چکیده

سیستمهای نگهداری در ابتدا به صورت چوبی طراحی و اجرا میشدند که با گذشت زمان و به دلایل مختلف از جمله تغییر مقاومت چوب در امتدادهای مختلف ، قابلیت جذب و تبخیر آب و در نتیجه انبساط و انقباض جای خود را به قابهای فولادی دادند. امروزه برای طراحی سیستمهای نگهداری این نوع از حفریات زیرزمینی، نیروهای اعمالی در حدی بزرگ میباشند که سیستمهای نگهداری معمول(پروفیلهای فولادی) جوابگوی این نیروها نمی باشند، لذا تصمیم گرفته شد به منظور پایداری این فضاها از سیستمهای نگهداری لتیس استفاده شود. به طور معمول لتیسها به صورت ۳ یا ۴ میله ای طراحی و اجرا میشوند. لتیس ها ترکیبی از آرماتور و بتن می باشند که این ترکیب میتواند نیروهای بزرگتری را کنترل نماید. از مزایای سیستمهای نگهداری بتن مسلح میتوان به بالا بودن مقاومت فشاری، مقاومت در برابر آتش، داشتن عمر زیاد و قرار نگرفتن تحت تاثیر شرایط محیطی اشاره کرد. به منظور طراحی لتیس در ابتدا مقطع تونل معدن پروژه ۵ طبس با استفاده از نرمافزار عددی شبیه سازی شد در ادامه پس از تحلیل نرمافزار و گرفتن خروجی به طراحی لتیس با از نرم افزار PCACOL پرداخته شد. لازم به ذکر است طراحی لتیس براساس آیین نامه آبا صورت پذیرفته است. اصل روشهای تحلیلی عددی تقسیم سازه به قطعات کوچکی به نام المان می-

باشد که رفتار مواد در هر المان ثابت و مشخص در نظر گرفته میشود. ارتباط المانها از طریق گرههای محصور کننده آنها برقرار میشود، و المانها بوسیله این گرههای محصور کننده تعریف میشود.

کلید واژه- سیستم نگهداری، زغالسنگ، لتیس، مدل سازی عددی

-۱ مقدمه

به صورت کلی تونل و گالریهایی که در محیط های ضعیف زغال حفر می شوند، طراحی سیستم نگهداری آنها از جمله چالش های بزرگ پیش روی مهندسان معدن میباشد. چراکه حفر این تونلها، در محیطهای ضعیف سبب تولید و توسعه زون پلاستیک در اطراف تونل می شود که این امر سبب اعمال نیروی بیش از طراحی بر سیستم های نگهداری می شود.
نگهداری سقف در تونلهای معادن زغال سنگ یکی از مهم ترین عملیات معدنکاری زغال سنگ است. ریزش سقف و صدمات ناشی از آن هنوز نیز نقش مهمی در میزان حوادث انواع فضاهای زیرزمینی دارد. ریزش های احتمالی در تونل ها می تواند موجب اختلال در فعالیت حفاری شود.

تبعات منفی ریزش در تونل های اصلی معدن به مراتب بیشتر بوده و ممکن است باعث خسارات هنگفتی شود. طراحی بهینه نگهداری ضمن حفظ جنبه های ایمنی، بایستی هزینه ها را نیز تا حد ممکن کاهش دهد.

در ادامه برای طراحی سیستم نگهداری این نوع از حفریات، نیروهای اعمالی در حدی بزرگ میباشند که سیستم های نگهداری معمول (پروفیلهای فولادی) جوابگوی این نیروها نمیباشد. لذا تصمیم گرفته شد به طراحی سیستم لتیس رو آورده شود. لتیس ها به صورت ۳ یا ۴ میله ای طراحی می شوند . لتیس ها ترکیبی از آرماتور و بتن می باشند که نیروهای بزرگتری را کنترل می کنند.

پس از مدل سازی محیط در برگیرنده تونل، روش حفر آن(روش ناتم) در نرم افزار عددی Phase.2 مدل سازی می شود. در ادامه مقاطع حفاری(گالری ها) با ترتیب در نظر گرفته شده در نرم افزار حفر میشود و نیروهای اعمالی در هر مقطع استخراج میشود. پس از استخراج نیروی محوری و لنگر خمشی و نیروی برشی به طراحی سیستم نگهداری لتیس پرداخته میشود. برای طراحی لتیس از نرم افزار PCACOL استفاده شده است. لازم به ذکر است طراحی لتیس براساس آیین نامه آبا صورت پذیرفته است.

معدن پروژه ۵ طبس در حال حاضر یکی از معادن مهم زغال سنگ در منطقه طبس است. مقاله حاضر ناظر بر اندازه گیری های برجای پارامترهای بارگذاری سقف و تغییر شکل در تونل های معدن

۱

مذکور است. این پارامتر ها متعاقبا در طراحی نگهداری مورد استفاده واقع می شوند.[۶,۱]

-۲ معدن زغال سنگ پروده ۵ طبس

منطقه زغال خیز طبس در شرق ایران مرکزی و در شمال شرقی استان یزد واقع شده است . این منطقه به چندین بخش تحت عناوین پروژه ۱، پروژه ۲ و … تقسیم شده که پروژه ۵ قسمتی از پروژه ۳ بوده و توسط شرکت معدنجو مورد بهره برداری قرار می گیرد. منطقه پروژه ۵ در جنوب شهرستان طبس قرار دارد و توسط یک جاده آسفالته ۸۰ کیلومتری به شهر طبس متصل می شود. شهرستان طبس از طریق جاده آسفالته با شهرهای کرمان، یزد و مشهد ارتباط دارد. شکل ۱ موقعیت منطقه طبس و پروژه را نسبت به شهرهای مجاور نشان می دهد.

این منطقه دارای آب و هوای خشک قاره ای می باشد و اختلاف درجه حرارت در طول سال بیش از ۵۰ درجه است. میزان بارندگی در آن کم و فقط در ماه های دی تا اردیبهشت بطور موقت شاهد بارش می باشیم. منطقه از نظر پوشش گیاهی فقیر است. این فقر بدلیل بارندگی کم و نیز جاری شدن شن های روان در اثر بادهای پراکنده منطقه می باشد.[۲,۱]

شکل :۱ موقعیت جغرافیایی معدن طبس[۷]

-۱-۲ موقعیت معدن و زمین شناسی معدن

منطقه زغال خیز پروژه از رسوبات تریاس فوقانی و ژوراسیک تشکیل شده است که با شیب کمی سکوهای وسیعی را تشکیل داده است. لایه های زغال سنگ در بخش قدیر در سازند نایبند ( تریاس فوقانی) قرار داشته و ضخامت زون اصلی زغال دار حدود ۱۰۰ متر است. لایه های این زون دارای امتداد جنوب شرقی -شمال غربی و شیب جنوب غربی می باشند و لایه های زغالدار حدود ۶/۵ کیلومتر رخنمون دارند. لایه های زغالی این منطقه بوسیله سیستمی از

۲

گسلهای شرقی- غربی دچار جابجایی عمودی شده اند. این جابجایی بندرت به ۵ متر می رسد و در مناطقی نیز جابجایی وجود ندارد یا بصورت شکستگی یا شکاف نمایان می شود. لایه های زغالی ثرًااک دارای شیب کم (۷-۹) هستند، اما لایه ها در حوالی بیرون زدگی ها، حاشیه گسل ها و رخنمون ها پر شیب بوده و شیبی حدود ۲۰-۲۵ درجه دارند. در محدوده معدن می توان به ۵ لایه زغالی اشاره کرد که عبارت از لایه های C2 , C1 , B2 , B 1 وD است. استخراج لایه هایB1,C2 و D بعلت درصد گوگرد بالا مورد توجه نیست و فقط دو لایه B2,C1 استخراج می شوند. ذخیره این دو لایه حدود۱۰/۶ میلیون تن محاسبه شده است. بر اساس نتایج اکتشافات، این لایه ها دارای ضخامت متوسط یک متر و با تغییرات ناچیز بوده و از نظر خواص شیمیایی و مشخصات تکنولوژیکی قابلیت پخت، دارای زغال مناسب است.

-۲-۲ روش استخراج و حفریات معدن

با توجه به توپوگرافی منطقه که شامل نواحی با پستی و بلندی کم می باشد، بهترین راه دستیابی به لایه زغال حفر تونل مایل یا اکلن بوده است. دو اکلن به فاصله ۴۰ متر از هم،تقریبًا در وسط بلوک، با مقطع ذوزنقه حفر شده است. اکلن شرقی دارای شیب متوسط ۱۶ درجه است. این اکلن شامل یک سیستم وینچ و واگن است که برای جابجایی باطله از آن استفاده می شود. اکلن غربی دارای شیب ثابت ۱۶ درجه است. این اکلن شامل دو سیستم ترابری یعنی وینچ – واگن

æ نوار نقاله می باشد. از نوار نقاله برای جابجایی زغال و از وینچ – واگن برای تدارکات رسانی استفاده می شود.
معدن چه در قسمت غرب و چه در قسمت شرق به طبقات مساویحدودًا ۱۰۰ متری تقسیم شده است. قسمت شرقی معدن در حال حاضر دارای ۶ تونل دنبال لایه با مقطع نعل اسبی است. تونل ۱ شرقی پس از استخراج زغال اکنون متروکه است. تونل ۲ شرقی در حال استفاده بوده و در انتهای آن بازیافت قاب های نگهداری و تخریب سقف در جریان است. کار احداث و نگهداری تونل ۳ شرقی نیز به پایان رسیده و تونل ۵ و ۶ شرقی در حال پیشروی هستند. در قسمت غرب معدن نیز ۶ تونل امتداد لایه وجود دارد که تونل ۱ غربی متروکه

æ تونل های ۲ و ۳ غربی نیز در حال بازیافت سیستم نگهداری است. حفاری تونل ۴ غربی به پایان رسیده و در حال استفاده می باشد. تونلهای ۵ و ۶ غربی نیز در حال پیشروی می باشند.

تونل های شرقی و غربی در هر طبقه بوسیله یک تونل رابط که در کمر بالای اکلن ها حفر شده با هم مرتبط اند و سیستم حمل و نقل درون تونل های امتداد لایه، لوکوموتیو برقی می باشد. بنابراین نیاز به محلی برای شارژ باطری ها وجود دارد که در ابتدای تونل ها و

نزدیک اکلن ها حفر شده اند. این بخش از تونل ها طولی کوتاه اما سطح مقطع بزرگی دارند و از نظر سطح مقطع بزرگترین فضای معدنی موجود می باشند. [۷]

برای نگهداری فضای آماده سازیعمومًا از دو نوع سیستم نگهداری استفاده می شود : قاب نعل اسبی و تیر و ستون فولادی با مقطع ذوزنقه. تونل های امتداد لایه و قسمتی از اکلن از نوع نگهداری نعل اسبی و محل شارژ، اکلن ها، دویل های تهویه، دوریله ها ( پارکینگ ) و پذیرگاه ها از نوع نگهداری تیر و ستون با مقطع ذوزنقه اما با ابعاد متفاوت می باشند. البته در ابتدای شروع بکار معدن، مقداری از تونل ۱ شرقی با تیر و ستون های نگهداری شده است.

برای نگهداری کارگاه ها از ستون های چوبی استفاده می شود. این ستون ها در یک شبکه مربعی به فاصله یک متر از هم قرار می گیرند. برای نگهداری تونل های امتداد لایه پس از استخراج زغال در ابتدا از لنگه های زغالی استفاده می شد، اما اکنون بجای لنگه های زغالی از جرزهای چوبی استفاده می شود. در مناطق گسلی که فشار وارده زیاد است جرزهای چوبی بجای ستون های منفرد بکار می روند.

با توجه به شیب و ضخامت لایه، استخراج با روش جبهه کار بلند دستی انجام می شود. فاصله طبقاتحدودًا ۱۰۰ متر است، بنابراین کارگاه ها نیز حدود ۱۰۰ متر طول دارند. طول برش ها حدود یک متر است لذا تصمیم گرفته شد طراحی سیستم نگهداری برای یک متر باشد. شروع استخراج به این گونه است که از تونل پایینی دویلی به ارتفاع زغال و عرض حدود یک متر در طول طبقه به تونل تهویه آن طبقه حفر شده و از این دویل دو کارگاه به صورت پیشرو و پسرو یا فقط یک کارگاه پیشرو یا پسرو شروع به کندن زغال می کند.[۴,۳]

-۳-۲ تخمین پارامترهای ژئومکانیکی سنگ های دربرگیرنده تونل

بر اساس تحلیل پایداری سقف و سینه کار تونل و با توجه به میانگین RMR به دست آمده در جدول زیر که ۴۰ می باشد، مشخص میشود که توده سنگ، مطابق نظر بنیاوسکی در رده سنگهای سست قرار میگیرد. اما با توجه به RMR بحرانی که ۳۲ است، زمان خود ایستایی متوسط برای تونل مورد نظر ۸۰ دقیقه است. از اینرو سیستم نگهداری اولیه، پیچ سنگ به همراه شاتکریت در سقف و استفاده از قاب های فولادی میتواند مفید باشد. در زیر جدول پارامترهای ژئومکانیکی سنگ های دربرگیرنده تونل نمایش داده شده است.

۳

جدول :۱ برخی پارامترهای ژئومکانیکی سنگ های دربرگیرنده تونل[۱۰]

شیب تونل ها باعث به وجود آوردن شرایط مختلفی از لایه ها در سینه کار در کل طول مسیر تونل می شود. از آنجائیکه تونل ها دنبال لایه میباشند، لایه های زغال سنگ به طور ترکیبی در میان دیگر لایه ها قرار گرفته است و در بعضی مقاطع باعث به وجود آمدن لایه های سخت و نرم در کنار یکدیگر می شود به عنوان مثال قرار گرفتن ماسه سنگ در مجاورت لایه های زغال سنگ و شیل، شرایط مختلطی در سینه کار ایجاد می کند. در ادامه حالت های مختلف سینه کار مختلط در مقاطع مختلف نمایش داده شده است. لازم بذکر است در این مقاله تنها حالت ((ب)) تحلیل شده است.

شکل : ۲ حالت های مختلف سینه کار مختلط در مقاطع مختلف[۷,۶]

-۴-۲ مدل سازی عددی تونل

اصل روشهای تحلیلی عددی تقسیم سازه به قطعات کوچکی به نام المان میباشد که رفتار مواد در هر المان ثابت و مشخص در نظر گرفته میشود. ارتباط المانها از طریق گرههای محصور کننده آنها برقرار میشود، و المانها بوسیله این گرههای محصور کننده تعریف می-شود. قابل ذکر است که گرهها به هم متصل نیستند لذا ۱۰۰ گره می-تواند در یک نقطه تعریف شود؛ همچنین در المانها اضلاع بیمعنی هستند وگرهها تعیین کننده هستند. در روشهای عددی تبدیل یک محیط با بینهایت درجه آزادی به محیطی با درجه آزادی محدود در تعداد معینی از نقاط محیط مدنظر میباشد. جابجایی ناشی از یک سیستم بارگذاری خاص بر روی مدل مدنظر فقط از طریق تنش ها و گرهها بدست می آید. در تمام این روشها المانهای متنوعی وجود دارد و یک مدل متشکل از یک یا چند نوع المان خواهد بود.[۵]

– مراحل موجود برای استفاده از روشهای عددی: -۱ طراحی مدل -۲ تهیه اطلاعات ورودی و وارد کردن آن ها

-۳ انتخاب روش های تحلیل مناسب بر اساس رفتار واقعی -۴ تعبیر و تفسیر نتایج

منظور از طراحی مشخص کردن رفتار سازه و مواد تشکیل دهنده، مشخصات هندسی فضای مورد نظر و احتمالاً سیستم نگهداری آن است. بر این اساس باید مدل عددی مناسب با این شرایط طراحی گردد. در این مدل باید مشخصات هندسی، خواص مکانیکی ماده،

شرایط مرزی، شرایط بارگذاری نوع و نحوه اعمال سیستم نگهداری مشخص گردیده، نیز باید سازه مورد نظر به نحو خوبی به المان ها و زیربخش ها تقسیم شود.

انواع روشهای تحلیل عددی از نظر محیط مورد تحلیل: -۱ مدلسازی در محیط پیوسته -۲ مدلسازی در محیط ناپیوسته -۳ مدلسازی ترکیبی

– روشهای تحلیل محیطهای پیوسته عبارتند از: -۱روش المانهای محدود
Finite Element Method( FEM)

-۲ روش تفاضل محدود
Finite Difference Method( FDM)

-۳روشالمانمرزی
Boundary Element Method(BEM)

به طور گسترده در تحلیل محیطهای پیوسته مورد استفاده قرار میگیرند.

روش عددی مورد بحث، روش اجزای محدود بوده که از نرم افزار Phase2 استفاده شده است. این روش در اکثر محاسبات مهندسی ازجمله مکانیک جامدات، مکانیک سیالات، ساختمان، عمران و معدن به کار گرفته میشود، وعموماً هر پدیده طبیعی که با یک معادله دیفرانسیل پوشش داده میشود میتواند با این روش مدل شود و توسط حساب دیفرانسیل فرموله شود. امکان تحلیل سازههای بزرگ با حداقل زمان و دقت فراوان و جامع بودن نتایج حاصل، از مزایای بسیار مهم کاربرد این روش است. از دلایل دیگر لزوم استفاده از روش اجزای محدود و محبوبیت این روش، عمومیت کاربرد آن در تحلیل تنشها و تغییر شکلها در سازههای گوناگون در رشتههای مختلف مهندسی است. این موضوع در رابطه با تحلیل سازههای جدید که دارای پیچیدگی و ظرافتهای خاص خود هستند نیز صادق است. در این روش کل سازه به شبکههای کوچکتری تقسیم میشود، به نحوی که هر المان از نظر مشخصات رفتاری در یک ناحیه خاص قرار میگیرد. این المانها در نقاط گرهی به هم متصل هستند. هر المان توسط گره-های اطراف خود تعریف شده و ارتباط بین آنها از طریق گرههای مشترک بوده و باید مشخصات هندسه سازهای و رفتاری هر المان تعریف شود. جابجاییها در گرهها محاسبه میشوند. جابجایی هر نقطه

۴

داخل المان بستگی به جابجایی گرهها با یک سری فرضیات خاص دارد.

این نرم افزار قادر است تا ۴۰ حالت مختلف از ترکیب سیستمهای نگهداری را به عنوان المانهای سازهای مورد استفاده قرار داده و تلاش های داخلی هر کدام از انواع سیستمهای نگهداری بکار گرفته شده را به تفکیک و در هر مرحله از حفاری و یا بارگذاری محاسبه نماید. بنابراین با همین ترکیب سیستمهای نگهداری، نیروها و لنگر خمشی داخلی در لتیس پوشیده در شاتکریت استخراج شد.

شکل : ۳ مدل سازی عددی تونل مورد تحلیل

زمانی که در تحلیل پایداری از روش الاستو پلاستیک استفاده میشود مقدار ثابتهای باقیمانده (Residual Values) معیار شکست هوک و بروان mr) و(sr می باید در مدلسازی عددی مورد استفاده قرار گیرند. لازم به ذکر است که برای برآورد این ضرایب از سیستم طبقه بندی توده سنگ GSI استفاده میشود. خود GSI نیز براساس RMR محاسبه شده است . زمانی که توده سنگ مورد حفاری قرار گرفته و میدان تنش اولیه برهم میخورد مقداری شکستگی مضاعف در توده سنگ ایجاد میشود. به همین دلیل به چنین توده سنگی که دارای مقاومت کمتری نسبت به حالت اولیه خود است، لقب آشفته داده میشود. بنابراین مقدار GSI کاهش خواهد یافت و پیرو آن مقادیر m و s نیز کاهش خواهند یافت. در مورد مقدار کاهش GSI بحثها و نظرات مختلفی وجود دارد که هم اکنون نیز تحقیق در این مورد ادامه دارد. اما آخرین پژوهش و مدل ارائه شده در این مورد توسط کایی و همکاران (Cai, et al ., 2007) انجام شده است. مدل ارائه شده توسط آنها به شرح زیر میباشد.[۸]

GSIr  GSI.e۰٫۰۱۳۴GSI

mr  mi exp( GSIr ۱۰۰) ۲۸

sr  exp( GSIr ۱۰۰) ۹

(eGSIr 15  e۲۰۳ ) ۱ a  ۰٫۵ 

۶ r

لازم به توضیح است که در انتخاب روش تحلیل محیط پیوسته و یا ناپیوسته از مقایسه ابعاد و تعداد ناپیوستگی با ابعاد سازه استفاده میشود. اگر تعداد ناپیوستگیها زیاد و یا ابعاد و فاصلهداری آنها اندک باشد، از تحلیل محیط پیوسته و البته با پارامترهای ژئومکانیکی کاهش یافته استفاده میشود.[۴]

-۵-۲ نتایج تحلیل پایداری مدل عددی

پس از شبیه سازی هندسی تونل، تنشهای برجا در مدل ایجاد شد. به منظور محاسبه نشست حاصل از حفر تونل، جابجایی ناشی از تنشهای اولیه در مدل صفر شد. میزان فاصله مرزها از جداره تونل بایستی به حدی باشد که هیچ گونه اغتشاشی از تنشهای برجا در جدارهها رؤیت نگردد. به همین منظور شکل تنشها برجا پس از حفر تونل مورد ملاحظه قرار گرفته است. بعد از شبیه سازی مدل عددی، در پایان ساخت تونل روند افزایشی در تنش ها مشاهده شده است. بطور کلی با افزایش عمق، خروجیهای نرم افزار روند افزایشی در تنش ها را نشان می دهد که روندی منطقی است. در تغییرات تنش قائم و افقی مشاهده می شود. در ادامه تغییرات نشست و تنش نشان داده شده است. [۸]

۵

شکل : ۴ خروجی کنتورهای نشست قائم در تونل

شکل : ۵ خروجی کنتورهای نشست افقی در تونل

شکل : ۶ خروجی کنتورهای نتش قائم در تونل

-۶-۲ نتایج طراحی سیستم نگهداری تونل

اجرای تونلها مهمترین خطری که در بر دارد، گونهای ول شدن و یا تنش زدایی در زمینهای بالای قسمت حفاری شده است که ممکن است موجب ریزش شده و قسمتهای حفاری شده را پر کند، بنابراین اجرای تونل نیازمند روشها و تکنیکهای خاصی میباشد. این تحلیل

ها با فرض رفتار همگن توده سنگ در یک محیط پیوسته انجام میگردد. پوشش اولیه که میتواند متشکل از یک یا چند لایه شاتکریت، مش، پیچسنگ، لتیس وقاب فلزی و یا ترکیبی از آنها باشد،