روش های تحلیلی و عددی در مهندسی معدن
سال:1398 | دوره:9 | شماره:19 |تعداد مقالات:11

بدون تردید یکی از پیچیده ترین شرایط برای تونل سازی، حفاری در زیر سطح آب های زیرزمینی است. در مناطقی که ارتفاع سطح آب از تراز تونل زیاد باشد، امکان وقوع مخاطرات مختلفی وجود دارد. احتمال ورود آب با فشار بالا، تبدیل هجوم آب به جریان گل در مناطق سست، آسیب به کارکنان و تجهیزات، سخت شدن فعالیت در محیط کار و کاهش راندمان حفاری از جمله مهم ترین پیامدهای تونل سازی در زیر سطح ایستابی آب های زیرزمینی به شمار می رود. این مخاطرات می توانند هزینه های زیادی برای پروژه داشته باشند، به ویژه در روش حفاری مکانیزه که سرمایه گذاری بالای مالی نیاز دارد. پروژه قطعه دوم تونل راه امام زاده هاشم (ع) واقع در شمال شرق استان تهران، طولانی ترین تونل راه کشور است که طبق برنامه ریزی انجام شده، عملیات اجرایی آن به روش مکانیزه انجام خواهد شد. در این تحقیق، با مطالعه مشخصات مسیر، دبی آب ورودی به تونل با روش عددی و استفاده از نرم افزار FLAC2D محاسبه شده است. در ادامه با بررسی پروژه های مشابه در خارج از کشور و وضعیت آن ها در برخورد با پدیده هجوم آب، ریسک این مخاطره به صورت کلاسیک و با روش FMEA ارزیابی و مدیریت شده است. در ادامه به منظور افزایش دقت نتایج به دست آمده، تحلیل فازی بر مبنای روش FMEA انجام گرفته است. نتایج به دست آمده از تحلیل فازی و کلاسیک نشان می دهد که در ناحیه میانی مسیر تونل، به دلیل احتمال هجوم آب با فشار بالا همراه با تبدیل به جریان گل ریسک تونل سازی زیاد است. همچنین مقایسه نتایج تحلیل کلاسیک و فازی دقیق تر بودن فرآیند تحلیل فازی را به دلیل بهره گیری از نظرات تیم کارشناسی نشان می دهد.

مطالعه درزه ها و تاثیر آنها بر رفتار توده سنگ زمینه تحقیقاتی فعالی در ژئومکانیک فراهم آورده است. تغییرشکل پذیری یک توده سنگ حاوی دسته درزه های سیستماتیک ممتد به طور بالقوه ناهمسانگرد بوده و به صورت عمده به وسیله خصوصیات مکانیکی و هندسی درزه ها کنترل می شود. خصوصیات تغییرشکل سنگ ها به طور معمول با استفاده از آزمون های آزمایشگاهی و برجا تعیین می شوند. آزمایشات برجا بر اساس بارگذاری توده سنگ و اندازه گیری تغییرشکل حاصله استوار هستند. از روش های عددی و تحلیلی می توان به عنوان جایگزین آزمایش های برجای پر هزینه و وقت گیر برای مطالعه خصوصیات تغییرشکل سنگ ها استفاده کرد. در مدل های تحلیلی، فرضیاتی مانند تعامد دسته درزه ها موجب ساده سازی هایی می شوند که ممکن است از واقعیت به دور باشند. روش های عددی در مقایسه با خط مشی های تحلیلی دارای این مزیت هستند که در استنتاج خواص توده سنگ می توان تاثیر نامنظم بودن هندسه سیستم درزه داری را به طور مستقیم در مدلسازی دخیل نمود. در این مقاله، مدل های عددی اجزای مجزا فارغ از ساده سازی های هندسی مفروض در روش های حل دقیق اجرا شده اند. بررسی آماری نتایج عددی حاصل به منظور اطلاع از نحوه پراکندگی داده ها انجام شده است. سپس، میزان انحراف تغییرشکل برآورد شده با استفاده از روابط ساختاری شامل مدل های پیشنهادی (1) آمادیی و گودمن و (2) هوانگ و همکاران نسبت به مدل های عددی جهت ارزیابی صحت روابط مذکور در شرایط هندسی واقعی درزه ها مورد بررسی قرار گرفته است. مولفه های تغییرشکل در بیشتر موارد بیانگر تاثیر قابل توجه پارامترهای هندسی مورد مطالعه در روند تغییرات است. این نتایج برای بررسی صحت روابط مذکور در برآورد میدان تغییرشکل توده سنگ های درزه دار غیرمتعامد ارایه شده است.

مدلسازی زمین شناسی مستلزم تجربه و دقت بالاست که سابق به روش دستی و امروزه به صورت دستی-کامپیوتری و یا کامپیوتری تهیه می گردد. اغلب این مدل ها بر اساس داده های فاصله ای به دست آمده از مغزه های حفاری اکتشافی و به روش درون یابی خطی به دست می آیند. امروزه روش های زمین آماری به خصوص کریجینگ شاخص قابلیت بالایی در تهیه مدل های هندسی-زمین شناسی یافته اند اما در اغلب مواقع تغییرات ریز زون های زمین شناسی تدریجی است و این نوع مدل ها را دچار ابهامات گوناگونی می نماید که این مسئله در تفکیک زون های آلتراسیون معادن مس پورفیری اهمیت ویژه ای می یابد. در این پژوهش به کمک پردازش عکس مغزه ها و تبدیل آنها به داده های فاصله ای رنگ در سیستم RGB با استفاده از Core Processing و از داده های کمی رنگ های قرمز، سبز و آبی به طور مجزا استفاده شد. ابتدا برای منطقه معدن کهنگ مدلی به ابعاد 700 در 300 متر و ارتفاع 400 متر در محدوده چاه های اکتشافی منطقه تهیه و مقادیر R، G و B برای بلوک های با ابعاد 5×5×5 به روش کریجینگ معمولی مورد تخمین قرار گرفت و امکان تهیه مقطع زمین شناسی بر اساس سیستم رنگ بندی سه گانه RGB ممکن گردید. جهت اعتبارسنجی شاخصی با عنوان Irgb که طول بردار در محورهای سه گانه R، G وB است، تعریف گردید و مقاطع این شاخص با مقاطع سنگ شناسی و مقاطع آلتراسیون معدن کهنگ مورد مقایسه قرار گرفت، که با مقاطع سنگ شناسی تطابق خوبی نشان نداد. اما مقایسه نقشه آلتراسیون افق 1700 با شاخص Irgb همان تراز در معدن کهنگ تطابق قابل قبولی را نشان داد. برای اطمینان از امکان استفاده از مدل زمین آماری سیستم رنگ RGB و شاخص Irgb به عنوان معرف مدل آلتراسیون در معادن مس، مدل شاخص Irgb معدن مس میدوک بر اساس 13 گمانه ژئومکانیکی و 35 گمانه ژئوشیمیایی تهیه گردید. از طرفی عملیات برداشت ژئوفیزیکی معدن به منظور تعیین زون های آبدار انجام و مقاطع ضریب مقاومت الکتریکی تهیه شده با مقاطع شاخص Irgb مقایسه گردید. و نتیجه مقایسه توانست با توجه به حساسیت رنگ به آلتراسیون، این زون ها را تشخیص و تفکیک نماید و از اینکه زون های با مقاومت الکتریکی پایین زون آبدار تلقی شود، جلوگیری کند.

اکتشاف معادن شامل چهار مرحله پی جویی، اکتشاف مقدماتی، اکتشاف تفضیلی و اکتشاف تکمیلی (یا حین استخراج) است. در مرحله پی جویی بعد از بررسی اطلاعات موجود محدوده اکتشافی و برداشت های اولیه بر اساس یک بررسی فنی و اقتصادی سرانگشتی، امکان سنجی ورود به مرحله اکتشاف مقدماتی صورت می گیرد. برای شروع مرحله پی جویی در مورد کانسار معدنی باید ابتدا ظرفیت کلی منطقه برای تشکیل مقدار قابل توجه ماده معدنی که دارای ارزش اقتصادی است، مشخص شود. به صورت معمول این ظرفیت یابی بر اساس دانش و تجربه بالای زمین شناسان و مهندسین معدن صورت می گیرد، لذا این مرحله از اکتشاف مستلزم صرف هزینه هایی با ریسک بالاست و روش هایی که بتواند هزینه را کاهش داده و یا از عدم قطعیت های موجود بکاهد، مورد توجه هستند. از طرفی مجموعه ای از داده های مرتبط با منطقه مورد مطالعه و مناطق اطراف با پراکندگی بالا موجود است که تحلیل آنها، می تواند هدف اشاره شده را برآورده نماید. با استفاده از روش های داده کاوی ریاضی مانند روش های مختلف خوشه بندی، می توان محدوده های دارای ماده معدنی مشخص را بر اساس شرایط زمین شناسی مشابه در مناطق مختلف دسته بندی کرد. تجزیه مقدار تکین یکی از ابزارهای پر استفاده در ریاضیات است و کاربرد آن بیشتر در مسائل خوشه بندی و سیستم های پیشنهاد دهنده است. در این مقاله با استفاده از تجزیه مقدار تکین و اطلاعات معادن فلزی استخراج شده از پایگاه داده معادن ایران، استان ها خوشه بندی شده اند. استان هایی که در یک خوشه قرار می گیرند دارای بخش هایی با شرایط زمین شناسی مشابه اند و می توان انتظار داشت که اگر کانساری در یک استان وجود دارد، در استان های هم خوشه آن نیز امکان شناسایی آن کانسار وجود داشته باشد.

در پژوهش حاضر از روش ژئوفیزیکی رادار نفوذی به زمین ( GPR ) برای شناسایی پارامترهای هندسی اهداف استوانه ای مدفون و سرعت سیر امواج الکترومغناطیسی در محیط، استفاده شده است. برای این منظور ابتدا مدلسازی پیشرو داده های GPR با استفاده از روش تفاضل محدود دوبعدی حوزه زمان ( FDTD ) به کمک نرم افزارهای GPRMAX، ReflexW و Radexplorer برای چندین مدل مصنوعی متناظر با اهداف متداول در کاربردهای ژئوتکنیکی و تاسیسات زیرسطحی انجام شد. سپس به منظور استخراج پارامترهای فیزیکی و هندسی اهداف استوانه ای مدل های مصنوعی، یک الگوریتم کاربردی در محیط نرم افزار MATLAB پیاده سازی شد که رفتار پاسخ GPR را در حوزه مکانی، مورد بررسی قرار می دهد. عملکرد این الگوریتم برای چندین مدل مصنوعی ازجمله استوانه افقی فلزی توخالی، استوانه افقی توخالی از جنس پلاستیک پی وی سی و مدل شامل جفت استوانه افقی توخالی از جنس پلاستیک پی وی سی مورد ارزیابی قرار گرفت که در تمام موارد دقت بسیار بالایی را در برآورد پارامترهای مدل نشان داد. الگوریتم مذکور برای استفاده در مورد تصاویر واقعی GPR که آمیخته با مقدار زیادی از انواع نوفه می باشند، بهبود داده شد. در این الگوریتم ابتدا با به کارگیری الگوریتم آشکارکننده متوالی اشیاء ( Cascade Object Detector ) ناحیه مطلوب تعریف گردیده به گونه ای که نواحی تهی، حذف شده و الگوریتم بر روی ناحیه محدود مطلوب، اجرا می شود. ازجمله قابلیت های الگوریتم پیشنهادی که براساس تعریف تصاویر مثبت و منفی آموزش می بیند، آن است که می تواند بدون نیاز به اعمال مراحل پیش پردازشی، مراحل پردازشی پیشرفته را بر روی تصاویر واقعی GPR سرشار از نوفه، اعمال نماید. عملکرد الگوریتم پیشنهادی برای نگاشت راداری واقعی GPR یکی از پروفیل های برداشت شده در میدان امام حسین (ع) روبروی شهرداری شهر اصفهان، مورد ارزیابی قرار گرفت که در این مورد نیز نتیجه مطلوبی از برآورد پارامترهای هندسی و فیزیکی هدف زیرسطحی حاصل شد.

آگاهی از الگوهای توزیع جریان هوا در داخل ماشین حفاری تمام مقطع تونل می تواند یک محیط ایمن برای پرسنل و ماشین آلات ایجاد کند. کمیت و کیفیت جریان هوا در فضاهای زیرزمینی بسیار مهم است به طوری که مقدار هوا در تهویه فضاهای زیرزمینی باید برای ترقیق گازها و گرد و غبار کافی باشد و دمای هوا را کنترل نماید. در این مقاله به منظور بررسی الگوهای توزیع جریان هوا در قسمت قاب اصلی ماشین حفاری تمام مقطعS124 شرکت هرنکنشت از دینامیک سیالات محاسباتی و مطالعات میدانی استفاده شده است. به منظور بررسی استقلال شبکه، چهار مقدار مختلف از ابعاد شبکه اجرا شده و نتایج آن برای اطمینان از یک راه حل مستقل با سرعت محلی در یک نقطه مقایسه شده است. مدلسازی سیالاتی به روش حجم محدود مبتنی بر المان انجام شده است. نتایج نشان می دهد جریان هوای کافی در 2/89 درصد از فضای ماشین وجود ندارد و از قسمت پشت اتاق کنترل تا انتهای قاب اصلی ماشین، منطقه مرده وجود دارد. این منطقه می تواند محل تجمع گازهای خطرناک، گرد و غبار و سایر آلاینده ها باشد. یکی از راهکارها برای کاهش مناطق مرده، افزایش دبی هوای ورودی است. افزایش میزان سرعت ورودی هوا و مطالعه توزیع جریان هوا انجام شد. مطالعات نشان داد در صورت استفاده از بیشینه ظرفیت جت فن ها، امکان کاهش مناطق مرده و ایجاد مناطق امن به صورت قابل قبولی وجود ندارد. لذا استفاده از جت فن با سرعت های بیشتر کمکی به بهبود توزیع جریان هوا نکرده و تنها هزینه های انرژی را افزایش خواهد داد.

در مطالعه حاضر به بررسی ویژگی های ژئوشیمیایی چهارده نمونه میعانات گازی در بخش مرکزی خلیج فارس و نواحی ساحلی این بخش پرداخته شده و همچنین با استفاده از آنالیز شیمی سنجی جهت دسته بندی و اختصاص حدود اطمینان، برای تعیین ژنتیکی خانواده های کاندنسیت در این حوضه استفاده شده است. نمونه های مورد مطالعه از مخازن دالان و کنگان (پرمین پسین-تریاس) مربوط به شش میدان گازی (میعانات گازی) که مهم ترین مخازن گازی ایران را تشکیل می دهند، جمع آوری شده اند. به منظور تخمین میزان بلوغ حرارتی نمونه ها و همچنین تعیین محیط رسوب گذاری سنگ منشا و نوع لیتولوژی آن از پارامترهای بایومارکری به دست آمده از نتایج کروماتوگرافی گازی-طیف سنجی جرمی استفاده می شود. روش آماری مورد استفاده خوشه بندی سلسله مراتبی متراکم است که نشان می دهد گازهای مورد مطالعه در سه گروه ژنتیکی اصلی قرار دارند. در محدوده مورد بررسی از لحاظ بلوغ حرارتی یک روند کلی مشاهده می شود، به گونه ای که بلوغ از سمت غرب به شرق خلیج فارس و همچنین از فارس ساحلی به سمت خلیج فارس افزایش می یابد.

سنگ های سرپانتینی شده فوق بازی محلی برای تمرکز کانی با ارزش کرومیت است. وجود اختلاف چگالی قابل ملاحظه این کانه با سنگ های میزبانش، سبب شده تا از روش گرانی سنجی برای شناسایی محدوده های کانی زایی کرومیت استفاده شود و براساس آن مناسب ترین محل برای حفر گمانه های اکتشافی تعیین شود. تعیین حدود توده های معدنی کرومیت به طور معمول با استفاده از فیلترهای فاز محلی و تشخیص لبه انجام می شود. فیلتر زاویه تمایل یکی از فیلترهای آشکارساز لبه است که می تواند مرز ساختارهای زیرسطحی را به شکل کمی تعیین نماید. فیلتر انحنای تانسور گرادیان گرانی نیز برای شناسایی کمی مرز ساختارهای زیرسطحی توسعه داده شده است. در این مقاله از این دو فیلتر برای شناسایی مرز توده های زیرسطحی از روی آنومالی های گرانی حاصل از مدل مصنوعی و نیز داده های واقعی گرانی برداشتی از روی مناطق کرومیت دار استفاده شده است. نتایج بررسی نشان می دهد فیلتر انحنای تانسور گرادیان گرانی مرز توده ها و ساختارهای زیرسطحی را با دقت بیشتری تفکیک و بارز می کند. به کارگیری فیلترهای زاویه تمایل و انحنای تانسور گرادیان گرانی بر روی داده های گرانی بوگه محدوده کرومیت دار در ایالت کاماگئی کشور کوبا توانست مرز کانی زایی کرومیت را مشخص نماید. با توجه نتایج مطالعات زمین شناسی و اطلاعات حاصل از گمانه های اکتشافی در این محدوه می توان گفت استفاده از فیلتر انحنای تانسور گرادیان گرانی دقت بالایی در شناسایی مرز توده ها داشته است. با توجه به اینکه داده های گرانی این محدوده دارای آنومالی مشخصی بود، لذا از داده های گرانی کانسار کرومیت شرق سبزوار که به نسبت پیچیده تر است، نیز استفاده شد. نتایج به کارگیری این فیلتر روی داده های این محدوده اکتشافی نیز جواب های قابل قبولی را ارائه داده است. بنابراین از این فیلتر می توان در شناسایی ساختارهای زیرسطحی در داده های میدان پتانسیل استفاده نمود.

فرآیند تبدیل به گاز کردن زیرزمینی زغالسنگ یک فرآیند سازگار با محیط زیست است که در آن لایه های زغالسنگ به صورت برجا به گاز تبدیل شده و سپس استخراج می شوند. هدف اصلی از اجرای فرآیند UCG، تولید گاز سنتزی دارای ارزش حرارتی و یا تولید هر یک از گازهای حاصل از فرآیند UCG (مثلا تولید هیدروژن) است. پیش بینی مقدار و ارزش حرارتی گاز تولیدی پیش از اجرای فرآیند UCG، برای انجام تحلیل های اقتصادی ضروری است. از این رو در این پژوهش یک مدل با استفاده از نرم افزار کامسول توسعه داده شده که قادر است تاثیر پارامترهای عملیاتی را بر مقدار، ترکیب و ارزش حرارتی گاز تولیدی پیش بینی نماید. در این پژوهش یک الگوی جدید برای گازی کردن کل زغالسنگ موجود در پهنه های استخراجی معرفی شده است. طبق این الگو که مراحل آن توسط یک الگوریتم نشان داده شده است، علاوه بر این که کل زغالسنگ موجود در هر پهنه تبدیل به گاز می شود؛ ارزش حرارتی گاز تولیدی در حد مورد نیاز به دست می آید. الگوی ارائه شده در این پژوهش با یک مطالعه موردی برای لایه K10 منطقه تخت، معرفی شده است. در نهایت پارامترهای عملیاتی برای تولید گاز سنتزی با مقدار و ارزش حرارتی مناسب برای گازی کردن لایه K10 منطقه تخت به دست آمده است. نتایج نشان می دهد که در یک دوره 11 ماهه باید 9 کارگاه همزمان با هم فعال باشند و پارامترهای عملیاتی در هر کارگاه شامل دما، فشار کاواک، نرخ تزریق اکسیژن، نرخ تزریق بخارآب و زمان عملیات به ترتیب باید 1273 کلوین، 1 مگاپاسکال، 10 مول بر ثانیه، 20 مول بر ثانیه و 11 ماه باشد. در این صورت لایه ی K10 می تواند خوراک یک نیروگاه برق 27 مگاواتی سیکل ترکیبی گازی (IGCC) را به مدت 22 سال تامین کند.

بخش معدن و صنایع معدنی از مهم ترین مسیرها در دستیابی به توسعه پایدار است. منابع معدنی نقش چشم گیری در پویایی اقتصاد کشور داشته و با سرمایه گذاری صحیح در بهره برداری از این منابع، امکان کسب ارزش افزوده مناسب در بخش های مختلف اقتصادی وجود دارد. بنابراین، تعیین مزیت های نسبی و اولویت بندی بهره برداری از فعالیت های معدنی به منظور اطمینان در سرمایه گذاری های آینده ضرورت دارد. در این مقاله، به اولویت بندی بهره برداری از منابع معدنی استان آذربایجان غربی، به عنوان یکی از استان های مهم معدنی کشور پرداخته شده است. برای این منظور، از روش های تصمیم گیری چندمعیاره در محیط فازی استفاده شده است. با توجه به نتایج، مسائل زیست محیطی و فرهنگی-اجتماعی از مهم ترین شاخص ها در بهره بردای از معادن استان آذربایجان غربی هستند. از این رو، استخراج سنگ آهن و طلا، کرومیت، منگنز و سرب و روی به ترتیب بالاترین اولویت در بهره برداری را دارند. علاوه بر این، سنگ های تزئینی، نما و سنگ گچ، باریت و خاک سرخ و زرد، کائولن، خاک نسوز و دولومیت به ترتیب در اولویت های دیگر استخراج قرار می گیرند.

شمع ها ضمن مشارکت در باربری پی-شمع، نشست را به طور قابل ملاحظه ای کاهش می دهند. در این پژوهش با مدلسازی سه بعدی پی-شمع ها در نرم افزار اجزا محدود PLAXIS 3-D Foundation در دو نوع خاک رس متوسط و ماسه متراکم، تاثیر چیدمان شمع ها و شکل رادیه بر عملکرد مجموعه پی مطالعه شد. نتایج مدل ها مشخص کرد که در دو پی همجوار و متقارن در ماسه که تحت بارگذاری یکنواخت هستند با انتقال شمع های گوشه ای و جایگذاری شمع های بلندتر در نزدیکی محور تقارن بین آنها، می توان نشست و دوران پی را بیش از 50 درصد کاهش داد. همچنین برای پی های مربعی با نشست کلی 154 میلی متر در دو نوع خاک رسی و ماسه ای، اثر چیدمان های مختلف شمع بررسی شد. بر اساس نتایج عددی، در خاک رسی با چینش شمع های بلندتر در مرکز پی و در خاک ماسه ای با تمرکز شمع ها در هسته مرکزی پی، بیش ترین کاهش نشست حاصل می شود. در مدل ها حجم شمع ها باهم مساوی است.