مدل سازی جزء محدود توزیع و مشکلات تنش استخراج جبهه کار طولانی چند برشی در بنگلادش، با رجوع خاص به معدن زغال سنگ باراپوکوریا

مدل سازی جزء محدود توزیع و مشکلات تنش استخراج جبهه کار طولانی چند برشی در بنگلادش، با رجوع خاص به معدن زغال سنگ باراپوکوریا – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه زمین شناسی – منابع طبیعی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه 20 الی 100% رایگان مقالات ترجمه شده

1- قابلیت مطالعه رایگان 20 الی 100 درصدی مقالات 2- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر 3 فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی -- تذکر: برای استفاده گسترده تر کاربران گرامی از مقالات آماده ترجمه شده، قیمت خرید این مقالات بسیار کمتر از قیمت سفارش ترجمه می باشد.  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر -- مقالات آماده سفارش داده شده عرفا در زمان اندک یا حداکثر ظرف مدت چند ساعت به ایمیل شما ارسال خواهند شد. در صورت نیاز فوری از طریق اس ام اس اطلاع دهید.

مدل سازی جزء محدود توزیع و مشکلات تنش استخراج جبهه کار طولانی چند برشی در بنگلادش، با رجوع خاص به معدن زغال سنگ باراپوکوریا

ژورنال بین المللی زمین شناسی معدن زغال سنگ

لابراتوار زمین ساخت، دپارتمان فیزیک و علوم زمین، دانشگاه ریکاس، اوکی ناوا، ژاپن

بخش زمین شناسی، شرکت معدن زغال سنگ باراپوکوریا، بنگلادش

الزویر

2009

چکیده

این مقاله در ارتباط با عملیات استخراج معدن در یک حوزه آبخیز بزرگ در شمال غرب بنگلادش می باشد و ارائه دهنده یک مطالعه موردی در این ارتباط در منطقه باراپوکوریا[1] است. این مطالعه از آنالیزهای عددی جهت ارزیابی توزیع مجدد تنش، شکست / گسیختگی لایه ها و افزایش ریزش درونی آب، بعنوان برآیندی از عملیات استخراج زغال سنگ، استفاده می نماید. یک مجموع متشکل از سه مدل (A، B و C) در این مطالعه ارائه شده است. مدل سازی عددی دو بعدی جهت آنالیز رفتار دفرمه شدگی / تغییر شکل و شکست اجزای سنگی برای دو مدل مختلف (A و B) انجام شد. برای مدل A ، ما از یک بسته نرم افزاری جزء محدود الاستیک / کشسان استفاده نمودیم که در آن معیار شکست مور – کلن[2] مورد بررسی قرار می گیرد. برای مدل B، ما از روش جزء مرزی (BEM) استفاده نمودیم. دو مدل اولی جهت مشخص نمودن الگوهای تنش بکار گرفته شدند. مدل A فراهم آورنده الگوی تنش تکتونیک / زمین ساخت این حوزه آبگیر می باشد، در حالی که مدل B معرف میدان تنش بوجود آمده بواسطه فرآیند استخراج معدن می باشد. مدل سوم یک مدل شماتیک یا قیاسی به حساب می آید. نتایج مدل A نشان دهنده آن هستند که شکست کششی اجزای صخره ای بر روی سلسله معادن زغال سنگ گندوانا[3] و همچنین در داخل گسل حدی شرقی (EBF) و نواحی پیرامونی آن متمرکز می باشد. بروز شکست در بخش میانی تا پایینی این مدل رخ  داده و بزرگی تنش کششی در بخش کم عمق بسیار بیشتر از بخش عمیق تر می باشد. بزرگی خطوط  تراز  در ارتباط با خمش رو به بالای روباره می باشد، که سبب ایجاد شکاف ها / شکستگی های انتشار یافته به سوی بالا می شود. نتایج مدل B نشان دهنده آن هستند که انتشار شکستگی برای استخراج تک برشی (به ارتفاع 3 متر) در حدود 240 متر بسمت بالا می باشد. از خطوط تراز میانگین بزرگی های تنش، این مورد مشاهده می شود که محدوده زیاد انتشار شکستگی، برای استخراج چند برشی زغال سنگ، به سمت بالا افزایش یافته است. از ارتفاع این شکستگی این مورد مشخص می شود که مقادیر زیادی از فرو ریختگی بواسطه استخراج چند برشی زغال سنگ، در جهت سطح فوقانی / آسمانه بوجود آمده که مرتبط با سازند آب خیز Dupi Tila  می باشد. در صورت بروز، خطر جریان یابی درونی عمده آب به داخل معدن وجود خواهد داشت.

کلمات کلیدی: روش جزء محدود، جابجایی افقی، میدان تنش تکتونیک / زمین ساختی، روش جزء مرزی، میدان تنش ایجاد شده بواسطه استخراج معدن / کان کنی، ریزش درونی آب

1- مقدمه

در خلال دو دهه گذشته، یکسری از مطالعات جهت مشخص نمودن تاثیرات محیطی استخراج زغال سنگ با روش جبهه کار طولانی، شامل تاثیرات جدی بر روی نواحی آب خیز، فرو نشینی زمین، و ویژگی های هیدرولیک لایه های معدنی انجام شده اند. این مطالعات معرف آن هستند که تاثیرات استخراج جبهه کار طولانی نه تنها بواسطه زهکشی آب زیر زمینی به سمت پانل های معدنی بشمار آمده بلکه این تاثیرات بواسطه تغییرات در رژیم تنش روباره ها نیز مد نظر می باشند. این گونه از خطرات مرتبط با آب های زیرزمینی موجب بروز ریسکی در زمینه ایمنی استخراج می شود که بعنوان یک نگرانی مشترک برای کارگران معدن و محققین بشمار می آید. بررسی شکست لایه های ناشی از استخراج معدن و پارامترهای هیدرولیک این لایه ها به منظور پیش بینی و محافظت از جریان یابی داخلی آب به معادن زغال سنگ بسیار مهم  می باشد (Hill و Price، 1983؛ Booth، 1986؛ Kim و همکاران، 1997؛ Zhang و Shen، 2004).

معدن زغال سنگ باراپوکوریا (شکل 1) بعنوان اولین معدن زغال سنگ زیر زمینی در بنگلادش محسوب می شود. آینده این معدن زیر زمینی حوزه زغال سنگ Khalaspir، Phulbari، Dighipara و Nawabgonj، (به جزئیات مندرج در Islam و Hayashi، 2008الف رجوع شود) منوط به عملیات توام با موفقیت معدن باراپوکوریا می باشد چرا که این حوزه معدنی دارای ویژگی های جغرافیایی، تکتونیک و ساختاری مشابهی است. در مقایسه با حوزه های معدن زغال سنگ گندوانا دیگر در شبه قاره هندوستان، حوزه های بنگلادش بواسطه تشکیلات تراوایی خود از مشخصه های استثنایی برخوردار می باشند. منطقه گندوانا در حوزه باراپوکوریا، همراه با حوزه های دیگر تحت عنوان «آبخیزهای بزرگ[4]» مشخص می شوند (Islam و Kamruzzaman، 2006) که تحت عنوان سازند Dupi Tila خوانده می شوند. این منطقه یک مخزن زیر زمینی حاصل خیز می باشد که در نواحی بزرگی از بنگلادش گسترده یافته است. توصیف این حوزه ها بر حسب گسل های معمولی با زاویه بسیار زیاد، درزه های X – شکل و شکستگی هایی قابل توجه مد نظر می باشد. در طی یک بررسی لرزه ای انجام شده بوسیله مشاورین معدن Wardell Armstrong در انگلستان، در حدود 37 گسل تشخیص داده شد. در زمان توسعه تونل (2001-2004)، گسل های بسیاری با تروی 1 الی 3 متر مشاهده شد. شدت شکستگی در داخل لایه های سنگی گندوانا در محدوده ای از 7 الی 10 متر را شامل می شود، در حالی که درزه ها در محدوده ای از 1 الی 3 متر می باشند. بنابراین، بخش گندوانا را می توان بطور مستقیم یا غیر مستقیم، با توجه به رگه ها / رگه ها، گسل ها و شکستگی های مختلف، در ارتباط آبخوان Dupi Tila دانست (Islam و Islam، 2005؛ Islam و Hayashi، 2008الف). بعلاوه، پنجره بازی در موقعیت حد انتهایی شمالی معدن جاری قرار گرفته است (Islam، 2005).

جهت مشخص نمودن این اهداف، دو نوع مدل برمبنای تاثیرات ترکیبی پارامترهای الاستیکی مکانیکی – سنگ مدنظر قرار گرفته اند. مدل A  معرف  تنش های  اصلی از منابع تکتونیک می باشد، در حالی که مدل B منطبق با میدان تنش القاء شده ناشی از کاوش معدن از منابع روباره ای و منابع گرانشی می باشد. وضعیت تنش در بخش پوسته ممکن است بواسطه دو منبع اصلی بوجود آید: (1) منبع گرانشی و (2) منبع دارای مقیاس گسترده تکتونیک. در مورد منبع گرانشی / جاذبه ای، فشار ایجاد شده بوسیله وزن لایه های سطحی متناسب با چگالی سنگ های سطحی می باشد. منبع دارای مقیاس گسترده حاوی نیروهای مرزی  صفحه ای  می باشد که خود حاصل آمده از فرآیندهای ژئودینامیک / زمین پویایی در قشر زمین است. تنش های دارای مقیاس گسترده تکتونیک از یکنواختی فضایی و کنترل گسلش ناحیه ای و دفرمه شدگی / تغییر شکل قشری برخوردار می باشند (Zoback و Zoback، 1980؛ Liu و Zoback، 1992؛ Zoback، 1992). در مورد نوع باراپوکوریا حوزه نیم فروزمین، این مورد فرض می شود که هر دوی تنش ها کاملا موثر می باشند. برای مدل A بانک اطلاعاتی ما حاوی یک سطح مقطع زمین شناختی E–W در امتداد حوزه باراپوکوریا، ویژگی های فیزیکی صخره ای می باشد. برای مدل B، ما از نرم افزار Examine2D (www.rocscience.com) جهت حصول میدان تنش القاء شده بواسطه عملیات استخراج معدن در ارتباط با حفاری تک برشی و چند برشی معدن استفاده نمودیم.

2- وضعیت زمین شناختی

زمین شناسی ناحیه آبخیز معدن زغال سنگ باراپوکوریا با جزئیات آن بوسیله Islam و Hayashi (2008الف) توصیف شده است. مختصری از رئوس مطالب مربوط به زمین شناختی این ناحیه در اینجا ارائه می شود. پلیت (ورقه / صفحه) هندوستان، پلیت اروپا آسیایی و زیر پلیت برمه ای از سه ناحیه تکتونیک اصلی (شکل 1) در بنگلادش: (1) یک ناحیه جناحی در غرب تحت عنوان سپر و سکوی Dinajpur ، (2) یک ناحیه حوزه آبخیز عمیق تر در وسط حوزه بنگال، و (3) کمربند چین خوردگی Chittagong–Tripura در حد نهایی شرقی (Khan، 1991؛ Khan و Chouhan، 1996؛ Alam و همکاران، 2003). حوزه آبخیز معدن زغال سنگ باراپوکوریا در ناحیه سپر Dinajpur  (شکل 1) بنگلادش قرار دارد و دور آن را پیش گودال هیمالیا به سمت شمال، سپر / سکوی شیلونگ به سمت شرق و سپر شبه جزیره هندوستان به سمت غرب احاطه کرده است (Wardell Armstrong، 1991؛ Khan، 1991؛ Bakr و همکاران، 1996، Islam و Islam، 2005؛ Islam و Hayashi، 2008الف).

با توجه به توالی و تطابق سنگ های لایه ای چهار ویژگی را می توان بر مبنای سن و ویژگی های سنگ شناسی مشخص ساخت (Wardell Armstrong، 1991):

• Madhupur clay

• Dupi Tila (حوزه آبخوان بزرگ در بنگلادش)

• گندوانا (لایه زغال سنگ خیز)

• پی سنگ آرکاین پرکامبرین

آبخیز باراپوکوریا (شکل 2) حوزه مستقل، نیم فرو زمین کنترل شده حوزه رسوبی گندوانا (دوره پرمیان) از نظر سن می باشد. این حوزه بصورت نامتقارن بوده و از نوعی ضخامت یافتگی به سمت گسل کرانه ای شرقی (EBF)، فرورفتگی بسمت غرب در جهت خط تقاطع NNW–SSE، موازی با حوزه برخوردار است. این گسل ها بعنوان گسل های معمولی شناخته می شوند که یک ویژگی نوعی مرتبط با تکتونیک های (ریفت / کافت) کششی می باشد. توسعه نیم فرو زمین در ارتباط با کشش  E–Wبوده که بعنوان یک مورد شایع در صخره های قاره ای مربوط به دوره کرتاسه هندوستان بشمار می آید. در بخش شمال غرب بنگلادش، ویژگی های گسترش قشری و توسعه این حوزه بطور گسترده ای مستند سازی شده است و ممکن است آنها خود حاصل آمده از چندین حالت دفرمه شدگی / تغییر شکل گسسته باشند. گسل Fa به نظر دارای کنترل بر روی توسعه ویژگی های نیم فرو زمینی و بر روی غالب دیگر گسل ها در داخل این حوزه  می باشد. مجموع 37 گسل بین حوزه ای در تحقیقات لرزه ای شناسایی شده اند. این گسل های داخل حوزه ای با تروهای بیش از 10 متر به خوبی مشخص شده و عمدتا فراتر از سطح 250 متری توزیع گردیده اند. بطور کلی گسل های درون حوزه ای Fb، Fc، Fe، Ff، Fg، Fh، Fi و Fj در یک حالت توام رخ داده که غالب آنها به سمت ESE شیب یافته اند (Wardell Armstrong، 1991؛ Bakr و همکاران، 1996؛ Islam و Hayashi، 2008الف).

3- بانک اطلاعات و روش شناسی

3-1. بانک اطلاعات

کلیه داده های ضرروی برای مدل A، شامل سطح مقطع زمین شناختی، ساختار تکتونیک، داده های ژئوتکنیکی و توالی های مربوط به تطابق سنگ های لایه ای از مطالعات Wardell Armstrong (1991)، Bakr و همکاران، (1996) و Islam و Hayashi (2008الف) به دست آمد. طرح استخراج معدن برای مدل B با اجازه شرکت استخراج معدن زغال سنگ باراپوکوریا حاصل شد. بررسی شماتیک حفاری بر مبنای تجارت اولیه عملی نویسندگان در طی سالیان 2001 الی 2004 در این معدن حاصل آمد.

3-2. روش شناسی

ما از روش جزء محدود عددی برای تحلیل مشکلات ناشی از تنش در لایه سنگی استفاده نمودیم. مدلA  بر مبنای روش جزء محدود (FE)، برنامه نرم افزاری، توسعه یافته بوسیله Hayashi (2008) ایجاد شد. مدل B نیز بر مبنای روش جزء / المان مرزی (BEM) حاصل آمد که در آن از بسته نرم افزاری Examine2D (www.rocscience.com) استفاده شد. مدل A در بخش های 4 و 5 توصیف شده است، در حال که مدل B در بخش 6 این مقاله ارائه گردیده است.

4- مدل A  و قیدهای مربوطه

حالت تنش در بخش پوسته را می توان بصورت محلی از داده های چاه گمانه که به عمق چندین صد متر حفر شده اند حاصل آورد. در مورد حوزه باراپوکوریا، این نوع از این داده های تنش در دسترس نیستند. مشاورین شرکت کان کنی Mining Consultants Wardell Armstrong در انگلستان اقدام به جمع آوری برخی از نمونه های درونی در طی حفر چاه گمانه نموده و برخی از تست های آزمایشگاهی نیز جهت تعیین نمودن تنش در سنگ ها انجام شدند. جهت گیری های تنش های حداکثری () تقریبا بین N35°E و N45°E بوده اند، در حالی که برای تنش های حداقلی () این جهت گیری های تقریبا بین N55°W و N45°W Wardell Armstrong مشخص شدند (Wardell Armstrong،1991).

4-1. هندسه

یک مدل جزء محدود دو بعدی بطور ابتدا به ساکن بر مبنای سطح مقطع زمین شناختی ایجاد شد (شکل 3ج Wardell Armstrong، 1991). ویژگی های اصلی تکتونیک و موقعیت پروفایل AA^/ در شکل 2 نشان داده شده است. سطح مقطع عمودی به سمت حوزه نیم فرو زمین بوسیله یک مش جزء محدود متشکل از یک ترکیب 1350 جزء مثلثی و 736 گره تحت شرایط کرنش سطحی ارائه شده است. مدل ساده شده (شکل 4الف) تا 2000 m گسترش یافته و حاوی 650 m قشر ضخیم قاره ای بوده است. این مدل شامل 4 لایه است که در بین آنها EBF معرف گسل مرزی از قبل موجود می باشد که به سمت ناحیه انتهایی در عمق حدودا 550 متر گسترش می یابد. سه لایه دیگر مترادف با واحدهای قشری منفرد بر مبنای گوناگونی های چگالی و پارامترهای مکانیکی سنگ می باشد.

4-2. شرایط مرزی

نیم فرو زمین ها از نقطه نظر ویژگی بوسیله گسل های نرمال سطحی دارای زاویه بالا کران دار می باشند، با این حال، گسل های گسترشی یا انبساطی زاویه پست در غالب این حوزه ها مشترک هستند. گسلش مقیاس بزرگ بر روی قشر قوی و شکننده بالایی تاثیرگذار می باشد (Bott، 1997)، قضیه اصلی مرتبط با این موضوع بدین صورت مطرح می شود که یک لایه الاستیک گسترش یافته در ابتدا بر روی یک گسل طبیعی با شکست روبرو می گردد، که سبب می شود که لایه مربوطه با یک شیب تقریبا 60 درجه در تطابق با تئوری آندرسن (1951) در ارتباط با گسلش طبیعی دچار بریدگی یا از هم گسیختگی شود. لغزش در امتداد این گسل سبب خمیدگی لایه های مجاور سنگ شده تا آنکه یک گسل جدید شکل پذیرد، که در آن تنش های لیفی ایجاد شده بوسیله خمش جزء در بیشترین حالت انبساطی خود می باشد (Melosh و Williams، 1989). در یک حالت کلی، برای حوزه باراپوکوریا نوع نیم فرو زمین، همانگونه که در شکل 3الف نشان داده شده است، جابجایی در مرکز گسل در بیشترین حد خود بوده و در نواحی راس گسل به صفر می رسد. این جابجایی یک سطح افقی بطور ابتدا به ساکن که بر روی گسل مربوطه برهمکنش دارد در خود گسل به بیشترین حد خواهد بود و با فاصله از گسل کاهش می یابد (شکل 3ب). چنین موردی سبب ایجاد فرو نشستگی توده سنگی به بالا و همچنین فرو نشستگی جداره های توده سنگی روی یک ساختار زمین شناسی شده و مورد دومی سبب ایجاد حوزه رسوبی می گردد (Gibson و همکاران، 1989؛ Contreras و همکاران، 1997). ساختار حوزه باراپوکوریا در شکل 3ج نشان داده شده است. این مورد مشهود است که هندسه این حوزه آبخیز تحت تاثیر انتشار گسل سبب حصول حداکثر جابجایی بر روی گسل مرزی Fa  شده است. گسل  Fa  سبب از هم گسیختن کلیه لایه ها (Dupi Tila، گندوانا و پی سنگ) با یک شیب تقریبا 70 الی 75 درجه و تروی 200 m می شود و سبب تطبیق حدودا 61 m جابجایی افقی می گردد (شکل 3د).

4-3. خواص مواد

ما مدل خود را به چهار لایه تقسیم نمودیم که معرف سلسله مراتب مربوطه از بالا (دوره کواترنری) تا پایین دوره پی سنگ پرکامبرین) می باشند. لایه های سنگ تا 650 متری به نظر دارای نوعی ماده کشسان / الاستیک می باشند. پنج پارامتر مکانیکی سنگ برای لایه های منفرد سنگ، شامل چگالی، نسبت پواسون، مدول یانگ و زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی، بکار گرفته شده در آزمایشات در جدول 1 لیست شده و در شکل 4ج نشان داده شده اند (Wardell Armstrong ، 1991). مقادیر میانگین چگالی لایه های مختلف سنگ از محدوده 2100 kg/m³ الی 2750 kg/m³ متغیر می باشند. مقادیر نسبت پواسون در این مدل در محدود از 21/0 الی 33/0 می باشند. مدول یانگ نیز در محدوده بین 900 الی 3500 MPa در تطابق با لایه های سنگی است.

5- نتایج مدل

تنها یک مجموعه منفرد از شرایط مرزی بکار گرفته شد. سناریوهای این مدل سازی می بایست قابلیت ارائه یک ناحیه تحت تاثیر گسل ضعیف مکانیکی، یک لایه نسبتا قوی و یک لایه سنگی قوی بواسطه تاثیر جابجایی کششی را داشته باشد. نتایج این مدل به شرح ذیل ارائه می گردد: (1) جهت گیری های توزیع تنش و بزرگی / مقادیر تنش های اصلی، و (2) مجاورت شکست اجزا. جابجایی های کششی 40 m، 50 m و 60 m. این نتایج در این مدل سازی بکار گرفته شده اند.

5-1. توزیع تنش

توزیع فضایی جهت گیری های تنش و بزرگی در شکل 5الف و ب نشان داده شده است، که در آن s₁ حداکثر تنش کششی و s₃ حداقل تنش تراکمی است. شرایط جابجایی مرزی انتخاب شده در این سناریو موکد یک جهت گیری کلی s₁ افقی می باشد. تنش ها در این مدل از نظر جهت بسیار یکنواخت تر بوده و بازتاب دهنده ویژگی های کششی افقی می باشند. در مجاورت این مدل، مخصوصا خط تماس بین سازند پی سنگ و گندوانا ، برخی از جهت گیری های مجدد میدان تنش بواسطه تماس نزدیک لایه صخره ای ضعیف (سازند گندوانا) با لایه قوی تر (کمپلکس پی سنگ) رخ می دهند.

5-2. مجاورت با شکست اجزا

ما نسبت به بررسی تغییر شکل لایه سنگی برمبنای مجاورت با شکست اجزا با توجه به معیار شکست مور – کلن همانگونه که بوسیله Melosh و Williams (1989)، Talukder و Hayashi (2006)، Islam و Hayashi (2007)، Islam و Hayashi (2008ب) بکارگرفته شده است، اقدام نمودیم. برای جابجایی گره ای افقی 40 m، نتایج شبیه سازی شده (شکل 6الف) مترادف با شکست اجزاء  می باشد که غالبا در داخل یک ناحیه از قبل تعریف شده EBF رخ می دهد. هیچگونه شواهدی برای شکست اجزاء در داخل سازند گندوانای زغال سنگ خیز و لایه های پی سنگ نمی باشد. نتایج تجربی همچنین نشان دهنده آن هستند که شکست اجزاء بطور قابل توجهی با جابجایی گره ای متغیر تغییر خواهد داشت. بطور مثال، در مورد جابجایی 50 m،  برخی از اجزاء در قسمت انتهای سمت  راست  رسوبات  گندوانا  با  شکست مواجه  می شوند (شکل 6ب). ما نتایج منطقی را برای جابجایی 60 m یافته ایم، که در آن غالب شکست اجزاء در داخل سازند گندوانا زغال خیز تمرکز داشته است (شکل 6ج). بنابراین، با توجه به آنکه این جابجایی بطور پیوسته ای افزایش می یابد، ناحیه شکست از پایین به بالا گسترش خواهد یافت. شکست اجزاء از لایه زغال سنگ خیز به سمت بخش میانی این مدل انتشار یافته و نهایتا به سمت پایین در جهت لایه آبخیز گسترش می یابد.

6- مدل B  و قیدهای مربوطه

به هنگامی که یک دهانه زیر زمینی (به طرح شکل 7 رجوع شود) در یک توده سنگی تحت تنش حفاری می شود، تنش ها در مجاورت این منفذ / دهانه جدید مجددا توزیع می شوند. بر این مبنا لازم است تا چندین فرض را در نظر بگیریم که مهمترین آنها کاربرد یک «برش» معدنی می باشد. این برش های معدنی برای هدف این مدل بکار گرفته شده و معرف الگوی تنش حاصل بواسطه کان کنی پس از حفاری حقیقی معدن می باشند. ما مدل B را مدنظر قرار می دهیم که در آن تنش در سنگ اطراف یک تونل مستطیلی افقی همانگونه که در شکل 8 نشان داده شده است  بوجود  خواهد آمد.  ما  تصویر شماتیکی  1101  وجه معدن را  ارائه  می نماییم که صرفا بعنوان یک مثال مرتبط با توزیع تنش پس از حفاری تک برشی و چند برشی معدن زغال سنگ مدنظر می باشد. ضخامت بیش از حد این مدل در حدود 290 m بوده و پارامترهای تحمیلی مکانیکی سنگ نیز در جدول 2 نشان داده شده است.

6-1. نتایج مدل

نتایج مدل سازی برمبنای پنج پارامتر تجربی مشخص می شوند که شامل تنش تراکمی حداکثری s₁،  تنش تراکمی حداقلی s₃،  میانگین تنش،  تنش انحرافی و بردار تغییر شکل می باشد. نتایج این پارامترها در شکل های 9 و 10 نشان داده شده اند. خطوط تراز مقادیر تنش تراکمی حداکثری s₁ و تنش تراکمی حداقلی s₃ در شکل های 9الف – ب و 10الف – ب به ترتیب نشان داده شده اند. این موارد معرف آن هستند که توزیع مجدد تنش ها در لایه نزدیک به ناحیه حفاری، در فاصله از مرکز حفاری، متمرکز می باشند. میانگین تنش و خطوط تراز تنش انحرافی برای حفاری های تک برشی و چند برشی در شکل های 9ج – د و 10ج – د به ترتیب نشان داده شده اند.

7- مباحث

7-1. روش های استخراج معدن

در حدود 70 الی 80% رگه های ضخیم زغال سنگ بوسیله روش های استخراج زیر زمینی بدست می آیند. دو روش استخراج، تحت عناوین جبهه کار طولانی و روش اتاق و پایه غالبا جهت استخراج زغال سنگ در سطح جهانی استفاده می شوند. هر دوی این روش ها جهت استخراج بسترهای نسبتا مسطح زغال سنگ (یا رگ های زغال سنگ) کاملا مناسب می باشند. اصل کلی روش جبهه کار طولانی ساده است. یک رگه انتخاب شده و در داخل یک پانل جاسازی می شود و بر این مبنا از طریق حفاری راه های عبور در اطراف محیط پیرامونی آن برخی از ویژگی های سنجشی از نظر پهنا، طول و بلندی مشخص می گردند. فرآیند استخراج از طریق کان کنی به روش جبهه کار طولانی تقریبا بعنوان یک عملیات پیوسته و متوالی بشمار می آید که شامل کاربرد حفاظ های هیدرولیک خود متحرک، یک ماشین برش پیچیده زغال و یک نوار نقاله تقویت شده بصورت موازی با نمای زغال می باشد. در مقابل، عملیات روش اتاق و پایه شامل توالی ها یا ترتیب های کان کنی مرحله به مرحله و سیکلیک / گردشی می باشد. اتاق ها بعنوان نواحی خالی بشمار می آیند که در آنها زغال سنگ استخراج شده و ستون ها نیز بعنوان بلوک های زغال سنگ محسوب می شوند. روش دیگر، تحت عنوان LTCC، بطور موفقیت آمیزی از اواسط دهه 1980 در کشور چین اعمال شده است (Xie و Zhou، 2008). این مورد بعنوان روشی محسوب می شود که در برخی از کشورهای دیگر نظیر استرالیا و ترکیه نیز استفاده شده است. تولید رگه های ضخیم با استفاده از این روش بسیار ساده تر در مقایسه با استخراج برشی بوده و به ویژگی ها و ادوات ساده تری نیاز است، در نتیجه کارایی تولید بطور معنی داری بالاتر خواهد بود. برای رگه های ضخیم، فرآیند استخراج چند برشی جبهه کار طولانی از راحتی کمتری برخوردار بوده و همچنین از نظر هزینه نیز ناکارامدتر بوده و به نیروی کار بیشتری در مقایسه با مدل (LTCC) نیاز است (Xie و همکاران، 1999؛ Yasitli و Unver، 2005؛ Unver و Yasitli، 2006؛ Yasitli و Ozfirat، 2008).

7-2. محیط های ژئولوژیکی (زمین شناختی) و هیدروژئولوژیکی (آب – زمین شناختی)

در حوزه آبخیز باراپوکوریا، با وجود آنکه رگه ششم نسبتا بصورت مسطح و گسترده می باشد، مشکل اصلی آن است که کل این حوزه تحت تاثیر گسل ها و شکستگی های فراوانی قرار دارد. همانگونه که در بالا تشریح شد، این حوزه  بعنوان ناحیه نیم فرو زمینی درون کراتونی بشمار می آید که متقاطع با گسل های معمولی شده است. سازند باراپوکوریا دوره پرمین زغال خیز گندوانا تشکیل دهنده یک گودال ناودیسی می باشد که در زیر سازند Dupi Tila Plio–Pleistocene  قرار گرفته که بعنوان سازند آب خیز بر روی سطح رگه زغال سنگ با قابلیت استخراج مد نظر می باشد. دو گسل کششی (شکل 2)، Fa و Fb، بعنوان عوامل کنترل کننده اصلی برای رسوخ آب در داخل معدن هستند (Wardell Armstrong، 1991). رسوبات Dupi Tila متشکل از ماسه ها و سنگ ریزه ها با یکپارچگی ضعیف یا بدون تراکم با نفوذ پذیری در محدود 81/4 mD تا 558 mD می باشند. نفوذ پذیری در منطقه گندوانا در مقایسه با حوزه آبخیز فوقانی Dupi Tila به میزان قابل توجهی کمتر است (67/3 mD الی 75 mD). رگه های بالایی زغال سنگ دارای نفوذ پذیری بین 8/9 mD و 8/137 mD می باشند چرا که این رگه ها نسبتا نرم بوده و به میزان متغیری دارای پیوستگی هیدرولیکی  با حوزه  Dupi Tila  بالایی می باشند. رگه ششم دارای نفوذ پذیری در محدوده از 13 mD الی 119 mD است (Wardell Armstrong ،1991؛ Islam و Hayashi، 2008الف).  

7-3. مدل A: تاثیر مجاورت بر روی شکست اجزا و تنش های برشی

چندین عامل اصلی، نظیر فشار یا تنش مواد سربار، فشار آب، ساختارهای زمین شناسی و پارامترهای مربوط به کنترل جریان یابی آب در معادن مدنظر هستند (Zhang ، 2005). ساختارهای زمین شناسی، مخصوصا گسل ها، نقش مهمی را در هجوم آب بازی می نمایند. بیش از 163 جبهه کار طولانی در شمال چین (Zhang ، 2005) وجود دارند که تحت تاثیر هجوم آب های اصلی، مرتبط با گسل ها، می باشند. مقاومت سنگ در ناحیه گسل بسیار کمتر از مقاومت سنگ های معمولی است. بنابراین، سنگ های موجود در نواحی گسل خیز به راحتی دچار شکست شده و این پدیده موجب ایجاد نواحی دارای گسیختگی بیشتر خواهد شد. شکست کششی اجزاء در مدل ما متمرکز در داخل حوزه EBF و در حول و حوش ناحیه گسل خیز Dupi Tila بوده است، که نهایتا به انتهای سازند آبخیز Dupi Tila می رسد (شکل 6ج). مجاورت شکست اجزاء معرف وجود نواحی دارای مقاومت پایین در داخل حوزه معدنی و همچنین وجود گسل های متفاوت، ساختارهای مختلف و رگه هایی می باشد که این نواحی را به یکدیگر متصل نموده اند. بنابراین، چنین مدلی معرف سازگاری بسیار خوبی با ویژگی دفرمه شدگی ساختاری حوزه زغال سنگ می باشد. نتایج شبیه سازی ما معرف یک پتانسیل جریان یابی آب بطور خطرناک در معادن زیر زمینی می باشد چرا که اجزای دچار شکست شده موجود در زیر سازند Dupi Tila معرف آن هستند که برخی از نواحی دچار شکستگی یا گسلش ممکن است سبب کاهش فاصله بین جبهه معدن و ناحیه آبخیز شوند (شکل 6ج و DOB#9). به هنگامی که نواحی دارای شکستگی و گسل دچار نفوذ پذیری گردند و نهایتا به حوزه آبخیز برسند، چنین موردی سبب به جریان افتادن آب خواهد شد، آن هم به هنگامی که گسل ها و شکستگی ها به واسطه استخراج هویدا شده باشند. جریان در بخش فوقانی حوزه آبخیز Dupi Tila را می توان بوسیله رسانایی هیدرولیکی نسبتا کوچک تری کنترل کرد که شامل نفوذ پذیری حوزه آبخیز گندوانا و آبخیز نیمه تراوای Dupi Tila، همانگونه که در بخش 7-2 ذکر شده است، نیز می باشد.

7-4. مدل B: توزیع تنش لایه های سربار / روباره

مدل B را می توان جهت پاسخ دادن به این سوال مورد استفاده قرار داد که انتشارهای نسبی شکستگی به سمت سقف / آسمانه چگونه است و آیا این مورد سبب بروز مشکل در مبحث استخراج معدن خواهد شد. این مدل تاثیر الگوی تنش های حاصله آمده بواسطه کان کنی پس از استخراج تک برشی و چند برشی متعدد را نشان می دهد. بزرگی و توزیع تنش های تراکمی حداقلی، s₃، و میانگین خطوط تراز تنش (شکل های 9 و 10) مشخص کننده آن است که شکستگی زیاد لایه های سربار / روباره بیش از 240 متر به سمت بالا گسترش می یابند. فرآیند تغییر شکل که در ناحیه سقف و کف رخ می دهد از نقطه نظر محاسباتی بسیار بیشتر از این فرآیند در جداره ها است. الگوی تنش انحرافی معرف میزان انتشار ناحیه شکستگی همراه با فرو نشستگی لایه ها می باشد. بردار دفرمه شدگی معرف آن است که سازند آبخیز Dupi Tila در معرض خطر متقاطع شدگی بوسیله شکستگی هایی می باشد که از ناحیه سقف معدن گسترش می یابند.

7-5. مدل C: مقاومت لایه های سنگی

نتایج تحلیل های عددی به نظر قابل قیاس با مدل C می باشند. این مدل برمبنای ضریب مقاومت سنگ به منظور درک مقدار شکستگی های بوجود آمده بواسطه فرآیند استخراج زیر زمینی می باشد. ضریب مقاومت از مطالعات معادن زغال سنگ انگلستان بدست آمده است. میزان مقاومت سنگ لایه های باراپوکوریا گندوانا ضعیف تا متوسط است (Wardell Armstrong، 1991). میزان ارتفاع نواحی دارای شکستگی به ترتیب در حدود 22 متر برای لایه های دارای مقاومت ضعیف و 37 متر برای لایه های دارای مقاومت متوسط ، برای ضخامت پانل 5/3 متری (شکل 12الف)، بوده است. در صورتی که استخراج چند برشی (شش برش) مدنظر باشد، بلندی پانل در حدود 21 متر خواهد بود. در این حالت، بلندی نواحی فرو ریختگی / شکستگی در حدود 132 m برای لایه دارای مقاومت ضعیف و 222 m برای لایه دارای مقاومت سطح متوسط، بواسطه فرو نشستگی متوالی سقف لایه های سربار، می باشد. این نتیجه در توافق خوبی با نتایج مدل شبیه سازی ما می باشد، که در آن مدل A معرف شکست کششی اجزاء در محدوده بین عمق 130 الی 520 متر است (شکل 6ج)، و مدل B معرف آن است که محدوده موثر انتشار بردار انحرافی و تغییر شکل به میزان بیش از 240 m به سمت بالا می باشد (شکل های 9ج-د و 10ج-د).

7-6. تاثیرات محیطی

فرآیند استخراج با روش جبهه کار طولانی در برخی از مواقع بعنوان یک مورد معضل یا مورد غیر مفید برای محیط زیست مدنظر است چرا که این فرآیند سبب می شود تا زمین قرار گرفته در بالای معدن دچار فرو ریزی شود. در حال حاضر، فرو نشستگی ها در مقیاس بالای زمین ها در روستای Kalupara، جنوب- جنوب شرق معدن باراپوکوریا، بواسطه استخراج یک بخش به بلندی 3 متر پانل 1101، رخ داده است (شکل 7). توجه شود که برخی از بخش های روستای Kalupara عینا فراتر از پانل 1101 قرار گرفته اند که در آن استخراج زغال سنگ قبلا در سال 2006 تکمیل شده بود. پانل 1101 دارای طول حدودا 900 متر است. در حال حاضر، پانل 1103 که بصورت موازی و دقیقا شرق پانل 1101 است تحت بررسی جهت استخراج می باشد. در صورتی که در آینده بخش های متعدد (در حدود ضخامت 18 متر) استخراج شود، می توان به میزان مساوی مبحث فرو نشستگی را انتظار داشت. در نهایت، این تاثیر متضاد ممکن است بر روی بسترهای آب زیر زمینی و ساختارهای سطحی تاثیر گذار باشد و سبب فرسایش خاک گردد.

8- نتیجه گیری

این مقاله ارائه دهنده یک مطالعه موردی در خصوص مشکلات حقیقی مواجه شده در معدن زغال سنگ زیر زمینی باراپوکوریا می باشد. ویژگی های دفرمه شدگی / تغییر شکل و شکست بوسیله تحلیل عدد مورد بررسی قرار گرفتند. مدل A نشان داد که یک ناحیه کشش وجود دارد که خود حاصل آمده از کشش افقی در داخل سازند زغال خیز گندوانا و در حول و حوش EBF می باشد. چنین موردی در توافق با مشاهدات میدانی ثبت شده Wardell Armstrong (1991) است. مدل B سبب افزایش اطمینان در ارائه تفاسیر ما در خصوص تاثیر انتشار شکستگی بعنوان تابع توالی استخراج معدن شده است. مطالعه جاری این فرضیه را پشتیبانی می نماید که توزیع مجدد تنش در حول و حوش پانل استخراج معدن زغال سنگ احتمالا به میزان کفایت تغییر یافته و چنین تغییری سبب  بروز دفرمه شدگی در بین ساختارهای اصلی زمین شناختی همانند گسل ها و شکاف ها شده است. خطوط تراز خمشی رو به بالای مربوط به الگوی تنش انحرافی ممکن است سبب تشکیل یک ناحیه مخرب و ایجاد مسیرهای جریان ترجیحی برای عبور آب در پانل حفاری شود. یکی از مشاهدات مقیاس بزرگ فرو نشستگی نزدیک روستای Kalupara نیز معرف آن است که جریان عمودی زیر زمینی نزدیک به ناحیه صدمه دیدگی ارتقاء یافته و منجر به فوران سفره های آب زیرین گردیده است. بنابراین منطقی می باشد که این نتیجه گیری حاصل شود که فرآیند استخراج چند برشی جبهه کار طولانی در بنگلادش مشکل می باشد. مشکلات اصلی در ارتباط با ریزش داخلی جریان آب، صدمه دیدگی به سفره های آب زیرزمینی و تخریب میزان زیادی از سرزمین های کشاورزی با قابلیت بهره وری بسیار بالا می باشد. بسترهای متانی زغال سنگ (CBM) را می توان بعنوان یک کاربرد جایگزین برای منابع زغال سنگ کنونی بحساب آورد.

[1] باراپوکوریا

[2] Mohr– Coulomb

[3] Gondwana

[4] mega-aquifer