بررسی تاثیر آنیزوتروپی مقاومت در تعیین خصوصیات مقاومتی

Transcript

1 بررسی تاثیر آنیزوتروپی مقاومت در تعیین خصوصیات مقاومتی سنگ های ناحیه معدن شماره 1 گل گهر فصلنامه پژوهشی - شماره 12- تابستان 1393 و سعید کریمی نسب 4 حسین زارع 3 محسن رحمانی 2 فرهاد حاجی حیدری 1 چكيده آنیزوتروپی ویژگی مهمی از سنگ های الیه ای و شیستی می باشد. این ویژگی موجب تغییرات گسترده ای در پارامترهای مقاومت و مدول سنگ در زوایای جهت داری مختلف می شود که تاثیر مهمی بر روی سازه های مهندسی حفر شده در توده سنگ ها دارد. در تحقیق حاضر به بررسی رفتار ناهمسانگردی سنگ های دگرگونی ناحیه معدن شماره 1 گل گهر پرداخته شده است. بدین منظور در زوایای مشخص بین صفر تا 90 درجه )زاویه بین محور بارگذاری و امتداد سطوح ناهمسانگردی( نمونه های متعددی از هر سنگ گرفته شد. تعداد 90 نمونه از این سنگ ها مطابق پیشنهاد ISRM آماده سازی و آزمایش شد. آزمون های مقاومت فشاری تک محوره مقاومت کششی و سرعت موج در زوایای مختلف بر روی نمونه های سنگی انجام شد. نتایج نشان داد که نمونه های آمفیبول شیست میکاشیست و میکاکوارتزشیست نمودارهای سرعت صوت شبیه به یکدیگر دارند و درراستای موازی محور بارگذاری مقدار سرعت صوت بیشینه است. مقاومت فشاری تک محوره در زاویه 15 تا 45 درجه در کلیه نمونه ها کمترین مقدار خود را داشت. نمونه سنگ های آمفیبول شیست و میکاکوارتزشیست در زاویه صفر و نمونه سنگ های میکاشیست در زاویه 45 درجه کمترین مقدار مقاومت کششی را به خود اختصاص دادند. واژه های کلیدی: آنیزوتروپی شیست مقاومت فشاری معدن گل گهر دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی معدن دانشگاه شهید باهنر کرمان پژوهشگر پژوهشکده سنگ آهن و فوالد farhad113@gmail.com 2. دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی معدن دانشگاه صنعتی اصفهان پژوهشگر پژوهشکده سنگ آهن و فوالد mrahmani2161@yahoo.com 3. کارشناسی ارشد مکانیک سنگ شرکت معدني و صنعتي گل گهر hhzare@yahoo.com 4. دانشیار بخش مهندسی معدن دانشگاه شهید باهنر کرمان معاونت پژوهشی پژوهشکده سنگ آهن و فوالد kariminasab@uk.ac.ir

2 1- مقدمه همسانگردی و ناهمسانگردی واژه هایی هستند که از آنها برای ارزیابی رفتار مکانیکی یک جسم در برابر نیروهای وارده به آن استفاده می شود. رفتار مهندسی سنگ و خصوصیات فیزیکی و مکانیکی آن در طراحی سازه های مرتبط با محیط سنگی نقش تعیین کننده ای دارند. یکی از عوامل بسیار مهم در این خصوص پدیده ناهمسانگردی می باشد که کمتر به آن توجه شده است. اولین مطالعه سیستماتیک در مورد رفتار سنگهای ناهمسانگرد در فشار تک محوره و سه محوره توسط محققین انجمن تحقیقات معدن ذغال سنگ بریتانیا بر روی ذغال سنگ معادن ولزجنوبی و کنت انجام شد. پرایس )1958( مطالعات خود را روی خواص مقاومتی و تغییر شکلی ماسه سنگها و سیلتستون-ها انجام داد و دریافت که مقاومت نهایی این سنگ ها در جهت عمود بر الیه بندی کمی بیشتر از مقاومت نهایی آنها در جهت موازی با الیه بندی است. دونات در مطالعات کاملی برای تعیین ناهمسانگردی مقاومتی و تغییر شکلی بر روی نمونه های استوانه ای اسلیت شیل و آهک در زوایای جهت گیری مختلف در فشارهای جانبی 10/5 3/5 و 35 مگاپاسکال انجام داد و دریافت که سنگ های ناهمسانگرد متورق بیشترین مقاومت فشاری را در جهت عمود بر سطح الیه بندی و کمترین آن را در امتداد 30 درجه نسبت به سطح الیه بندی دارند ]1[. برنباوم و برودی )1959( هابز )1963( و چابرلین )1979( اثر زاویه جهت گیری β را بر روی مقاومت کششی برزیلین بر سنگ های دگرگونی مختلف بررسی کردهاند. آنها مشاهده کردند که مقاومت کششی سنگهای دگرگونی با زاویه جهت گیری نسبت به جهت بارگذاری از صفر تا 90 درجه افزایش می یابد ]1[. در سالهای اخیر برخی از محققین از جمله رامامورتی ]2[ با مطالعه سنگ های فیلیتی ناصری ]3[ ]4[ با مطالعه سنگ-های شیستی هاف شائو و همکاران ]5[ ]6[ ]7[ و هی ]8[ با مطالعه بر روی شیل به نتایج خوبی دست یافته-اند. در ایران نیز مطالعاتی توسط قیاسوند )1378( ]9[ بر روی شیست های همدان و باغبانیان )1381( ]10[ بر روی اسلیت های گلپایگان و سروش و فهیمی فر )1382( ]11[ بر روی شیست ها انجام شده است. قیاسوند مشاهده کرد که نوع ناهمسانگردی شیست های منطقه همدان U شکل بوده و نسبت ناهمسانگردی در آنها 1/55-1/83 می باشد. باغبانیان به این نتیجه رسید که اسلیت های منطقه دارای بیشترین مقاومت در زاویه جهت گیری 90 درجه )126 مگاپاسکال( و کمترین مقاومت در 30 درجه )25 مگاپاسکال( می باشند. خالصه کارهای انجام شده نشان می دهد که مقاومت شکست حداکثر در زوایای صفر و 90 درجه و مقاومت حداقل بین 20 تا 40 درجه است. شکل منحنی بین مقاومت فشاری تک محوره و زاویه جهت گیری β به عنوان نوع ناهمسانگردی به صورت U شکل شانه ای و موجی شناخته شده اند. توده سنگ های دربرگیرنده دیواره نهایی معدن گل گهر شماره یک متشکل از سنگ های دگرگونی است. بنابراین با توجه به نحوه گسترش و قرا رگیری این توده سنگ ها نسبت به سطوح ضغفشان می توانند رفتارهای متفاوتی از خود نشان دهند. با توجه به زاویه امتداد صفحات تورق و محور نمونه تالش شد در زوایای بین صفر تا 90 درجه نمونه های متعددی از سنگ های میکاشیست آمفیبول شیست و میکاکوارتزشیست گرفته شود و طی آزمایش های تک محوری کششی و سرعت موج ویژگی-های مختلف نمونه ها تحلیل شد که از این نتایج می توان در تحلیل پایداری شیب بهره گرفت. 2- روش تحقیق 1-2- زمین شناسی منطقه و تهیه نمونه های استوانه ای معدن سنگ آهن گل گهر در لبه شرقی زون سنندج- سیرجان و در حدود 50 کیلومتری جنوب غربی سیرجان در استان کرمان واقع شده است. ذخایر معدن در داخل سنگ های دگرگونی پالئوزوئیک شامل: آمفیبول شیست گنایس میکاکوارتز شیست و گلگهر نقشه 1- نقشه موقعیت نقاط موقعیت نقاط نمونه نمونهگیری از گیری از کاواک کاواک معدن معدن شماره شماره 1 گلگهر شکل - شکل 2

3 - شکل نمودار زاویه آنیسوتروپی در برابر سرعت موج فشاری و برشی سنگ شکل 2- نمودار زاویه آنیزوتروپی در برابر سرعت موج فشاری و برشی سنگ 3 میکاشیست به همراه سنگ های رسوبی قرار گرفته و توسط آبرفت های عهد حاضر پوشیده شده اند. تعداد 90 نمونه استوانه ای مطابق با پیشنهاد ISRMاز نقاط مختلف معدن و از انواع سنگ هاتهیه شدند )شکل 1( تعیین سرعت صوت و ثابت های االستیک دینامیکی ابتدا آزمون های غیرمخرب سرعت موج فشاری و برشی بر روی نمونه ها انجام شده است. همان طور که ذکر شد یکی از عواملی که بر سرعت موج در داخل نمونه تاثیر می گذارد ناهمسانگردی یا آنیزوتروپی است که در شکل )2( تاثیر این عامل مشاهده می شود. باانحراف از راستای موازی محور بارگذاری و نزدیک شدن به امتداد عمود بر محور بارگذاری )90 درجه( از سرعت موج برشی و فشاری کاسته شده به طوری که در زاویه 90 درجه کمترین مقدار سرعت موج دیده می شود. همچنین برای نمونه های میکاکوارتزشیست و میکاشیست رابطه ی خوبی بین سرعت موج برشی و طولی وجود دارد. با افزایش زاویه از حالت موازی محور بارگذاری به حالت عمود بر محور بارگذاری سرعت موج کمتر می شود که امری طبیعی است. تغییرات سرعت با زاویه آنیزوتروپی برای نمونه آمفیبول شیست نسبت به دو نمونه دیگر کمتر است و همچنین مقادیرسرعت باالتری را نیز به خود اختصاص داده است. بیشترین تغییرات سرعت هم مربوط به میکاشیست ها می باشد. سرعت امواج صوتی در سنگ متناسب با سرعت صوت در کانی های تشکیل دهنده آنها می باشد. البته عواملی مثل اندازه و یا جهت گیری کانی ها و دانه های سنگ نیز موثر است آزمون مقاومت کششی غیر مستقیم)برزیلی( یکی از علت های اصلی وقوع اکثر گسیختگی ها و ریزش ها در معادن و تونل ها ایجاد تنش کششی در سازه است. مقاومت کششی نقش مهمی در فعالیت های مهندسی بازی می کند. در حالی که در اغلب پروژه ها مقاومت کششی سنگ صفر در نظر گرفته می شود. در شکل )3( نمودارهای زاویه آنیزوتروپی در برابر مقاومت کششی

4 4-2- مقاومت فشاری تک محوره یکی از عوامل داخلی که بر مقاومت فشاری تک محوره سنگ تاثیر می گذارد ناهمسانگردی نمونه است. همان گونه که در شکل )4( نشان داده شده است از انواع سنگ ها نمونه گیری به عمل آمده که در آنها شیستوزیته به خوبی نمایان است. در نمودار شکل )5( به بررسی تاثیر زاویه آنیزوتروپی با مقاومت فشاری تک محوره پرداخته شده است. همچنین نحوه شکست نمونه ها به صورت شماتیک بر روی نمودار آورده شده است. همان طور که از نمودارهای شکل )5( مشخص است نمونه های میکاکوارتزشیست و آمفیبول شیست به دلیل سختی باالیی که دارنداغلب شکست شکننده دارند ولی شکست میکاشیست به دلیل مقاومت کمتر در راستای سطوح ضعف می باشد. کمترین مقدار مقاومت فشاری تک محوره برای نمونه های میکاکوارتزشیست آمفیبول شیست و میکاشیست به ترتیب در زوایای و 45 درجه اتفاق افتاده است. )الف( الف )ب( ب پ نمودار تاثیر بر آنیزوتروپی بر مقاومت مقاومت کششی کششیست شیستهای ناحیه شکل 3-- معدن 1 گلگهر آزمون برزیلی برای نمونه های آزمایش شده نشان داده شده است. نمونه سنگ های آمفیبول شیست و میکاکوارتزشیست در زاویه صفر و نمونه سنگ های میکاشیست در زاویه 45 درجه کمترین مقدار مقاومت کششی را به خود اختصاص دادند روند نمودارها برای هر سه نمونه تقریبا یکسان است. )پ( ت )ت( شکل 4 - نمونه های آماده شده در جهت های مختلف جهت انجام آزمایشالف(آمفیبولشیستب(بیوتیتشیستپ(میکاکوارتز شیستت(میکاشیست 4

5 شکل 5- تاثیر زاویه آنیسوتروپی مقاومتی بر مقاومت فشاری تک محوره برای نمونه های شکل 5- تاثیر زاویه آنیزوتروپی مقاومتی بر مقاومت فشاری تک محوره برای نمونه های آزمایش شدهمیکاکوارتزشیست آمفیبول شیست و میکاشیست 5

6 Mining Sciences, 34(3-4)219, [5] Niandou, H.; et al.; Laboratory investigation of the mechanical behavior of Tournemire shale, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 34(1)3-16, [6] Duveau, g.; Shao, J.F.; A modified single plane of weakness theory for the failure of highly stratified rocks, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 35(6) , [7] Hiandou, H.; Shao, J.F.; Henry, J.P.; Anisotropic yield and failure of shale, Assessment and prevention of phenomena in rock engineering, pasamehmetoglu et al. Balkema, Rotterdam, [8] He, P.; Studies of strength performance and deformation characteristic of layered rock, ISRM Technology roadmap for rock mechanics, South African Institute of Mining and Metallurgy, ]9[. قیاسوند صدراله "ناهمسانی رفتار مکانیکی سنگ های شیستی )با نگرش بر سنگ های شیستی ناحیه همدان(" پایان نامه کارشناسی ارشد دانشگاه تربیت مدرس ]10[. باغبانیان عباس "تاثیر ناهمسانگردی بر رفتار سنگ-های دگرگونی درجه حرارت پایین )با نگرشی ویژه بر اسلیت-های ناحیه گلپایگان(". پایان نامه کارشناسی ارشد دانشگاه تربیت مدرس.1380 [11] Fahimifar, A.; Soroush, H.; Geotechnical parameters characteristics for a kind of schist in Iran, ISRM 2003-Technology roadmap for rock mechanics South Africa Institute of Mining and Metallurgy, فصلنامه پژوهشی - شماره 12- تابستان نتیجه گیری با بررسی اطالعات بدست آمده می توان نتایج زیر را ارائه کرد: 1- نمونه های میکاکوارتزشیست آمفیبول شیست و میکاشیست به ترتیب در زوایای و 45 درجه کمترین مقدار مقاومت فشاری تک محوره را به خود اختصاص دادند. 2- نمونه های میکاکوارتزشیست و آمفیبول شیست به دلیل سختی و مقاومت باالیی که دارند اغلب شکست شکننده دارند ولی شکست میکاشیست در راستای سطوح ضعف و شیستوزیته می باشد. 3- مطابق نمودارهای سرعت صوت فشارشی و برشی برای اکثر نمونه ها نمودارهای یکسانی بدست آمد با این تفاوت که براینمونه آمفیبول شیست تغییرات سرعت موج نسبت به زاویه آنیزوتروپی کمتر و برای میکاشیست بیشترین مقدار است. همچنین با افزایش زاویه از 90 درجه و راستای محور بارگذاری به راستای عمود بر آن کاهش سرعت موج دیده می شود. 4- برای دو نمونه سنگی آمفیبول شیست و میکاکوارتز شیست در زاویه صفر درجه کاهش مقاومت کششی وجود دارد که نمودارهایی تقریبا یکسان را نتیجه می دهند. همچنین برای میکاشیست نیز در زاویه 45 درجه کاهش مقاومت کششی ایجاد می شود. 4- منابع [1] Foroughi, M.H.; Effect of weakness planes inclination on the strength of coal pillars, Underground operator s conference, [2] Ramamurthy, T.; Engineering behavior of phyllites, Eng. Geol. J. 33(1993) [3] Nasseri, M.H.; Rao, K.; Ramamurthy, T.; Anisotropic strength and deformational behavior of Himalayan schists. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 40(2003)3-23. [4] Nasseri, M.H.; Rao, K.; Ramamurthy, T.; Failure mechanism in schistose rocks, International Journal of Rock Mechanics & 1.Price 2.Donath 3.Berenbaum 4.Brodie 5.Hobbs 6.Chaberlain 7.Ramamurthy 8.Shao 9.He 6