روش های تحلیلی و عددی در مهندسی معدن
سال:1399 | دوره:10 | شماره:24 |تعداد مقالات:11

با توجه به سیاست های زیست محیطی جهان، معادن زیرزمینی اهمیت زیادی در عرصه معدنکاری یافته اند زیرا معادن زیرزمینی آسیب کمتری نسبت به روش های سطحی در محیط زیست ایجاد می کنند. محاسبه و تخمین حدود سود و سرمایه در مرحله امکان سنجی و پیش امکان سنجی یکی از مهم ترین و اصلی ترین محاسبات در زمان شروع پروژه است. قطعاً پروژه با سود بالاتر، موجب تمایل به مشارکت سرمایه گزاران خواهد شد. در بررسی فنی و اقتصادی یک پروژه، محاسبه سود و زیان از طریق تخمین هزینه قابل محاسبه است. یکی از روش های مورد توجه مهندسان برای تخمین مخارج پروژه، تخمینگرهای هزینه است. مدل های مذکور بر مبنای اطلاعات کسب شده از پروژه های مشابه در بازه های زمانی طولانی و تشکیل یک پایگاه داده هزینه وسیع و تحلیل آماری این داده ها به منظور توسعه معادلات تخمین هزینه بدست می آیند. از جمله این مدل های تخمین هزینه معدن کاری می توان به تخمینگر هزینه سوبولسکی اشاره نمود. این تخمینگر هزینه در دومین ویرایش کتاب SME به چاپ رسیده است. این مدل مختص معادن زیرزمینی است که در سال 1988 تدوین و توسعه داده شده است. اصولاً تخمینگرهای هزینه باید با دقتی در حدود بیست و پنج درصد هزینه ها را در مرحله پیش امکان سنجی محاسبه کنند. بخش های گوناگون این مدل همچون هزینه تهویه، نگهداری، ساخت و اجرا، آبکشی و زهکشی، بارگیری و حمل، هزینه های روزانه کارگاه ها، هزینه سرمایه ای تجهیزات، هزینه تامین نیروی انسانی بر اساس داده های ورودی میزان تولید، هزینه هر بخش را تخمین می زند. در این پژوهش با استفاده از ضرایب تعدیل محاسبه شده بر مبنای آحاد بهای خدمات مهندسی در ایران، معادلات سوبولسکی برای تخمین هزینه در معادن زیرزمینی، برای سال 2019 به روز و برای شرایط خاص ایران بومی سازی گردیده است. برای محقق شدن این امر ابتدا با یک مطالعه جامع، شاکله های هزینه هر معادله بر اساس طبقه بندی آحاد هزینه فعالیت های مهندسی شناخته شده در ایران مشخص گردید. سپس ضرایب تعدیل مورد نیاز بر اساس تغییرات شاخص هزینه در هر یک از شاکله ها و در نظر داشتن ضرایب وزنی مربوطه برای هر معادله محاسبه شد. برای حصول اطمینان از صحت این معادلات، نتایج آنها با داده های هزینه پروژه ای در دست اجرا مطابقت داده شد که در تمامی موارد خطای هزینه محاسبه شده کمتر از بیست درصد بود. با استفاده از این معادلات می توان با تقریب بالا هزینه های یک معدن زیرزمینی را در ایران (دلار و ریال) و جهان (دلار 2019) محاسبه نمود. معادلات مذکور ابتدا با توجه به میزان تولید پیش بینی شده، تجهیزات موردنیاز را تخمین زده و سپس با استفاده از معادلات هزینه را نیز محاسبه می نمایند. تمامی ضرایب اصلاحی برای معادلات با استفاده از داده ها و اطلاعات سازمان برنامه و بودجه کشور و سازمان آمار ایران و بانک مرکزی محاسبه گردیده است.

یکی از ارکان اصلی برنامه ریزی معدن، برنامه ریزی تولید بلند مدت است که یک امر بسیار مهم در تحقیقات نظری استخراج معادن روباز بوده و توزیع جریان نقدینگی را در سراسر عمر معدن مشخص می نماید. در واقع هدف برنامه ریزی، بیشینه کردن ارزش خالص فعلی از مجموع سودهایی است که در آینده تولید می شوند. برای رسیدن به این هدف باید همه محدودیت های عملیاتی از قبیل شیب، آمیختن عیارهای مختلف، تولید ماده معدنی و ظرفیت استخراج راضی کننده باشند. طرح های تولید بلند مدت بهینه در برابر عدم قطعیت های مربوطه با داده های مدل بهینه سازی دارای حساسیت هستند. در میان عدم قطعیت ها، عدم قطعیت عیار، سهم عمده ای را در دقت برنامه ریزی تولید بلند مدت خواهد داشت. در این مقاله مدل ترکیبی به وسیله روش آزادسازی لاگرانژی و الگوریتم خفاش برای حل مساله برنامه ریزی تولید بلند مدت معادن روباز ارائه شده که در آن عدم قطعیت عیار نیز لحاظ گردیده است. رویکردهای جدید پیشنهاد شده براساس بهینه سازی ضرایب لاگرانژ و مقایسه آن با روش سنتی است. الگوریتم خفاش برای به روزرسانی ضرایب لاگرانژ مورد استفاده قرار گرفته شده است. برای حل و اعتبارسنجی مدل به دست آمده، معدن سنگ آهن چادرملو به عنوان مورد مطالعاتی مناسب، در نظرگرفته شده است. نتایج حاصل از مطالعه موردی نشان می دهد که استراتژی ترکیبی می تواند راه حل قابل قبولی را نسبت به روش تقریبی سنتی ارائه کند؛ به طوری که، در طول یک دوره معین ارزش خالص فعلی با استفاده از روش ترکیبی پیشنهادی 69/6 درصد بیشتر از روش سنتی موجود است.

چگونگی رشد ترک همواره به عنوان یک مسئله چالشی در بسیاری از زمینه های علوم زمین مانند شکست هیدرولیکی به شمار می رود. اگر چه تخلخل ها، درزه ها و شکستگی ها مهم ترین ریزساختارهای کنترل کننده رشد و انتشار ترک در سنگ هستند، اثر هندسه و توزیع فضایی آنها هنوز به طور کامل مطالعه نشده است. هدف از این مطالعه، مدلسازی عددی رشد ترک در مقیاس تخلخل یک سنگ واقعی، با روش اجزای محدود توسعه یافته (XFEM) در نرم افزار آباکوس است. این روش به دلیل استفاده از توابع خاص، قادر است تغییر شکل های ناپیوسته را بدون نیاز به بروزرسانی مش بندی به خوبی مدلسازی نماید. برای استفاده از این روش جهت مدلسازی رشد ترک در محیط متخلخل، دو رویکرد اصلی وجود دارد: 1-مش بندی کل محیط و اختصاص ضرایب الاستیک بسیار ضعیف به تخلخل ها و 2-تقسیم بندی بخش جامد سنگ و استفاده از شبکه غنی شده جداگانه برای هر بخش. برای مقایسه نتایج این دو رویکرد، مدل های یکسانی با الف-یک حفره و ترک و ب-دو حفره و یک ترک بین آنها در بخش های تحلیلی و عددی در نظر گرفته شده و در بخش آزمایشگاهی نیز نمونه های مشابهی از جنس گرانیتی تهیه شدند. مقایسه حل تحلیلی ضریب شدت تنش در این نمونه ها با نتایج مدلسازی، مشخص نمود که روش XFEM پارامتر ضریب شدت تنش را به ترتیب با صفر و 5 درصد خطا در دو نمونه مذکور محاسبه می کند. از طرف دیگر، نتایج آزمایشگاهی نشان داد که رویکرد دوم در استفاده از روش XFEM، مسیر رشد ترک را بسیار شبیه به واقعیت پیش بینی می کند. این رویکرد روی تصاویر رقومی ماسه سنگ بِرا در مقیاس میکرو به عنوان محیط سنگ متخلخل واقعی پیاده سازی شد و مکانیزم رشد ترک های چندگانه در این نمونه ها مورد ارزیابی قرار گرفت.

ناهمسانگردی یا ناپیوستگی کانسار در جهت های مختلف به دلیل تغییرات عیار یا ساختار ماده معدنی پدید می آید. کنترل کننده های زمین ساختی یا تغییرات شیمیایی در حین تشکیل ماده معدنی می توانند سبب ناهمسانگردی شوند. این ویژگی به صورت سه بُعدی در کانسارها با یک بیضوی به قطرهای در راستای پیوستگی و با مقادیر متناسب با نسبت ناهمسانگردی تعریف می شود. در طبیعت اما، بسیاری از کانسارها تحت تاثیر فرآیندهایی مثل چین خوردگی، گسل، تغییرات زایشی و دگرگونی دچار تغییرات موضعی ناهمسانگردی (LVA) می شوند و نمی توان آنها را با یک بیضوی ناهمسانگردی کلی مدل کرد. در روش مدلسازی متغیر دارای خاصیت LVA، پارامترهای ناهمسانگردی برای هر سلول شبکه تخمین محاسبه شده و با تبدیل فضا به یک فضای همسانگرد، از فواصل جدید اقلیدسی در واریوگرافی و سپس کریجینگ معمولی (OK) استفاده شده است. این روش که کریجینگ LVA (OKLVA) نام گرفته، در صورت وجود اطلاعات ثانویه، می تواند با دقت بیشتری نسبت به کریجینگ سنتی، نقاط نامعلوم را تخمین بزند. در این پژوهش از الگوریتم کولونی مورچگان استفاده شده تا با هدایت هدفمند مورچه ها به کمک میدان LVA در مسیرهای پیوسته تر عیاری و تبدیل هر مورچه به یک پنجره میانگین متحرک، بتواند عیار را در مسیرهای ناهمسانگرد اصلاح کند. این کاربرد جدیدی از یک الگوریتم فرا ابتکاری است که تاکنون در حل مسائل بهینه سازی به کار گرفته می شده است. این روش (ACLVA) از ابتدا تا انتها در نرم افزار MATLAB پیاده سازی شده و سپس روی 12955 نمونه کامپوزیت شده مغزه های حفاری معدن مس میدوک به عنوان نمونه مطالعاتی امتحان شد. نتایج با روش های OK و OK-LVA مقایسه شد. برای اعتبارسنجی هر سه روش از داده های چال های آتشباری استفاده شد که نشان داد روش تخمین با ACLVA تقریبا 3 درصد بهتر از OK و 4 درصد بهتر از OKLVA در تخمین عیار عمل کرده است. با این وجود، آنچه که مسلم است در ساختارهای با میدان موضعی پیچیده تر، جواب بهتر و قابل قبول تری با این روش به دست خواهد آمد.

به طور کلی تمام مدل های ارایه شده برای لحاظ شبکه شکستگی ها در توده سنگ، شکستگی های بالفعل موجود در توده سنگ با مقاومت کششی صفر است. در حالی که، شبکه ای از سطوح ضعیف از جمله پل های سنگی، رگچه ها، سطوح تورق و غیره گزینه های اصلی برای شکست در اثر تنش های القایی ایجاد شده دارای مقاومت برشی و کششی هستند. به همراه پارامترهای هندسی شبکه سطوح ضعیف ناپیوستگی ها، طبیعت ناهمگن پارامترهای مکانیکی ناپیوستگی ها برای فهم رفتار توده سنگ بسیار حائز اهمیت است. در این مقاله، تاثیر شبکه سطوح بالقوه مذکور بر مقاومت توده سنگ با استفاده از رویکرد شبکه شکستگی بالقوه-مدل ورونویی نرم افزار اجزای مجزا مطالعه شده است. در این راستا، شبکه شکستگی بالقوه کدنویسی و تابع توزیع برای پارامترهای ژئومکانیکی شکستگی ها بالقوه نیز در نظر گرفته شده است. با این رویکرد، سطوح ضعیف و بالقوه که پتانسیل بودن به صورت شکستگی را دارند نیز در شبکه شکستگی در نظر گرفته می شوند. سپس برای مطالعه، چهار گروه شبکه شکستگی بالقوه در نظر گرفته شد. به منظور مقایسه نتایج با حالت پایه یعنی استفاده از مقدار میانگین و حالات دیگر، پنج حالت مختلف برای یک حالت انحراف استاندارد تابع توزیع ویبول در نظر گرفته و در آخر شبکه شکستگی بالقوه مدلسازی و بررسی شد. نتایج بیانگر اهمیت رویکرد پیشنهادی برای ارزیابی مناسب تر مقاومت توده سنگ با در نظر گرفتن شبکه شکستگی های بالقوه است.

بهبود عملکرد ماشین حفار TBM در حفاری تونل همواره مورد توجه بوده است. در این مقاله به بررسی تاثیر تغییر تعدادی از دیسک های TBM با ابزار خراشی بر پارامترهای عملیاتی تراست، گشتاور و نرخ نفوذ در خط 6 مترو تهران پرداخته شده است. بدین منظور مقادیر پارامترهای عملیاتی در بخش های مختلفی از خط 6، قبل و بعد از تغییر ابزار برشی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد تغییر نوع ابزار برشی به طور میانگین مقدار تراست را 44 درصد نسبت به حالت قبل از تغییر ابزار برشی کاهش می دهد و بازه کاهش میانگین تراست بین حداقل 28 درصد تا حداکثر 57 درصد بوده است. همچنین الگوی جدید، میانگین گشتاور را به اندازه حداقل 9 درصد و حداکثر 58 درصد و به طور میانگین 40 درصد کاهش داده است. وجود بخش های ریزدانه در طول مسیر که موجب گل گرفتگی دیسک ها شده است، می تواند دلیل بالا رفتن مقادیر تراست و گشتاور در بخش های قبل از تغییر ابزار برشی باشد. در عین حالی که مقادیر میانگین تراست و گشتاور با تغییر ابزار برشی کاهش یافته است، مقادیر نرخ نفوذ نه تنها کاهش نیافته است، بلکه در بیشتر موارد بین 5 تا 23 درصد افزایش داشته است. نتایج نشان می دهد که تغییر نوع ابزار برشی در شرایط آبرفت تهران موجب بهبود عملکرد ماشین TBM شده است.

وارون سازی داده های گرانی یکی از مهم ترین گام ها در تفسیر این داده ها است. هدف از این کار تخمین توزیع چگالی مدل ناشناخته زیر سطحی از طریق داده های اندازه گیری شده در سطح زمین است. مشکل اصلی در وارون سازی داده های حاصل از عملیات گرانی سنجی، عدم یکتایی جواب ناشی از وارون سازی داده های ژئوفیزیکی است. وارون سازی خطی داده های گرانی سنجی مسئله ای کم تعیین شده و بد حالت است. تعیین پارامتر منظم سازی بهینه در وارون سازی داده های گرانی از اهمیت فراوانی برخوردار است. یکی از این روش ها، روش اعتبارسنجی متقاطع تعمیم یافته (GCV) است. در این پژوهش از روش برنامه نویسی درجه دو (روش کوادراتیک) به عنوان یک روش بهینه سازی استفاده شده است. این روش دارای سه الگوریتم، منطقه اعتماد، نقطه داخلی و مجموعه فعال است. این سه الگوریتم از نظر مدت زمان اجرای وارون سازی و همچنین میزان پایداری هر یک از این الگوریتم ها در مقابل نوفه بررسی خواهند شد. به منظور اعتبارسنجی روش ارائه شده، از داده های گرانی حاصل از دو مدل مصنوعی و داده های گرانی ذخیره سولفیدی سن نیکلاس واقع در کشور مکزیک استفاده شد.

روش های سنتی ارزیابی اثرات زیست محیطی مانند لئوپولد، فولچی و ماتریس ریام، تنها به تأثیرات مخرب طرح توجه نموده و کمتر مزایای اقتصادی و اجتماعی یک واحد صنعتی در آنها در نظر گرفته می شود. تحلیل پوششی داده ها به عنوان یک رویکرد نوین در ارزیابی واحدهای صنعتی علاوه بر مسائل زیست محیطی، تأثیرات مثبت اقتصادی و اجتماعی طرح را نیز در نظر گرفته و یک ارزیابی جامع از واحد صنعتی مورد نظر ارائه می نماید. در پژوهش حاضر کارخانه زغال شویی البرز شرقی در شمال ایران به عنوان مطالعه موردی در نظر گرفته شده است و 19 فعالیت کارخانه و 11 مؤلفه زیست محیطی در ارزیابی اثرات زیست محیطی کارخانه مورد استفاده قرار گرفته اند. برای حل مسئله از دو رویکرد مرسوم تحلیل پوششی داده ها به نام هایCRS وVRS استفاده شده است. نتایج نشان داد که مؤلفه های "بوم شناسی" و "چشم انداز منطقه" به عنوان مؤلفه های دارای بیشترین خطر باید مورد توجه جدی قرار گیرند. همچنین رسم نمودار "پتانسیل بهبود" در روش تحلیل پوششی داده ها می تواند به عنوان یک ابزار مؤثر در تعیین طرح های توسعه و بهبود فعالیت های کارخانه مؤثر باشد. استفاده از مدل CRS با رویکرد افزایش خروجی ها نشان داد که برخی فعالیت های کارخانه مانند "دمپ خوراک ورودی"، "پساب کارخانه" و "میزان مصرف آب در کارخانه" بیش ترین اختلاف را با حالت بهینه داشتند و در طرح های توسعه ای آینده این مؤلفه ها حتماً باید به منظور اصلاح مدنظر قرار گیرند. در نهایت می توان گفت ارزیابی اثرات زیست محیطی کارخانه زغال شویی با رویکرد CRS خروجی محور در شرایط فعلی کارخانه به مفاهیم توسعه پایدار نزدیک تر است و می تواند ملاک عمل قرار گیرد.

انفجار یکی از مهم ترین عملیات در معادن و فعالیت های عمرانی است و قابلیت انفجار نیز از مهم ترین پارامترهای توده سنگ محسوب می شود. نتایج انفجار را می توان به پدیده های مطلوب و نامطلوب تقسیم بندی نمود. خردایش سنگ یکی از نتایج مطلوب انفجار است که بر فرآیندهای بعدی (بارگیری و حمل) و صنایع پایین دست تاثیرگذار است. در زمینه تعیین شاخص خردایش ناشی از انفجار تحقیقات گسترده ای صورت گرفته است. عوامل موثر بر انفجار را می توان به دو دسته عوامل قابل کنترل و غیر قابل کنترل تقسیم بندی نمود. شکل و ابعاد بلوک های برجا در جبهه کارهای انفجاری از جمله عوامل غیر قابل کنترل است که در پژوهش های انجام شده، مورد توجه قرار نگرفته است. در این مقاله از داده های انفجاری و ویژگی های توده سنگ معادن چغارت، چادرملو و سه چاهون استفاده شده است. بعد فرکتال جهت کمی سازی اندازه ذرات به روش شمارش جعبه مورد استفاده قرار گرفته است. جهت بررسی ارتباط بین شاخص خردایش (D80) به عنوان پارامتر وابسته و پارامترهای مستقل خرج ویژه، مقاومت فشاری تک محوری، نسبت سرعت موج طولی و نسبت شکل بلوک ها، از مدل های رگرسیون خطی، رگرسیون غیرخطی و شبکه عصبی استفاده شده است. نتایج حاصل از رگرسیون خطی نشان دهنده آن است که شاخص خردایش با نسبت شکل بلوک ها دارای ارتباط معنادار است. ضریب تعیین بین شاخص خردایش و پارامترهای مستقل در رگرسیون خطی، غیرخطی و شبکه عصبی به ترتیب برابر 52/0، 70/0 و 96/0 به دست آمده است؛ همچنین ضریب VAF مدل های رگرسیون خطی، غیرخطی و شبکه عصبی به ترتیب برابر 18/3، 33/70 و 28/95 است که نشان دهنده توانایی شبکه عصبی جهت پیش بینی خردایش ناشی از انفجار است.

هدف از این مقاله، بررسی اثر مدل های رفتاری الاستوپلاستیک شامل مدل موهر-کلمب، مدل سخت شونده و مدل سخت شونده با کرنش کوچک بر نتایج مدلسازی عددی اندرکنش تونل و زمین درونگیر (محیط اطراف تونل) است. بدین منظور، تونل T4 از پروژه امیرکبیر تهران به عنوان مطالعه موردی انتخاب و مدلسازی عددی اندرکنش تونل و زمین درونگیر این تونل با استفاده از روش المان محدود و مطابق با فرآیند اجرایی انجام و نتایج حاصل در قالب جابجایی های اطراف تونل مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت، نتایج حاصل از تحلیل های عددی با استفاده از نتایج رفتارسنجی و مقایسه با مقادیر اندازه گیری شده نشست سطح زمین اعتبارسنجی شد. نتایج حاصل از این مطالعه نشان می دهد، جابجایی های قائم پیش بینی شده با مدل موهر-کلمب از هر دو مدل رفتاری سخت شونده کمتر بوده که این اختلاف با تکمیل مراحل حفر و نگهداری تونل افزایش می یابد. علاوه بر این، مدل موهر-کولمب برای تمام مراحل حفاری، یک بالازدگی شدید را در کف تونل و به صورت غیر واقعی پیش بینی می کند. همچنین، نتایج حاصل از مدل های سخت شونده، بیش ترین انطباق را با نتایج حاصل از رفتارسنجی داشته و با افزایش مراحل حفاری، انطباق بین نتایج حاصل از رفتارسنجی و تحلیل های عددی با مدل های رفتاری با مکانیزم سخت شونده، افزایش بیش تری می یابد. این افزایش انطباق به گونه ای است که در مراحل حفر پله و کف بند و نگهداری پله، اختلاف بین مقدار متوسط نشست اندازه گیری شده و نتایج پیش بینی شده با مدل های رفتاری با مکانیزم سخت شونده، به شدت کاهش یافته و این اختلاف به کم تر از 5/1 میلی متر می رسد.

پیش بینی قابلیت برش سنگ به عنوان یکی از فاکتورهای موثر در تخمین هزینه ها و پیش بینی میزان تولید یک کارخانه فرآوری سنگ از اهمیت بالایی برخوردار است. بنابراین شناخت کامل سنگ های ساختمانی و ارزیابی توان اجرایی دستگاه های برش در کارخانه های فرآوری، طراحان و برنامه ریزان تولید را به سمت بهبود سرعت فرآوری و افزایش تولید سوق می دهد. از این رو، به کارگیری روش های نو و کاربردی برای دست یابی به این اهداف لازم و ضروری است. در این تحقیق سعی شده است پس از تعیین مهم ترین پارامترهای فیزیکی و مکانیکی موثر در فرایند برش، قابلیت برش پذیری نمونه سنگ های ساختمانی با استفاده از روش خوشه بندی فازی (Fuzzy C-means) مورد ارزیابی و کلاس بندی قرار گیرد. بدین ترتیب 12 نمونه سنگ ساختمانی مشتمل بر دو گروه از سنگ های ساختمانی سخت و نرم مورد آزمایش و ارزیابی قرار گرفت. نمونه ها در مدل های 3، 4 و 5 کلاسه مورد ارزیابی و کلاس بندی قرار گرفت، سپس نتایج با شدت جریان مصرفی دستگاه برش مورد اعتبارسنجی قرار گرفت. نتایج حاصل از بررسی ها پس از اعتبارسنجی با آزمایش های دقیق، نشان داد که روش خوشه بندی فازی می تواند به عنوان یکی از روش های نو و کاربردی برای طبقه بندی و بررسی قابلیت برش نمونه سنگ های ساختمانی با توجه به معیارهای تاثیرگذار نظیر مقاومت فشاری تک محوری، سختی موهس، سایندگی شیمازک و مدول الاستیسیته مورد استفاده قرار گیرد.