عوامل ناپایداری و ریزش در معادن زیرزمینی
ریزش سقف و دیواره کارگاه‌های معادن زیرزمینی به دلایل مختلفی صورت می‌گیرد که بنا به وضعیت‌های مختلف ممکن است یک یا چند عامل در وقوع آنها دخالت داشته باشد. مهمترین عوامل ناپایداری و ریزش در معادن زیرزمینی به شرح زیر است:
1- فشار طبقات فوقانی
موادمعدنی و کلیه طبقات موجود در اعماق زمین درحالت طبیعی در وضعیت فشار متعادل قرار دارند ولی در اثر حفر تونل‌ها و کارگاه‌های زیرزمینی تعادل مذکور برهم می‌خورد و در نتیجه تا قبل از برقراری مجدد تعادل سنگ‌های اطراف متحمل نیروهای اضافی گردیده که در آنها به صورت تغییر شکل ظاهر می‌شود، پدیده تغییر شکل در اجسام مختلف و از جمله سنگ‌ها در دو مرحله ارتجاعی و خمیری صورت می‌گیرد.
اگر نیروهای وارده بر سنگ‌ها در حدی باشد که تغییر شکل فاصله از حد ارتجاعی تجاوز نکند قسمت‌های حفر شده بدون آنکه نیازی به وسیله نگهداری داشته باشند مدت‌ها همچنان پایدار باقی خواهند ماند. مثلاً هرگاه یک تونل در داخل سنگ‌های محکم مانند ماسه سنگ یا گرانیت حفر شود احتیاجی به وسیله نگهداری نخواهد داشت و ریزشی بوقوع نخواهد پیوست، اما از آنجایی که درحالت کلی سنگ‌ها چندان مقاوم نبوده و ابعاد کار معدنی نیز بزرگ است لذا تغییر شکل خمیری از هم گسیخته شده و باعث ریزش سقف و دیواره کار معدنی خواهد شد.
مثلاً هنگامی که رگه زغال سنگی استخراج می‌شود سقف کارگاه تحت تاثیر وزن طبقات بالایی شکم می‌کند و سبب ایجاد شکاف‌هایی در خود می‌شود که این امر ممکن است سبب ریزش قسمت‌هایی از سقف بشود.
2- تاثیر شرایط زمین شناختی بر طراحی و احداث تونل ها
هدف مطالعه و بررسی ساختگاه، نشان دادن طبیعت زمینی است که قرار است تونلسازی در آن انجام شود. این مطالعه و بررسی‌های مبنایی برای طراحی تونل و انتخاب روشهای حفر و نگهداری به دست می‌دهند که این دو، راه حل‌های لازم برای مشکلات خاصی که ممکن است در رابطه با مسائل و جایابی‌های زمین شناختی پیش بیایند را پیش بینی می‌کنند.
به هر حال، شکل‌ها و جنبه‌های خاص زمین‌شناسی متعددی وجود دارند که در عملیات تونلسازی با آن مواجه می‌شوند. این جنبه‌های زمین‌شناسی می‌تواند باعث بروز مشکلاتی به ویژه از جهت تاخیر انداختن در پیشرفت عملیات و یا افزایش خطرات عملیات شوند. آگاهی از تاثیر شرایط زمین‌شناسی بر عملیات تونلسازی، نتیجه و گسترش طبیعی مطالعه و بررسی محل می‌باشد.
تغییر در شرایط زمین‌شناسی که از کاهش مقاومت و کیفیت سنگ‌های فراگیری که باید حفر شوند، ناشی می شود، اغلب علاوه بر تاثیر بر جنبه‌های ایمنی و عملیاتی، موجب افزایش هزینه‌های تونلسازی می‌گردد. در نتیجه ارزیابی دقیق و عمیق شرایط زمین‌شناختی نقش مهمی در طراحی و برنامه‌ریزی، احداث و کارهای احتمالی و عملیات تونل بازی می‌کنند.
3- جنس چینه‌ها و سنگ‌ها
یکی از عوامل مهمی که در چگونگی و سرعت نشست و ریزش کمربالای کارگاه‌های زیرزمینی تاثیر فراوانی دارد جنس چینه‌ها و سنگ‌های پیرامون آن است بطوری که گاه مشاهده می‌شود واکنش و جنس سنگ‌های مذکور سبب می‌شود که ریزش رخ ندهد.
بعضی از مواد شیست و زغال‌سنگ قبل از آنکه که ریزش کنند به طرف کف کارگاه خمیده شده و در نتیجه تکه‌های کوچک سنگ از آنها جدا می‌شود و سقوط می‌کند که همین مسئله سبب می‌گردد کارگردان متوجه خطر ریزش بشوند و پیش بینی‌های لازم را بعمل آورند و حال آنکه سنگ‌های سخت مانند ماسه سنگ و سنگ آهک تقریباً ناگهان فرو می‌ریزد.
استحکام سقف کارگاه تا اندازه زیادی به ساختمان و جنس سنگ کمربالای آن بستگی دارد از همین روی بعضی از کارگاه‌ها نیاز به چوب بست و نگهداری مطمئن‌تری دارند. در معادن زغال‌سنگ در بالای کمربالا رگه‌های نازک دیگری موازی با رگه اصلی وجود دارند که سبب جدا شدن کمربالا از سقف و فروریختن آن می‌شوند.
4- تغییر شکل توده سنگ بر اثر چین خوردگی
معمول‌ترین شکل تغییر شکل توده‌های سنگی از چین خوردگی ناشی می‌شود و این امر در ساختارهای سنگی لایه‌ای آشکار تر است، هر چند چین خوردگی در کلیه انواع سنگ‌ها اتفاق می‌افتد. چین‌ها در طول موج‌های مختلف از چند سانتی‌متر تا چند کیلومتر اتفاق می‌افتند.
شدت چین خوردگی منعکس کننده میزان پیچیدگی و از شکل افتادن موضعی و لغزش یا برش نسبی بخش‌های مختلف سنگی که تحت چین خوردگی قرار گرفته است، می‌باشد. لایه‌های چین خورده تشکیل تله‌های طبیعی می‌دهند که محل مناسبی برای تجمع ذخایر عظیمی از گاز طبیعی و نفت و آب می‌باشد.
چین‌های بشدت پیچیده غالباً با رفتار پلاستیک سنگ‌ها به ویژه در رسوبات نرمتر و در سنگ‌های دگرگونی همراه می باشند. در چین خوردگی خمشی، در ساختارهای بشدت لایه‌ای، لغزش نسبی بین لایه‌ها اتفاق می‌افتد. چنین شکل‌هایی چون باز شدن ترک‌ها یا شکاف‌های کششی در تشکیلات سنگی محکمتر علاوه بر گسترش برش در مناطق فشاری چین‌ها نیز بوقوع می‌پیوندد.
در سنگ‌هایی که بطور خمشی چین خورده‌اند، غالباً تمرکز تنش محلی اتفاق می‌افتد و در جاهایی که این تمرکز تنش به حد مناسبی برسد، چنین تنش‌هایی می‌توانند در جریان حفر باعث عمل انفجار (خودبخودی) در انواع سنگ‌های خاصی که در دسته بندی سنگ‌ها اصطلاحاً محکمتر و ترد نامیده می‌شوند، بشوند.
سنگ‌هایی که به طور خمشی چین خورده‌اند در تونل‌ها مناطقی با پایداری کم و کاهش یافته ایجاد می‌کنند. این به واسطه احتمال شکستگی زیادتر و تنش‌های بالایی می‌باشد که ریسک رانش سنگ‌های بلاواسطه اطراف تونل که بر اثر حفر به تازگی باز شده اند را افزایش می‌دهد.
5- تغییر شکل توده سنگ بر اثر گسل
ویژگی اصلی یک گسل ناشی از تاثیر تنش ایجاد شده‌ای است که باعث گسیختگی و جابجایی بعدی در طول صفحه گسیختگی می‌شود.
دسته بندی‌های مختلفی برای گسل‌ها وجود دارد، ولی همه آنها را می‌توان به طور گسترده‌ای تحت گسل‌های نرمال یا عادی، گسل‌های معکوس و گسل‌های امتداد لغز دسته‌بندی کرد. در گسل‌های عادی، جابجایی نسبی در طول شیبی صفحه گسل باعث می‌شود که لایه‌ها بطور افقی از یکدیگر فاصله بگیرند.
در گسل‌های معکوس جابجایی افقی باعث همپوشانی لایه‌ها بر روی یکدیگر می‌شود و علت این امر این است که جابجایی سنگ‌ها در طول شیبی صفحه گسل، لایه‌هایی که قبلاً به هم وصل بوده‌اند را بر روی یکدیگر قرار می‌دهد.
گسل‌های امتداد لغز به طور عمده از طریق جابجایی نسبی افقی مشخص می‌شوند. نکات زیر در مورد گسل‌ها توسط wahlstrom مورد بحث قرار گرفته است، البته صاحب نظران دیگری ملاحظاتی را در ارتباط با تونلسازی بدان اضافه کرده‌اند:
- در جاهایی متعدد به ویژه جاهایی که فعالیت‌های آتشفشانی یا تکتونیکی هنوز وجود دارد، به طور متناوب جابجایی هایی تکراری صورت می‌گیرند.
- گسل‌ها غالباً به صورت مسیری برای حرکت آب های زیرزمینی عمل می‌کنند ولی ممکن است به عنوان دبواره آب بند نیز عمل نمایند. در نتیجه فرسایش داخلی به ویژه در سنگ‌های خاصی نظیر سنگ آهک‌ها می‌تواند اتفاق بی افتد، در حالی که در مورد دیگر انواع سنگ‌ها مانند ماسه سنگ‌ها، فلدسپات‌ها و سنگ‌های آذرین، دگر سانی قابل توجه سنگ دیواره متحمل است.
- اثرات اصطکاکی جابجایی در طول صفحه گسل علاوه بر واکنش شیمیایی ناشی از چرخش آب، می‌تواند موجب دگرسانی سنگ دیواره گردد یا دگر سانی آن را تشدید کند.
- عرض منطقه گسل به سوابق تکتونیک و زمین‌شناسی و نوع سنگ‌ها وابسته است. حتی در جاهایی که به طور نسبی جابجایی کوچکی بین لایه اتفاق افتاده است،عرض مناطق گسله می‌تواند به چندین ده متر برسد و این مسئله نشان دهنده برگشت‌های متعدد در جابجایی در طول دوره‌های زمانی متمادی می‌باشد.
- مشخصات پر شدن بین گسل‌ها و مواد پر کننده به طور کاملاً مشخصی متفاوت هستند و اغلب میزان تاثیر جابجایی آب زیرزمینی را منعکس می کنند.
- خصوصیات مواد برشی پر کننده بین صفحات گسل به خصوصیات و طبیعت قطعات و خرده سنگ‌هایی بستگی دارد که منشاٌ آنها سنگ‌های نسبتاً مقاوم هستند و به آنجا حمل شده‌اند. فضای بین صفحات گسل می‌تواند فقط توسط قطعات برشی پر شود، ولی اغلب مواد دانه ریز را نیز شامل می‌شود.
- سنگ‌های دانه ریز و پودر و خرد شده ای که بر اثر عمل سایش ناشی از حرکت نسبی دیواره گسل در طول صفحه گسل ایجاد شده اند را اصطلاحاً گوژ می‌نامند. آب به تجزیه چنین سنگ‌هایی کمک می کند و مواد پر کننده مذکور اغلب می‌توانند حاوی کانی‌های رسی باشند که این کانی‌ها می‌توانند موجب تغییر شکل پلاستیک در درون حفرات زیرزمینی، بر اثر خواص رفتاری وابسته به زمان و اثرات فشاری آماس یا تورم شوند. در نتیجه شرایط مرطوب و تماس آب با مواد پر کننده گسل می‌تواند دیواره تونل را تحریک به ریزش کند. این مواد پر کننده قدرت مهار شوندگی کم یا ناچیزی دارند و زمان ایستایی آنها ضعیف است. خصوصیت دانه ریزی این مواد اغلب موجب ویژگی نفوذ ناپذیری آن بطور عمده می‌شود.
- جابجایی نسبی توده سنگ‌ها تولید خراش, تراش و صیقل در سطوح گسل مس نماید. اینها می‌تواند جهت جابجایی را نشان دهند و در تونلسازی از جهت نشان دادن صفحات با اصطکاک بسیار پایین, که به سهولت تحریک به جدایش و لغزش سنگ به داخل فضای تونل می‌شوند، بسیار حائز اهمیت می‌باشند.
- گسل‌ها و ساختارهای اتصال دهنده امکان چرخش آب زمین و نفوذ آن به اعماق زیر سطح و دیواره‌های جانبی را میسر می‌سازند. این امر موجب دگرسانی سنگ‌های دیواره و هوازدگی عمقی می‌شود که با افت استحکام سنگ‌ها تا اعماق قابل بلاحظه ای از سطح زمین همراه است.
- جهت گسل در ارتباط با خط تونل حائز اهمیت زیادی است چون این مسئله طول تونل متاثر از گسل و محدوده ای از تونل که با منطقه گسله همراه است را مشخص می‌کند.
ترزاقی اظهار داشته است که از جنبه مهندسی تونل, مقدار افت یا جابجایی قائم گسل‌ها چندان مهم نیست, زیرا گسل‌های با جابجایی قائم زیاد معمولاً فقط با لایه‌های نازکی از مواد پر کننده همراه هستند. بر عکس گسل‌های دیگری با جابجایی قائم کوچکتر در درون همان سنگ‌ها با سنگ‌های خرد شده بسیار بیشتری در هر دو صفحه گسل همراه هستند.
به هر حال، از جنبه تجربی در ارتباط با تونل‌های زیر آبی، ترزاقی اظهار داشته است که اگر ضخامت سنگ نسبتاً محکم واقع بین تونل و بستر دریا به طور عمده ای کم باشد، افت یا جابجایی قائم گسل می‌تواند بسیار حائز اهمیت باشد.
6- درزه‌ها و ارتباط آنها با تونلسازی
در جایی که سنگ بشکند و در نتیجه آن جابجایی عمده قابل رویتی در صفحه شکستگی اتفاق نیفتد را اصطلاحاً درزه گویند. بر عکس یک گسل، یک صفحه گسیختگی یا لغزش در سنگ است که جابجایی نسبی در آن صورت می‌گیرد.
درزه‌ها بصورت دسته ای هستند. درزه های یک مجموعه درزه، موازی یکدیگرند و معمولاً بیش از دو دسته درزه وجود دارد که نسبت به هم تحت زاویه ثابتی قرار می‌گیرند.
ترزاقی گزارش کرده است که سیستم درزه‌ها در سنگ‌های آذرین درشت دانه زبر، به ویژه گرانیت به طور معمول سه دسته هستند و ایجاد بلوک‌های کم و بیش منشوری می‌کنند. وی اظهار داشته است که سنگ‌های رسوبی نیز بطور معمول دارای سه دسته درزه هستند که یک دسته معمولاً به موازات صفحات لایه‌بندی می‌باشند و دو دسته دیگر صفحات لایه بندی را با زاویه تقریباً قائمه قطع می‌کنند.
اصولاً آرایش درزه‌ها نشانگر ضعف‌های ساختاری در توده سنگ هستند و به طور عمده بر زمان ایستایی انواع مختلف سنگ تاثیر می‌گذارند. تاثیر گذاری درزه‌ها و شکل آرایش آنها بر شکل ریزش یا گسیختگی سنگ و مشخصه پتانسیل ریزش آنها در جریان عملیات حفر تونل محتمل است.
در نتیجه، آرایش درزه‌ها در جریان انتخاب و کاربرد وسایل نگهداری و به ویژه برای نگهداری موقت مستلزم توجه خاص می‌باشد. آرایش درزه‌های سنگ بایستی در مرحله طراحی تونل و در زمان انتخاب سیستم نگهداری موقت مد نظر قرار گیرد.
7- روش استخراج
عدم تناسب روش شبکه بندی تونل‌ها و کارگاهای معدن و اندازه و ابعاد آنها با شرایط طبیعی کانسار و بطور کلی انتخاب سیستم نادرست استخراج می‌تواند عامل پیدایش خطر ریزش و سقوط کمربالا باشد. بعنوان مثال خطر در رفتن پایه‌ها باعث کشتار زیادی از کارگران شده است.
در روش مذکور ماده معدنی رابه شکل اتاق‌های استخراج می‌کنند و برای نگهداری سقف قسمتی از ماده معدنی را بصورت پایه باقی می‌گذارند. این پایه‌ها در بعضی از مواقع بر اثر فشار سنگ‌ها و طبقات بالا بطور ناگهانی از زیر سقف کارگاه در می‌رود و ایجاد خطر بزرگی می‌کند بدین ترتیب که پایه‌ها همراه با صدای مهیب خرد و منهدم می‌شود و سبب از بین رفتن سایر استحکامات و چوب بست‌ها و به دنبال آن له شدن وسایل و تجهیزات و افراد داخل معدن می‌گردد.
خطر در رفتن پایه‌ها در معادن زغال‌سنگ چندان زیاد نیست زیرا اغلب لایه‌های زغال دار از نوع آماس بوده و در نتیجه فشار کف کارگاه بر آمده و سقف نیزخمیده می‌شود و پایه‌ها به جای در رفتن در زیر فشار له و خورد می‌شوند و اگرچه خطرات ریزش ناگهانی کمتر است ولی درحال نمی‌توان از آن اغماض کرد.
مطالعات بعمل آمده در مورد پدیده فوق نشان می‌دهد که علت در رفتن پایه، شکستن و تحریک ناگهانی حجم بسیار بزرگی از سنگ‌ها و طبقات بالایی است که شبیه پتکی به روی لایه های زیرین ضربه وارد می‌کند و این ضربه‌های نیز به پایه انتقال می‌یابد.
8- رطوبت هوا
وجود مقداری رطوبت در هوای معدن نیزیکی از عوامل پدید آورنده ریزش و سقوط سنگ‌ها از سقف و دیواره کار معدنی است چنان که در بعضی از تونل‌ها و راهروهای زیرزمینی که در آغاز دارای سقف و دیواره‌های مستحکمی هستند پس از گذشت مدتی تکه سنگ‌هایی از سقف و دیواره‌ها به طور خود به خود جدا شده به همین دلیل ریزش‌های صورت می‌گیرد.
نقش رطوبت در جدا شدن تکه‌های سنگ، ورقه ورقه شدن و ریزش سقف شاید به این دلیل باشد که هوای گرم در فصل تابستان مقدار زیادی رطوبت را در خود نگه می‌دارد که هنگام ورود به معادن زیرزمینی به علت اختلاف درجه حرارت داخل و خارج معدن رطوبت خود را کم کم از دست می‌دهد و سبب نمناک شدن سطح دیواره و سقف راهروهای و گالری‌های زیرزمینی و بخصوص سر در تونل‌ها می‌شود و به دنبال آن موجبات سست شدن و برآمدگی و ترک خوردن سنگ‌ها را فراهم می‌آورد که به نوبه خود ریزش‌های کوچک و بزرگی را به همراه دارد.
تغییرات شیمیایی ناشی از هوازدگی نیز در اثر سنگ هایی راکه به اندازه کافی سخت نباشد به حالت نرم در می‌آورد که در این حالت نیز در اثر هرگونه بی توجهی و مسامحه کاری ریزش از سقف تقریباً قطعی است.
9- فشار گاز و آب درچینه ها
گاهی اوقاف در فضاهای خالی بوجود آمده در لابلای طبقات و چینه‌های اطراف و بالای رگه معدنی آب یا گازهای انفجار آمیزی مانند متان شناخته که سبب سست شدن و ریزش دیواره و سقف کارگاه می‌گردد گاز متراکم شده در چنین فضایی ضمن وارد کردن فشار می‌تواند با تصاعد خود خطر را نیز تولید کند و آب موجود هم به سبب ایجاد تغییرات فیزیکی و شیمیایی مانند انجماد و موجب خردشدن و سست شدن سنگ‌ها و در نتیجه بوجود آمدن خطر تخریب و ریزش می‌شود.
