نشریه شماره ۶۵۶

پیشرفت و توسعه چشمگیر در عرصه علوم کامپیوتر موجب شده که روش‌های عددی در تمامی علوم مهندسی کاربرد گسترده‌ای پیدا کند. در طراحی مسایل و پروژه‌های مهندسی معدن به ویژه در طراحی‌های ژئومکانیکی معادن با توجه به افزایش عمق، شیب و ارتفاع در سازه‌های معدنی روباز و زیرزمینی نیاز به کاربرد ابزار تحلیل و طراحی پیشرفته‌تری احساس می‌شود. در همین راستا استفاده از مدل‌سازی‌های عددی در تحلیل و طراحی ژئومکانیکی معادن دنیا نسبت به گذشته گسترش و مقبولیت زیادی بین مهندسان پیدا کرده است. مدل‌سازی‌های عددی به عنوان یک ابزار کارآمد در تحلیل و طراحی مسایل مختلف در معادن مورد استفاده قرار می‌گیرند. اگر داده‌های زمین‌شناسی و ژئومکانیکی مناسبی از مناطق مورد مطالعه در اختیار باشد، با استفاده از مدل‌سازی‌های عددی می‌توان پیش‌بینی‌های جامعی از مکانیزم‌های ناپایداری محتمل و میزان تغییر شکل‌های حاصل از عملیات معدن‌کاری کرده و میزان پایداری و ضرایب ایمنی و عملکرد سیستم نگهداری را ارزیابی کرد. اگر داده‌های کافی وجود نداشته باشد، مدل‌سازی‌های عددی را می‌توان برای انجام تحلیل‌های پارامتری برای درك هر چه بهتر رفتارهای ممکن در شرایط مختلف بارگذاری و خواص ژئومکانیکی به کار گرفت. درك جامع از رفتارهای ممکن و پارامترهای تاثیرگذار اصلی در یک سازه معدنی کمک زیادی برای ادامه روند اجرا و حتی هدایت مسیر مطالعات مورد نیاز برای آن حفریه می‌کند.در نشریه شماره ۶۵۶ مدل‌سازی عددی و موارد کاربردی آن از نقطه نظر عملی و اجرایی در مسایل ژئومکانیکی معادن بررسی شده و پارامترهای مورد نیاز و روند کلی برای انجام یک مدل‌سازی عددی قابل قبول در تحلیل و طراحی مسایل ژئومکانیکی معدنی تشریح شده است.

معرفی روش‌های طراحی ژئومکانیکی معادن

برای طراحی‌های مهندسی از دیدگاه ژئومکانیکی ابزار یا سیستم‌های طراحی متعددی وجود دارد که آنها را می‌توان به چهار دسته کلی شامل روش‌های تجربی و طبقه‌بندی‌های مهندسی، روش‌های تحلیلی و حل دقیق، روش‌های مشاهده‌ای و قضاوت مهندسی و روش‌های عددی تقسیم‌بندی کرد.

روش‌های تجربی
روش‌های تحلیلی و حل بسته
روش‌های مشاهده‌ای
روش‌های عددی

ویژگی مسایل ژئومکانیکی در طراحی معدن

تحلیل مسایل ژئومکانیکی معادن با توجه به عدم قطعیت‌ها در داده‌های ورودی و به طور کلی قرار داشتن در گروه مسایل داده محدود، جزو نواحی دوم و چهارم تقسیم‌بندی می‌شوند. با افزایش عمق معادن روباز، افزایش سطح تنش، پیچیدگی هندسه دیواره‌ها و اندرکنش آن با عوارض زمین‌شناسی، میزان درك فیزیکی از مسایل ژئومکانیکی معادن کم می‌شود. در مورد حفریات زیرزمینی با افزایش عمق، عدم قطعیت‌های موجود در تعیین جهت تنش‌ها و توزیع تنش‌های القایی، هندسه پیچیده و اندرکنش‌های متعدد، میزان درك از مکانیزم رفتاری مسایل ژئومکانیکی معادن زیرزمینی نیز کم می‌شود. با این تفاسیر بسته به پیچیدگی مساله بعضی از مسایل ژئومکانیکی معدن در ناحیه چهارم قرار می‌گیرند. در مورد حل مسایل ژئومکانیکی معدنی با استفاده از روش‌های طراحی مهندسی با توجه به کمبود داده‌ها و در بعضی مسایل با درك فیزیکی کم، نمی‌توان چندان به روش‌های حل دقیق اطمینان کرد. روش‌های تجربی و مهندسی در مسایل ساده و تکرار شده‌ای قابل اجرا هستند که شرایط مرزی ساده داشته باشند. در نقطه مقابل، با استفاده از روش ابزار عددی، در صورتی که درك مناسبی از مساله وجود داشته باشد می‌‌توان با تحلیل‌های پارامتری و تغییر داده‌ها و تحلیل نتایج، ضعف کمبود داده این مسایل را به نوعی حل و تصویر فیزیکی (کیفی و کمی) بهتری از مساله ارایه کرد.

مقایسه روش‌های عددی در توانایی‌ها و قابلیت‌های تحلیل

عمده‌ترین تفاوت بین روش‌ها، پیوسته و ناپیوسته بودن مدل و روش حل معادلات است. یکی دیگر از تفاوت‌های مهم در بین روش‌های عددی پرکاربرد، نحوه تقسیم محیط در برگیرنده به اجزا یا المان‌های کوچکتر است. انتخاب روش پیوسته یا ناپیوسته به بسیاری از فاکتورهای خاص مساله وابسته است، اما معمولاً بر اساس مقیاس مساله و هندسه سیستم درزه‌ها و ناپیوستگی‌ها و فاصله‌داری آنها تعیین می‌شود. روش پیوسته برای توده سنگ بدون درزه و شکستگی یا با تعداد درزه‌های بسیار زیاد (در نظر گرفتن محیط و خواص معادل) به کار می‌رود. روش‌های ناپیوسته برای توده سنگ‌های درزه‌دار قابل استفاده است.

انتخاب روش عددی و نرم افزار مربوطه

در بسیاری از مسایل چندین روش و نرم افزار متناظر ممکن است برای تحلیل، مناسب تشخیص داده شود. تصمیم‌گیری در مورد انتخاب بین آنها معمولاً بر اساس میزان تجربه و آشنایی طراح با روش‌های عددی و نرم افزار است. به عنوان مثال در طراحی یک تونل در محیط سنگی بدون ناپیوستگی‌های شاخص که فرض پیوسته بودن منطقی است، روش‌های پیوسته و نرم‌افزارهای متناظر آنها مانند FLAC ،Plaxis ،۲ Phase و Abaqus قابل استفاده است که بسته به آشنایی طراح با هر یک از این نرم افزارها طراحی انجام می‌شود. مدل‌سازی شرایط واقعی زمین بسیار مشکل است زیرا در مورد شرایط زیرسطحی توده در برگیرنده شامل خواص مواد و توزیع عوارض ساختاری عدم قطعیت‌های فراوانی وجود دارد. در مدل‌سازی مسایل به ویژه مسایل ژئومکانیکی معادن با داده‌های محدود، نیاز به ساده سازی‌هایی در روند مدل‌سازی است. ساده سازی‌ها در مدل واقعی، حالت‌های مختلفی دارند که مهمترین آنها شامل موارد زیر هستند.

مدل‌سازی شرایط سه بعدی مساله با فرضیات دو بعدی (کرنش صفحه‌ای، تقارن محوری و تنش صفحه‌ای)
مدل‌سازی محیط ناپیوسته به صورت محیط معادل پیوسته یا محیط پیوسته با عوارض ساختاری اصلی
استفاده از شرایط تقارن در مدل و یا مدل‌سازی در مقاطع دو بعدی مختلف برای تفسیر شرایط سه بعدی
ساده سازی در روند مدل‌سازی اجرای پروژه و شرایط زمین

شناخت خصوصیات ژئومکانیکی

تخمین قابل قبولی از ویژگی‌های تغییر شکل‌پذیری و مقاومتی توده سنگ برای هر نوع روش تحلیلی که در طراحی معادن مورد استفاده قرار می‌گیرد باید انجام گیرد. استفاده از رده بندی‌های شاخص مانند GSI در مقایسه با دیگر معیارهای رده بندی مهندسی، به دلیل الگوی ساختاری مناسب و پارامترهای اندازه‌گیری صحرایی ساده، برای تخمین خواص توده سنگ کاربرد بیشتری دارد. به عنوان مثال نرم افزار Roclab برای محاسبه خواص مقاومتی و تغییر شکل‌پذیری توده سنگ بر اساس معیار هوك و براون و رده بندی GSI پایه‌گذاری شده است. یکی از نکات مهم دیگر در برآورد خواص، در نظر گرفتن تاثیر مقیاس و شرایط زمین‌شناسی است. ناپایداری‌ها به طور کلی ممکن است در خود توده سنگ یا در امتداد ناپیوستگی‌ها رخ دهند.

تحلیل دینامیکی سازه‌های زیرزمینی معدنی

تمام فرآیندهای استخراج و حفاری در سنگ، ارتعاش و لرزش‌هایی را به زمین و سازه‌های مجاور وارد می‌کنند. لرزش‌های عمده ناشی از چالزنی و انفجار است، در صورتی که در اثر حرکت ماشین آلات و حفاری آنها لرزش‌های با بزرگای کمتر رخ می‌دهد. بررسی عملکرد این لرزش‌ها بر محیط اطراف و سازه‌های مجاور اهمیت بالایی دارد. به منظور ارزیابی تاثیرات بارهای دینامیکی در معادن زیرزمینی، عموماً پارامترهای زیر مورد بررسی قرار می‌گیرند.

جابه‌جایی و تغییر شکل ایجاد شده در حفریات در اثر بار دینامیکی
اندازه‌گیری واکنش محیط در برگیرنده و سازه‌های مجاور و سیستم‌های نگهداری موجود در اثر لرزش‌ها
تعریف مقادیر مجاز ارتعاش براي جلوگیری از آسیب‌های احتمالی

فهرست مطالب نشریه شماره ۶۵۶

نشریه شماره ۶۵۶ شامل ۶ فصل است که در فصل ۲ روش‌های عددی پرکاربرد در عرصه معدن‌کاری و ژئومکانیک معرفی شده و مختصری در رابطه با هر روش، مزایا و محدودیت‌های آنها بیان شده است. به طور کلی اهداف اصلی مدل‌سازی عددي در مهندسی سنگ و معدن‌کاري را می‌توان به دو دسته کلی تحلیل‌های کمی و کیفی تقسیم‌بندی کرد.

در فصل ۴ دستورالعمل انتخاب و انجام یک مدل‌سازی عددی مناسب ارایه شده است. مدل عددی نباید تنها به عنوان یک پردازنده منفعل در نظر گرفته شود به طوری که تنها یک سری داده ورودی گرفته و از طرف دیگر خروجی‌هایی از رفتار سیستم ارایه کند. مدل عددی هر مساله ژئومکانیکی باید به دقت و با علم کامل به الگوریتم نرم افزار و روش عددی متناظر آن ساخته شود و همچنین برای درك کلی مکانیزم حاکم بر رفتار مساله مدل‌های متعددی اجرا شود.

فصل ۶ به منظور ارزیابی مکانیزم شکست و پیش بینی ریسک‌های ژئومکانیکی، مدل‌سازی عددی در مطالعات امکان‌سنجی و طراحی حفریات زیرزمینی معدنی استفاده می‌شود.