دانشگاه یزد
دانشکده معدن و متالورژی
گروه استخراج معدن
پایان نامه
جهت دریافت درجه کارشناسی ارشد
مکانیک سنگ
تعیین زاویه شیب سرتاسری معدن تاگویی 2 بوکسیت جاجرم با استفاده از روش‌های تحلیلی و عددی
استاد راهنما: دکتر جواد غلامنژاد
استاد مشاور: مهندس علیاکبر اصغریراد
پژوهش و نگارش: حامد اسرافیلیان
شهریور 1392

چکیده
در استخراج معادن به روش روباز که در آن پله‌های متعددی ایجاد میشود، انجام مطالعات پایداری شیب دیواره ضروری است. با افزایش زاویۀ شیب سرتاسری معدن، نسبت باطلهبرداری کاهش‌یافته که این امر باعث صرفهجویی در هزینههای کلی معدن خواهد شد، اما از طرف دیگر ایمنی را کاهش خواهد داد که در صورت تخریب دیواره، صدها هزار تن خاک و سنگ روانۀ پیت خواهد شد؛ بنابراین باید زاویهای برای معدن تعیین کرد که دو مسئله فوق را به طور همزمان لحاظ نماید. در این پروژه با استفاده از روش‌های تعادل حدی و روش عددی دو بعدی، حداکثر شیب سرتاسری دیواره‌های معدن تاگویی 2 بوکسیت جاجرم برای دیواره‌های شمالی، شرقی و غربی 55 درجه به دست آمد و به دلیل شیب حدود 45 درجۀ لایۀ بوکسیت، شیب سرتاسری دیوارۀ جنوبی برابر شیب این لایه در نظر گرفته شد. سپس محدودۀ نهایی معدن جهت تحلیل پایداری در نرمافزار 3DEC مدلسازی شد و پایداری دیواره‌ها تحت شتاب افقی 35/0 شتاب ثقل در جهتهای مختلف بررسی شد. نتایج حاصل از این نرمافزار ریزشهایی در حد چند بلوک را در هر حالت نشان میدهد؛ اما در بقیۀ بلوکها حداکثر جابجایی 20 میلیمتر بهدست آمد که در نهایت میتوان گفت که این معدن با زاویۀ 45 درجه برای دیوارۀ جنوبی و زاویۀ 55 درجه برای دیواره‌های دیگر پایدار است.
کلمات کلیدی: تحلیل پایداری، معدن تاگویی 2 بوکسیت جاجرم، تحلیل عددی سه بعدی، مدل‌سازی عددی، ‏‎3DEC‎‏.‏
فهرست مطالب
مقدمه1
فصل 1: تعیین ویژگی‌های هندسی و مطالعات ژئومکانیکی معدن تاگویی 2 بوکسیت جاجرم7
1-1 کلیات8
1-2 موقعیت جغرافیایی معدن بوکسیت جاجرم8
1-3 چینه‌شناسی معدن بوکسیت جاجرم10
1-4 معیار تعیین کیفیت ماده معدنی در زون بوکسیت سخت (HB)13
1-5 وضعیت ساختاری معدن14
1-6 مشخصات هندسی پله‌ها و ناپیوستگی‌های موجود در دیواره‌ها15
1-7 تحلیل ساختاری ناپیوستگی‌ها در معادن تاگویی یک و شش19
1-8 تحلیل پایداری دیواره‌های شیلی-زغالی و دولومیتی معادن تاگویی22
1-9 بررسی ارتباط جهت‌گیری ناپیوستگی‌های معادن تاگویی23
فصل 2: تعیین خواص سنگ بکر و توده‌سنگ27
2-1 تعیین پارامترهای ژئومکانیکی ماده‌سنگ28
2-1-1 آزمایش تعیین وزن مخصوص28
2-1-2 آزمایش مقاومت فشاری تک‌محوری29
2-1-3 آزمایش اندیس بار نقطه‌ای35
2-1-4 آزمایش برش مستقیم39
2-1-5 نتایج خواص سنگ بکر44
2-2 تعیین خواص توده‌سنگ45
2-2-1 محاسبه ضریب زبری درزه48
2-2-2 تعیین مقادیر RQD51
2-2-3 تعیین مقدار RMR52
2-2-4 تعیین شاخص GSI55
2-2-5 نتایج خواص توده‌سنگ57
فصل 3: تخمین پتانسیل ریزش بر اساس روش‌های تعادل حدی59
3-1 بررسی ساختاری پتانسیل ریزش60
3-1-1 بررسی ساختاری دیواره شمالی61
3-1-2 بررسی ساختاری دیواره شرقی62
3-1-3 بررسی ساختاری دیواره غربی63
3-2 تحلیل پایداری تعادل حدی با استفاده از نرم‌افزار Swedge64
3-2-1 تحلیل پایداری دیواره شمالی64
3-2-2 تحلیل پایداری دیواره شرقی68
3-2-3 تحلیل پایداری دیواره غربی70
3-3 تحلیل پایداری تعادل حدی با استفاده از نرم‌افزار Slide73
3-3-1 تحلیل پایداری دیواره شمالی74
3-3-2 تحلیل پایداری دیواره شرقی82
3-3-3 تحلیل پایداری دیواره غربی87
3-4 نتایج روش‌های تعادل حدی92
فصل 4: تحلیل پایداری بر اساس روش‌های عددی95
4-1 کلیات96
4-2 پارامترهای لازم جهت تحلیل پایداری شیروانی‌ها در نرم‌افزارهای عددی96
4-3 تحلیل پایداری عددی دو بعدی با استفاده از نرم‌افزار FLAC/SLOPE97
4-3-1 تحلیل پایداری دیواره شمالی98
4-3-2 ‎تحلیل پایداری دیواره شرقی102
4-3-3 تحلیل پایداری دیواره غربی106
4-4 تحلیل پایداری عددی سه بعدی با استفاده از نرم‌افزار 3DEC110
4-4-1 ساخت مدل هندسی محدودۀ معدن110
4-4-2 تحلیل پایداری دیواره شمالی112
4-4-3 تحلیل پایداری دیواره جنوبی113
4-4-4 تحلیل پایداری دیواره شرقی113
4-4-5 تحلیل پایداری دیواره غربی113
4-5 نتایج روش‌های عددی118
فصل 5: نتیجه‌گیری121
منابع125
فهرست جدولها
جدول ‏11 مقادیر سه پارامتر Al2O3، SiO2 و مدول بوکسیت سخت در معدن تاگویی 2 بوکسیت جاجرم بدون در نظر گرفتن عیار حد13
جدول ‏12 مقادیر خصوصیات هندسی ناپیوستگی‌ها در معدن تاگویی شماره 116
جدول ‏13 مقادیر خصوصیات هندسی ناپیوستگی‌ها در معدن تاگویی شماره 616
جدول ‏14 طبقه‌بندی فاصله‌داری درزه‌ها توسط ISRM17
جدول ‏15 طبقه‌بندی درزه‌ها بر حسب تداوم توسط ISRM18
جدول ‏16 طبقه‌بندی درزه‌ها بر حسب بازشدگی توسط ISRM18
جدول ‏17 جهت‌گیری ناپیوستگی‌ها در معدن تاگویی 124
جدول ‏18 جهت‌گیری ناپیوستگی‌ها در معدن تاگویی 625
جدول ‏21 مقادیر وزن مخصوص نمونه‌های آزمایشگاهی معادن تاگویی29
جدول ‏22 خصوصیات هندسی نمونه‌های آزمایش مقاومت فشاری تک‌محوری31
جدول ‏23 نتایج آزمایش مقاومت فشاری تک‌محوری نمونه‌های معادن تاگویی35
جدول ‏24 ویژگی‌های نمونه‌های آماده‌شده جهت آزمایش بار نقطه‌ای37
جدول ‏25 نتایج آزمون بار نقطه‌ای نمونه‌های معادن تاگویی38
جدول ‏26 تخمین مقاومت فشاری تک‌محوری و مقاومت کششی غیرمستقیم از نتایج آزمون بار نقطه‌ای39
جدول ‏27 میانگین مقادیر حاصل از آزمایش برش مستقیم بر نمونه‌های معادن تاگویی43
جدول ‏28 خواص ژئومکانیکی سنگ بکر45
جدول ‏29 مقادیر ضریب زبری درزه تخمین زده‌شده از تئوری فرکتال50
جدول ‏210 نتایج محاسبه RQD گمانه‌های اکتشافی معادن تاگویی 2 و 6 به روش آنالیز تصویری52
جدول ‏211 امتیازهای مربوط به هر شش پارامتر در سیستم امتیازدهی RMR54
جدول ‏212 طبقه‌بندی توده‌سنگ بر اساس سیستم امتیازدهی RMR54
جدول ‏213 مقادیر شاخص GSI برای برخی واحدهای سنگی معادن تاگویی57
جدول ‏214 پارامترهای ژئومکانیکی توده‌سنگ برای واحدهای شاخص سنگی معادن تاگویی58
جدول ‏31 جهت‌گیری دسته‌درزه‌ها در دیواره‌های معدن60
جدول ‏32 جهت‌گیری دیواره‌های معدن60
جدول ‏33 داده‌های مورد استفاده در تحلیل ریزش گوه‌ای در نرم‌افزار Swedge65
جدول ‏34 مقادیر ضریب اطمینان ‏ریزش گوه‌ای و حجم گوه قابل تشکیل در دیواره شمالی از نرم‌افزار Swedge66
جدول ‏35 مقادیر ضریب اطمینان ‏ریزش گوه‌ای در زاویه‌های مختلف سطح دیواره در دیواره شرقی از نرم‌افزار Swedge69
جدول ‏36 مقادیر ضریب اطمینان ‏ریزش گوه‌ای در زاویه‌های مختلف سطح دیواره در دیواره غربی از نرم‌افزار Swedge71
جدول ‏37 مقادیر ضریب اطمینان ‏ریزش قاشقی در زاویه‌های مختلف شیب دیواره در دیواره شمالی از نرم‌افزار Slide80
جدول ‏38 مقادیر ضریب اطمینان ‏ریزش قاشقی در زاویه‌های مختلف شیب دیواره در دیواره شرقی از نرم‌افزار Slide85
جدول ‏39 مقادیر ضریب اطمینان ‏ریزش قاشقی در زاویه‌های مختلف شیب دیواره در دیواره غربی از نرم‌افزار Slide90
جدول ‏310 حدود مقادیر شیب پایدار نسبت به ریزش های گوهای و دایروی در دیواره‌های معدن93
جدول ‏41 مقادیر مدول حجمی و مدول برشی توده‌سنگ برای لایه‌های مختلف97
جدول ‏42 مقادیر ضریب اطمینان‏ در زاویه‌های مختلف شیب دیواره در دیواره شمالی از نرم‌افزار FLAC/SLOPE101
جدول ‏43 مقادیر ضریب اطمینان‏ در زاویه‌های مختلف شیب دیواره در دیواره شرقی از نرم‌افزار FLAC/SLOPE105
جدول ‏44 مقادیر ضریب اطمینان‏ در زاویه‌های مختلف شیب دیواره در دیواره غربی از نرم‌افزار FLAC/SLOPE109
جدول ‏45 حدود مقادیر شیب پایدار ‏از تحلیل دو بعدی و جابجایی‌های حداکثر دیواره‌های معدن ‏ در حالت بحرانی118
جدول ‏51 خلاصه نتایج به دست آمده از کلیه روش‌ها123
فهرست شکلها
شکل ‏11 موقعیت و راه‌های ارتباطی جاجرم9
شکل ‏12 موقعیت معادن بوکسیت، آهک و کارخانه تولید آلومینای جاجرم9
شکل ‏13 ستون چینه‌شناسی معادن بوکسیت جاجرم (بدون مقیاس)12
شکل ‏14 نمای سه بعدی بلوک معدن در نرم‌افزار سورپک14
شکل ‏15 آشکارسازی درزه‌ها به کمک روش پردازش تصویر دیجیتالی در لایه ماسه‌سنگی19
شکل ‏16 تعیین تعداد دسته‌درزه‌ها در نیم‌کره پایینی با دستور Contour Plot20
شکل ‏17 نمایش صفحات سه دسته‌درزه به همراه صفحه دیواره20
شکل ‏18 لایۀ شیلی-زغالی در ضلع شمالی معدن تاگویی 122
شکل ‏19 نمایش سطح گسل به همراه دایک در معدن گلبینی 223
شکل ‏110 نمایش دیواره دولومیتی در معدن گلبینی 2 و فاقد پله ایمنی23
شکل ‏111 ساختار ناپیوستگی‌های معدن تاگویی 124
شکل ‏112 ساختار ناپیوستگی‌های معدن تاگویی 625
شکل ‏113 قیاس نسبی ساختار ناپیوستگی‌ها در معادن تاگویی 1 و 626
شکل ‏21 خصوصیات هندسی نمونه‌های آزمایش مقاومت فشاری تک‌محوری32
شکل ‏22 نمودار تنش محوری-کرنش محوری نمونه شماره 132
شکل ‏23 نمودار تنش محوری-کرنش محوری نمونه شماره 233
شکل ‏24 نمودار تنش محوری-کرنش محوری نمونه شماره 333
شکل ‏25 نمودار تنش محوری-کرنش محوری نمونه شماره 434
شکل ‏26 نمودار تنش محوری-کرنش محوری نمونه شماره 534
شکل ‏27 نمودار تنش محوری-کرنش محوری نمونه شماره 635
شکل ‏28 نمونه‌های استاندارد آزمایش بار نقطه‌ای36
شکل ‏29 نمونه‌های آزمون بار نقطه‌ای37
شکل ‏210 نمونه‌های آماده‌سازی شده جهت آزمون مقاومت برش مستقیم40
شکل ‏211 نمودار تنش برشی پیک-تنش نرمال نمونه ماسه‌سنگ41
شکل ‏212 نمودار تنش برشی پیک-تنش نرمال نمونه ماسه‌سنگ41
شکل ‏213 نمودار تنش برشی پیک-تنش نرمال نمونه ماسه‌سنگ42
شکل ‏214 نمودار تنش برشی پیک-تنش نرمال نمونه بوکسیت42
شکل ‏215 نمودار تنش برشی پیک-تنش نرمال نمونه دولومیت42
شکل ‏216 رابطة بین تنش اصلی حداقل و حداکثر برای معیار هوک-براون و موهر-کولمب47
شکل ‏217 نمونه پروفیل برجا درزه مورد استفاده جهت تخمین ضریب زبری49
شکل ‏218 پیاده‌سازی الگوریتم جدایش مربعی فرکتال جهت تخمین ضریب زبری درزه49
شکل ‏219 نمودار مقادیر تعداد پنجره‌های پوششی مورد نیاز در برابر بعد آن‌ها در رابطه با نمونه درزه50
شکل ‏220 نمونه تصاویر ورودی و خروجی الگوریتم محاسبه RQD به کمک آنالیز تصویری مربوط به گمانه شماره 10 معدن تاگویی 251
شکل ‏221 محاسبه شاخص GSI بر اساس نظر هوک و همکاران (1995)56
شکل ‏31 جهت‌گیری نسبی ناپیوستگی‌ها و دیواره در دیواره شمالی61
شکل ‏32 جهت‌گیری ناپیوستگی‌ها و دیواره در دیواره شرقی62
شکل ‏33 جهت‌گیری ناپیوستگی‌ها و دیواره در دیواره غربی63
شکل ‏34 نمایی از گوه قابل تشکیل در دیواره شمالی در نرم‌افزار Swedge65
شکل ‏35 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏ریزش گوه‌ای در زاویه‌های مختلف دیواره در دیواره شمالی از نرم‌افزار Swedge67
شکل ‏36 نمودار تغییرات حجم گوه قابل تشکیل نسبت به زاویه‌های مختلف سطح دیواره در دیواره شمالی از نرم‌افزار Swedge67
شکل ‏37 نمایی از گوه قابل تشکیل در دیواره شرقی در نرم‌افزار Swedge68
شکل ‏38 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏ریزش گوه‌ای در زاویه‌های مختلف شیب دیواره در دیواره شرقی از نرم‌افزار Swedge69
شکل ‏39 نمودار تغییرات حجم گوه قابل تشکیل در زاویه‌های مختلف سطح شیب‌دار در دیواره شرقی از نرم‌افزار Swedge70
شکل ‏310 نمایی از گوه تشکیل‌شده در دیواره غربی در نرم‌افزار Swedge71
شکل ‏311 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏ریزش گوه‌ای در زاویه‌های مختلف شیب دیواره در دیواره غربی از نرم‌افزار Swedge72
شکل ‏312 نمودار تغییرات حجم گوه قابل تشکیل در زاویه‌های مختلف سطح شیب‌دار در دیواره غربی از نرم‌افزار Swedge73
شکل ‏313 موقعیت مقطع زمین‌شناسی 20 بر روی نقشه توپوگرافی75
شکل ‏314 مقطع زمین‌شناسی شماره 20 با روندی شمال شرقی، جنوب غربی75
شکل ‏315 تصحیح شیب بر اساس راستای شیب واقعی و زاویه انحراف76
شکل ‏316 پیاده‌سازی مقطع زمین‌شناسی 20 در نرم‌افزار Slide77
شکل ‏317 پیاده‌سازی محدوده پیت معدن با شیب 35 درجه در تراز 1380 در نرم‌افزار Slide77
شکل ‏318 مقادیر ضریب اطمینان ‏صفحات محتمل ریزش و نمایش محتمل‌ترین صفحه ریزش در شرایط استاتیکی در دیواره شمالی در نرم‌افزار Slide78
شکل ‏319 مقادیر ضریب اطمینان ‏صفحات محتمل ریزش و نمایش محتمل‌ترین صفحه ریزش در شرایط شبه استاتیکی با شتاب افقی 35/0 در دیواره شمالی در نرم‌افزار Slide79
شکل ‏320 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏ریزش قاشقی حاصل از روش فلنیوس نسبت به زاویه سطح دیواره شمالی از نرم‌افزار Slide80
شکل ‏321 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏ریزش قاشقی حاصل از روش بیشاپ ساده‌شده نسبت به زاویه سطح دیواره شمالی از نرم‌افزار Slide81
شکل ‏322 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏ریزش قاشقی حاصل از روش جانبو اصلاح‌شده نسبت به زاویه سطح دیواره شمالی از نرم‌افزار Slide81
شکل ‏323 موقعیت مقطع انتخابی جهت ایجاد مقاطع تحلیل در دیواره شرقی82
شکل ‏324 مقطع عمود بر دیواره شرقی ساخته‌شده در نرم‌افزار Slide83
شکل ‏325 مقادیر ضریب اطمینان ‏صفحات محتمل ریزش و نمایش محتمل‌ترین صفحه ریزش در شرایط استاتیکی در دیواره شرقی در نرم‌افزار Slide83
شکل ‏326 مقادیر ضریب اطمینان ‏صفحات محتمل ریزش و نمایش محتمل‌ترین صفحه ریزش در شرایط شبه استاتیکی با شتاب افقی 35/0 در دیواره شرقی در نرم‌افزار Slide84
شکل ‏327 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏ریزش قاشقی حاصل از روش فلنیوس نسبت به زاویه سطح دیواره شرقی از نرم‌افزار Slide85
شکل ‏328 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏ریزش قاشقی حاصل از روش بیشاپ ساده‌شده نسبت به زاویه سطح دیواره شرقی86
شکل ‏329 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏ریزش قاشقی حاصل از روش جانبو اصلاح‌شده نسبت به زاویه سطح دیواره شرقی86
شکل ‏330 مقادیر ضریب اطمینان ‏صفحات محتمل ریزش و نمایش محتمل‌ترین صفحه ریزش در شرایط استاتیکی در دیواره غربی در نرم‌افزار Slide88
شکل ‏331 مقادیر ضریب اطمینان ‏صفحات محتمل ریزش و نمایش محتمل‌ترین صفحه ریزش در شرایط شبه استاتیکی با شتاب افقی 35/0 در دیواره غربی در نرم‌افزار Slide89
شکل ‏332 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏ریزش قاشقی حاصل از روش فلنیوس نسبت به زاویه سطح دیواره غربی از نرم‌افزار Slide90
شکل ‏333 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏ریزش قاشقی حاصل از روش بیشاپ ساده‌شده نسبت به زاویه سطح دیواره غربی از نرم‌افزار Slide91
شکل ‏334 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏ریزش قاشقی حاصل از روش جانبو اصلاح‌شده نسبت به زاویه سطح دیواره غربی از نرم‌افزار Slide91
شکل ‏41 چرخۀ محاسباتی در نرم‌افزار FLAC98
شکل ‏42 مقطع عمود بر دیواره شمالی ساخته‌شده در نرم افزار FLAC/SLOPE98
شکل ‏43 مقادیر ضریب اطمینان ‏صفحات محتمل ریزش و نمایش محتمل‌ترین صفحه ریزش در شرایط استاتیکی در ‏دیواره شمالی در نرم‌افزار FLAC/SLOPE99
شکل ‏44 مقادیر ضریب اطمینان ‏صفحات محتمل ریزش و نمایش محتمل‌ترین صفحه ریزش در شرایط شبه ‏استاتیکی با شتاب افقی 35/0 در دیواره شمالی در نرم‌افزار FLAC/SLOPE100
شکل ‏45 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏نسبت به زاویه سطح دیواره شمالی از نرم‌افزار FLAC/SLOPE101
شکل ‏46 مقطع عمود بر دیواره شرقی ساخته‌شده در نرم افزار FLAC/SLOPE102
شکل ‏47 مقادیر ضریب اطمینان ‏صفحات محتمل ریزش و نمایش محتمل‌ترین صفحه ریزش در شرایط استاتیکی در ‏دیواره شرقی در نرم‌افزار FLAC/SLOPE103
شکل ‏48 مقادیر ضریب اطمینان ‏صفحات محتمل ریزش و نمایش محتمل‌ترین صفحه ریزش در شرایط شبه ‏استاتیکی با شتاب افقی 35/0 در دیواره شرقی در نرم‌افزار FLAC/SLOPE104
شکل ‏49 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏نسبت به زاویه سطح دیواره شرقی از نرم‌افزار FLAC/SLOPE105
شکل ‏410 مقطع عمود بر دیواره غربی ساخته‌شده در نرم افزار FLAC/SLOPE106
شکل ‏411 مقادیر ضریب اطمینان ‏صفحات محتمل ریزش و نمایش محتمل‌ترین صفحه ریزش در شرایط استاتیکی در ‏دیواره غربی در نرم‌افزار FLAC/SLOPE107
شکل ‏412 مقادیر ضریب اطمینان ‏صفحات محتمل ریزش و نمایش محتمل‌ترین صفحه ریزش در شرایط شبه ‏استاتیکی با شتاب افقی 35/0 در دیواره غربی در نرم‌افزار FLAC/SLOPE108
شکل ‏413 نمودار تغییرات ضریب اطمینان ‏نسبت به زاویه سطح دیواره غربی از نرم‌افزار FLAC/SLOPE109
شکل ‏414 مدل بلوکی معدن در نرم‌افزار Surpac110
شکل ‏415 پیت بهینه خروجی از NPV Scheduler111
شکل ‏416 آماده‌سازی مدل هندسی اولیه معدن در نرم‌افزار Rhinoceros111
شکل ‏417 مدل هندسی نهایی معدن در نرم‌افزار 3DEC112
شکل ‏418 دید از بالای وضعیت جابجایی‌ها پس از 20000 سیکل در حالت نیروی افقی در جهت جنوب در تحلیل دیواره شمالی در نرم‌افزار 3DEC114
شکل ‏419 مقطع عرضی بحرانی پس از 20000 سیکل در حالت نیروی افقی در جهت جنوب در تحلیل دیواره شمالی در نرم‌افزار 3DEC114
شکل ‏420 دید از بالای وضعیت جابجایی‌ها پس از 20000 سیکل در حالت نیروی افقی در جهت شمال در تحلیل دیواره جنوبی در نرم‌افزار 3DEC115
شکل ‏421 مقطع عرضی بحرانی پس از 20000 سیکل در حالت نیروی افقی در جهت شمال در تحلیل دیواره جنوبی در نرم‌افزار 3DEC115
شکل ‏422 دید از بالای وضعیت جابجایی‌ها پس از 20000 سیکل در حالت نیروی افقی در جهت غرب در تحلیل دیواره شرقی در نرم‌افزار 3DEC116
شکل ‏423 مقطع طولی بحرانی پس از 20000 سیکل در حالت نیروی افقی به در جهت غرب در تحلیل دیواره شرقی در نرم‌افزار 3DEC116
شکل ‏424 دید از بالای وضعیت جابجایی‌ها پس از 20000 سیکل در حالت نیروی افقی در جهت شرق در تحلیل دیواره غربی در نرم‌افزار 3DEC117
شکل ‏425 مقطع طولی بحرانی پس از 20000 سیکل در حالت نیروی افقی در جهت شرق در تحلیل دیواره غربی در نرم‌افزار 3DEC117
مقدمه
امروزه مبحث پایداری شیب یکی از پارامترهای اصلی و تعیینکننده در اقتصاد و ایمنی معادن روباز است. اختصاص یک شیب برای کل دیواره‌های معدن در بیش‌تر معادن درست نیست چرا که دیواره‌های معدن معمولاً از مصالح مختلف و با شرایط ساختاری متفاوتی تشکیل‌شده‌اند و بنابراین، باید طراحی شیب پس از تعیین پارامترهای ژئوتکنیکی، سنگ‌شناسی مختلف و مشخصشدن محدودههای ژئوتکنیکی تعیین شود.
مطالعات پایداری دیواره‌های معادن، پس از وقوع چند ریزش، به طور جدی مورد توجه قرار گرفت. از جملۀ این موارد میتوان به ریزش دیوارۀ معدن چوکیکاماتا1 در کشور شیلی اشاره کرد. ارتفاع این دیواره در زمان ریزش ۲۸۴ متر و زاویۀ آن ۴۳ درجه بوده است. علت اصلی این ریزش، لرزشهای ناشی از زمینلرزه تشخیص داده‌شده است. [1]
از طرف دیگر کسب حداکثر سود ممکن حاصل از استخراج مادۀ معدنی تحت شرایط ایمن یکی از اهداف اصلی معدنکاری در طول تاریخ بوده است. اگر چه در ظاهر ایمنی و سود دو هدفی هستند در خلاف جهت یکدیگر (بدین معنی که با افزایش یکی، دیگری کاهش مییابد) اما تجربه نشان داده که افزایش ایمنی تا یک حد قابل‌قبول در معادن باعث عدم وقوع حوادث ناگواری شده که این به نوبۀ خود به طور غیرمستقیم باعث افزایش سود قابل وصول برای معدنکار میشود؛ بنابراین یکی از جلوه‌های اثر متقابل ایمنی و سود، بحث پایداری شیب در معادن روباز است. افزایش شیب سرتاسری معادن روباز از یک طرف باعث کاهش نسبت باطله برداری و به تبع آن افزایش عایدی معدن شده و از طرف دیگر افزایش شیب، احتمال ناپایداری را در شیروانی افزایش می‌دهد. لذا در اولین مرحله از طراحی معدن باید مطالعات ژئوتکنیکی، زمین‌شناسی ساختمانی و زمین آب‌شناسی کاملی از معدن انجام پذیرد تا بر اساس این مطالعات و همچنین شناخت کافی از نوع ریزش احتمالی در بخش‌های مختلف معدن، در مرحله دوم حداکثر زاویة شیب ایمن برای معدن به دست آید. مسلماً در این مراحل تأثیر روش‌های مختلف پایدارسازی نظیر آبکشی روی زاویة شیب ایمن و همچنین هزینه‌های تحمیلی آن‌ها به معدنکار باید مورد بررسی دقیق قرار گیرد.
روش استخراج روباز یکی از روش‌های معدنکاری با هزینۀ استخراج به نسبت پایین است که در آن قابلیت مکانیزاسیون و مقدار تولید می‌تواند خیلی زیاد باشد. لذا استخراج کانی‌هایی با عیار خیلی کم که استخراج آن‌ها با روش‌های زیرزمینی غیراقتصادی است، امکان‌پذیر است. در چند دهة اخیر عمق معادن روباز افزایش یافته و عمق‌های بیش‌تر از 500 متر، دیگر غیرمعمول نیستند. از آنجایی که روش استخراج زیرزمینی هنوز پرهزینه‌تر از روش استخراج روباز است، استخراج یک چنین کانسارهایی با روش زیرزمینی و چشم‌پوشی از استخراج روباز در آینده غیر محتمل است. لذا انتظار می‌رود که عمق معادن روباز در آینده افزایش یابد، البته به شرط اینکه هزینة تولید کاهش و قیمت فلز ثابت بماند. یک پیچیدگی مهم که با افزایش عمق به ‌وجود می‌آید‏، خطر ناپایداری بزرگ‌مقیاس است. شکست بزرگ‌مقیاس به طور بالقوه در کل ارتفاع شیروانی و آن هم در محدودة نهایی معدن اتفاق می‌افتد. لذا پر شیب نگاه‌داشتن دیوارة معدن تا آنجا که ممکن است در کاهش نسبت باطله‌برداری که به نوبة خود با هزینة معدنکاری رابطة تنگاتنگ دارد، بسیار حیاتی است. پس در این حالت طراحی محدودة نهایی فقط به توزیع عیار و هزینة تولید بستگی ندارد بلکه به مقاومت کلی توده‌سنگ و پایداری نیز وابسته است. در هر معدن باید پتانسیل ریزش، ارزیابی‌شده و آن را با طرح پیت نهایی هماهنگ ساخت.
برای یک معدن روباز چندین زاویۀ شیب وجود دارد. زاویة شیب دیوارة پله، زاویة دیوارة بین رمپی و زاویة دیوارة سرتاسری باید بر اساس ارزیابی پایداری در هر واحد به طور جداگانه تعیین شوند. به طور کلی ناپایداری‌های ایجادشده در پلۀ معادن روباز به نسبت معمول است و تأثیر چندانی در طرح پیت ندارد. پله‌های منفرد و دیواره‌های بین رمپی در یک معدن روباز می‌توانند همزمان پایدار باشند درحالی‌که ممکن است دیوارة سرتاسری پایدار نباشد ]2[.
روش‌های پیشنهادی برای بررسی پایداری شیروانی‌ها به دو گروه تقسیم می‌شوند:
الف- روش‌های مبتنی بر تعادل حدی.
ب- روش‌های مبتنی بر تحلیل عددی.
یکی از پرکاربردترین روش‌های تحلیل پایداری شیروانی‌ها روش تعادل حدی است. دلیل کاربرد وسیع این روش، سهولت فرضیات و سابقة ایجاد آن است. این روش برای اولین بار توسط کولمب در اواخر قرن هجدهم در مسائل مکانیک خاک به‌کار برده شد. در این روش با فرض یک سطح لغزش اختیاری، صلب بودن بخش گسیخته شده و استفاده از معیار گسیختگی موهر-کولمب، ضریب اطمینان به صورت مقایسة مقاومت برشی موجود با مقاومت برشی مورد نیاز برای تعادل تعریف می‌گردد. در این روش هرگاه ضریب اطمینان بزرگ‌تر از 1 باشد، توده‌سنگ پایدار و اگر کوچک‌تر از 1 باشد، ناپایدار است. در حالتی که ضریب اطمینان برابر 1 باشد، حالت بحرانی یا حدی (آغاز گسیختگی) خواهد بود.
اگر سطح لغزش مشخص نباشد، سطوح مختلفی به عنوان سطح لغزش فرض می‌شوند و ضریب اطمینان آن‌ها محاسبه میشود. در نهایت سطحی که کم‌ترین ضریب پایداری را دارا است، به عنوان محتمل‌ترین سطح لغزش در نظر گرفته خواهد شد.
باید توجه داشت که روش‌های مبتنی بر تعادل حدی هرچند به طور گسترده برای تحلیل مسائل پایداری شیب به کار می‌روند، اما چندین نقطه‌ضعف در این روش‌ها وجود دارد که مهم‌ترین آن، منظور نکردن رابطه تنش-کرنش مصالح در تحلیل‌ها است. همچنین به دلیل عدم رعایت قوانین مکانیک محیط‌های پیوسته، جایگاه پاسخ مسایل نسبت به جواب واقعی در این روش مشخص نیست [3]. از معایب دیگر این روش‌ها این است که این روش‌ها در نظر نمی‌گیرند که شیروانی آیا یک خاک‌ریز یا یک شیب طبیعی است یا یک شیروانی حفاری شده است و از اثرات نمو ساخت، تنش اولیه، رفتار تنش- کرنش و غیره صرف‌نظر می‌کنند و احتمالاً در این روش‌ها پایداری شیب به طور محتاطانهای پیش‌بینی می‌شود [4].
یکی از دیگر از روش‌های بررسی پایداری شیروانی‌ها، مدلسازی عددی است. استفاده از مدلسازی عددی، به دلیل مزایای زیادی که دارد روزبه‌روز گسترش بیش‌تری پیدا کرده است. مبنای روش‌های عددی، مدلسازی معادلۀ حاکم بر رفتار پدیده و حل این معادله بر اساس داده‌های شرایط مرزی است. در نتیجه، دقت نتایج مدلسازی به عواملی همچون درک مناسب معادله حاکم بر پدیده، انتخاب روش مدلسازی متناسب با مشخصات معادله حاکم، دقت حل معادلات، دقت در تعریف شرایط مرزی و در نهایت میزان دقت و صحت شرایط مرزی بستگی دارد.
با پیشرفت رایانه‌های شخصی، روش‌های عددی به طور روزافزونی در تحلیل پایداری شیروانی‌ها استفاده می‌شود. مزایای روش‌های عددی مثل اجزای محدود، تفاضل محدود، اجزای مرزی و غیره برای تحلیل پایداری شیب نسبت به روش‌های متداول تعادل حدی به صورت زیر خلاصه می‌شود:
در روش‌های عددی هیچ فرضی در مورد شکل یا محل سطح گسیختگی به کار نمی‌رود. گسیختگی به صورت طبیعی در آن قسمت از مصالح که مقاومت برشی قادر به تحمل تنش‌های برشی اعمال‌شده نیست، روی می‌دهد.
در روش‌های عددی در مورد نیروهای بین باریکه‌ها و امتداد آن‌ها فرضی در نظر گرفته نمی‌شود، چرا که اصولاً در این روش، باریکه مفهومی ندارد. روش اجزای محدود تا زمانی که گسیختگی روی دهد، تعادل کلی را حفظ می‌کند [5].
روش‌های عددی می‌توانند به شیب‌هایی با شکل پیچیده و نهشته‌های خاکی در دو یا سه بعد برای مدل کردن واقعی تمام انواع مکانیسم‌ها اعمال شود.
در روش‌های عددی مدل‌های عمومی‌ مصالح، شامل مدل موهر-کولمب و تعداد بی‌شماری مدل‌های دیگر می‌توانند به کار روند.
در این روش‌ها تنش‌های تعادل، کرنش‌ها و مقاومت‌های برشی مربوطه به صورت صحیح محاسبه می‌شوند.
در روش‌های عددی مکانیسم گسیختگی می‌تواند به صورت نامحدودی آزاد و عمومی باشد؛ یعنی فرض محدودکنندة یک سطح گسیختگی دایره‌ای یا لگاریتمی ‌در این جا ضرورت ندارد.
در تحلیل‌های مبتنی بر روش‌های عددی، در نظر گرفتن عواملی چون رفتار ترد مصالح و خواص متغیر مصالح مقدور است و نیز می‌توان وجود عوامل اضافی در محیط مصالح مانند زهکشی و وسایل نگه‌دارنده را در محاسبات منظور نمود [6].
در سال‌های اخیر مؤلفان مقایسه‌های عددی مختلفی از ضریب اطمینان شیروانی‌ها بین روش‌های عددی و روش تعادل حدی تحت شرایط دو بعدی انجام داده‌اند و نتیجه گرفته‌اند که روش اجزای محدود با یک مدل مشخصة الاستو-پلاستیک (موهر-کولمب) یک روش معتبر و نیرومند برای محاسبة ضریب اطمینان شیروانی‌ها است [7].
هم اکنون در مسایل ژئوتکنیکی برای پیشبینی‌های عادی اغلب از روش‌های معمولی پایداری شیب که شامل نمودارها، جدول‌ها، یا روش‌های ترسیمی و روش‌های تحلیلی استاندارد استفاده می‌شود، اما در صورت مواجه‌شدن با شرایط مرزی پیچیده، هندسة غیرمعمول یا تغییرات مصالح روش‌های عددی مفید خواهند بود. تحلیل پایداری شیروانی‌ها قسمتی از مسایل ژئوتکنیکی را تشکیل می‌دهند و در این زمینه روش‌های عددی نسبت به روش‌های موجود دارای برتری قابل‌توجهی هستند. این روش‌ها خطاهایی را که با روش‌های متداول دایرة لغزش ایجاد می‌شوند، کاهش می‌دهند و قابلیت‌های ترسیمی آن به درک بهتر مکانیسم لغزش و ساده کردن نتایج حاصله کمک می‌کند [5].
در ادامه ابتدا توضیح مختصری در رابطه با معدن بوکسیت جاجرم و مطالعات زمینشناسی و ژئومکانیک منطقه ذکر میشود و سپس با استفاده از دادههای زمینشناسی و تعیین پارامترهای مکانیکی توده‌سنگ و با استفاده از نرم‌افزارهای مختلف روش‌های تحلیلی، زاویۀ شیب سرتاسری مناسبی انتخاب میشود. در نهایت با استفاده از مدل‌سازی عددی در نرم‌افزار 3DEC زاویۀ به دست آمده مورد تحلیل قرار خواهد گرفت.
تعیین ویژگی‌های هندسی و مطالعات ژئومکانیکی معدن تاگویی 2 بوکسیت جاجرم
کلیات
بوکسیت عمدهترین منبع تولید آلومینیوم محسوب میشود که حاوی اکسیدها و هیدرواکسیدهای آلومینیوم و آهن و مقداری سیلیس است. بوکسیت از نام مکانی بنام بوکس در فرانسه گرفته شده زیرا برای اولین بار در این مکان یافت شده است. از نظر زمین شناسی بوکسیت ماده رسوبی غنی از آلومینیوم است که در نتیجه هوازدگی سنگهای مختلف در آب و هوای حاره یا نیمه حاره با توجه به مورفولوژی و زهکشی مناسب تشکیل شده است. مجموع هیدروکسیدها و اکسیدهای آلومینیوم، آهن و تیتانیم موجود در آن بیش از 50 درصد بوده که در این میان هیدرواکسیدهای آلومینیوم بیش‌ترین مقدار را تشکیل میدهند. آلومینیوم یکی از فلزات سبک است که امروزه مصرف فراوانی دارد. آلومینیوم پس از اکسیژن و سیلیس، فراوانترین عنصر در پوسته زمین است و حدود 8/8 درصد پوسته زمین را تشکیل میدهد. تقریباً تمام سنگها، به ویژه سنگهای آذرین شامل آلومینیوم هستند، ولی بیش از 98 درصد آلومینیوم جهان از بوکسیت و بقیه از نفلین سینیت و آلونیت به دست میآید. [8]
موقعیت جغرافیایی معدن بوکسیت جاجرم
معدن بوکسیت جاجرم در 18 کیلومتری شمال شرق شهرستان جاجرم قرار دارد. شهرستان جاجرم در شمال غربی استان خراسان و در فاصلۀ تقریبی 175 کیلومتری جنوب غربی شهرستان بجنورد، 160 کیلومتری شمال غربی شهرستان سبزوار و 194 کیلومتری شمال شرقی شاهرود، در حاشیه شمالی کویر قرار دارد. شهرستان جاجرم از طریق جاده آسفالته به شهرستان بجنورد متصل میشود (شکل ‏11 و شکل ‏12). راه‌آهن تهران-مشهد از 35 کیلومتری جنوب جاجرم و از دشت جوین عبور می‌کند و کارخانۀ تولید آلومینا از طریق یک خط آهن فرعی به این راه‌آهن متصل می‌گردد. این منطقه با ارتفاعی در حدود 900 تا 1000 متر از سطح دریا، دارای آب و هوای کویری با زمستان سرد و تابستان گرم و خشک بوده و حداقل دمای هوا 5/6- درجه سانتی‌گراد و حداکثر آن 5/36 درجه سانتی‌گراد است. میزان بارندگی سالانه منطقه 7/179 میلیمتر و عمدتاً به صورت برف و باران است. میزان رطوبت نسبی منطقه حداکثر 84 درصد و حداقل 4 درصد است. جهت وزش بادهای منطقه عمدتاً از سمت غرب، شمال غرب و شمال شرق است. [8]
شکل ‏11 موقعیت و راه‌های ارتباطی جاجرم
شکل ‏12 موقعیت معادن بوکسیت، آهک و کارخانه تولید آلومینای جاجرم
چینه‌شناسی معدن بوکسیت جاجرم
قدیمیترین واحد چینه‌شناسی رخنمون یافته در منطقه شامل دولومیت، ماسه‌سنگ و ژیپسهای وابسته به سازند پادها با سن دونین زیرین است. روی این سازند تناوبی از سنگ آهک، دولومیت، شیل، سیلتسنگ و سنگهای آتش‌فشانی بازی مربوط با سازند خوشییلاق با سن دونین قرار دارد که با سنگهای کربناته سازند مبارک با سن کربونیفر پوشیده شده است. پس‌روی دریا در پایان کربونیفر پیشین، شرایط مناسبی برای گسترش فرآیندهای بوکسیتیشدن در فاصلۀ زمانی بین پرمین تا تریاس زیرین فراهم آورده و موجب تشکیل اولین افق بوکسیتی به نام افق A در منطقه شده است. این افق روی سنگهای کربناته سازند مبارک و زیر شیلها و کربناتهای سازند سرخشیل با سن تریاس پایینی قرار دارد. شیلها و کربناتهای سازند سرخشیل بیانگر محیط رسوب‌گذاری ساحلی تا کمعمق بوده و نشان‌دهندۀ اولین پیشروی دریا در دوران دوم است. در منطقۀ مورد بررسی، این سازند با سنگهای کربناتی سازند الیکا پوشیده شده است که بخش زیرین آن از دولومیت، مارن و شیل با سن تریاس زیرین و بخش بالایی آن از لایههای ضخیم دولومیت و دولومیت آهکی با سن احتمالی تریاس میانی تشکیل‌شده است. در تریاس فوقانی، رویدادهای کششی که پس از زمینساختی سیمرین پیشین رخ داده است باعث تشکیل گدازههای بازالتی قلیایی شده و از سوی دیگر ایجاد شرایط قارهای در این زمان، شرایط تشکیل افقهای بوکسیتی را فراهم آورده است. در منطقۀ مورد بررسی این افق بوکسیتی که به نام افق B موسوم است، در حفرههای کارستی سازند الیکا وجود دارد و با شیل و ماسه‌سنگهای سازند شمشک با سن ژوراسیک تحتانی پوشیده شده است. سازندهای دلیچای و لار به ترتیب با سن ژوراسیک میانی و ژوراسیک فوقانی روی سازند شمشک قرارگرفته‌اند و با سنگهای کربناتی کرتاسه که در بخش گستردهای از یال شمالی تاقدیس زو رخنمون دارد، پوشیده شدهاند. این مجموعه چینه‌شناسی، با کنگلومراها با سن نئوژن پوشیده شده است. [8]
افق بوکسیتی A فاقد ارزش اقتصادی است، اما افق بوکسیتی B با روند عمومی شرقی-غربی در منطقهای به طول 16 کیلومتر و با ضخامت 1 تا 40 متر، بیش‌تر به صورت تودههای عدسی شکل در حفرههای کارستی سازند الیکا تشکیل‌شده است. مرز زیرین این عدسیها با دولومیتهای الیکا، نامنظم و مرز بالایی آن با شیل و ماسه‌سنگهای شمشک منظم و همخوان است. این گسترش طولی افق B، بر اثر عملکرد گسلههای امتدادلغز به چهار بخش اصلی قابل تقسیم است که به ترتیب از شرق به غرب به نامهای سنگتراش، تاگویی (تاگویی 1 تا 6)، زو (زو 1 تا 4) و گلبینی (گلبینی 1 تا 8) نام‌گذاری شدهاند. در حال حاضر بهرهبرداری ماده معدنی از بخشهای زو و گلبینی در حال انجام است که حدود 25/8 کیلومتر از گسترش طولی افق B را در بر میگیرد. عملیات اکتشاف در معدن تاگویی به اتمام رسیده و در معدن سنگتراش در حال انجام است. [8]
ستون چینه‌شناسی منطقه جاجرم به همراه واحدهای بوکسیتی در شکل ‏13 نشان داده‌شده است. [8]
شکل ‏13 ستون چینه‌شناسی معادن بوکسیت جاجرم (بدون مقیاس)
معیار تعیین کیفیت ماده معدنی در زون بوکسیت سخت (HB)
در این معدن، بوکسیت سخت با عیار Al2O3 کم‌تر از 40% و SiO2 بیش‌تر از 15% به عنوان باطله در نظر گرفته‌شده است. به منظور کنترل عیار در این معدن پارامتری به نام مدول (M) به صورت رابطه 1-1 تعریف میشود: [8]
Module (M)=(〖Al〗_2 O_3%)/(〖SiO〗_2 %) ‏11
با توجه به عیارهای فوق، سنگ با کیفیت خوب دارای مدولی بزرگ‌تر از 66/2 است.
در لاگینگ گمانه‌ها با اعمال عیارهای حد 40% Al2O3 و 15% SiO2، توجه به این نکته ضروری است که زونهای سخت با کیفیت پایین‌تر از معیار فوق در محدوده‌های بالا و پائین بوکسیت سخت باید شناسایی و جداگانه استخراج و دپو شوند. مقادیر سه پارامتر Al2O3، SiO2 و مدول بوکسیت سخت در معدن تاگویی 2 در جدول ‏11 نشان داده‌شده است. این اطلاعات از دادههای خام به دست آمده از گمانههای اکتشافی استخراج‌شده است. در ضمن ضخامت لایه بوکسیت سخت در معدن تاگویی 2 یکنواخت نبوده و ضخامت بوکسیت سخت در آن‌ها از 5/0 تا حدود 7/3 متر متغیر و میانگین ضخامت آن 2 متر است. [8]
جدول ‏11 مقادیر سه پارامتر Al2O3، SiO2 و مدول بوکسیت سخت در معدن تاگویی 2 بوکسیت جاجرم بدون در نظر گرفتن عیار حد
حداقلحداکثرمتوسطانحراف استانداردضریب تغییرات (%)Al2O351/2808/4805/4264/366/8SiO252/621/3448/1675/696/40M10/181/494/205/167/35
با توجه به جدول ‏11، ضریب تغییرات Al2O3 از ضریب تغییرات SiO2 و مدول به مراتب کم‌تر شده است که این نشانگر یکنواخت بودن توزیع عیار Al2O3 نسبت به دو پارامتر دیگر است.
وضعیت ساختاری معدن
امتداد لایۀ بوکسیتی در این منطقه تقریباً N 800 W بوده و دارای شیبی حدود 40 تا 45 درجه به سمت شمال است. این لایهها در منطقۀ مورد مطالعه توسط چهار گسله شکسته و جابجاشده‌اند و با کدهای TG2-1، TG2-2، TG2-3 و TG2-4 مشخص‌شده‌اند. گسله TG2-1 یک گسله طولی بوده که دارای مشخصات N 800 E/720 SE است. این گسله دارای عملکرد عادی بوده و باعث جابجایی لایههای بوکسیتی حدود 12 تا 15 متر در جهت شیب گسله شده است. گسلههای TG2-2، TG2-3 و TG2-4 دارای روند و شیب به نسبت یکسان و موازی بوده و تقریباً دارای عملکرد مشابهی هستند. امتداد این گسلهها به طور متوسط N 70 E و دارای شیبی حدود 850 NW تا قایم هستند. هر سه گسله عرضی و دارای عملکرد عادی بوده و لایههای بوکسیتی را 15 تا 30 متر در جهت شیب جابجا نمودهاند. گسلههای TG2-2، TG2-3 و TG2-4 نیز پس از گسله TG2-1 به وقوع پیوسته و باعث جابجایی آن شدهاند. مجموعاً عملکرد این گسلهها در محدودۀ مورد مطالعه باعث شکسته شدن لایههای بوکسیتی به هشت بخش جداگانه گردیدهاند. شکل ‏14 نمای سه بعدی این بلوک را که توسط نرمافزار سورپک تهیه‌شده، نشان میدهد. [8]
شکل ‏14 نمای سه بعدی بلوک معدن در نرم‌افزار سورپک
مشخصات هندسی پله‌ها و ناپیوستگی‌های موجود در دیواره‌ها
به علت دستیابی به دیواره‌های معادن تاگویی 1 و 6، ناپیوستگی‌های موجود در رخسارههای ماسه‌سنگ و بوکسیت این دو معدن برداشت‌شده‌اند. در این معادن لایههای ماسه‌سنگ و بوکسیت شیلی دارای امتداد شمالی-جنوبی بوده و جهت شیب دیواره 90 درجه است. شیب دیواره‌ها 70 تا 75 درجه بوده، عرض پله‌ها 4 تا 5 متر و ارتفاع پله‌ها به 10 متر میرسد. جهت تعیین پارامترهای هندسی ناپیوستگی‌ها از تلفیق دو روش دستی و پردازش تصاویر دیجیتالی استفاده‌شده است. بدین منظور ابتدا حدود مقادیر هندسۀ ناپیوستگی‌ها نظیر شیب و جهت شیب، فاصله‌داری و غیره به روش دستی برداشت‌شده‌اند، سپس با استفاده از دوربین دیجیتالی کانن با دقت 7 مگاپیکسل از دیواره‌ها عکسبرداری شده است. به کمک برنامهای که در نرمافزار مطلب نوشته‌شده، ناپیوستگی‌های موجود در تصاویر دیجیتالی استخراج‌شده و مشخصات هندسی ناپیوستگی‌ها حتی برای لایههای دور از دسترس نیز محاسبه‌شده است. جهت تحلیل دیواره‌های ماسه‌سنگ و بوکسیت شیلی، در معدن تاگویی 1 یک پله به طور کامل برداشت‌شده است و در معدن تاگویی 6 نیز در بخشهایی از یک پله درزهنگاری صورت گرفته است. این دادهها در جدول ‏12 و جدول 1-3 آمده است. ازآنجا که سیستم درزه‌ها در تمامی دیواره‌ها کم و بیش یکسان است، این دادهها به پله‌های دیگر نیز قابل تعمیم هستند. [8]
جدول ‏12 مقادیر خصوصیات هندسی ناپیوستگی‌ها در معدن تاگویی شماره 1
برداشت زمینشناسی طرح جاجرمجهتداری دیوارهجهتشیب: 90 درجهشیب: 70 درجهمتراژ (متر)نوع سنگ و ناپیوستگیشیبجهتشیبفاصله‌داری (سانتی‌متر)تداوم (متر)بازشدگی (میلی‌متر)پرشدگی (درصد)تعداد ناپیوستگی9-0ماسه‌سنگ- لایهبندی50454015550%209-0ماسه‌سنگ- درزه65150255/11030%609-0ماسه‌سنگ- درزه703003021040%6330-9ماسه‌سنگ- لایهبندی455560131050%1830-9ماسه‌سنگ- درزه80160558/11540%6530-9ماسه‌سنگ- درزه70290552/21540%5530گسل5550-20<—35ناودیسزاویه میل 40 درجه—–50-35ماسه‌سنگ- لایهبندی55654015550%1750-35ماسه‌سنگ- درزه801406031050%4050-35ماسه‌سنگ- درزه70250305/21090%3060-50بوکسیت شیلی- درزه40604065801060-50بوکسیت شیلی – درزه80120203ندارد-2060-50بوکسیت شیلی – درزه70160203ندارد-1865گسل5550-20<—
جدول ‏13 مقادیر خصوصیات هندسی ناپیوستگی‌ها در معدن تاگویی شماره 6
برداشت زمینشناسی طرح جاجرمجهتداری دیوارهجهتشیب: 90 درجهشیب: 70 درجهمتراژ (متر)نوع سنگ و ناپیوستگیشیبجهتشیبفاصله‌داری (سانتی‌متر)تداوم (متر)بازشدگی (میلی‌متر)پرشدگی (درصد)تعداد ناپیوستگی10-0ماسه‌سنگ- لایهبندی406540175تمیز2510-0ماسه‌سنگ- درزه65270505/2550%1510-0ماسه‌سنگ- درزه65170203590%3020-10بوکسیت شیلی- درزه4045406520%1820-10بوکسیت شیلی – درزه752755031080%1020-10بوکسیت شیلی – درزه80135605/21080%32مشخصات هندسی ناپیوستگی‌ها که در معادن 1 و 6 تاگویی برداشت‌شده‌اند، به شرح زیر است: [8]
الف- جهتداری ناپیوستگی‌ها: شیب ناپیوستگی‌ها از 0 تا 90 درجه و جهت شیب آن‌ها نیز بین 0 تا 360 درجه متغیر است. جهتداری ناپیوستگی‌ها معمولاً از توزیع فیشر تبعیت میکند. در اینجا و در برنامۀ نوشته‌شده در نرمافزار مطلب، جهت خوشهبندی جهتداری ناپیوستگی‌ها از روش‌های فازی استفاده‌شده است.
در لایههای ماسه‌سنگی معادن تاگویی 1 و 6، سه دسته‌درزه تشخیص داده‌شده است. یک دسته‌درزه به صورت لایهبندی بوده، شیب آن 60-40 درجه و جهت شیب آن 65-45 درجه است. دو دستهدرزۀ دیگر تقریباً بر این دسته‌درزه عمود هستند. یکی از این دو دسته‌درزه دارای شیب منفی است. شیب این دسته‌درزه بین 80-65 درجه و جهت شیب آن بین 300-250 درجه است. دستهدرزۀ آخر نیز دارای شیب 80-65 و جهتشیب 170-140 درجه است.
ب- فاصله‌داری ناپیوستگی‌ها: فاصله بین یک جفت از ناپیوستگی‌های مجاور که متعلق به یک دسته‌درزه هستند و در جهت عمود بر جهتداری میانگین در آن دسته‌درزه اندازهگیری شوند را فاصله‌داری نرمال گویند. انجمن بین‌المللی مکانیک سنگ (ISRM)، درزه‌ها را بر حسب فاصله‌داری به شرح جدول ‏14 طبقه‌بندی کرده است.
جدول ‏14 طبقه‌بندی فاصله‌داری درزه‌ها توسط ISRM
درزه به شدت بازدرزه خیلی بازدرزه بازدرزه متوسطدرزه بستهدرزه خیلی بستهدرزه به شدت بستهتوصیف درزه6<6-22-6/06/0-2/02/0-06/006/0-02/002/0>فاصله‌داری درزه (متر)
در معادن تاگویی 1 و 6، فاصله‌داری درزه‌ها غالباً بین 60-20 سانتیمتر تغییر میکند و بر اساس طبقه‌بندی ISRM، فاصله‌داری ناپیوستگی‌ها متوسط است.
ج- تداوم ناپیوستگی‌ها: طول اثر یک ناپیوستگی را در یک جهت مشخص تداوم گویند. بر حسب تداوم، ناپیوستگی‌ها به سه دستۀ نامحدود، نیمه محدود و محدود تقسیمبندی میشوند. هر دو سر یک ناپیوستگی نامحدود مرزهای رخساره را قطع میکند. در ناپیوستگی‌های نیمه محدود یک سر ناپیوستگی‌ها مرز رخساره را قطع میکند ولی سر دیگر آن در رخساره واقع است. دو سر ناپیوستگی‌های محدود نیز داخل رخساره خاتمه مییابند. انجمن بین‌المللی مکانیک سنگ درزه‌ها را بر حسب تداوم به شرح جدول ‏15 طبقه‌بندی کرده است.
جدول ‏15 طبقه‌بندی درزه‌ها بر حسب تداوم توسط ISRM
تداوم خیلی بالاتداوم بالاتداوم متوسطتداوم پایینتداوم خیلی پایینتوصیف درزه20<20-1010-33-11>طول اثر درزه (متر)
در معادن تاگویی 1 و 6، دسته‌درزه لایهبندی بر اساس طبقه‌بندی ISRM، دارای تداوم بالا (بین 10 تا 20 متر) و دو دسته دیگر دارای تداوم پایین (بین 1 تا 3 متر) هستند.
د- بازشدگی: پهنا یا فاصلۀ بین دو دیواره (صفحه) ناپیوستگی را بازشدگی گویند. انجمن بین‌المللی مکانیک سنگ ناپیوستگی‌ها را بر حسب تداوم به 9 کلاس طبق جدول ‏16 تقسیمبندی کرده است.
جدول ‏16 طبقه‌بندی درزه‌ها بر حسب بازشدگی توسط ISRM
توصیف درزهخیلی تنگتنگحدوداً بازبازتقریباً پهنپهنخیلی پهنفوقالعاده پهنحفرهایبازشدگی (میلیمتر)1/0>25/0-1/05/0-25/05/2-5/05-5/210-5100-101000-1001000<
در معادن تاگویی 1 و 6، بازشدگی ناپیوستگی‌ها بین 15-5 میلیمتر متغیر است و طبق طبقه‌بندی ISRM، درزه‌ها از لحاظ بازشدگی پهن هستند.
ه- پرشدگی: ضخامت و خصوصیات مواد پرکننده نقش مهمی در خصوصیات مقاومت برشی ناپیوستگی‌ها داشته و مقادیر چسبندگی و زاویۀ اصطکاک ناپیوستگی‌ها را تحت تأثیر قرار میدهد. به گفتۀ گودمن اگر ضخامت مواد پرکننده حدوداً از 50%-25% ارتفاع زبریها بیش‌تر باشد، آنگاه خصوصیات مقاومت برشی ناپیوستگی‌ها توسط خصوصیات مواد پرکننده تعیین میشود.
در معادن تاگویی 1 و 6، ناپیوستگی‌ها به ندرت فاقد مواد پرکننده بوده و در اکثر ناپیوستگی‌ها مطابق جدول ‏12 و جدول 1-3 ، مواد پرکننده از 100%-20% وجود دارد.
تحلیل ساختاری ناپیوستگی‌ها در معادن تاگویی یک و شش
ناپیوستگی‌های موجود در رخسارههای ماسه‌سنگی و بوکسیت شیلی در معادن تاگویی 1 و 6، به کمک روش‌های دستی و پردازش تصویر دیجیتالی مطابق جدول ‏12 و جدول 1-3 مشخص شدند. در شکل ‏15 نمونهای از عکس دیجیتالی به همراه آشکارسازی یکی از دسته‌درزه‌ها نشان داده‌شده است. جهت تعیین مقیاس از چکش صحرایی به طول 33 سانتیمتر استفاده‌شده است. [8]
شکل ‏15 آشکارسازی درزه‌ها به کمک روش پردازش تصویر دیجیتالی در لایه ماسه‌سنگی
پس از مشخصشدن خصوصیات هندسی ناپیوستگی‌ها، به کمک نرمافزار DIPS از روی قطب ناپیوستگی‌ها روی نیمکرۀ پایینی تعداد دسته‌درزه‌ها را مشخص کرده و در ادامه پتانسیل ریزش و نوع ریزش بررسی میشود. همانگونه که در شکل ‏16 مشاهده میشود، با استفاده از دستور Contour Plot سه دسته‌درزه مشخص‌شده‌اند. دو دسته‌درزه دارای شیب زیاد و دستهدرزۀ دیگر دارای شیب متوسط است. توجه شود برای تعیین تعداد دسته‌درزه‌ها باید از شبکۀ هممساحت (شبکۀ اشمیت) استفاده کرد. در شکل ‏16، دستهدرزۀ اول دارای شیب 41 و جهت شیب 47 درجه است. دستهدرزۀ دوم دارای شیب 69 و جهت شیب 289 درجه و دستهدرزۀ سوم دارای شیب 73 و جهت شیب 144 درجه است. در شکل ‏17 صفحات مربوط به سه دسته‌درزه به همراه صفحۀ مربوط به دیواره با شیب 70 و جهت شیب 90 درجه نشان داده‌شده است. [8]
شکل ‏16 تعیین تعداد دسته‌درزه‌ها در نیم‌کره پایینی با دستور Contour Plot
شکل ‏17 نمایش صفحات سه دسته‌درزه به همراه صفحه دیواره
همانگونه که از شکل ‏17 پیداست، دو دستهدرزۀ 1 و 3 روی صفحۀ رخساره تشکیل یک گوه دادهاند. ترند و پلانژ فصل مشترک دو دستهدرزۀ 1 و 3 به ترتیب برابر 68 و 39 درجه است. شیب فصل مشترک (39 درجه) از شیب رخساره (70 درجه) کم‌تر و از زاویه اصطکاک ناپیوستگی‌ها (حدود 30 درجه) بیش‌تر است در نتیجه پتانسیل ریزش گوهای در دیواره‌های ماسه‌سنگی و بوکسیت شیلی معادن تاگویی 1 و 6 وجود دارد.
دستهدرزۀ 2 نسبت به دیواره دارای شیب منفی است و امکان ریزش واژگونی وجود دارد. برای بررسی احتمال وقوع ریزش واژگونی آزمایشهای شکل بلوک، لغزش بین لایهای و مقایسۀ جهت شیب ناپیوستگی با جهت شیب رخساره باید انجام شود.
در آزمایش شکل بلوک، اگر زاویۀ پایۀ ناپیوستگی (ωp) که متمم شیب ناپیوستگی است، کم‌تر از زاویۀ اصطکاک صفحۀ پایه (φp) و نسبت ارتفاع بلوکها به عرض آن‌ها بیش‌تر از تانژانت زاویۀ پایه tan (ωp)، باشد آنگاه ریزش واژگونی رخ میدهد. در معادن تاگویی 1 و 6، ωp = 21 و φp > 30 است در نتیجه φp > ωp است. نسبت ارتفاع بلوکها به عرض آن‌ها y/Δx که از روی پردازش تصاویر دیجیتالی به دست آمده، در بیش‌تر موارد، بیش‌تر از 5/0 است. در نتیجه y/Δx>tan〖 ω〗_p است. بنابراین طبق آزمایش شکل بلوک، دستهدرزه 2 روی دیواره دارای ریزش واژگونی است. [8]
طبق آزمایش لغزش بین لایهای اگر زاویۀ صفحۀ ناپیوستگی (ω_d)، بیش‌تر از مجموع متمم زاویۀ رخساره و زاویۀ اصطکاک ناپیوستگی باشد، یعنی ω_d≥(90-ω_f )+φ_d، آنگاه ریزش واژگونی رخ میدهد. در اینجا ω_d=69و ω_f=70، φ_d<35 است که در نتیجه طبق آزمایش لغزش بین لایهای نیز احتمال شکست واژگونی وجود دارد. [8]
در مقایسه جهت شیب ناپیوستگی با جهت شیب رخساره نیز ریزش واژگونی زمانی رخ میدهد که |α_f -α_d |<10 باشد. α_f جهت شیب دیواره و α_d زاویهای است که با جهت شیب ناپیوستگی 180 درجه اختلاف دارد. در اینجا α_f=90 و α_d=289-180=109 است که در نتیجه همانگونه که مشاهده میشود اختلاف این دو زاویه برابر 19 درجه و خیلی نزدیک به 10 درجه است در نتیجه از نظر جهت شیب نیز احتمال ریزش واژگونی وجود دارد. [8]
از بحث بالا نتیجه میشود که در لایههای ماسه‌سنگی و بوکسیت شیلی معادن تاگویی 1 و 6، احتمال وقوع دو نوع ریزش گوهای و واژگونی روی دیواره‌ها وجود دارد.
تحلیل پایداری دیواره‌های شیلی-زغالی و دولومیتی معادن تاگویی
دیواره‌های شیلی زغالی اغلب شامل یک دسته‌درزه به صورت لایهبندی بوده و ریزش در این دیواره‌ها به صورت قاشقی و در بعضی موارد گوهای مانند صورت میگیرد. در شمال معادن تاگویی 1 و 6 لایههای شیلی-زغالی با مرور زمان، در اثر هوازدگی و اثرات آتشباری به صورت ذرات دانه‌ای ریزش کردهاند. در معدن گلبینی 2 و در دیوارۀ شرقی آن، در چندین پله ریزش در لایههای شیلی-زغالی رخ داده است. در شکل ‏18 لایۀ شیلی-زغالی در ضلع شمالی معدن تاگویی 1 نشان داده‌شده است. [8]
شکل ‏18 لایۀ شیلی-زغالی در ضلع شمالی معدن تاگویی 1
در دیواره‌های دولومیتی نیز عموماً گسلها سبب ناپایداری و ریزش میشوند. در این دیواره‌ها در بعضی از موارد دایکهایی نیز به چشم میخورد و اغلب صفحاتی با شیب منفی نیز در این دیواره‌ها مشاهده میشود که مستعد ریزش واژگونی هستند. در شکل ‏19 آینه گسل همراه با دایک در معدن گلبینی 2 مشاهده میشود. از لحاظ زبری، سطح گسلهای منطقه صفحهای و صاف بوده و ضریب زبری درزه (JRC)، برای سطح گسلها 4 تا 6 است. در دیواره‌های دولومیتی پله‌های ایمنی وجود نداشته و در حال حاضر گودیهای حاصل از استخراج لنزهای بوکسیتی در این دیواره‌ها به عنوان پله قلمداد میشوند درحالی که این گودیها نمیتوانند نقش پله‌های ایمنی را ایفا کنند؛ بنابراین ایجاد پله‌های ایمنی در این دیواره‌ها ضروری است. در شکل ‏110 دیواره دولومیتی در ضلع جنوبی معدن گلبینی 2 نشان داده‌شده است. [8]
شکل ‏19 نمایش سطح گسل به همراه دایک در معدن گلبینی 2
شکل ‏110 نمایش دیواره دولومیتی در معدن گلبینی 2 و فاقد پله ایمنی
بررسی ارتباط جهت‌گیری ناپیوستگی‌های معادن تاگویی
به منظور مطالعۀ جهت‌گیری ناپیوستگی‌ها در معادن تاگویی و ارتباط میان آن‌ها، داده‌های برداشت‌شده در معادن تاگویی 1 و 6 به صورت مجزا مورد تحلیل قرار گرفت. در معدن تاگویی شماره 1، در مجموع تعداد 416 درزه برداشت‌شده، در نرم‌افزار Dips وارد و دسته‌درزه‌های مربوطه تشخیص داده شد. شکل ‏111 الگوی دسته‌درزه‌های این معدن را در استریونت نمایش میدهد. [8]
شکل ‏111 ساختار ناپیوستگی‌های معدن تاگویی 1
به صورت کلی سه دسته‌درزۀ عمده در معدن تاگویی شماره یک تشخیص داده‌شده است. این دسته‌درزه‌ها، پس از شناسایی در نرم‌افزار، در جدول ‏17 نشان داده شده است. [8]
جدول ‏17 جهت‌گیری ناپیوستگی‌ها در معدن تاگویی 1
جهت شیب (درجه)شیب (درجه)دسته‌درزه149.1574.371286.5968.99255.3848.13
در معدن تاگویی شماره 6، در مجموع تعداد 130 درزه برداشت شد. الگوی تمرکز این درزه‌ها در استریونت در شکل ‏112 نمایش داده‌شده است. این درزه‌ها، در سه دسته‌درزه عمده طبقه‌بندی میشوند. دسته‌درزه‌های تشخیص داده‌شده در معدن تاگویی شماره 6 در جدول ‏18 نشان داده شده است. [8]
شکل ‏112 ساختار ناپیوستگی‌های معدن تاگویی 6
جدول ‏18 جهت‌گیری ناپیوستگی‌ها در معدن تاگویی 6
جهت شیب (درجه)شیب (درجه)دسته‌درزه151.1671.961272.07768.97256.6439.583
با توجه به داده‌های مربوط به شیب و جهت شیب ناپیوستگی‌ها در معادن یک و شش تاگویی، مشاهده می‌شود که مقادیر این پارامترها کاملاً با یکدیگر همخوانی دارند. صفحات درزه در دو منطقه در شکل ‏113 نمایش داده‌شده است. در این شکل، خطوط سبز رنگ صفحات درزه مربوط به معدن تاگویی 6 و خطوط قرمز رنگ صفحات درزه مربوط به معدن تاگویی 1 است. بر این اساس با قطعیت میتوان عنوان کرد که درزه‌ها در معادن تاگویی یک تا شش با تقریب مناسبی مشابه هستند. به عبارتی دیگر شیب و جهت شیب دسته‌درزه‌ها در معادن تاگویی شماره یک تا شش تقریباً ثابت مانده است. در واقع از نظر تقدم و تأخر، ابتدا درزه‌ها در منطقه به وجود آمده‌اند و سپس گسل‌ها بر روی سیستم درزه‌ها جابجایی اندکی را ایجاد کرده‌اند که این مقدار جابجایی در شکل ‏113 مشهود است. بیش‌ترین مقدار چرخش مربوط به دسته‌درزۀ شمارۀ 2 به اندازۀ 14 درجه است. همچنین دسته‌درزه‌های سوم و اول به



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید