ارزیابی نقش استراتیگرافی در رفتار سنگ سقف در کارگاه های استخراج ذغال سنگ ـ مطالعاتموری : معادن Newstan در استرالیا و لایهP۱۰معادن طرزه

دسته زمین شناسی مهندسی
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری هشتمین همایش سالانه انجمن زمین شناسی ایران
نویسنده ترابی, سیدرحمان
تاريخ برگزاری ۰۹ مهر ۱۳۸۴

متن اصلی:
     دسته بندی سقف ها به کمک روش های تجربی تعیین قابلیت تخریب سنگ سقف
روش ها تجربی متعددی برای مطالعه رفتار سنگ سقف پیشنهاد شده است که در بیشتر آن ها استراتیگرافی بخش های فوقانی کارگاه استخراج مورد توجه قرار گرفته است. از جمله این روش ها عبارتند از : استفاده از طبقه بندی بر اساس جنس و ضخامت لایه های تشکیل دهنده سقف موسوم به روش peng, طبقه بندی کیفی سقف با روش Proyavkin و کاربرد شاخص N ]2[.
دسته بندی بر اساس جنس و ضخامت طبقات سقف بلاواسطه به روش peng
در این نوع از دسته بندی , سقف های بلاواسطه بر اساس لیتولوژی و ضخامت طبقات به سه دسته ناپایدار , نیمه پایدار و پایدار تقسیم می شوند. سقف بلاواسطه بر اساس تعریف peng عبارت است از بخش از چینه های بلافاصله بالای لایه زغال که با پیشروی وسایل نگهداری ریزش کرده و به فضای استخراج شده می ریزد]5[.
در نوع ناپایدار ,سقف از دیدگاه لیتولوژیک ممکن است شیل کربونیزه نرم و ضعیف یا شیل ماسه ای درزه دار یا شکسته و یا تناوبی از آن ها باشد. در این شرایط معمولاً اگر بلافاصله پس از گرفتن زغال , سیستم نگهداری در زیر این سقف نصب نشود, طبقات از هم جدا شده و ریزش می کنند. این نوع سقف بلاواسطه در قسمت عقب کارگاه پس از پیشروی سیستم نگهداری یا بازیابی سیستم نگهداری ,بلافاصله ریزش می کند و در این قسمت هیچ گونه طره ای باقی نمی ماند و ابعاد قطعات خرد شده نسبتاً کوچک است.
در نوع نیمه پایدار , طبقات تشکیل دهنده سقف بلاواسطه ممکن است از جنس شیل سخت , شیل ماسه ای و یا ماسه سنگ ضعیف باشند. درزه ها و ترک های پراکنده در سقف وجود دارند و تحت شرایط عادی امکان آن وجود دارد که بدون نصب وسیله نگهداری بتوان یک برش کامل یا یک سیکل زغال را گرفت و سپس سیستم نگهداری را به جلو انتقال داد و معمولاً سقف در قسمت پشت در زمان کوتاهی پس از پیشروی سیستم نگهداری , تخریب می شود. در این حالت مواد تخریب شده دارای ابعاد بزرگتری نسبت به حالت قبل هستند. در صورت انتخاب نامناسب سیستم نگهداری یا بالا رفتن رطوبت , یک سقف نیمه پایدار می تواند به یک سقف ناپایدار تبدیل شود.
در مورد سقف پایدار سه حالت قابل تمیز است: پایدار نوع یک که در آن سقف بلاواسطه از جنس شیل ماسه ای مستحکم یا ماسه سنگ ضخیم می باشد و در قسمت عقب به حالت طره در آمده و قطعات شکسته شده دارای ابعاد نسبتاً بزرگ هستند؛ پایدار نوع دوم که در آن سقف بلاواسطه از جنس ماسه سنگ یا کنگلومرای سخت و ضخیم می باشد منطقه استخراج شده می تواند فضاهای وسیعی را که در آن سقف به صورت معلق باقی مانده ایجاد کند و پایدار نوع سوم که در این مورد , سقف از جنس سنگ آهک یا ماسه سنگ سخت بوده ولی دارای درزه ها و شکستگی هایی است که علیرغم سختی و استحکام به نحو مطلوبی عمل کرده و باعث پایین آمدن تدریجی سقف در قسمت های استخراج شده می گردد. شکل1 یک سقف بلاواسطه نیمه پایدار را در یک کارگاه استخراج جبهه کار بلند به صورت شماتیک نشان می دهد.


شکل 1-تصویر شماتیک یک سقف بلا واسطه نیمه پایدار در یک کارگاه استخراج زغال سنگ


دسته بندی سقف بر اساس لیتولوژی به روش Proyavkin
این روش دسته بندی که یک روش کیفی است, توسط نامبرده و همکارانش برای شرایط معدن زغال ناحیه Donetz واقع در کشور شوروی ارائه شده است. در این روش, سقف ها باتوجه به ویژگی های لیتولوژیک به 26 دسته تقسیم می شوند.اولین دسته نشان دهنده سقفی است که بلافاصله پس از پیشروی استخراج ریزش کرده و به راحتی تخریب می شود و آخرین دسته معرف محکمترین سقف است که در قسمت عقب کارگاه (ناحیه تخریب) تشکیل طره داده و می تواند فضاهای وسیع با سقف معلق را تشکیل دهد. شکل 2 نشان دهنده 26 دسته وضعیت سقف بر اساس انواع ترکیبات چینه شناسی طبقات فوقانی می باشد]3[.


شکل 2-دسته بندی سقف بر اساس استراتیگرافی به روش PROYAVKIN


دسته بندی بر اساس شاخص N
در شرایطی که استراتیگرافی سقف نشان می دهد که بخش بلافاصله بالای لایه زغال با ارتفاع تا حدود چند برابر ضخامت زغال متشکل از لایه های نازک با قابلیت جداشوندگی و ریزش زیاد بوده وقسمت های بالاتر , از لایه های نسبتاً ضخیم و با مقاومت بالا تشکیل شده است, طبقه بندی بر اساس شاخص N روش مناسبی برای تقسیم بندی رفتار سقف خواهد بود.
در این جا چنانچه مجموعه لایه نازک و متناوب فوقانی را سقف بلاواسطه بنامیم, و بخش نسبتاً محکم بالاتر را سقف اصلی قلمداد کنیم,از آنجا که تخریب سقف بلاواسطه ایجاد قطعات و خرده سنگ هایی می کند که در صورت داشتن حجم کافی با توجه به انبساط حجمی آن می تواند تمام فضای خالی را پر کرده و تکیه گاهی برای سقف اصلی ایجاد کند و از تخریب سقف اصلی در مراحل بعدی جلوگیری کند و یا حداقل از شدت ضربه آن بکاهد,نسبت ضخامت سقف بلاواسطه به ارتفاع فضای خالی یا کارگاه استخراج که به شاخص N شهرت دارد, از اهمیت زیادی برخوردار خواهد بود.زیرا در این صورت چنانچه این نسبت , بسته به ضریب انبساط حجمی کمر بالا , از حدی بیشتر باشد,ریزش سقف می تواند تمام فضای خالی را پر کند و بر عکس در صورتی که این نسبت از این حد کمتر باشد, ریزش کمر بالا نمی تواند تمام فضای خالی را پر کند و در نتیجه باید منتظر تخریب سقف اصلی در مراحل بعدی نیز بود. مثال های ذیل دو مورد متفاوت از شرایط سقف را نشان می دهند.
مطالعات موردیک
الف: معدن Newstan استرالیا
معدن زغال Newstan در 150 کیلومتری شمال شهر سیدنی و در منطقه نیوکاسل واقع است. در این معدن استخراج زغالسنگ به روش جبهه کار بلند و پسرو و به صورت مکانیزه انجام می شود شرایط کارگاه به شرح ذیل می باشد: متوسط ضخامت لایه 3/3 متر موسوم به Young Wallsand, طول کارگاه 100 متر و حداکثر شیب لایه حدود 5 درجه . برای اخذ اطلاعات دقیق از وضعیت چینه شناسی کمر بالا گمانه هایی از تونل های دسترسی و میانبرها حفر شده اند و بر اساس اطلاعات حاصل از آن ها وضعیت کمربالا به صورت یک مقطع در امتداد طول پانل استخراجی به شکل 3 به دست آمده است.همانگونه که دیده می شود یک توده کنگلومرایی مقاوم و تقریباً عدسی شکل در بالای رگه زغال قرار دارد که ضخامت آن در امتداد قائم بین صفر تا 40 متر متغیر است. ضخامت سقف بلاواسطه نیز که عمدتاً متشکل از سیلتستون و سندستون می باشد, بین 5/1 تا 5/2 متر متغیر است]5[.
به دلیل شرایط لیتولوژیکی فوق رفتار سنگ سقف و مراحل تخریب آن از پیچیدگی خاصی برخوردار است به طوری که بار وارد بر وسایل نگهداری در عین حال تناوبی می باشد, دارای دوره تناوب و شدت بار متغیر می باشد. در نقاطی که ضخامت سقف بلاواسطه نسبتاً زیاد است با توجه به قابلیت تخریب پر کند و بستر و تکیه گاهی برای توده کنگلومرای فوقانی فراهم آورد.از طرفی در بخش هایی که ضخامت سقف بلاواسطه کم است, ریزش آن برای پر کردن فضای خالی موجود کفایت نمی کند و در نتیجه توده کنگلومرا به صورت معلق باقی می ماند که وسعت محدوده آن متغیر بوده و شکست و ریزش این توده در مراحل بعدی بسته به وسعت فضای خالی مشکلات متعددی را باعث می شود. شکست و ریزش ناگهانی قسمت معلق در پشت ردیف نگهدارنده های قدرتی دارای پیامدهایی است که از جمله آنان ایجاد موج هوای ناگهانی هوا یا Wind Blast می باشد که عبارت است از رانش ناگهانی هوای زیر سقف در حال ریزش به راهروها و مسیرهای منتهی به کارگاه استخراج. در این پدیده سرعت حرکت هوا در مدت چند ثانیه به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. به عنوان مثال در این معدن طی حادثه ریزش چینه کنگلومرایی فوق در 29 نوامبر 1995 سرعت هوا در تونل های منتهی به کارگاه استخراج به 40 متر در ثانیه معادل 144 کیلومتر در ساعت رسید]1[.


شکل 3-استراتیگرافی بخش فوقانی پانل 6-معدن زغال NEWSTAN استرالیا


دقت در ستون های چینه شناسی در بخش های فوقانی پانل استخراجی فوق در این معدن در شکل 3 نشان می دهد که تغییرات رخساره در جهت افقی نسبتاً زیاد می باشد به طوری که در طول کمتر از حدود 400 متر ضخامت آن از حدود 30 متر به صفر رسیده است و وجود همین توده مقاوم کنگلومرایی است که باعث ایجاد فضاهای معلق و ریزش های وسیع است. از طرفی شرایط متغیر سقف بلاواسطه نیز باعث شده است که مکانیزم رفتار سقف در این معدن از پیچیدگی خاصی برخوردار باشد به طوری که تطبیق آن با روش های تقسیم بندی مرسوم که بعضی از آنها در بالا اشاره شد , ممکن نمی باشد. لازم به ذکر است که علاوه بر ویژگی های استراتیگرافیک این رفتار تابع پارامترهای دیگری نظیر خصوصیات ژئومکانیکی طبقات , شکل هندسی و ابعاد کارگاه و نحوه عملکرد وسایل نگهداری نیز می باشد. اما آنچه مسلم است نقش استراتیگرافی از اهمیت زیادی برخوردار است.
ب: لایه P10 معادن طرزه
حوزه طرزه قسمتی از دامنه جنوبی سلسله جبال البرز را تشکیل می دهد که در اصله 70 کیلومتری غرب و شمال غربی شهر شاهرود و 40 کیلومتری شمال شرقی دامغان قرار گرفته است. این منطقه مربوط به دوران دوم از تریاس بالایی تا ژوراسیک میانی است]6[.
ضخامت لایه P10 در این حوزه در بیشتر نقاط یکنواخت است ولی در بعضی از نقاط ضخامت آن به صفر هم رسیده است و در بعضی نقاط تا 30/2 متر هم گزارش شده و به طور متوسط 7./1 متر ضامت دارد. سقف بلاواسطه از جنس سیلتستون و سقف اصلی از جنس ماسه سنگ بوده و کمر پایین نیز از سیلتستو تشکیل یافته است. متوسط ضخامت سقف بلاواسطه که عموما یکنواخت می باشد , برابر 27/3 متر گزارش شده است.با توجه به اطلاعات فوق تناوب چینه ها در طرفین کارگاه های استخراج این لایه را می توان به شکل 4 نشان داد.


شکل4-ستون چینه شناسی محدود لایه 10 P معدن طرزه


در مورد معدن طرزه با توجه به وضعیت طبقات و بر اساس طبقه بندی Proyavkinچنانچه وضعیت سقف بلاواسطه لایهP10 را با پروفیل های مربوط به این طبقه بندی (شکل2) مقایسه کنیم ,خواهیم دید که این سقف مشابه حالت شماره 16 می باشد که در آن سقف بلاواسطه سیلتستون با ضخامت بیش از یک متر و سقف اصلی ماسه سنگ است و از لحاظ تخریب در وضعیتی متوسط قرار دارد یعنی تخریب سقف با تاخیر همراه بوده ولی قسمت طره ای ایجاد نمی شود.
در مورد این لایه پس از تعیین وضعیت پایداری سقف بلاواسطه , این مسئله که آیا شرایط جهت اعمال بار ضربه ای از سوی سقف اصلی وجود دارد یا خیر نیز قابل بررسی است. شاخص N معیار مناسبی جهت تعیین این مسئله می باشد.بررسی پارامتر فوق نشان می دهد که تخریب سقف بلاواسطه نمی تواند به واسطه انبساط حجمی فضای خالی ایجاد شده ناشی از استخراج لایه زغالی و ریزش سقف بلاواسطه را پر کند, در نتیجه وجود یک فضای خالی میان سقف بلاواسطه تخریب شده و سقف اصلی شرایط را جهت ایجاد تاثیر وزنی سقف اصلی فراهم می سازد. با توجه به آن که نگهداری کارگاه استخراج در این معدن به صورت سنتی و با استفاده از ستون ها و جرزهای چوبی است, بایستی د رانتخاب آن ها به مورد فوق توجه کامل معطوف باشد.

کلید واژه ها: سایر موارد