روش های تحلیلی و عددی در مهندسی معدن
سال:1395 | دوره:6 | شماره:12 |تعداد مقالات:9

انجام تهویه دقیق و صحیح معادن از مهم ترین مسائل مربوط به ایمنی معدن است. اجرای مناسب شبکه تهویه معدن مستلزم شناخت و تحلیل دقیق حرکت هوا در بخش های مختلف معدن است. محاسبات تهویه در معادن متوسط وبزرگ زیر زمینی از پیچیدگی زیادی برخوردار بوده و مستلزم بکارگیری مدل ها وروش های تقریبی ریاضی مناسب خواهد بود. از جمله روش های تقریبی، گره- حلقه است که تئوری خطی نیز نامیده می شود. در روش های هاردی- کراس و نیوتون- رافسون حدس اولیه منطبق با قانون گره کرشف لازم است. این حدس اولیه در شبکه های بزرگ با دشواری صورت گرفته و وقت گیر است. در روش گره- حلقه نیاز به حدس اولیه مطابق با قانون گره نیست. مزیت دیگر این روش سرعت همگرایی بیشتر آن برای معادلات درجه دو است. ابتدا، روش گره- حلقه درتحلیل شبکه های برق وآب به کار گرفته شد، اما تا کنون در تهویه معادن مورد توجه قرار نگرفته است. در این مقاله، شرح مختصری ازمبانی شبکه های تهویه معدن وروش گره- حلقه بیان می شود. سپس، چگونگی استفاده ازاین روش به صورت ماتریسی در تهویه معادن بر اساس دبی شاخه ها بررسی شده است. در ادامه، معادلات بیان کننده شبکه و نحوه خطی سازی آنها بیان شده و نحوه حل عددی ارائه شده است. در پایان شبکه تهویه معدن پابدانا به روش گره- حلقه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در این تحلیل بدون نیاز به دادن مقادیر تخمینی اولیه دبی، محاسبات به همگرایی منجرشد و توزیع هوا در بخش های مختلف معدن تعیین گردید.

از روش های مهم در داده کاوی نظارت نشده داده های ژئوشیمیایی، انواع روش های خوشه بندی است که چنانچه روی متغیرها انجام شوند منجر به کاهش ابعاد داده ها می شوند. در میان انواع روش های خوشه بندی، نوع فازی آن به دلیل ویژگی های خاص منطق فازی و انعطاف بیشتر در تعیین گروه های داده مشابه، در سالیان اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش از الگوریتم فازی منعطف به نام FANNY به منظور خوشه بندی متغیرهای داده های ژئوشیمی رسوبات آبراهه ای که خاصیت ترکیبی دارند، استفاده شده است. با تحقیقات گسترده محققان علم آمار و ارائه روش های جدید بازکردن داده های ترکیبی، مشخص شده است که فاصله ها و روابط دیگری بر فضای این نوع داده ها حاکم است که برای درک بهتر آنها نیاز به انتقال ایزومتریک به فضای اقلیدسی است تا قابل استفاده و تفسیر با روابط کلاسیک آماری باشند. در پژوهش حاضر، پس از آماده سازی داده های ژئوشیمی رسوبات آبراهه ای منطقه انار کرمان (به عنوان مثالی از داده های ترکیبی با ابعاد زیاد) ابتدا دندروگرام اکتشافی روی متغیرها در فضای سیمپلکس و با استفاده از پارتیشن دودوئی ترتیبی (SBP) پیش فرض، محاسبه و ترسیم شد که با بکارگیری این روش، تعداد 4 خوشه با متغیرهای مشابه شناسایی شد. سپس دوباره با استفاده از الگوریتم fanny، همان متغیرهای داده های باز شده با تبدیل clr خوشه بندی شد. نتایج خوشه بندی متغیرها با الگوریتم fanny انطباق قابل قبولی با دندروگرام اکتشافی داده های ترکیبی نشان داد. در صورتی که SBP مورد نیاز برای بالانس های دندروگرام اکتشافی در مختصات ایزومتریک با شناخت کامل تر از متغیرها و نه بصورت پیش فرض تعیین شود نتایج دندروگرام دقت بسیار بهتری خواهد داشت.

در معدن سنگ آهن سه چاهون واقع در استان یزد با توجه به قرار گرفتن بخش اعظم ذخیره سنگ آهن در عمق پایین تر از سطح ایستابی ناحیه ای انجام یک مطالعه جامع در رابطه با نحوه جریان آب زیرزمینی در محدوده پیت و اطراف آن ضروری می باشد. در این راستا با استفاده از اطلاعات زمین شناسی سطحی و مقاطع موجود و همچنین استفاده از اطلاعات گمانه های لیتولوژی حفر شده در محدوده به ساخت مدل سه بعدی زمین شناسی محدوده و مقایسه با داده های سطح ایستابی و ژئوالکتریک شد. بررسی داده های مربوط به آزمایش های لوژن و لوفران به منظور تعیین ضرایب هیدرودینامیکی لایه ها، بررسی داده های مربوط به بارش و تبخیر، بررسی شکستگی ها و گسل های منطقه به عنوان مجراهای انتقال جریان در سازند سخت از مراحل آماده سازی داده ها جهت ورود به مدل عددی است. خروجی مدل زمین شناسی به عنوان هندسه آبخوان به مدل عددی وارد شده است. با توجه به قرار گرفتن محدوده معدن در بخشی از حوضه آبریز سه چاهون و عدم مشخص بودن میزان آب ورودی به محدوده معدن ابتدا به مدلسازی حوضه آبریز منطقه در حالت پایدار توسط نرم افزار Feflow 6.2 پرداخته شد. سپس میزان آب ورودی و خروجی مدل مربوط به محدوده معدن با استفاده از مدل حوضه آبریز تعیین گردید. با توجه به پیچیدگی های موجود در محیط ناهمگن نتایج حاصل از مدلسازی عددی حوضه ابریز در حالت پایدار با 61 درصد همبستگی بین سطح ایستابی بدست آمده از مدل و اندازه گیری شده قابل قبول می باشد. ورودی آب در مدل کارگاه استخراج روباز از قسمت جنوب شرقی و خروجی آن از قسمت شمال غربی محدوده است. با توجه به اینکه روند عمومی گسل های منطقه شمالی-جنوبی است، میزان تغییرات سطح ایستابی در راستای شرقی-غربی بسیار شدید و در راستای شمالی- جنوبی کمتر می باشد. از طرفی با توجه به اینکه بیشترین مقدار جریان در راستای گسل ها و شکستگی های منطقه است، خطوط هم تراز سطح ایستابی در نقاط مختلف محدوده بسته می شوند.

پایداری شیب یکی از پارامترهای اصلی و تعیین کننده در اقتصاد و ایمنی در معادن روباز است. شکست و به تبع آن گسیختگی شیب سبب زیان های جبران ناپذیر اقتصادی و جانی می شود. عوامل زیادی در ناپایداری شیب در معادن اثرگذارند. آنچه که در این تحقیق از آن با نام ریزش سنگین یاد می شود، ریزش های بالای 5 الی 6 میلیون تن است که چندین پله از معدن را شامل شده و روند استخراج در معدن را با مشکل مواجه می سازد. نمونه ای از این ریزش های بزرگ در معدن سرب و روی انگوران رخ داده است که به سبب آن حدود 40 میلیون تن باطله به درون پیت لغزید و خسارات سنگینی به اقتصاد معدن وارد کرد. لذا ارزیابی احتمال ریزش مجدد در این معدن برای جلوگیری از خسارات و هزینه های محتمل امری ضروری است. برای بررسی و مطالعه دقیقتر خواص ژئومکانیکی معدن انگوران، درزه های اصلی و گسل های موجود در معدن از نزدیک مورد مطالعه قرار گرفت و تعدادی نمونه از بخش آهکی معدن برای انجام آزمایش های مکانیک سنگی جهت تعیین خصوصیات ژئومکانیکی برداشت شد. پس از انجام آزمایشات مکانیک سنگی، با استفاده از نرم افزار 3DEC مدل سه بعدی معدن ساخته شد و ارزیابی های اولیه برروی آن انجام گرفت. با توجه به جابجایی های اولیه به دست آمده از نرم افزار و خواص ژئومکانیکی دیواره شرقی و شکل مقعر معدن در دیواره شمالی، این دیواره ها پایدار در نظر گرفته شد و در ادامه به ارزیابی احتمال ریزش در دیواره غربی پرداخته شده است. برای بررسی پایداری دیواره غربی، مدل با مقادیر مختلف چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی برای شیست و گسل موجود در این دیواره اجرا شد و ملاحظه شد که میزان جابجایی ها در پای دیواره بیشتر است. لذا بر روی جابجایی های صورت گرفته در پای دیواره تحلیل آماری صورت گرفت و احتمال ریزش سنگین مجدد در معدن بر اساس جابجایی های حاصل، 35.2 درصد به دست آمد.

مدل کردن و شبیه سازی اثر پارامترها روی رفتار سنگ در طی چند دهه اخیر افزایش یافته است. امروزه شبیه سازی ابزار مهمی برای تحلیل هایی است که در شرایط آزمایشگاهی امکان انجام آن میسر نیست. از علل اصلی استفاده از مدلسازی عددی سوراخ کاری با لیزر می توان به عدم دسترسی به فشارهای جانبی بالاتر از شرایط آزمایشگاهی موجود، بالا رفتن هزینه های سوراخ کاری با قطر زیاد، عدم امکان تفکیک تنش و کرنش های مکانیکی و حرارتی از هم، ناشی از لیزر در آزمایشگاه و همچنین بررسی اثرات ثانویه لیزرکاری در سنگ اشاره کرد. در این تحقیق، از روش المان محدود برای بررسی تنش های حرارتی و مکانیکی ناشی از سوراخ کاری با لیزر ND:YAG در نمونه سنگ های مخازن هیدروکربوری استفاده شده است. برای این منظور از نرم افزار آباکوس (ABAQUS) برای تحلیل های حرارتی و مکانیکی استفاده شد. یک مغزه سنگ مدلسازی شد و خصوصیات حرارتی سنگ مخزن از قبیل هدایت حرارتی، ظرفیت گرمایی و چگالی به عنوان پارامترهای ورودی در نظر گرفته شد. پس از اعمال نرخ حفاری و مدلسازی لیزرکاری بر اساس آزمون های آزمایشگاهی و انطباق خروجی مدل با این آزمون ها، اثر فشارهای جانبی بالا روی لیزر سنگ مطالعه شد. نتایج نشان داد مدل عددی به کار گرفته شده تطابق خوبی با شرایط واقعی دارد. در اطراف سوراخ ایجاد شده، تنش حرارتی ناشی از لیزرکاری نسبت به تنش های مکانیکی ناشی از فشار جانبی کمتر است و توزیع تمرکز تنش در آن ارتباط زیادی با مقدار فشار در برگیرنده نمونه سنگ دارد.

اطلاع داشتن از میزان رطوبت موجود در خاک رس در مرحله خشک کردن علاوه بر اینکه زمان دقیق آماده سازی برای مرحله پخت را در اختیار سازنده قرار می دهد، می تواند باعث کنترل بهتر فرآیند در جهت صرفه جویی زمان و انرژی شود. از طرفی اطلاع از چگونگی توزیع رطوبت بر روی سطح قطعه، امکان پیش بینی ایجاد ترک و یا عیوب دیگر را امکان پذیر می نماید. در این تحقیق با استفاده از تکنیک های مبتنی بر عکس برداری مادون قرمز به منظور ثبت تغییرات دمایی حاصل از فرآیند کنترل شده خشک کردن چند نمونه رسی و استفاده از روابط جسم نیمه بی نهایت و انتقال حرارت گذرا، به بررسی میزان رطوبت و تغییرات آن در قطعه، در طول فرآیند خشک کردن پرداخته شده است. با مقایسه نمودارهای حاصل از آزمایش ها و نمودارهای تئوری موجود در مراجع، مشاهده شد استفاده از مدل جسم نیمه بی نهایت و تصویر برداری مادون قرمز به منظور تشخیص میزان رطوبت، روشی قابل استفاده است. از آنجایی که این روش، روشی رایانه ای و دیجیتال بوده، از سرعت عملکرد بسیار بالاتری نسبت به روش مکانیکی مرسوم برخودار است. با استفاده از این روش امکان مشاهده توزیع رطوبت در قطعه بدون نیاز به دخالت مکانیکی وجود دارد.

ناهمسانگردی یکی از مهم ترین شاخصه های سنگ های رسوبی و دگرگونی است که در پایداری فضاهای روباز و زیرزمینی تاثیر گذار بوده و باید در طراحی ها در نظر گرفته شود. به همین منظور مطالعات آزمایشگاهی گسترده ای با هدف بررسی تاثیر ناهمسانگردی بر رفتار مکانیکی و مقاومت نهایی چنین سنگ هایی انجام شده است. مدلسازی عددی یک ابزار مهم در طراحی ساختارها و تحلیل پایداری آنها به شمار می رود. با توجه به قابلیت های موجود در روش های عددی با مبنای المان مجزا در مدلسازی فرآیند شکست نمونه های دارای ناهمسانگردی و همچنین توانایی این روش ها در رفتار نگاری شکست سنگ ها تحت فشارهای تک محوره و سه محوره، در این تحقیق با استفاده از روش المان مجزا (نرم افزار PFC) رفتار سنگ دارای همسانگردی عرضی تحت فشار سه محوره مورد بررسی قرار گرفت تا با استفاده از این روش عددی، رفتار سنگ های دارای ناهمسانگردی عرضی تحت شرایط مختلف بارگذاری مدلسازی شود و بنابراین قابلیت این روش در پیش بینی رفتار نمونه های آزمایشگاهی و برجا سنجیده شود. در این راستا نمونه هایی با زوایای مختلف لایه بندی (از 0 تا 90 درجه) با استفاده از روش المان مجزا مدل و تحت فشارهای همه جانبه مختلف بارگذاری شدند. نتایج این تحقیق نشان داد که روش المان مجزا قابلیت مدلسازی این نوع ناهمسانگردی ها را داشته و تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد. همچنین بررسی ها نشان داد که مقاومت حداکثر در سنگ دارای همسانگردی عرضی به جهت صفحه ناهمسانگردی بستگی دارد و تغییرات آن نسبت به زاویه لایه بندی موجود، منحنی هایی U شکل با شانه هایی نابرابر است که در زاویه لایه بندی صفر درجه، حداکثر مقدار و در زاویه 30 درجه کمترین مقدار را دارد. نتایج همچنین نشان داد که افزایش فشارهای همه جانبه مود شکست نمونه دارای همسانگردی عرضی را تغییر نمی دهد.

پارامترهای متعددی مانند توالی حفر، روش حفر، ضخامت پوشش بتنی، فاصله بین دو تونل، طول دهانه پوشش داده نشده، خواص خاک و... بر میزان اندرکنش تونل های متقاطع غیرهمسطح تاثیرگذار هستند. از آنجا که توالی حفر تاثیر زیادی بر نشست سطح زمین و سایر جنبه های منفی تونلسازی دارد، لذا یکی از مهمترین پارامترهایی است که باید قبل از حفاری این تونل ها علی الخصوص در نواحی تقاطع تعیین شود. هدف اصلی این پژوهش تعیین بهترین توالی حفر برای تونل های متقاطع غیرهمسطح در نواحی شهری است. بدین منظور تقاطع تونل های خطوط 6 و 7 متروی تهران مد نظر قرار گرفته است و بهترین گزینه برای حفاری این تونل ها در محل تقاطع آنها به کمک مدلسازی عددی سه بعدی با نرم افزار MIDAS GTS NX تعیین شده است. هر دو تونل دارای قطرهای مشابهی بوده و به کمک دستگاه حفر مکانیزه TBM-EPB حفاری می شوند. این نرم افزار دارای قابلیت های خوبی برای مدلسازی تونل هایی که با سیستم مکانیزه حفر می شوند، است. برای دستیابی به هدف گفته شده، سه سناریو و پنج آلترناتیو در نظر گرفته شد و در هر سناریو اثر توالی حفر بر روی نتایج مدل از قبیل نشست سطح زمین، جابجایی کلی، نیروهای برشی و محوری القا شده در پوشش نهایی تونل ها مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد بهترین سناریو حالتی است که تونل کم عمق/ بالایی حداقل به میزان 10 برابر قطر زودتر از تونل عمیق/ پایینی حفر شود.

امروزه روش های عددی جایگاه ویژه ای در مکانیک سنگ پیدا کرده اند. این روش ها بسته به نوع مساله و محیط بصورت ترکیبی نیز به کار می روند که اصطلاحا روش های هیبریدی نام گرفته اند. در شیب سنگ های درزه دار وقتی ناپیوستگی ها ناممتد باشند، همه بلوک های بالقوه به دلیل عدم برخورد درزه ها بوجود نمی آیند. در این شرایط تمرکز تنش می تواند موجب انتشار درزه شده و امکان اتصال آنها را بوجود آورده و بلوک های جدید را ایجاد کند. در این تحقیق از روش جابجایی ناپیوستگی (DDM) جهت رشد درزه و از روش آنالیز تغییر شکل ناپیوسته (DDA) جهت مدلسازی جابجایی های بزرگ در این شیروانی ها بصورت تلفیقی استفاده شده است. ابتدا مدلسازی هندسی ناپیوستگی ها به روش دیسک های تصادفی در برنامه 3DGM در محیط متمتیکا صورت گرفت، سپس ناپیوستگی های ناممتد در یک مقطع دو بعدی توسط برنامه TDDQCR در محیط متمتیکا تا تعادل نهایی رشد یافتند. در مرحله نهایی، پس از انجام اصلاحاتی برروی خروجی ها جهت ایجاد قابلیت ورود به برنامه DDA و UDEC، تحلیل پایداری به دو روش اجزای مجزای ضمنی و صریح انجام گرفت. مورد مطالعاتی این پژوهش دیواره شمالی معدن چغارت است. در تحلیل مقایسه ای صورت گرفته به وضوح قابلیت روش آنالیز تغییر شکل ناپیوسته (DDA) نسبت به روش المان گسسته (DEM) در مدلسازی جابجایی های بزرگ به خصوص حرکت های چرخشی آشکار است. از طرفی دیگر با مدلسازی هندسی به روش درزه های نامحدود در 3DGM و مقایسه با مدلسازی هندسی به روش دیسک های تصادفی قبلی، تفاوت تحلیل پایداری با و بدون رشد ترک دیده شد و مشخص گردید که رشد ترک خود باعث ایجاد مدل هندسی متفاوت و پیرو آن نتایج متفاوتی در تحلیل پایداری شیروانی است.