پایداری شیب در معدن

[P O U R I A]

۱- آشنایی با مبحث پایداری شیب در معدن
مقوله پایداری شیب یکی از مهم ترین و حساس ترین زمینه های مهندسی برای طراحان معادن می باشد. انتخاب شیب مناسب برای هر معدن چه از نظر پایداری شیب و یا از نظر اقتصادی مهمترین بخش فرایند معدنکاری را تشکیل می دهد. این حساسیت و اهمیت از آنجا ناشی می شود 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 وکوارتز مخلوط باشد، به این پیچیدگی باید حضور آب را نیز اضافه نمود.
در روش روباز به منظور استخراج ذخیره معدنی از پله استفاده می کنند. پله ها نیز غالبا بطور شیبدار طراحی می شوند چون سنگ خام در حالت شیبدار فشار و نیرو را تحمل می کنند.
مطالعه پایداری شیب در روش روباز به منظور استفاده شیب مناسب و مطمئن صورت می گیرد که باعث کاهش هزینه های 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 وپیش بینی شکست
در مرحله استخراج پایداری شیب این امکان را فراهم خواهد نمود تا انفجاری متعدد و دلخواه به منظور خرد شدن کامل سنگ ها صورت گیرد. از نظر ایمنی، پایداری شیب موجب کنترل بهتر دیواره های معدن،کنترل بهتر آب های سطحی و زیرزمینی و ایجاد دیواره های ایمنی در دیواره نهایی معدن می شود. در شیب های پایدار میزان از دست رفتن مواد معدنی، تجهیزات و پرسنل به حداقل مقدار خود رسیده و لذا از نظر اقتصادی مناسب تر و از بعد ایمنی، ایمن تر 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 می شود. اما افزایش شیب امکان عدم پایداری شیب افزایش می دهد، 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 می شود.
پس باید مطالعات ژئوتکنیکی، زمین شناسی ساختمانی، هیدرولوژی و مکانیک سنگ از معدن انجام پذیرد تا براساس این مطالعات امکان افزایش شیب مواد مورد بررسی دقیق قرارگیرد. براساس این مطالعات همچنین می توان یک منحنی ترسیم نمود که در آن ارتباط بین زاویه شیب و احتمال شکست نشان داده شود.

شکل۱- نمودار که در ان رابطه بین زاویه شیب و احتمال
​

 

[P O U R I A]

۳- روش های تقویت پایداری شیب
به طورکلی سه روش برای تقویت پایداری شیب وجود دارند که عبارتنداز:
الف) تشخیص آبهای سطحی و زیرزمینی و به کارگیری روش های آبکشی
ب) تشخیص خسارات ناشی از انفجار و به کارگیری روش هایی از انفجار که کمترین آسیب را به دیواره معدن برساند
ج) بکارگیری روش های مصنوعی پایداری شیب

۳-۱- هیدرولوژی
آب های سطحی و زیرزمینی از عوامل موثر در ناپایدار سازی شیب ها محسوب می شوند و روداب به داخل طبقات باعث ایجاد فشار آبدار داخل آنها می شود که این فشار مقاومت موثر برشی سنگ را کاهش خواهد داد و نتیجه تحمل پذیری فشار سنگ را کاهش و موجب ناپایداری شیب هایی می شود که بر روی این طبقات ایجاد شده اند. بسیاری از معادن روباز دارای شیبی هستند که از ضریب ایمنی کمی برخودار می باشند لذا کمترین تغییر درخصوصیات طبقاتی که شیب بر روی آنها طراحی شده است می تواند موجب ناپایداری یا شکست شود. بنابراین مطالعه دقیق در مرحله اکتشاف از میزان بارندگی سالانه در منطقه ،شناسایی آب های سطحی و سطح ایستایی آب های زیرزمینی شناسایی نزدیکترین چشمه و رودخانه و خصوصیات فیزیکی طبقات مثل تخلخل و نفوذپذیری در مرحله اکتشاف می تواند کمک موثری در انتخاب روش های آبکشی مانند حفر چال های افقی، چاه گالری یا استفاده از پمپ ها 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 پله ها و شیب موقت ونهایی معدن می باشد. امواج انفجاری می توانند موجب ترک و شکاف و حتی تخریب سنگ ها 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 عبارتنداز:
۱-کاهش میزان خرج به ازای هر پریود.۲-بکارگیری روش شکافی به منظور حفظ دیواره معدن و۳-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 چاشنی های تاخیری نیز می تواند مانع از تداخل امواج و کاهش شدت قدرت امواج نهایتا موجب تقلیل خسارت شود.
در به کارگیری خرج در چال ضمن استفاده از مدل های موجود باید از نتایجی که از هر انفجار بدست می آید 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 تکنیک ها جهت حفظ دیواره معدن می باشد. در روش پیش شکافی هدف ایجاد شکاف بین دیواره و محدوده اصلی انفجار است. بدین منظور یک ردیف چال های 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 می شود فواصل زیاد موجب ناصافی و به جا گذاشتن تکه های درشت سنگ درته چال می شود.
در روش پیش شکافی معمولا از خرج مخصوص و به صورت فشنگی می شود و بین فشنگ و فواصل آن با دیواره چال توسط پودر پر می شود. زون ضربه گیر بین پوشش شکاف’محدوده اصلی انفجار ایجاد می شود 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 می شوند. فاصله چال ها کمتر از فاصله چال های انفجار اصلی ولی زیادتر از فاصله چال های پیش شکافی نیز نخواهد بود.

۳-۳- روش های مصنوعی پایداری سازی
سومین روش که می تواند در تقویت پایداری شیب موثر باشد روش های پایدارسازی است که عملکرد بعضی از این روش ها در مقیاس کوچک دیگر که معمولا هم بطور ترکیبی هستند برای عملیات بزرگ قابل استفاده خواهند بود. این روش ها عبارتنداز:

۳-۳-الف – دیواره سنگی
دراین روش با استفاده از باطله های معدن یا به کمک بتن دیواره هایی در پای شیب یا پله ها ایجاد می کنند 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 می شوند که این تقسیم براساس اندازه مهارسنگی ها است. در نوع کوچک اندازه میله ۲ الی ۳ متر و معمولا به منظور یکپارچه کردن توده سنگ و مسدود کردن شکاف های کم قطر و کم عمق مورد استفاده دارد اما مهار سنگ های کابلی که طول آنها تا ۸۰ متر هم می رسد می تواند موجب تقویت توده سنگ ها 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 می توان 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 می گیرد.

۳-۴-ج – سیمانه
در این روش درون شکاف یا ترک سنگ را توسط ترکیبات شیمایی مختلف سیمان و… مسدود می کنند 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 باشسد اما در مقیاس بزرگ که غالبا این مورد در معادن روباز اتفاق می افتد، روش سیمانه غیر اقتصادی می باشد.

۳-۵-د – سایر روش ها
از روش های دیگر که تحت شرایطی ممکن است مطرح و مورد استفاده قرار گیرند می توان از روش منجمد کردن همانند روشی که معمولا در متدهای تونل زنی جهت جلوگیری از نفوذ آب به داخل تونل انجام می دهند می توان نام برد. همچنین روش الکتروشیمی که به کمک این روش باندهای یونی کانی های مختلف در سنگ را به منظور افزایش پایداری شیب سنگ افزایش می دهند.


۴- عوامل زمین شناسی ساختمانی موثر در پایداری شیب
دوگروه از عوامل زمین شناسی باعث ایجاد ناپایداری و شکست شیب ها می شوند.گروه اول در ساختار توده سنگ موثرند و باعث عدم یکپارچگی سنگ و ایجاد ناپیوستگی و نهایتا تضعیف سنگ می شوند و گروه دوم به عوامل هیدرولوژی مرتبط اند و باعث حضور آب در سنگ و کاهش مقاومت آن می شوند. 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 می توانند موجب ناپایداری شیب سنگ ها شوند. این شرایط در محیط سنگی بیشتر از محیط خاکی مطرح است. در خاک فرض بر این است که مقاومت آن درکلیه جهات یکسان است اما به دلیل امکان وجود زون ضعیف یا سطوح لایه بندی در میان سنگ امکان پیدایش ناپیوستگی ، مقاومت توده سنگ بطور قابل توجهی کاهش پیدا می کند.
بعضا مقاومت ناپیوستگی توده سنگ تا میزان بسیار ناچیز از مقاومت یکپارچه تقلیل می یابد بنابراین بررسی موقعیت سطوح لایه بندی 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 سنگ های نسبتا سفت و سخت قرار دارند که در ذیل ارائه شده است.

 

[P O U R I A]

شکل۲- قرارگیری زون های ضعیف در درون سنگ ها​

۴-۲- تاثیر ناهمواری ناپیوستگی های سنگ در پایداری
وجود ناهمواری در طول سطوح گسل یا درزه باعث تغییر محسوس در مقاومت ناپیوستگی ونوع شکست در آن می شود ، به عبارت دیگر توده سنگی که دارای ناپیوستگی با سطوح ناهموار است ممکن است نوع شکستگی که در آن اتفاق می افتد 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 ناپیوستگی ها متفاوت و بعضا این ناهمواری ها می توانند 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 کانی شناسی 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. همانطور 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 می باشد. اما در اثر جابجایی مقاومت به جا مانده در هر دو حدودا یکسان می باشد. لذا از دست رفتن مقدار قابل توجهی از مقاومت در اثر جابجایی های حتی کوچک در سنگ های 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 شیب های 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
​

 

[P O U R I A]

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 می شویم کیفیت سنگ ها بهتر می شود 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 سنگ ها بشدت خرد شده و از مقاومت بسیار کم برخوردارند. طرفین این زون توسط دانه های بسیار ریز غالبا همجنس و هم اندازه با رس پوشانده می شود، که دو سمت آن را آیینه گسل تشکیل می دهد و بعد از آیینه گسل سنگ های دارای شکستگی و همچنین سنگ های سالم و فاقد شکستگی می باشد. به عبارت دیگر در این مناطق اخیرا انرژی گسل جهت خرد کردن سنگ کافی نبوده و سنگ ها سالم هستند به چنین سکانسی از گسل ،گسل مرکب می گویند.

بطور کلی تاثیر جابجای ناشی از گسل عبارتنداز:

۱- نیروی چسبندگی مواد (C) کاهش پیدا خواهد کرد.
۲- زاویه اصطکاک داخلی (Ø) مواد کاهش پیدا خواهد کرد.
۳- بدلیل کاهش زاویه اصطکاک داخلی (Ø) ،کاهش نیروی چسبندگی (C) ومقاومت برشی (ŧ) نیز کاهش می یابد.
۴- نفوذپذیری افزایش خواهد یافت که نتیجه آن مقاومت برشی مواد کاهش می یابد.
۵- در طول مناطق گسل زده بالاخص نواحی مشرف به مرکز گسل هوازده گی شدید و این امر باعث تضعیف مواد می شود.​

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 می کند. این فشار عمود بر سطح ناپپیوستگی عمل می کند شکل (۵). توزیع یکنواخت درزه ها با فاصله کم باعث پدید آمدن فشار های متعدد آب و کاهش مقاومت سنگ و ناپایداری شیب می شود.
مقدار فشار آب در داخل درزه ها 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) می تواند در تعیین فشار آب و میزان تاثیر آن در پایداری شیب و انتخاب روش در کنترل پایداری موثر باشند.

 

[P O U R I A]

۴-۶- تاثیر ترکیبی از گسل و هیدرولوژی بر پایداری شیب
مناط گسل زده به چند ناحیه تقسیم می شوند، نواحی که دارای نفوذپذیری متفاوتند. متغیر بودن نواحی گسل زده از نظر نفوذپذیری موجب فشار آب متفاوت خواهد شد و لذا گسل می تواند ار نظر هدایت آب نقش متفاوت داشته باشد. برای مثال در ناحیه مرکزی گسل چون سنگ ها بشدت تحت تاثیر انرژی قرار گرفته اند و کاملا خرد شده و همانند ماسه سنگ عمل می کند، فاقد نفوذپذیری است و نمی تواند آب را از خود عبور دهد درحالی که هر قدر به آیینه گسل و زون های ترک دار نزدیک می شویم نفوذپذیری سنگ ها افزایش وهمانند کانال آب عمل می کنند. همانطور که در شکل (۶-الف) نشان داده شده است گسل مانع ورود آب به شیب و دیواره معدن می شود، درحالی که در شکل (۶-ب) گسل موجب هدایت آب از رودخانه ای که درسطح زمین قرار دارد به داخل شیب دیواره معدن می شود و در شکل (۶-ج) گسل همانند کانال آبکشی باعث خارج کردن آب از شیب و دیواره معدن به خارج از معدن شده است.

 

[P O U R I A]

۵ نقش ساختار سنگ در پایداری شیب
در شیب های سنگی، خواص سنگ یکپارچه اهمیت چندانی در پایداری شیب ندارد و شکست توده سنگ توسط عوامل ناپیوستگی مانند سطوح لایه بندی، درزه، شکاف وگسل کنترل می شود. تعداد ناپیوستگی، شیب، امتداد، فاصله ناپیوستگی و مقاومت از عوامل موثری محسوب می شوند که در تحلیل پایداری شیب باید مورد توجه قرارگیرند. برای مثال شیب خشک سنگی از جنس آهک فرض شود که دارای ارتفاع (h) می باشد این شیب دارای صفحه ناپیوستگی با زاویه(β) است شکل(۷).


چنانچه مقاومت فشاری تک محوری سنگ آهک یکپارچه ۲۰۰۰ پی-اس-آی(۲۸۸۰۰۰پوند بر فوت مربع) و زاویه اصطکاک سطح ناپیوستگی(ф) برابر۳۲۰و نیروی چسبندگی آن۲۰۰۰ 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 امکان پذیر می شود و برای محاسبه ارتفاع قائم بحرانی شیب که شکست در آن ارتفاع اتفاق خواهد افتاد می توان از رابطه زیر استفاده کرد.



σC= مقاومت فشاری سنگ اهک یکپارچه
γ = وزن مخصوص سنگ یکپارچه،۱۶۰پوندبرفوت مکعب
با توجه به دتده های موجود ارتفاع بحرانی شیب برابر است با:
CH = ناپیوستگی

 

[P O U R I A]

چنانچه زاویه شیب سطح بزرگتراز 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-زائیه شیب۹۰درجه
CH-ارتفاع بحرانی شیب

و سایر عوامل قبلا تعریف شده اند.با توجه به داده های مسئله و جایگزینی آنها در رابطه (۲) و قرار دادن مقادیر (β) بین ۳۲ تا ۹۰ درجه خطرناک ترین زاویه شیب سطح ناپیوستگی ۶۲ درجه،خواهد بود که در این شیب ارتفاع بحرانی ۹۰ فوت می شود.

بنابراین وجود عواملی چون سطوح لایه بندی،درزه یا گسل می توانند ارتفاع بحرانی شیب را کاهش دهند.این مثال نشان می دهد که نقش ناپیوستگی در توده سنگ به مراتب مهمتر از نقش سنگ یکپارچه است به این جهت می توان بطور قطع بیان داشت که شکست شیب های 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 وعملی درمورد مشکلات پایداری شیب نشان می دهد که عوامل زمین شناسی ساختمانی زیر در پایداری شیب موثرند.

۱-شبی درزه ها،گسلها و سطوح لایه بندی:این پارامترهای مقدار زاویه شیب نقش اساسی در پایداری شیب دارند.​

۲-امتدادناپیوستگی ها: خطرناکترین شرایط وقتی است که امتداد ناپیوستگی به موازات امتداد شیب دامنه باشد در این حالت خود شیب تمایل به جدایش و ریزش دارد.​

۳-تعداد ناپیوستگی ها: رفتارشیب درشرایطی که شیب تنها داذای یک صفحه ناپیوستگی است با هنگامی که دارای سه صفحه ناپیوستگی است متفاوت خواهد بود.درمقایسه حالت اخیر کل توده سنگ جدا و لغزش خواهدکرد، 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.​

۴-میزان گسترش ناپیوستگی ها: در معادنی که گسترش و عمر ناپیوستگی همه ارتفاع شیب را شامل می شود 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.​

۵-خواص موادی که داخل درزه و شکاف ها را پرمی کند: سختی، سفتی و مقاومت مواد پرکننده در مقاومت نا پیوستگی بسیار موثرند همچنین نفوذپذیری ناپیوستگی تابع نفوذپذیری موادپرکننده می باشد.​