روش های تحلیلی و عددی در مهندسی معدن
سال:1398 | دوره:9 | شماره:18 |تعداد مقالات:11

تحلیل رگرسیونی به عنوان بخش مهمی از اکتشاف ذخایر طلا با داده های ژئوشیمیایی با ماهیت ترکیبی سر و کار دارد. در داده های ترکیبی، متغیرهای عیاری بخشی از کل بوده و اطلاعات مفید در آنها در قالب نسبت متغیرها وجود دارد. محدود بودن داده ها در بازه صفر تا 100 درصد باعث ایجاد همبستگی تحمیلی و کوواریانس دروغین شده و این موضوع، تحلیل های آماری مرسوم را با اشتباه و عدم قطعیت همراه خواهد کرد. این موضوع برای داده های ژئوشیمیایی که مجموع آنها به 100 درصد نمی رسد نیز ثابت شده است. در این پژوهش تحلیل رگرسیونی عیار طلا در یک رخداد معدنی طلا در شمال غربی ایران با دو رویکرد سنتی (رگرسیون غیرخطی چند متغیره داده های خام) و ترکیبی (رگرسیون غیرخطی چند متغیره بالانس های به دست آمده از تبدیل نسبت لگاریتمی ایزومتریک (ilr)) مورد توجه قرار گرفته است. هدف از این کار مقایسه توانایی دو رویکرد در برآورد دقیق عیار طلا است. ضریب همبستگی مقادیر واقعی و تخمینی برای رویکرد سنتی 74/0 و برای رویکرد ترکیبی 84/0 و نرخ طبقه بندی صحیح (CCR) به عنوان مثال در عیار ppb40 به ترتیب 688/0 و 875/0 است. به علاوه، تابع توزیع مقادیر تخمینی با رویکرد ترکیبی بیش از رویکرد سنتی به تابع توزیع داده های واقعی شبیه است. همچنین، رویکرد سنتی در یک نمونه، عیار طلا را کم تر از صفر تخمین زده است. این تناقض آشکار نشانه ای از نامناسب بودن روش های سنتی ریاضی برای کار با داده هایی با سیستم بسته است. به علاوه، رویکرد ترکیبی در برآورد چارک های اول و سوم که مقادیر حیاتی تری در جدایش داده های آنومال هستند، تخمین های دقیق تری ارائه نموده است. مجموع این موارد دلالت بر این دارند که به منظور یک تحلیل آماری دقیق و قابل اعتماد، باید ماهیت ترکیبی داده های ژئوشیمیایی مورد توجه واقع شده و داده ها با روش نسبت لگاریتمی مناسب تحلیل شوند.

ضریب عکس العمل بستر به طور گسترده ای در محاسبات پی سازه های مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد. تعیین ضریب عکس العمل بستر یکی از مباحث مهم در بخش اندرکنش خاک-سازه است. عموما مقادیری که برای این ضریب در طراحی پی و بحث بررسی احتمال خرابی سازه به کار برده می شود، به صورت قطعی و بدون در نظر گرفتن تحلیل قابلیت اطمینان هستند. در این مطالعه برای تعیین قابلیت اطمینان ضریب عکس العمل بستر از نتایج آزمایش های سه محوری که نتایج آنها در فرآیندهای طراحی پی سازه ها به کار می روند، استفاده شده است. برای تعیین احتمال شکست، ابتدا این ضریب از نتایج آزمایش های سه محوری انجام شده در آزمایشگاه استخراج شد. سپس نتایج حاصله با مقادیر ضریب عکس العمل بستر به دست آمده از آزمایش های بارگذاری صفحه ای انجام شده در محل مقایسه گردیدند. در تحلیل قابلیت اطمینان (برآورد احتمال شکست)، میزان تغییرات تابع هدف با تعیین نوع تابع توزیع و بهره گیری از تابع بقا مشخص شد. برای نیل به این هدف، تابع توزیع نتایج ضریب عکس العمل بستر حاصل از آزمایش سه محوری در چهار تنش جانبی مختلف (5/0، 7/0، 3 و 2/4 کیلوگرم بر سانتی متر مربع) و آزمایش بارگذاری صفحه ای ترسیم شدند. سپس با استفاده از تابع توزیع تجمعی و تابع بقا میزان احتمال شکست محاسبه گردیدند. مقایسه نتایج به دست آمده نشان داد که ضریب عکس العمل بستر از آزمایش سه محوری با احتمال شکست بیشتری نسبت به ضریب عکس العمل بستر از آزمایش بارگذاری صفحه ای می تواند در محاسبات طراحی سازه وارد شود.

با استخراج لایه زغالسنگ در کارگاه های جبهه کار طولانی، شرایط تعادل تنش های برجا تغییر کرده و توزیع مجدد تنش های برجا در محدوده کارگاه استخراج منجر به افزایش تمرکز تنش در پیرامون پهنه می شود. توزیع مجدد میدان تنش در اطراف کارگاه استخراج سبب ایجاد تنش های القایی و به تبع آن تغییرشکل و جابه جایی توده سنگ می شود. در این خصوص به علت تمرکز تنش در اطراف کارگاه استخراج، فشار تکیه گاهی جلویی از اهمیت بیش تری برخوردار است. از این رو در این پژوهش سعی شده است جهت تنش های اصلی القایی پیرامون کارگاه استخراج با استفاده از داده های لرزه نگاری و از طریق وارونه سازی تانسور گشتاور لرزه ای تعیین شود. به این ترتیب با تجزیه و تحلیل امواج لرزه ای القایی که در اثر تمرکز تنش منتشر می شوند، تانسور گشتاور لرزه ای محاسبه شده و سپس با استفاده از مقادیر ویژه و بردارهای ویژه، جهت تنش های القایی تخمین زده می شوند. برای این منظور با انتخاب کارگاه E2 معدن زغالسنگ طبس به عنوان مطالعه موردی، امواج لرزه ای متناظر با 24 ریزش سقف در این کارگاه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می دهد که مکانیزم شکست غالب در این کارگاه به صورت فشاری/کششی ظاهر شده است. همچنین ناپایداری های کارگاه عمدتا ناشی از تمرکز تنش بوده و موقعیت فضایی آنها در محدوده جبهه کار متمرکز شده است. از طرف دیگر شکست برشی بیشتر در محدوده گسل های منطقه ظاهر شده است. به طور کلی در بیش تر موارد جهت بیشینه تنش اصلی القایی نسبت به افق زاویه حاده داشته است. این موضوع نشان می دهد که تنش های القایی افقی بیش ترین تاثیر را در ناپایداری و وقوع شکست سقف داشته اند.

با افزایش نیاز به طراحی و ساخت بناهای سطحی نظیر سدها، پل ها و دیگر سازه های سنگی و بتنی، تعیین ظرفیت باربری نهایی شالوده از اهمیت قابل توجهی برای مهندسین معدن، مکانیک سنگ و ژئوتکنیک برخوردار است. با توجه به اینکه که بستر اکثر سازه های سطحی را توده های سنگ تشکیل می دهد لذا طراحی موفق یک شالوده به تخمین دقیق ظرفیت باربری توده سنگ زیر آن وابسته است. بر همین اساس، تعیین ظرفیت باربری نهایی توده سنگ با استفاده از روش های برجا، تحلیلی، عددی و تجربی توسط پژوهشگران مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. هدف از تحقیق حاضر، انتخاب دقیق ترین روش از بین روش های موجود برای تعیین ظرفیت باربری نهایی توده سنگ است. بر اساس داده های واقعی گردآوری شده از منابع معتبر، ظرفیت باربری نهایی در هر کدام از روش های موجود محاسبه و نتایج حاصله با همدیگر مقایسه شده است. مقایسه و اعتبارسنجی روش های موجود با استفاده از شاخص های ارزیابی عملکرد شامل ضریب همبستگی، ضریب تصمیم گیری، جذر میانگین مربعات خطا و میانگین خطای مطلق صورت گرفته است. بر اساس نتایج حاصل از این مقایسه، اولویت بندی روش های موجود بر مبنای کم ترین خطا و بیش ترین تطابق با مقادیر واقعی انجام و مناسب ترین روش ها برای تعیین ظرفیت باربری نهایی توده سنگ پیشنهاد شده است. از مهم ترین مزایای این پژوهش می توان به اعتبار سنجی روش های تخمین ظرفیت باربری نهایی توده سنگ و تعیین دقیق ترین روابط اشاره کرد که بر اساس شرایط حاکم بر مسئله در اختیار طراحان قرار گرفته و باعث صرفه جویی در هزینه و زمان می شود.

تقسیم بندی مجموعه داده به زیرمجموعه های همگن، هدفی اساسی در تحلیل داده های ژئوشیمیایی است که اغلب از ابزار خوشه بندی برای نیل به آن استفاده می شود. مهم ترین چالش عملی موجود در این راستا، تخمین تعداد حقیقی گروه های نهان در مجموعه داده است که به طور سنتی از اطلاعات ژئوشیمیایی توصیفی، دانش کارشناسی یا به کارگیری یک شاخص آماری خاص برای حل آن استفاده می شود. خروجی این روش ها اغلب ناپایدار و همراه با عدم قطعیت است، لذا رویکردی که این مقاله برای حل مسئله تعیین تعداد خوشه در داده ها پیشنهاد می کند، اجرای گستره ای از شاخص های موجود و تولید توزیعی از پاسخ های ممکن و نهایتا استخراج جواب نهایی از آن است. شاخص های به کار رفته در این زمینه، مبتنی بر روابط بازشناسی الگو و بر مبنای بیشینه سازی پارامتر تفکیک بین گروهی و کمینه سازی پارامتر تراکم درون گروهی هستند. جهت آزمون رویکرد پیشنهادی، مجموعه داده شبیه سازی شده دوبعدی با چهار خوشه مصنوعی تولید گشته و با اجرای 30 شاخص پرکاربرد بر روی آن، بالاترین فرکانس موجود در توزیع پاسخ ها منطبق بر جواب حقیقی مسئله به دست آمده است. این راهکار عینا بر روی یک مجموعه داده ژئوشیمیایی حقیقی و چندمتغیره، شامل داده های خاک کانسار مس-طلای دالی شمالی واقع در استان مرکزی اجرا شده است که نتایج به دست آمده نشان دهنده معنی دار بودن و انطباق پاسخ نهایی با فرآیندهای زمین شناسی و کانه زایی محدوده است.

سرعت موج برشی یکی از شاخص های بسیار مهم در معرفی اثر ساختگاه و تخمین مقدار جنبش زمین در زمین لرزه ها است. امروزه کاملا روشن است که بهترین روش برای کاهش خسارت های ناشی از زمین لرزه، طراحی و ساخت سازه های مقاوم در برابر زمین لرزه، بر اساس ویژگی های لرزه زمین ساختی و ژئوتکنیکی ساختگاه و نوع کاربری آنها است. در سال های اخیر امواج میکروترمور برای مدلسازی سرعت موج برشی، به دلیل هزینه پایین و سرعت بالای برداشت داده ها مورد استقبال قرار گرفته است. اما مشکل اساسی در پردازش این داده ها، وارون سازی منحنی پاشش برای تخمین سرعت امواج برشی است. امواج پاشش دارای رفتار غیرخطی بوده و الگوریتم های خطی موجود در حل آنها دچار ضعف هستند. در مقاله حاضر سعی شده است با پیشنهاد وارون سازی امواج میکروترمور شکست مرزی (امواج ری لی) با استفاده از روش های بهینه سازی کلی یک روش تخمین سرعت موج برشی ارائه شود. در این مطالعه از دو روش الگوریتم ژنتیک و گروه ذرات به عنوان روش های جدید در وارون سازی داده های ژئوفیزیکی استفاده شده است. برنامه الگوریتم های مذکور در محیط متلب نوشته شده است. روش های پیشنهاد شده در ابتدا به وسیله مدل های مصنوعی مورد ارزیابی قرار گرفت و در ادامه برای ارزیابی بیشتر روی داده های تجربی اعمال شد. بدین منظور یک ایستگاه در جنوب شهر تبریز، طراحی و برداشت شد. نتایج وارون سازی به دست آمده، در مورد مدل های مصنوعی و هم داده های تجربی بیانگر عملکرد قابل قبول الگوریتم های پیشنهاد شده، به عنوان روش های موثر در وارون سازی داده های ژئوفیزیکی است. همچنین با توجه به مقایسه نتایج حاصل شده دیده شد، روش گروه ذرات در مقایسه با الگوریتم ژنتیک از کارایی و سرعت بالاتری برخوردار است.

ناحیه هنزا در بخش جنوبی کمربند فلززایی ارومیه-دختر واقع در جنوب شرقی ایران است. این ناحیه شامل چندین کانسار مس پورفیری بوده و برای اکتشاف این نوع کانی سازی محیط مطلوبی است. برای مطالعات ژئوشیمیایی اکتشافی تعداد 451 نمونه رسوبات آبراهه ای از این ناحیه برداشت شده است. هدف شناسایی مناطق کانی زایی و استفاده از روشی مطلوب جهت تعیین حد آستانه عناصر است. در این پژوهش حد آستانه عناصر توسط دو روش تحلیل اکتشافی داده ها (EDA) و انحراف مطلق میانه(MAD) محاسبه شد. در روش EDA تخمین آستانه بر اساس انتخاب کلاس های ثابت در نمودار جعبه ای انجام می گیرد و به صورت Q3. 5×(Q3-Q1) تعریف می شود. چارک سوم (Q3) و چارک اول (Q1) به ترتیب معادل 75 و 25 درصد فراوانی هستند. در روش MAD تخمین حد آستانه بر اساس میانه و انحراف مطلق میانه انجام می گیرد و به صورت میانهدو برابر انحراف مطلق میانه (Median×MAD) تعریف می شود. انحراف مطلق میانه (MAD) به عنوان میانه انحرافات مطلق تمامی مقادیر داده ای از میانه داده ها است. در محدوده مورد مطالعه 6 کانسار شناخته شده مس پورفیری وجود دارد. به منظور مقایسه توانایی دو روش EDA و MAD در شناسایی نواحی کانی سازی شده (منظور شناسایی نواحی کانساری)، نقشه مس و مولیبدن توسط دو روش تهیه شد و فقط سه کانسار با روش EDA شناسایی شد، در حالی که توسط روش MAD، همه کانسارها شناسایی شدند. همچنین توسط روش MAD، هشت محدوده بی هنجاری جدید شناسایی گردید که پردازش های تصاویر ماهواره ای، توزیع فراگیر دگرسانی های مرتبط با سیستم های پورفیری را در آنها نشان داده است. هیچ یک از مناطق بی هنجاری جدید توسط روش EDA شناسایی نشدند و مشخص شد این روش برای شناسایی بی هنجاری هایی ژئوشیمیایی ناکارآمد است. روش MAD، برای شناسایی مناطق بی هنجاری مناسب تر است به طوری که توسط این روش 11 محدوده (سه کانسار و 8 بی هنجاری جدید) بیشتر از روش EDA شناسایی شده است.

کانسار سنگ آهن چغارت در بخش مرکزی فلات ایران با ذخیره حدود 215 میلیون تن و عیار متوسط 60 درصد اکسید آهن، دارای نوسانات عیاری در سراسر ذخیره است. آگاهی از میزان این نوسانات عیاری، به منظور به کارگیری تمهیدات لازم جهت افزایش بازیابی آهن و کنسانتره آن امری حیاتی محسوب می شود. کارخانه فرآوری چغارت بر اساس خوراکی که تغییرات آن در حد مجاز باشد؛ طراحی و بهینه سازی شده، لذا شناسایی نوسانات خوراک ورودی کارخانه تا حد بسیار زیادی می تواند از تغییرات به وجود آمده، بکاهد. در این مطالعه تعداد 94 نمونه به همراه 7 نمونه تکراری از گمانه و سینه کارهای استخراجی جهت آنالیز انتخاب شدند. پس از مراحل آماده سازی و آنالیز نمونه ها، از دستگاه جداکننده مغناطیسی دیویس تیوپ، به منظور دستیابی به داده های آهن و فسفر خروجی استفاده شد. در نهایت پس از جمع آوری اطلاعات لازم، عیار فسفر فرآوری شده کانسنگ آهن، بر اساس آنالیز نمونه های ماده معدنی اولیه با به کارگیری مدل های ریاضی (آنالیز تمایز، رگرسیون و شبکه عصبی) پیش بینی و نتایج مربوطه، اعتبار سنجی شد. آنالیز تمایز توانست با درصد صحتی برابر 1/88 درصد داده های مورد بررسی در این محدوده را طبقه بندی نماید. در بخش رگرسیون مقدار R2 رگرسیون خطی و غیر خطی به ترتیب برابر 65/0 و 73/0 و در شبکه عصبی برابر 89/0 شد که در مقایسه با رگرسیون غیرخطی مرتبه دوم نیز برجسته تر است. در مجموع بهره گیری از شبکه عصبی موجب بهبود برآورد رابطه میان فسفر خروجی و داده های ورودی شده است.

در معادن روباز بزرگ یکی از عوامل بسیار تعیین کننده شیب بهینه حد نهایی معدن است. در تحلیل پایداری شیروانی های سنگی، تنها به تنش های اصلی کمینه و بیشینه زمین توجه می شود و تقریبا در اغلب موارد، اثر تنش اصلی متوسط محیط به طور کامل نادیده گرفته می شود. در حالی که پژوهش های اخیر نشان داده است که طراحی ها و محاسبه ضریب ایمنی بدون در نظر گرفتن اثر تنش اصلی متوسط، محافظه کارانه خواهد بود. بر همین اساس در این مقاله در ابتدا با در نظر گرفتن معیار شکست سه محوری مقاومت جامع و انجام تعداد زیادی مدلسازی عددی و بررسی نتایج به دست آمده، نموداری برای تحلیل پایداری شیروانی های با احتمال شکست دایره ای با در نظر گرفتن اثر تنش اصلی متوسط به دست آمد. همچنین روش تعادل حدی بیشاپ نیز بر مبنای این معیار شکست توسعه داده شد به نحوی که بتواند اثر تنش اصلی متوسط را در نظر بگیرد. تحلیل حساسیت انجام شده نشان داد که با افزایش اثر تنش اصلی متوسط، مقدار ضریب ایمنی افزایش می یابد و بنابراین صرف نظر کردن از اثر این تنش در طراحی شیب دیواره های معدن می تواند تاثیر مهمی بر شرایط اقتصادی معدن داشته باشد. همچنین اثر تنش اصلی متوسط بر ضریب ایمنی تابعی از تغییرات تنش قائم نیست و در شیروانی های با ارتفاع مختلف اثر یکسانی دارد.

در صنعتی مانند صنعت معدنکاری با محیط سخت و خشن نمی توان از تاثیر شرایط محیطی بر رفتار سیستم ها صرف نظر کرد، چرا که این موضوع اریبی شدید در نتایج تحلیل ها را به دنبال خواهد داشت. با این دیدگاه در این پژوهش تلاش شد تا قابلیت اطمینان سیستم لودر از معدن مولیبدن-مس آذربایجان با استفاده از نوعی مدل رگرسیونی معروف به مدل نرخ مخاطرات متناسب محاسبه شود. این مدل از دو تابع یکی بر اساس داده های زمانی و دیگری شامل شرایط محیطی (فاکتورهای ریسک) هست. داده های مورد نیاز از بانک داده 15 ماهه از منابع مختلف چون گزارش های روزانه، تعمیرگاه، گزارش های هواشناسی، ملاقات و مشاهده های مستقیم و مرتب شده بر اساس تاریخ وقوع در قالب زمان بین خرابی ها و فاکتورهای ریسک استخراج گردید. در نخستین گام برای تعیین تابع پایه نرخ مخاطره، آزمون های روند و خودهمبستگی برای ارزیابی فرض توزیع یکسان و مستقل داده ها مورد استفاده قرارگرفته و در نتیجه آن فرض رد شد. لذا روش های کلاسیک آماری برای تحلیل نامناسب بوده و مدل فرایند قانون توانی جهت تحلیل سیستم تعمیرپذیر مناسب است. در مرحله بعدی نیز ضرایب رگرسیون برای فاکتورهای ریسک با سطح تاثیر معناداری مشخص و با به کارگیری روش بازگشتی انجام گرفت. طبق نتایج حاصل از تحلیل فاکتورهای نوبت، محل کار، تناسب با دامپتراک، وضعیت آب و هوا، دمای محیط و وضعیت جاده دارای تاثیر معناداری بودند. در نتیجه آن قابلیت اطمینان لودر بر اساس تابع زمانی و شش فاکتور ریسک محاسبه شد. در نهایت نیز اختلاف حدودا سه برابری بهره وری برای دو حالت تحلیل قابلیت اطمینان با در نظرگیری فاکتورهای ریسک و بدون آنها به دست آمد.

اندازه گیری صحیح و دقیق مقاومت برشی درزه های سنگی در پروژه های مختلف مرتبط با مهندسی سنگ، نظیر سدها، انواع تونل ها، معادن روباز و زیرزمینی و چاه های نفت و گاز نقشی اساسی دارد. رفتار برشی درزه های سنگی در آزمایشگاه با استفاده از تجهیزات برش مستقیم بررسی می شود. دستگاه های برش مستقیم درزه های سنگی که به طور دستی کنترل می شوند، از دقت بالایی برخوردار نیستند. در این گزارش، یک دستگاه خودکار و خودتنظیم برش مستقیم برای درزه های سنگی معرفی شده است که امکان انجام آزمون برش درزه های سنگی تحت شرایط مرزی مختلف (اعم از شرایط بار عمودی ثابت و سختی عمودی ثابت) با دقت بالا را فراهم می سازد. دستگاه ساخته شده قادر است آزمون برش درزه های سنگی را هم به صورت یکنواخت و هم رفت و برگشتی با سرعت های مختلف انجام دهد. دستگاه همچنین امکان اصلاح مساحت درگیر شکستگی ضمن برش و متعاقبا اصلاح بار عمودی را دارد. علاوه بر امکان خاتمه دستی آزمایش، می توان شرط هایی بر اساس زمان آزمایش، جابجایی برشی، افت مقاومت برشی، و یا ترکیب آنها برای خاتمه خودکار آزمایش در نظر گرفت. داده های برداشت شده توسط حسگرهای جابجایی و نیرو دائما به یک کامپیوتر معمولی متصل به دستگاه ارسال و ثبت می شوند و می توان نمودارهای مختلف مربوط به آزمایش را به صورت لحظه ای پایش کرد. همچنین، برای حذف لقی نمونه ها در داخل جعبه برش، تمهیداتی در نظر گرفته شده است. در خاتمه، نتایج چندین آزمایش برش مستقیم انجام شده توسط دستگاه بر روی درزه هایی با خصوصیات مورفولوژی معلوم و در راستاهای مختلف ارائه شده است.