پایداری شیب در معدن
با سلام خدمت دوستان همیشگی اگر یادتون باشه در مطالب قبلی از جمله عوامل اصلی وقوع زمين لغزشها و انواع شکستهای مهم در شیروانیها در همین رابطه ارائه شد و حال در ادامه نیز با ما باشید
۱– آشنایی با مبحث پایداری شیب در معدن
مقوله پایداری شیب یکی از مهمترین و حساسترین زمینههای مهندسی برای طراحان معادن میباشد. انتخاب شیب مناسب برای هر معدن چه از نظر پایداری شیب و یا از نظر اقتصادی مهمترین بخش فرایند معدنکاری را تشکیل میدهد.
این حساسیت و اهمیت از آنجا ناشی میشود که سنگ برخلاف فولاد یا بتن موادی است به شدت کمپلکس، که خصوصیات آن در فواصل بسیار کوتاه ممکن است متغیر باشد و غالبا دارای درزه و شکاف بوده و ممکن است با مواد دیگر هم چون رس و کوارتز مخلوط باشد، به این پیچیدگی باید حضور آب را نیز اضافه نمود.
در روش روباز به منظور استخراج ذخیره معدنی از پله استفاده میکنند. پلهها نیز غالبا بطور شیبدار طراحی میشوند چون سنگ خام در حالت شیبدار فشار و نیرو را تحمل میکنند.
مطالعه پایداری شیب در روش روباز به منظور استفاده شیب مناسب و مطمئن صورت میگیرد که باعث کاهش هزینههای معدنکاری و اطمینان از توانایی سنگ در پایدار ماندن، کاهش دادن احتمال شکست و تقلیل حادثه و آسیب رساندن به پرسنل و ماشین آلات معدنی است.
۲– نقش پایداری شیب در مراحل استخراج و پیشبینی شکست
در مرحله استخراج پایداری شیب این امکان را فراهم خواهد نمود تا انفجاری متعدد و دلخواه به منظور خرد شدن کامل سنگها صورت گیرد. از نظر ایمنی، پایداری شیب موجب کنترل بهتر دیوارههای معدن،کنترل بهتر آبهای سطحی و زیرزمینی و ایجاد دیوارههای ایمنی در دیواره نهایی معدن میشود. در شیبهای پایدار میزان از دست رفتن موادمعدنی، تجهیزات و پرسنل به حداقل مقدار خود رسیده و لذا از نظر اقتصادی مناسبتر و از بعد ایمنی، ایمنتر خواهد بود.
بنابراین افزایش شیب با کاهش هزینه و با تقلیل زمان برگشت سرمایه همراه است ضمن انکه امکان دسترسی سریع به ماده معدنی نیز فراهم میشود. اما افزایش شیب امکان عدم پایداری شیب افزایش میدهد، و باعث کاهش عرض پله و فضای عملیاتی خواهد شد که استفاده اجباری از ماشین آلات بارگیری و حمل و نقل در فضای کم عرض و افزایش زمان بارگیری، کاهش تولید، افزایش حادثه و بالا رفتن هزینه تعمیر و سرویس کاری میشود.
پس باید مطالعات ژئوتکنیکی، زمینشناسی ساختمانی، هیدرولوژی و مکانیک سنگ از معدن انجام پذیرد تا بر اساس این مطالعات امکان افزایش شیب مواد مورد بررسی دقیق قرار گیرد. براساس این مطالعات همچنین میتوان یک منحنی ترسیم نمود که در آن ارتباط بین زاویه شیب و احتمال شکست نشان داده شود.
شکل ۱- نمودار که در ان رابطه بین زاویه شیب و احتمال
۳- روشهای تقویت پایداری شیب
به طورکلی سه روش برای تقویت پایداری شیب وجود دارند که عبارتند از:
الف) تشخیص آبهای سطحی و زیرزمینی و به کارگیری روشهای آبکشی
ب) تشخیص خسارات ناشی از انفجار و به کارگیری روشهایی از انفجار که کمترین آسیب را به دیواره معدن برساند
ج) بکارگیری روشهای مصنوعی پایداری شیب
۳-۱- هیدرولوژی
آبهای سطحی و زیرزمینی از عوامل موثر در ناپایدارسازی شیبها محسوب میشوند و روداب به داخل طبقات باعث ایجاد فشار آبدار داخل آنها میشود که این فشار مقاومت موثر برشی سنگ را کاهش خواهد داد و نتیجه تحمل پذیری فشار سنگ را کاهش و موجب ناپایداری شیبهایی میشود که بر روی این طبقات ایجاد شدهاند.
بسیاری از معادن روباز دارای شیبی هستند که از ضریب ایمنی کمی برخودار میباشند لذا کمترین تغییر در خصوصیات طبقاتی که شیب بر روی آنها طراحی شده است میتواند موجب ناپایداری یا شکست شود. بنابراین مطالعه دقیق در مرحله اکتشاف از میزان بارندگی سالانه در منطقه، شناسایی آبهای سطحی و سطح ایستایی آبهای زیرزمینی شناسایی نزدیکترین چشمه و رودخانه و خصوصیات فیزیکی طبقات مثل تخلخل و نفوذپذیری در مرحله اکتشاف میتواند کمک موثری در انتخاب روشهای آبکشی مانند حفر چالهای افقی، چاه گالری یا استفاده از پمپها باشد.
۳-۲- انفجار و نقش آن در پایداری شیب
یکی از مشکلات که در پایداری شیب در معادن روباز وجود دارد تاثیر امواج انفجاری بر دامنه پلهها و شیب موقت و نهایی معدن میباشد. امواج انفجاری میتوانند موجب ترک و شکاف و حتی تخریب سنگها و دیواره پشت آخرین ردیف چال شوند.
شکستگی غیر مطلوب و شکستگی انتهایی دو پدیده متداول در انفجار معادن روباز هستند که موجب شکست و ناپایداری شیب در معادن می شوند. به کمک سه روش می توان تاثیر امواج انفجاری را بر شیب معادن کمترین مقدار رساند، این سه روش عبارتند از:
- کاهش میزان خرج به ازای هر پریود
- بکارگیری روش شکافی به منظور حفظ دیواره معدن
- ایجاد زون ضربه گیر بین پیش شکاف و محدوده اصلی انفجار
با کاهش دادن مقدار خرج در هر پریود شدت امواج و میزان توسعه ان نیز کاهش پیدا کرد ضمن آنکه استفاده از چاشنیهای تاخیری نیز میتواند مانع از تداخل امواج و کاهش شدت قدرت امواج نهایتا موجب تقلیل خسارت شود.
در به کارگیری خرج در چال ضمن استفاده از مدلهای موجود باید از نتایجی که از هر انفجار بدست میآید استفاده کرد تا با بهره از نتایج انفجار از پارامترهای مناسب تری برای انفجار بعدی استفاده کرد. استفاده از هر روش پیش شکافی یکی از مهمترین تکنیکها جهت حفظ دیواره معدن میباشد.
در روش پیش شکافی هدف ایجاد شکاف بین دیواره و محدوده اصلی انفجار است. بدین منظور یک ردیف چالهای با قطر ۳ اینچ و در فاصله بسیارکم حدودا این فاصله بطور تجربی از جمع قطر چال بر اینچ به اضافه یک بر حسب فوت منظور میشود فواصل زیاد موجب ناصافی و به جا گذاشتن تکههای درشت سنگ درته چال می شود.
در روش پیش شکافی معمولا از خرج مخصوص و به صورت فشنگی میشود و بین فشنگ و فواصل آن با دیواره چال توسط پودر پر میشود. زون ضربه گیر بین پوشش شکاف’محدوده اصلی انفجار ایجاد میشود تا مقدار انتقال انرزی انفجار به پشت جبهه انفجار را تقلیل دهد. برای ایجاد زون ضربه گیر همانند روش پیش شکافی چالی با قطر کم و بافاصله کم حفر میشوند. فاصله چال ها کمتر از فاصله چال های انفجار اصلی ولی زیادتر از فاصله چالهای پیش شکافی نیز نخواهد بود.
۳-۳- روش های مصنوعی پایداری سازی
سومین روش که میتواند در تقویت پایداری شیب موثر باشد روشهای پایدارسازی است که عملکرد بعضی از این روشها در مقیاس کوچک دیگر که معمولا هم بطور ترکیبی هستند برای عملیات بزرگ قابل استفاده خواهند بود. این روشها عبارتند از:
۳-۳-الف – دیواره سنگی
دراین روش با استفاده از باطلههای معدن یا به کمک بتن دیوارههایی در پای شیب یا پلهها ایجاد میکنند تا از حرکت توده سنگ جلوگیری به عمل آید. این روش برای معادن کوچک و مقیاس کم موفقیت آمیز بود، اما در معادن مقیاس بزرگ مورد استفاده نداشته است.
۳-۳-ب – مهارسنگی ها
مهارسنگی ها به دو گروه تقسیم میشوند که این تقسیم براساس اندازه مهارسنگیها است. در نوع کوچک اندازه میله ۲ الی ۳ متر و معمولا به منظور یکپارچه کردن توده سنگ و مسدود کردن شکافهای کم قطر و کم عمق مورد استفاده دارد اما مهار سنگهای کابلی که طول آنها تا ۸۰ متر هم میرسد میتواند موجب تقویت توده سنگها و افزایش مقاومت آنها تا چند مگانیوتن شوند و لذا در مقیاس بزرگ و شرایطی که زون در حال شکست از ابعاد نسبتا زیاد برخوردار است کارایی دارد و میتوان مورد استفاده قرار گیرد.
بطور کلی مهار سنگ از نوع کابلی تنها روش مصنوعی پایدار سازی است که در معادن روباز بطور عملی مورد استفاده قرار میگیرد.
۳-۴-ج – سیمانه
در این روش درون شکاف یا ترک سنگ را توسط ترکیبات شیمایی مختلف سیمان و… مسدود میکنند تا از این طریق موجب یکپارچگی توده سنگ و تقویت سنگ شود. روش سیمانه کردن در مقیاس کوچک از نظر اقتصادی ممکن است امکان پذیر باشد اما در مقیاس بزرگ که غالبا این مورد در معادن روباز اتفاق میافتد، روش سیمانه غیر اقتصادی می باشد.
۳-۵-د – سایر روش ها
از روشهای دیگر که تحت شرایطی ممکن است مطرح و مورد استفاده قرار گیرند میتوان از روش منجمد کردن همانند روشی که معمولا در متدهای تونل زنی جهت جلوگیری از نفوذ آب به داخل تونل انجام میدهند میتوان نام برد. همچنین روش الکتروشیمی که به کمک این روش باندهای یونی کانیهای مختلف در سنگ را به منظور افزایش پایداری شیب سنگ افزایش میدهند.
۴- عوامل زمین شناسی ساختمانی موثر در پایداری شیب
دو گروه از عوامل زمینشناسی باعث ایجاد ناپایداری و شکست شیبها میشوند. گروه اول در ساختار توده سنگ موثرند و باعث عدم یکپارچگی سنگ و ایجاد ناپیوستگی و نهایتا تضعیف سنگ میشوند و گروه دوم به عوامل هیدرولوژی مرتبط اند و باعث حضور آب در سنگ و کاهش مقاومت آن میشوند. بعضا حضور آب در سنگ بدلیل وجود ناپیوستگی و به عبارت دیگر به عوامل بستگی دارد.
الف) گروه اول
۴-۱- وجود سطوح لایه یا زون ضعیف
وجود زون ضعیف یا سطوح لایه در سنگ میتوانند موجب ناپایداری شیب سنگها شوند. این شرایط در محیط سنگی بیشتر از محیط خاکی مطرح است. در خاک فرض بر این است که مقاومت آن در کلیه جهات یکسان است اما به دلیل امکان وجود زون ضعیف یا سطوح لایهبندی در میان سنگ امکان پیدایش ناپیوستگی، مقاومت توده سنگ بطور قابل توجهی کاهش پیدا میکند.
بعضا مقاومت ناپیوستگی توده سنگ تا میزان بسیار ناچیز از مقاومت یکپارچه تقلیل مییابد بنابراین بررسی موقعیت سطوح لایهبندی و زون ضعیف و اندازه گیری مقاومت ناپیوستگی توده سنگ ضروری است و می تواند در پیش بینی چگونگی شکست از نظر زمان وقوع و مقیاس شکست و همین طور پایداری شیب موثر است. شکل (۲) سه نمونه از شیب سنگی را نشان می دهد که زون های ضعیف در میان سنگهای نسبتا سفت و سخت قرار دارند که در ذیل ارائه شده است.
شکل ۲- قرارگیری زونهای ضعیف در درون سنگها
۴-۲- تاثیر ناهمواری ناپیوستگی های سنگ در پایداری
وجود ناهمواری در طول سطوح گسل یا درزه باعث تغییر محسوس در مقاومت ناپیوستگی و نوع شکست در آن میشود، به عبارت دیگر توده سنگی که دارای ناپیوستگی با سطوح ناهموار است ممکن است نوع شکستگی که در آن اتفاق میافتد با نوع شکست همان سنگ که سطح ناپیوستگی آن صاف است متفاوت باشد.
نوع تاثیر ناپیوستگی به تنش نرمال بستگی دارد لذا این امکان وجود دارد که در سنگ ناپیوسته که ناپیوستگی آن همراه است بین مقاومت برشی و تنش نرمال در تنش مختلف تفاوت وجود داشته باشد. سطوح گسل و درزه معمولا دارای ناهمواری هستند و طبیعت ناهمواری در جهات مختلف با توجه به جهت گسترش ناپیوستگیها متفاوت و بعضا این ناهمواریها میتوانند بر روی زاویه اصطکاک داخلی تا ۱۵ درجه تاثیر بگذارند.
۴-۳- کاهش مقاومت برشی در اثر جابجایی
مقاومت برشی سنگ یکپارچه به مراتب بیشتر از مقاومت بزشی خاک است که جابجا نشده است. علیرغم آنکه از نظر کانیشناسی هر دو دارای ترکیبی یکسان هستند اما بعد از جابجایی سنگ و خاک با مقاومت برشی به جا مانده در هر جا که دارای ترکیب یکسان نیز بوده حدودا یک اندازه است. به عبارت دیگر نقش جابجایی در مقاومت سنگ به مراتب زیادتر از خاک است.
شکل (۳) تاثیر جابجایی در مقاومت سنگ و خاک که از نظر کانی دارای ترکیب یکسان هستند را نشان می دهد. همان طور که در شکل (۳) نشان داده شده است نقطه اوج مقاومت برشی سنگ به مراتب بیشتر از نقطه اوج مقاومت برشی خاک است که از کانی دارای ترکیب مشابه با سنگ میباشد. اما در اثر جابجایی مقاومت به جا مانده در هر دو حدودا یکسان میباشد.
لذا از دست رفتن مقدار قابل توجهی از مقاومت در اثر جابجاییهای حتی کوچک در سنگهای دارای ناپیوستگی امری طبیعی به نظر می رسد. بدین جهت مشاهده جابجایی حتی در مقیاس کوچک نقش مهمی در شکست یا پایداری شیب دارد. در ضمن به همین دلیل غالبا شکست در شیبهای سنگی بدون علائم و اخطار قبلی صورت می گیرد در حالی که در خاک این چنین نیست.
شکل ۳- تاثیر جابجایی در مقاومت سنگ و خاک
۴-۴- نقش گسل در شکست شیب ها
در مواردی که گسل اتفاق افتاده است مواد زون یا قسمت مرکزی گسل بسیار ضعیف و به ترتیب که به مناطق سالم نزدیک میشویم کیفیت سنگها بهتر میشود لذا باید از طراحی شیب در مناطق مرکزی و نزدیک به مرکز گسل اجتناب ورزید در غیر این صورت وقوع شکست حتمی خواهد بود.
در شکل (۴) مقطی از یک گسل مرکب را نشان می دهد. در قسمت مرکزی این گسل سنگها به شدت خرد شده و از مقاومت بسیار کم برخوردارند. طرفین این زون توسط دانههای بسیار ریز غالبا همجنس و هم اندازه با رس پوشانده می شود، که دو سمت آن را آیینه گسل تشکیل میدهد و بعد از آیینه گسل سنگهای دارای شکستگی و همچنین سنگهای سالم و فاقد شکستگی میباشد. به عبارت دیگر در این مناطق اخیرا انرژی گسل جهت خرد کردن سنگ کافی نبوده و سنگها سالم هستند به چنین سکانسی از گسل، گسل مرکب میگویند.
بطور کلی تاثیر جابجای ناشی از گسل عبارتند از:
- نیروی چسبندگی مواد (C) کاهش پیدا خواهد کرد.
- زاویه اصطکاک داخلی (Ø) مواد کاهش پیدا خواهد کرد.
- به دلیل کاهش زاویه اصطکاک داخلی (Ø) ،کاهش نیروی چسبندگی (C) و مقاومت برشی (ŧ) نیز کاهش مییابد.
- نفوذپذیری افزایش خواهد یافت که نتیجه آن مقاومت برشی مواد کاهش مییابد.
- در طول مناطق گسل زده بالاخص نواحی مشرف به مرکز گسل هوازدگی شدید و این امر باعث تضعیف مواد میشود.
شکل ۴- مقطی از یک گسل مرکب
ب) گروه دوم
۴-۵- فشار آب عامل هیدرولوژی
وجود مجموعه درزه در توده سنگ باعث جمع شدن آب و در نتیجه فشار آب ایجاد میکند. این فشار عمود بر سطح ناپپیوستگی عمل میکند شکل (۵). توزیع یکنواخت درزهها با فاصله کم باعث پدید آمدن فشارهای متعدد آب و کاهش مقاومت سنگ و ناپایداری شیب میشود.
مقدار فشار آب در داخل درزهها به عمق آب و گسترش آنها بستگی دارد و هر چه عمق بیشتر و درزه گسترش زیادی داشته باشد فشار آب بیشتر خواهد بود. لذا تعیین جهت با شیب و عمق دردرزه و اندازگیری افق آن توسط پیزومتر (فشار سنج) میتواند در تعیین فشار آب و میزان تاثیر آن در پایداری شیب و انتخاب روش در کنترل پایداری موثر باشند.
۴-۶- تاثیر ترکیبی از گسل و هیدرولوژی بر پایداری شیب
مناطق گسل زده به چند ناحیه تقسیم میشوند، نواحی که دارای نفوذپذیری متفاوتند. متغیر بودن نواحی گسل زده از نظر نفوذپذیری موجب فشار آب متفاوت خواهد شد و لذا گسل میتواند ار نظر هدایت آب نقش متفاوت داشته باشد.
برای مثال در ناحیه مرکزی گسل چون سنگها بشدت تحت تاثیر انرژی قرار گرفتهاند و کاملا خرد شده و همانند ماسه سنگ عمل میکند، فاقد نفوذپذیری است و نمیتواند آب را از خود عبور دهد در حالی که هر قدر به آیینه گسل و زونهای ترک دار نزدیک میشویم نفوذپذیری سنگها افزایش و همانند کانال آب عمل می کنند.
همان طور که در شکل (۶-الف) نشان داده شده است گسل مانع ورود آب به شیب و دیواره معدن میشود، در حالی که در شکل (۶-ب) گسل موجب هدایت آب از رودخانهای که در سطح زمین قرار دارد به داخل شیب دیواره معدن میشود و در شکل (۶-ج) گسل همانند کانال آبکشی باعث خارج کردن آب از شیب و دیواره معدن به خارج از معدن شده است.
۵ نقش ساختار سنگ در پایداری شیب
در شیبهای سنگی، خواص سنگ یکپارچه اهمیت چندانی در پایداری شیب ندارد و شکست توده سنگ توسط عوامل ناپیوستگی مانند سطوح لایه بندی، درزه، شکاف و گسل کنترل میشود. تعداد ناپیوستگی، شیب، امتداد، فاصله ناپیوستگی و مقاومت از عوامل موثری محسوب میشوند که در تحلیل پایداری شیب باید مورد توجه قرار گیرند. برای مثال شیب خشک سنگی از جنس آهک فرض شود که دارای ارتفاع (h) میباشد این شیب دارای صفحه ناپیوستگی با زاویه (β) است شکل (۷).
چنانچه مقاومت فشاری تک محوری سنگ آهک یکپارچه ۲۰۰۰ پی-اس-آی (۲۸۸۰۰۰ پوند بر فوت مربع) و زاویه اصطکاک سطح ناپیوستگی (ф) برابر۳۲۰ و نیروی چسبندگی آن ۲۰۰۰ پوند بر فوت مربع باشد شرایط وقوع شکست به ترتیب زیر است.
با توجه به شرایط یاد شده تا موقعی که زاویه اصطکاک داخلی است (Ѳ>β) شکست به دلیل وجود ناپیوستگی اتفاق نخواهد افتاد و شکست شیب تابع خصوصیات سنگ آهک یکپارچه خواهد بود. به عبارت دیگر شکست شیب در صورت وقوع شکست در سنگ یکپارچه امکانپذیر میشود و برای محاسبه ارتفاع قائم بحرانی شیب که شکست در آن ارتفاع اتفاق خواهد افتاد میتوان از رابطه زیر استفاده کرد.
σC= مقاومت فشاری سنگ اهک یکپارچه
γ = وزن مخصوص سنگ یکپارچه،۱۶۰ پوند بر فوت مکعب
با توجه به دتدههای موجود ارتفاع بحرانی شیب برابر است با:
CH = ناپیوستگی
چنانچه زاویه شیب سطح بزرگتر از زاویه اصطکاک داخلی باشد (Ѳ<β) شکست شیب در اثر ناپیوستگی اتفاق خواهد افتاد در این حالت ارتفاع قائم بحرانی شیب از رابطه زیر بدست خواهد آمد.
C-نیروی چسبندگی سطح ناپیوستگی-۲۰۰۰پوندبر فوت مربع
I-زاویه شیب۹۰درجه
CH-ارتفاع بحرانی شیب
و سایر عوامل قبلا تعریف شده اند. با توجه به دادههای مسئله و جایگزینی آنها در رابطه (۲) و قرار دادن مقادیر (β) بین ۳۲ تا ۹۰ درجه خطرناکترین زاویه شیب سطح ناپیوستگی ۶۲ درجه، خواهد بود که در این شیب ارتفاع بحرانی ۹۰ فوت میشود.
بنابراین وجود عواملی چون سطوح لایهبندی، درزه یا گسل میتوانند ارتفاع بحرانی شیب را کاهش دهند. این مثال نشان میدهد که نقش ناپیوستگی در توده سنگ به مراتب مهمتر از نقش سنگ یکپارچه است به این جهت میتوان بطور قطع بیان داشت که شکست شیبهای سنگی در معادن روباز ناشی از ناپیوستگی است و به ندرت ممکن است در اثر سنگ یکپارچه باشد بنابراین به منظور پایداری شیب باید ناپیوستگی در توده سنگ را کنترل کرد.
۶- مطالعات نظری و عملی عوامل زمین شناسی ساختمانی موثر در پایداری شیب
مطالعات نظری و عملی در مورد مشکلات پایداری شیب نشان میدهد که عوامل زمینشناسی ساختمانی زیر در پایداری شیب موثرند.
- شیب درزهها، گسلها و سطوح لایهبندی: این پارامترهای مقدار زاویه شیب نقش اساسی در پایداری شیب دارند.
- امتداد ناپیوستگیها: خطرناکترین شرایط وقتی است که امتداد ناپیوستگی به موازات امتداد شیب دامنه باشد در این حالت خود شیب تمایل به جدایش و ریزش دارد.
- تعداد ناپیوستگیها: رفتار شیب در شرایطی که شیب تنها دارای یک صفحه ناپیوستگی است با هنگامی که دارای سه صفحه ناپیوستگی است متفاوت خواهد بود. در مقایسه حالت اخیر کل توده سنگ جدا و لغزش خواهد کرد، ضمن آنکه مشکلات ناشی از آبهای زیرزمینی در زمانی که توده سنگ دارای سه صحفه ناپیوستگی است بیشتر از حالتی است که شیب تنها دارای یک صحفه ناپیوستگی است.
- میزان گسترش ناپیوستگیها: در معادنی که گسترش و عمر ناپیوستگی همه ارتفاع شیب را شامل میشود میزان اختلاف وقت، هزینه وخسارات جانی و مالی به مراتب زیادتر خواهد بود تا وقتی که عمق ناپیوستگی تا بخشی از ارتفاع شیب ادامه دارد.
- خواص موادی که داخل درزه و شکافها را پر میکند: سختی، سفتی و مقاومت مواد پرکننده در مقاومت نا پیوستگی بسیار موثرند همچنین نفوذپذیری ناپیوستگی تابع نفوذپذیری موادپرکننده میباشد.
با سلام
نحوه محاسبه شیب نهایی معدن در روش استخراج روباز چگونه است؟
با سپاس