نگاهی به اسم او

در موضوع: استخراج معدن
پیش بینى ضریب بهره ورى TBMهاى باز
   خلاصه مطالب:
     در این مقاله ابتدا برخى از روش های پیش بینى ضریب بهره وری مرور شده است. سپس ضمن بررسى ساختار بانک اطلاعاتى استفاده شده جهت پیش بینى ضریب بهره وری، پارامترهای موثر بر ضریب بهره وری معرفى گردیده است. با استفاده از تحلیل آماری دو متغیره و دسته بندی داده ها، معادلاتى برای تعیین ضریب بهره وری بر مبنای یک پارامتر در شرایطى خاص ارائه شده است. در ادامه با بهره گیری از تحلیل T ماری چند متغیره پارامترهای موثر بر ضریب بهره وری بررسى شده و معادلاتى جهت تعیین ضریب بهره وری بر مبنای پنج پارامتر موثر بر ضریب بهره وری ارائه شده و با استفاده از این معادلات تاثیر برخى از پارامترهای موثژ بر ضریب بهره وری در قالب نمودارهایى مورد بررسى قرار گرفته است.
   واژه هاى کلیدى: ضریب بهره ورى، TBM هاى باز، تحلیل آمارى
  
   پیش گفتار:
     کاربرد ماشین های حفر تونل(Tunnel Boring Machine) به صورت روشى استاندارد در صنعت تونل سازی، برای حفر تونل های طولالى مورد توجه قرار گرفته است. استفاده موفقیت آمیز از این ماشین آلات در پروژه های مختلف موجب توسعه کاربری آنها و کسب تجربه های زیادی در این زمینه در نقاط مختلف دنیا شده است. انتخاب روش مناسب تونل سازی و در نتیجه انتخاب ماشین آلات متناسب با این روسها منوط به امکان برآورد سرعت حفاری این ماشین آلات است. بدیهى است که در حفاری مکانیزه، ضریب بهره وری (Utilization) ماشین زمان تکمیل پروژه و به تبع آن هزینه را تحت تاثیر قرار مى دهد و نقش اساسى در انتخاب یا عدم انتخاب حفر مکانیزه به عنوان روش حفر ایفاء مى کند. لذا پیش بینى ضریب بهره وری بخش مهمى از هر پروژه حفر مکانیزه است. این ضریب به صورت نسبت زمان حفر ماشین به کل زمان در اختیار بودن ماشین برای حفر یا عملیات روزانه تعریف مى شود و تابعى از شرایط زمین، نوع ماشین، تاسیسات پشتیبانى، مدیریت پروژه و در نهایت تجربه پرسنل اجرایى آن است. نرخ پیش روی روزانه (Advance Rate) از حاصل ضرب نرخ نفوذ (Rate Of Penetration) در ضریب بهره وری محاسبه مى شود. نرخ نفوذ یا نرخ پیش روی آنى ماشین تابع ابعاد هندسى تونل، ویژگى های سنگ و پارامترهای ماشین مى باشد.

   متن اصلی:
     2- مطالعات انجام شده در این زمینه
تاکنون تلاش های زیادی برای گسترش روسهای پیش بینى ضریب بهره وری و نرخ پیشروی صورت گرفته و روش های گوناگونى توسط کشورها و شرکت های مختلف سازنده TBM ارائه شده است. در حالت کلى مى توان روسهای ارائه شده را به دو گروه روشهای کاملا تجربى و روشهای تئوری/ تجربى تقسیم کرد. گروه اول بر مبنای داده های جمع آوری شده از زمین و استفاده از تحلیل رگرسیون میان پارامترهای ماشین، خواص سنگ و نرخ نفوذ حاصل شده اند. روش (Norwegian Institute Technology) NTH یک نمونه از این روشها است. گروه دیگر بر جزئیات فرایند برش در سنگ، تحلیل نظری فرایند شکست سنگ با ابزار مکانیکى و نیروهای وارد بر هر دیسک به منظور دستیابى به یک نرخ نفوذ مشخص متمرکز شده اند. روش (Colorado School of Mine) CSM در این گروه قرار مى گیرد ] 1[.

2-1- روش CSM
این مدل را انسیتو مهندسى حفاری معدن کلرادو جهت پیش بینى ضریب بهره وری TBM بر مبنای 20 سال مطالعات تئوریک، آزمون های آزمایشگاهى و ارزیابى داده های حاصل از برداشت های صحرایى ارائه کرده است. فلسفه این روش تعیین نیروهای وارد بر دیسک (Disc Cutter) برای یک مقدار معین نفوذ و متعاقبا تعیین نیروی پیشروی (Thrust)، گشتاور و توان لازم برای کله حفار(Cutter Head) بر مبنای این نیروها است مقادیر تخمین زده شده با نیروی پیشروی و توان ماشین موجود مقایسه شده و حدکثر نرخ نفوذ قابل دستیابى برای ماشین با مشخصات فنى خاص در زمین با مقاومت معین محاسبه مى شود. نرخ نفوذ محاسبه شده با توجه به فراونى درزه ها و تاخیرهای ناشى از تعویض دیسک ها، جلو راندن ماشین، جریان آب زیرزمینى، خدمات رسانى، حمل مواد حاصل از حفاری، تعمیرات، نقشه برداری و نگهداری تونل و تاخیرات نیروی انسانى مانند تاخیر ناشى از تعویض شیفت و زمان نهار، اصلاح شده و نرخ پیشروی و ضریب بهره وری محاسبه مى شود ]2[.
2- 2- روش NTH
در این روش پارامترهای نیروی نفوذ هر دیسک، سرعت چرخش کله حفار، فاصله داری دیسک ها، توان ماشین، شاخص عمر دیسک (Cutter Life Index) ، شاخص نرخ حفاری (Drilling Rate Index) درزه ها و شکستگى ها منظور مى شود. شاخص نرخ حفاری و شاخص عمر دیسک با استفاده از آزمون های سایش (Abrasive Value) ، سیورز (Sievers"J Value) و تردی (Brittleness) و روابط مربوطه به دست مى آیند. نرخ نفوذ، با توجه به شاخص نرخ حفاری، نیروی نفوذ هر دیسک، قطر دیسک، فاصله میان دیسک ها و درزه های توده سنگ محاسبه شده و سپس با توجه به تعداد دیسک های تعویض شده، زمان جلوراندن ماشین، تاخیرات ناشى از خرابى ماشین، زمان مورد نیاز جهت تعمیرات سیستم پشتیبانى و تاخیرات متفرقه تعدیل شده و نرخ پیشروی و ضریب بهره وری محاسبه مى شود ]2[.

3- ایجاد بانک اطلاعاتى
پیش بینى ضریب بهره وری بر اساس بانک اطلاعاتى که از تلفیق مطالعات موردی جمع آوری شده توسط نلسون]3[ و نگارندگان به دست آمده، انجام شده است. تعداد اعضای بانک اطلاعاتى 202 عدد مى باشد. پارامترهایى که در پیش بینى ضریب بهره وری بررسى شده اند عبارت اند از:
قطر تونل، مقاومت فشاری تک محوره، نوع سنگ، درصد کوارتز، میزان تغییرات شرایط زمین شناسى، RQD ، قطر دیسک و نیروی نفوذ و غلتشى هر دیسک در بانک اطلاعاتى قطر تونل بر حسب متر، مقاومت فشاری تک محوره بر حسب مگاپاسگال، قطر دیسک بر حسب اینچ و نیروی نفوذ و غلتشى هر دیسک بر حسب کیلونیوتن ثبت شده و نوع سنگ، درصد کوارتز، RQD و تغییرات زمین شناسى مطابق جداول 1 و دسته بندی و کدگذاری شده است.
 
جدول1_دسته بندی و کدگذاری نوع سنگ در بانک اطلاعاتی {4}

 
جدول2_دسته بندی و کدگذاری RQD در صد کوارتز و تغییرات زمین شناسی {4}

4- پیش بینى ضریب بهره ورى
پیش بینى ضریب بهره وری بر اساس تحلیل آماری بانک اطلاعاتى انجام شده است. تحلیل آماری طى دو مرحله انجام شده که در ادامه شرح داده مى شود.
4- 1- مرحله اول: تحلیل آمارى
در این مرحله، تغییرات ضریب بهره وری در مقابل تغییرات هر یک از پارامترهای قطر تونل، مقاومت فشاری تک محوره، نوع سنگ، درصد کوارتز، میزان تغییرات شرایط زمین شناسى، RQD، قطر دیسک و نیروی نفوذ هر دیسک بررسى شده است. همبستگى میان هر یک از پارامترهای مذکور و ضریب بهره وری بسیار ضعیف بود، لذا به منظور افزایش ضریب همبستگى دامنه تغییرات هر یک از پارامترها توسط یکى دیگر از پارامترهای موثر بر ضریب بهره وری محدود شد که در برخى از موارد منجر به دستیابى به نتایج خوبى گردید. به عنوان مثال ضریب بهروری در مقابل قطر تونل برای سنگ های با مقاومت فشاری 60-70 و 110-120 مگاپاسگال در شکلهای 1 و 2 نمایش داده شده است. همانگونه که ملاحظه مى شود، ضریب بهره وری با افزایش قطر تونل ابتدا افزایش و سپس کاهش مى یابد. علت افزایش ضریب بهره وری با افزایش قطر تونل مى تواند سهولت در خدمات رسانى با افزایش قطر تونل باشد. ضریب بهره وری در مقابل مقاومت فشاری تک محوره برای تونل های با قطر 5-6 متر در شکل 3 نمایش داده شده است. همانطور که ملاحظه مى شود با افزایش مقاومت فشاری ضریب بهره وری افزایش و سپس کاهش مى یابد. علت افزایش ضریب بهره وری مى تواند، کاهش مشکلات ناشى از نگهداری تونل با افزایش مقاومت فشاری و علت کاهش آن در سنگ های با مقاومت فشاری بالا مى تواند ناشى از زمان تاخیر تعویض دیسک ها باشد. در شکل 4 ضریب بهره وری در مقابل تغییرات شرایط زمین شناسى برای تونل های با قطر 6-8 متر نشان داده شده است. همانگونه که ملاحظه مى شود با افزایش میزان تغییرات شرایط زمین شناسى ضریب بهره وری کاهش مى یابد.
 
شکل1_ضریب بهره وری در مقابل قطر تونل برای سنگ های با مقاومت فشاری 60_70 مگاپاسگال {4}

 
شکل 2_ضریب بهره وری در مقابل قطر تونل برای سنگهای با مقاومت فشاری 120_110 مگاپاسگال {4}

 
شکل 3_ضریب بهره وری در مقابل مقاومت فشاری تک محوره برای تونل های با قطر 6_5 متر{4}

 
شکل4_ ضریب بهره وری در مقابل تغییرات شرایط زمین شناسی برای تونل های با قطر 6_8 متر {4}

4-2- مرحله دوم: تحلیل آمارى چندمتغیره
پارامترهایى که در این تحلیل بررسى شده اند عبارتند از:
قطر تونل، نوع سنگ، مقاومت فشاری، درصد کوارتز، تغییرات شرایط زمین شناسى، نیروی نفوذ هر دیسک، قطر دیسک، نیروی غلتشى هر دیسک و RQD،
ترکیب های مختلف 9،8، 7، 6، 5 ، 4 و 3 پارامتری از پارامترهای مذکور توسط معادلات چندجمله ای، نمایى و لگاریتمى]4[ مورد ارزیابى قرار گرفته است. بر اساس تحلیل آماری انجام شده ضریب همبستگى تا مدل های پنج پارامتری روند افزایشى داشته و بعد از آن کاهش مى یابد. علت این موضوع مى تواند ارتباط متقابل میان پارامترها یا عدم کفایت داده های بانک اطلاعاتى برای محاسبه دقیق تر ضرایب معادلات 6 ، 7 ، 8 و 9 پارامتری باشد. در مدل های با چهار پارامتر و کمتر حذف پارامترهای موثر بر ضریب بهره وری مى تواند باعث افت ضریب همبستگى شده باشد. در ادامه دو مدل پنج پارامتری که توانسته اند بالاترین ضرایب همبستگى را کسب کنند، بررسى شده است.

4-2-1- مدل اول
پارامترهای ورودی این مدل عبارت اند از:
قطر تونل، تغییرات شرایط زمین شناسى، درصد کوارتز، نوع سنگ و مقاومت فشاری تک محوره
برای سادگى نمایش معادله حاصل از تحلیل آماری هر کدام از پارامترها با اندیس های زیر جایگزین شده است.
D: قطر تونل، R: نوع سنگ، Cمقاومت فشاری تک محوره، Q درصد کوارتز، G تغییرات شرایط زمین شناسى و U: ضریب بهره وری معادله حاصل از تحلیل آماری به شکل زیر است.
 
(1)

برای بررسى مدل ارائه شده پارامترهای مقاومت فشاری تک محوره، تغییرات شرایط زمین شناسى، قطر تونل و درصد کوارتز در مقابل ضریب بهره وری رسم شده و در ارتباط با روند تغییرات ضریب بهره وری بحث شده است.

مقاومت فشارى تک محوره
تغییرات ضریب بهره وری در مقابل مقاومت فشاری تک محوره برای انواع سنگ ها در شکل 5 نمایش داده شده است. برای رسم این نمودار تغییرات شرایط زمین شناسى یکنواخت، قطر تونل7/4 متر( متوسط مطابق بانک اطلاعاتى )و درصد کوارتز 20-0 درصد منظور شده است. همانگونه که ملاحظه مى شود در تمام گروه سنگ ها ( به جزء گروه 2 )ضریب بهره وری با افزایش مقاومت فشاری تا 80 مگاپاسگال افزایش و بعد از آن تقریبا ثابت مانده است.

تغییرات زمین شناسى
ضریب بهره وری در مقابل تغییرات شرایط زمین شناسى برای انواع سنگ ها در شکل 6 نمایش داده شده است. برای رسم این نمودار مقاومت فشاری تک محوره 100 مگاپاسگال، قطر تونل 7/4 متر و درصد کوارتز 20-0 درصد منظور شده است. همانگونه که ملاحظه مى شود در تمام گروه سنگ ها تغییرات ضریب بهروری با تغییر شرایط زمین شناسى از حالت یکنواخت به متغیر ناچیز بوده ولى زمانى که شرایط زمین شناسى خیلى متغیر باشد ضریب بهره وری به طور ناگهانى افت مى کند.
 
شکل5_ضریب بهره وری در مقابل مقاومت فشاری تک محوره {4}

 
شکل6_ضریب بهره وری در مقابل تغییرات شرایط زمین ناسی {4}

قطر تونل
ضریب بهره وری در مقابل قطر تونل برای انواع سنگ ها در شکل 7 نمایش داده شده است. برای رسم این نمودار مقاومت فشاری تک محوره 100 مگاپاسگال، تغییرات شرایط زمین شناسى یکنواخت و درصد کوارتز 20-0 درصد منظور شده است. همانگونه که ملاحظه مى شود با افزایش قطر تونل ضریب بهره وری تا قطر 6 متر افزایش یافته و بعد از آن تقریبا ثابت باقى مانده است. علت افزایش ضریب بهره وری مى تواند سهولت در خدمات رسانى، ترابری، تهویه، تعویض دیسک ها و امکان سروش ماشین و تاسیسات پشتیبانى با ابزارهای بزرگتر و قوی تر با افزایش قطر تونل باشد.

درصد کوارتز
ضریب بهره وری در مقابل درصد کوارتز برای انواع سنگ ها در شکل 8 نمایش داده شده است. برای رسم این نمودار مقاومت فشاری تک محوره 100 مگاپاسگال، تغییرات شرایط زمین شناسى یکنواخت و قطر تونل 7/4 متر منظور شده است. همانگونه که ملاحظه مى شود افزایش درصد کوارتز تا 50 درصد بر ضریب بهره وری تاثیر نمى گذارد ولى زمانى که از 50 درصد تجاوز مى کند به سرعت باعث افت ضریب بهره وری مى شود.
 
شکل7_ضریب بهره وری در مقابل قطر تونل {4}

 
شکل8_ضریب بهره وری در مقابل درصد کوارتز {4}

4-2-2 مدل دوم
پارامترهای ورودی این مدل عبارت اند از:
قطر تونل، تغییرات شرایط زمین شناسى، درصد کوارتز، نوع سنگ و نیروی نفوذ هر دیسک
برای سادگى نمایش معادله حاصل از تحلیل آماری هر کدام از پارامترها با اندیس های زیر جایگزین شده است.
D: قطر تونل، R: نوع سنگ، Q درصد کوارتز، G تغییرات شرایط زمین شناسى،T: نیروی نفوذ هر دیسک و U: ضریب بهره وری
معادله حاصل از تحلیل آماری به صورت زیر است.
 
(2)

ضریب بهره وری در مقابل قطر تونل برای شرایط زمین شناسى متغیر و خیلى متغیر( با استفاده از معادله فوق )در شکل 9 نمایش داده شده است.
 
شکل9_ضریب بهره وری در مقابل قطر تونل برای شرایط زمین شناسی متغیر و خیلی متغیر {4}

برای رسم نمودار نمایش داده شده در شکل 9، نیروی نفوذ هر دیسک 200 کیلونیوتن، درصد کوارتز 20-0 درصد و نوع سنگ، گروه 1 منظور شده است. همانگونه که ملاحظه مى شود در شرایط زمین شناسى متغیر و خیلى متغیر با افزایش قطر تونل ضریب بهره وری کاهش مى یابد و روند کاهش ضریب بهره وری در شرایط زمین شناسى خیلى متغیر سریعتر است. علت کاهش ضریب بهره وری مى تواند افزایش مشکلات ناشى از نگهداری تونل در شرایط زمین شناسى متغیر و خیلى متغیر باشد.

   نتیجه گیری:
     در تحلیل آماری دو متغیره به منظور افزایش همبستگى میان ضریب بهره وری و هر یک از پارامترهای موثر بر ضریب بهره وری داده های بانک اطلاعاتى دسته بندی شلحد، نتایج حاصل از دسته بندی داده ها به شرح زیر است.
   1 ) در سنگ های با مقاومت فشاری 60-70 و 110-120 مگاپاسگال ضریب بهره وری با افزایش قطر تونل تا 5-6 متر افزایش مى یابد. ضریب همبستگى میان داده ها خوب بوده و مى توان از رابطه حاصل از تحلیل رگرسیون برای برآورد ضریب بهره وری در این شرایط استفاده کرد.
   2 )ضریب بهره وری برای تونل های با قطر 5-6 متر با افزایش مقاومت فشاری تا 100 مگاپاسگال افزایش و بعد از آن کاهش مى یابد. با افزایش مقاومت فشاری تک محوره مشکلات ناشى از نگهداری تونل کم شده و ضریب بهره وری افزایش مى یابد. در مقاومت فشاری بیش از 100 مگاپاسگال تعویض دیسک ها مى تواند باعث کاهش ضریب بهره وری شده باشد.
   نتایج حاصل از تحلیل آماری چندمتغیره به شرح زیر است.
   3) با افزایش مقاومت فشاری تا 80 مگاپاسگال ضریب بهره وری افزایش و بعد از تقریبأ ثابت باقى مى ماند.
   4 )تغییرات ضریب بهروری با تغییر شرایط زمین شناسى از حالت یکنواخت به متغیر ناچیز بوده ولى زمانى که شرایط زمین شناسى خیلى متغیر باشد ضریب بهره وری به طور ناگهانى افت مى کند.
   5 )ضریب بهره وری با افزایش قطر تونل تاء متر افزایش یافته و بعد از آن تقریبا ثابت باقى مانده است. علت افزایش ضریب بهره وری مى تواند سهولت در خدمات رسانى، ترابری، تهویه، تعویض دیسک ها و امکان سرویس ماشین و تاسیسات پشتیبانى با ابزارهای بزرگتر و قوی تر با افزایش قطر تونل باشد.
   6 )تاثیر افزایش درصد کوارتز تا 50 درصد بر ضریب بهره وری ناچیز است ولى زمانى که از 50 درصد تجاوز مى کند به سرعت باعث افت ضریب بهره وری مى شود.
   7) در شرایط زمین شناسى متغیر و خیلى متغیر با افزایش قطر تونل ضریب بهره وری کاهش مى یابد و روند کاهش ضریب بهره وری در شرایط زمین شناسى خیلى متغیر سریعتر است.