترهای مدل مانند مقیاس ضخامت لایه ها حل شده است. نهایتا با به کار بردن داده های مصنوعی و واقعی قابلیت این روش نشان داده شده است.

روش وزن دهی عکس فاصله یک درون یابی متداول، آسان، قابل فهم و سریع در بسیاری از شاخه های علوم زمین است و دستور اجرای آن در بیشتر نرم افزارهای معدنی مرتبط با تخمین تعبیه شده است، تلاش در جهت ارتقاء صحت و دقت آن می تواند کاربرد این روش را فراگیرتر کند و فرآیند درون یابی را قابل اعتمادتر گرداند. در این مقاله، ساختار فضایی عناصر مختلف حاصل از تجزیه نمونه های سنگی مرتبط با پتانسیل یابی کانه زایی مس پورفیری در منطقه حراران به کمک واریوگرام مطالعه شده و بر اساس پارامترهای واریوگرام معیاری برای محاسبه مقدار توان عکس فاصله پیشنهاد شده است، به منظور اعتبارسنجی، درون یابی وزن دهی عکس فاصله بر روی داده های ژئوشیمیایی و به ازای مقادیر مختلف توان عکس فاصله (مقادیر متداول توان و توان محاسبه شده بر اساس واریوگرام) پیاده سازی گردیده است و درصد خطا و مجذور میانگین مربعات خطای درون یابی محاسبه شده است. درون یابی در محیط متلب کدنویسی شده و نتایج حاصله برای عناصر مختلف ارائه و با توجه به ویژگی های هر عنصر تحلیل شده است. بر اساس نتایج حاصل، شیب بخش خطی واریوگرام کروی معیاری از مقدار توان عکس فاصله (a) است به طوری که مقدار آن برای عناصر با ساختار فضایی نسبتا پیوسته برابر با مقادیر متداول a (1، 2 و 3) است و روش وزن دهی عکس فاصله برای درون یابی این عناصر قابل کاربرد است.

تخریب پذیری و خردشوندگی توده سنگ در روش های تخریبی دارای سه مرحله خردشوندگی برجا، اولیه و ثانویه است. خردشوندگی برجا ناشی از درزه های بالفعل موجود در توده سنگ با مقاومت کششی صفر است. اما خردشوندگی اولیه و ثانویه، ناشی از خردشدن بلوک های سنگی به ظاهر بدون درزه است. در این بلوک ها سطوح ضعف از جمله پل های سنگی، رگچه ها، سطوح تورق و غیره گزینه های اصلی برای جدایش و شکست در اثر تنش های القایی ایجاد شده، هستند. بنابراین لازم است فراوانی و پراکندگی این سطوح در توده سنگ با استفاده از روش هایی شبیه برداشت ناپیوستگی های بالفعل، قابل برداشت باشد. هدف، طراحی روشی است تا میزان دقت تشخیص درزه های بالقوه به صورت چشمی مشخص شود و در مرحله بعد برمبنای انرژی لازم برای شکست، این ناپیوستگی ها تفکیک و دسته بندی شود. با طراحی و اجرای یک روش جدید، درزه های موجود در یک بلوک سنگی از دیدگاه هندسی تقسیم بندی و کمی سازی شد، نمونه های موزاییکی به ابعاد تقریبی 60×60 و ضخامت تقریبی 3.5 سانتی متری ازتعدادی بلوک سنگی از یک نوع تهیه شد. سپس به صورت چشمی بر اساس یک سری از شاخص ها از قبیل گسترش، بازشدگی و جهت غالب، سطوح ضعف بالقوه بر روی نمونه ها قبل از شکست مشخص و علامت گذاری شد. پس از شکست نمونه میزان درستی تشخیص درزه های بالقوه، کنترل شده و بر اساس سطح انرژی مورد نیاز برای شکست تقسیم بندی صورت گرفت. آن بخش از درزه ها که پتانسیل بودن بصورت ناپیوستگی را دارند اما به صورت برجا ناپیوستگی به شمار نمی آیند، به عنوان ناپیوستگی نوع 2 در نظر گرفته شد و درزه هایی که پس از جابجایی بزرگ مقیاس به وجود می آیند، نوع 3 دسته بندی شد.

در این تحقیق به بررسی روش های جانهی مقادیر سانسور شده در مجموعه داده های چند متغیره ژئوشیمیایی پرداخته شده است. وجود مقادیر گم شده باعث محدودیت در استفاده از اغلب روش های آماری همچون تحلیل مولفه های اصلی می شود. حذف نمونه های شامل داده های گم شده باعث اریب شدن نتایج و از دست دادن اطلاعات می شود به همین دلیل در نظر گرفتن رویکردی مناسب در مواجهه با داده های گم شده یک نیاز اساسی در تحلیل مجموعه داده های ناکامل است. در این مقاله، با توجه به ماهیت ترکیبی داده های ژئوشیمیایی، چند روش مناسب برای جانهی مقادیر گم شده که در چند سال اخیر ارائه شده اند و به سادگی در محیط نرم افزار آماری R قابل اجرا هستند، معرفی شده اند. در نهایت با استفاده از یک مجموعه داده کامل مربوط به منطقه ظفرقند، این روش ها با یکدیگر مقایسه شده اند. نتایج نشان می دهند که استفاده از روش های چند متغیره برای جانهی و به طور خاص روش ilr-EM نسبت به دیگر روش ها ارجحیت دارند.

با توجه به اهمیت و کاربرد سیستم طبقه بندی امتیاز توده سنگ در مهندسی سنگ، هدف از این مقاله تصحیح کلاس های نهایی این سیستم طبقه بندی با استفاده از الگوریتم های خوشه بندی k-means و fuzzy c-means (FCM) است. در سیستم طبقه بندی امتیاز توده سنگ داده ها توسط یک سری از اطلاعات اولیه بر مبنای نظریات و قضاوت های تجربی طبقه بندی می شوند ولی با کاربرد الگوریتم های خوشه بندی در این سیستم طبقه بندی، کلاس بندی داده ها بعد از مراحل تحلیل خوشه ای انجام می شود، در نتیجه موجب تفکیک پذیری مناسب کلاس های نهایی سیستم طبقه بندی امتیاز توده سنگ و رفع ابهامات حاصل از معیار های زبانی آن می شود. جهت اعتبار سنجی الگوریتم خوشه بندی k-means از روش سیلهوته (SC) و اعتبار سنجی الگوریتم خوشه بندی FCM از چهار روش: ضریب توزیع پارتیشن (PC)، روش آنتروپی (CE)، روش فوکویاما و سوگنو (FS) و ضریب زی و بنی (XB) استفاده شده است. با توجه به نتایج اعتبار سنجی هر یک از الگوریتم های خوشه بندی، در نهایت مشخص شد که الگوریتم خوشه بندی FCM به دلیل شرایط عدم قطعیت در تعیین کلاس های سیستم طبقه بندی توده سنگ دارای نتایج بهتر و مناسب تری نسبت به الگوریتم خوشه بندی k-means است. این نتایج در مورد داده های برداشت شده از آنومالی B معادن سنگ آهن سنگان نشان می دهد که تکنیک مورد استفاده در این مقاله از اهمیت ویژه ای جهت ارزیابی کیفیت توده سنگ برخوردار است.

رشد جمعیت و کمبود فضا در شهرهای بزرگ باعث افزایش نیاز به توسعه سیستم حمل و نقل عمومی و اجرای خطوط زیرزمینی مترو در این شهرها شده است. یکی از مهمترین مخاطرات حفاری تونل های مترو، نشست ناشی از حفاری این تونل ها و اثرات احتمالی آن بر روی سازه های سطحی است. هدف اصلی از انجام این تحقیق بررسی میزان تاثیر مهمترین پارامترهای ژئوتکنیکی مصالح آبرفتی بر روی نشست سطح زمین است. مطالعه پیشینه تحقیق نشان می دهد که تجزیه و تحلیل همزمان پارامترهای موثر بر رفتارمصالح دربرگیرنده تونل، کمتر مورد توجه قرار گرفته است. به منظور دستیابی به این هدف می توان از روش طراحی آزمایش به دلیل امکان اعمال تغییرات آگاهانه در متغیرهای ورودی (پارامترهای ژئوتکنیکی) مدل و بررسی تغییرات خروجی (نشست سطح زمین) استفاده کرد. از طرف دیگر استفاده از دانش افراد خبره در یک مدل مبتنی بر سیستم مهندسی سنگ به منظور قضاوت در خصوص سیستم های پیچیده همواره از کارایی بالایی برخوردار است. به همین دلیل در این مطالعه از این روش نیز به منظور دستیابی به اهداف تحقیق استفاده شده است. جهت استفاده از روش طراحی آزمایش ابتدا با استفاده از نرم افزار تفاضل محدود FLAC3D، بخشی از تونل خط دو مترو کرج مدل و نتایج مدل ساخته شده با اطلاعات رفتارنگاری مقایسه شد. بدین ترتیب از کارایی مدل عددی ساخته شده در شرایط زمین شناسی این محدوده اطمینان حاصل شد. در مرحله بعدی یک تحلیل دامنه ایی و تحلیل حساسیت با استفاده از روش تاگوچی انجام گرفت. در تحلیل دامنه ایی انجام گرفته پارامترهای مدول الاستیک و نسبت پواسون با محدوه 0.46 و 0.14 به ترتیب دارای بیشترین و کمترین تاثیر بر روی شاخص آزمایش و به تبع آن بر روی نشست سطح زمین هستند. همچنین خروجی های تحلیل انجام گرفته با استفاده از نرم افزار Minitab نشان می دهد که مدول الاستیسیته و نسبت پواسون به ترتیب دارای بیشترین و کمترین میزان تاثیر بر روی نشست سطح زمین هستند. نتایج مدل مبتنی بر نظرات افراد خبره نیز انطباق نسبی با نتایج روش طراحی آزمایش دارد. تحلیل مدل RES نشان می دهد که بیشترین و کمترین وزن فعالیت پارامترهای مورد بررسی به ترتیب مربوط به مدول الاستیک با وزن 28.6 و نسبت پواسون با وزن 7.1 است. بنابراین این دو پارامتر دارای بیشترین و کمترین تاثیر بر روی نشست سطح زمین هستند.

حفر چاه در صنایع مختلف مانند نفت، گاز و معدن همواره با مشکل ناپایداری مواجه بوده و نیاز به صرف هزینه های زیاد دارد. با کنترل تغییرشکل و شکست در دیواره چاه می توان به حداقل ممکن ناپایداری رسید. در این مقاله، هدف بررسی تغییر شکل و نحوه گسیختگی در نمونه های استوانه ای توخالی جدار ضخیم (برای مدل سازی چاه نفت) حین حفاری تحت دو شرایط تنش متفاوت است. برای این منظور، ابتدا مطالعات آزمایشگاهی با هدف تعیین خصوصیات مکانیکی بر روی نمونه های مصنوعی گچ و نمونه های طبیعی مارن، ماسه سنگ و آهک رسی انجام شده است. با توجه به محدودیت های آزمایشگاهی امکان انجام آزمایش در تنش بالا مقدور نبود بنابراین آزمایش سه محوری به کمک سلول هوک تغییر یافته فقط بر روی نمونه های استوانه ای توخالی جدار ضخیم گچ انجام شد. نتایج آزمایش های انجام شده برای ساخت و اصلاح مدل سازی عددی توسط نرم افزار ABAQUS مورد استفاده قرار گرفت و در نهایت از مدل اصلاح شده برای پیش بینی تغییرشکل و شکل شکست در نمونه های استوانه ای جدار ضخیم نمونه های طبیعی مارن، ماسه سنگ و آهک رسی تحت شرایط تنش s1=sq>s2=sr>s3=sz استفاده شد. نتایج حاصل از مدل سازی نشان داد که شکل شکست در شرایط تنش ذکر شده در دیواره نمونه های استوانه ای جدار ضخیم به صورت برشی و در دو جهت مخالف دیواره گمانه است. همچنین در رژیم تنش s1=sz>s2=sq>s3=sr شکست با توزیع تصادفی در سه ناحیه اتفاق می افتد. در هر دو رژیم تنش، بیشترین فشار داخل گمانه در لحظه شکست برای ماسه سنگ و کمترین فشار داخل گمانه برای آهک رسی در بین نمونه های مورد مطالعه است. همچنین کمترین کرنش پلاستیک برای ماسه سنگ و بیشترین کرنش پلاستیک برای آهک رسی از نتایج مدلسازی عددی حاصل شده است. فشار داخل گمانه در لحظه شکست می تواند به عنوان فشار اولیه گل حفاری مورد استفاده قرار گیرد.