خلاصه پایان نامه تعیین زاویه شیب سرتاسری معدن تاگویی 2 بوکسیت جاجرم با استفاده از روش های تحلیلی و عددی
پایان نامه
جهت دریافت درجه کارشناسی ارشد
مکانیک سنگ
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، مدل سازی عددی، 3DEC.
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 چوکیکاماتا[1] 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 زاویه شیب ایمن برای معدن به دست آید. مسلماً در این مراحل تأثیر روش‌های مختلف پایدارسازی نظیر آبکشی روی زاویه 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 دهه 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 هزینه 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 محدوده نهایی معدن اتفاق می‌افتد. لذا پر شیب نگاه‌داشتن دیواره معدن تا آنجا که ممکن است در کاهش نسبت باطلهبرداری که به نوبه خود با هزینه معدنکاری رابطه تنگاتنگ دارد، بسیار حیاتی است. پس در این حالت طراحی محدوده نهایی فقط به توزیع عیار و هزینه 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. زاویه شیب دیواره پله، زاویه دیواره بین رمپی و زاویه دیواره 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 دیواره 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 سابقه 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 مقایسه 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].
[
Abstract
Stability analysis of the mine slope, in particular jointed rock slopes are among the most important issues in designing surface mines. Slopes in open pit mines must be considered as geotechnical structures. Therefore their design and implementation must be conducted with all consideration including technical, economical, environmental and safety issues. In this project, maximum overall slopes of Taguee 2 Mine of Jajarm Bauxite Deposit by using analytical and 2D numerical method for the Northern, the Eastern and Western walls 55 degree was obtained and due to dip of the bauxite layer, for the Southern wall 45 degrees was chosen. For stability analysis, by using of geotechnical testing results, the geometric and mechanical models of mine was made in the 3DEC software. Finally, model has been analysis under horizontal acceleration 0.35 in different directions. The results of this software is the slide as much as a few blocks in each case. But in the rest of the blocks the maximum displacement of 20 mm were obtained and that eventually the mine with the angle of 45 degrees to the southern wall and the angle of 55 degrees for the other walls is stable.
Keywords: Slope Stability, Taguee 2 Mine of Jajarm Bauxite Deposit, 3D Numerical Analysis, Numerical Modeling, 3DEC.
فهرست پایان نامه تعیین زاویه شیب سرتاسری معدن تاگویی 2 بوکسیت جاجرم با استفاده از روش های تحلیلی و عددی
فهرست:
مقدمه. 1
فصل 1: تعیین ویژگی‌های هندسی و مطالعات ژئومکانیکی معدن تاگویی 2 بوکسیت جاجرم. 7
1-1 کلیات.. 8
1-2 موقعیت جغرافیایی معدن بوکسیت جاجرم. 8
1-3 چینه‌شناسی معدن بوکسیت جاجرم. 10
1-4 معیار تعیین کیفیت ماده معدنی در زون بوکسیت سخت (HB) 13
1-5 وضعیت ساختاری معدن.. 14
1-6 مشخصات هندسی پله‌ها و ناپیوستگی‌های موجود در دیواره‌ها 15
1-7 تحلیل ساختاری ناپیوستگی‌ها در معادن تاگویی یک و شش.... 19
1-8 تحلیل پایداری دیواره‌های شیلی-زغالی و دولومیتی معادن تاگویی.. 22
1-9 بررسی ارتباط جهت‌گیری ناپیوستگی‌های معادن تاگویی.. 23
فصل 2: تعیین خواص سنگ بکر و توده‌سنگ... 27
2-1 تعیین پارامترهای ژئومکانیکی ماده‌سنگ... 28
2-1-1 آزمایش تعیین وزن مخصوص.... 28
2-1-2 آزمایش مقاومت فشاری تک‌محوری.. 29
2-1-3 آزمایش اندیس بار نقطه‌ای.. 35
2-1-4 آزمایش برش مستقیم.. 39
2-1-5 نتایج خواص سنگ بکر. 44
2-2 تعیین خواص توده‌سنگ... 45
2-2-1 محاسبه ضریب زبری درزه. 48
2-2-2 تعیین مقادیر RQD.. 51
2-2-3 تعیین مقدار RMR.. 52
2-2-4 تعیین شاخص GSI 55
2-2-5 نتایج خواص توده‌سنگ... 57
فصل 3: تخمین پتانسیل ریزش بر اساس روش‌های تعادل حدی.. 59
3-1 بررسی ساختاری پتانسیل ریزش... 60
3-1-1 بررسی ساختاری دیواره شمالی.. 61
3-1-2 بررسی ساختاری دیواره شرقی.. 62
3-1-3 بررسی ساختاری دیواره غربی.. 63
3-2 تحلیل پایداری تعادل حدی با استفاده از نرمافزار Swedge. 64
3-2-1 تحلیل پایداری دیواره شمالی.. 64
3-2-2 تحلیل پایداری دیواره شرقی.. 68
3-2-3 تحلیل پایداری دیواره غربی.. 70
3-3 تحلیل پایداری تعادل حدی با استفاده از نرمافزار Slide. 73
3-3-1 تحلیل پایداری دیواره شمالی.. 74
3-3-2 تحلیل پایداری دیواره شرقی.. 82
3-3-3 تحلیل پایداری دیواره غربی.. 87
3-4 نتایج روش‌های تعادل حدی.. 92
فصل 4: تحلیل پایداری بر اساس روش‌های عددی.. 95
4-1 کلیات.. 96
4-2 پارامترهای لازم جهت تحلیل پایداری شیروانی‌ها در نرم‌افزارهای عددی.. 96
4-3 تحلیل پایداری عددی دو بعدی با استفاده از نرمافزار FLAC/SLOPE.. 97
4-3-1 تحلیل پایداری دیواره شمالی.. 98
4-3-2 تحلیل پایداری دیواره شرقی.. 102
4-3-3 تحلیل پایداری دیواره غربی.. 106
4-4 تحلیل پایداری عددی سه بعدی با استفاده از نرمافزار 3DEC.. 110
4-4-1 ساخت مدل هندسی محدودۀ معدن.. 110
4-4-2 تحلیل پایداری دیواره شمالی.. 112
4-4-3 تحلیل پایداری دیواره جنوبی.. 113
4-4-4 تحلیل پایداری دیواره شرقی.. 113
4-4-5 تحلیل پایداری دیواره غربی.. 113
4-5 نتایج روش‌های عددی.. 118
فصل 5: نتیجه‌گیری.. 121
منابع.. 125
منبع:
[1] ، G. P., “Rock Slope Stability analysis”, A. A. Balkema publisher Netherlands, 1992.
[2] Sjoberg, J., “Large scale slope stability in open pit mining – A review”, Technical report, Lulea university of technology, 1996.
[3] Fang, H.Y., “Stability of earth slope”, Foundation Engineering Handbook, Van Nostrand Reinhold, 354-372, 1975.
[4] Sivakumar Babu, G.L. and Bijoy, A.C., “Appraisal of Bishop's Method of Slope Stability Analysis”, slope stability engineering, Balkema, Rotterdam, Vol. 1, 249-252, 1999.
[5] Griffiths, D.V. and Lane, P.A., “Slope Stability Analysis by Finite Elements”, Geotechnique, Vol.49, No.3, PP.387-403, 1999.
[6] “Application of Finite Element Method to Slope Stability”, http://www.rocscience.com/roc/Papers.html.
[7] Cai, F. and Ugai, K., “Discussion: Slope Stability Analysis by Finite Elements”, Geotechnicque, Vol.51, No.7, 653-654, 2001.
[8] غلامنژاد، جواد، تخمین ذخیره ماده معدنی قابل مصرف در مجتمع، طراحی تفصیلی و ... معادن تاگویی بوکسیت جاجرم، طرح پژوهشی در حال اجرا.
[9] Hoek, E., Carranza-Torres, C. and Corkum, B., “Hoek-Brown Failure Criterion-2002 Edition”, 2002.
[10] Bansal, R. K., “A Textbook of Strength of Materials”, Laxmi Publications, 2010.
[11] Itasca, “FLAC – Fast Lagrangian Analysis of Continua”, Itasca Consulting Group, Inc., Minneapolis, 2005.
[12] Itasca, “3DEC – 3D Distinct Element Code”, Itasca Consulting Group, Inc., Minneapolis, 2003.