نگاهی به اسم او

در موضوع: مهندسی محیط زیست معدنی
بررسى پتانسیلى تولید زهاب اسیدى از باطله هاى کارخانه زغالشویى اصلاح شده ABA البرز شرقى با استفاده از آزمایش
   خلاصه مطالب:
     چکیده
   باطله های معدنکاری و فراوری زغال از جمله مهمترین منابع تولید زهاب اسیدی در اکثر نقاط دنیا مى باشند. به همین لحاظ است که بیشترین فعالیتها در ارتباط با شناسایی منابع احتمالى تولید زهاب اسیدی و همچنین روشهای کنترل و خنثى سازی این زهابها در ارتباط با زغال سنگ انجام مى گیرد. از آنجا که منطقه زغالى البرز شرقى یکى از مهمترین مناطق تولید کنسانتره زغالسنگ برای استفاده در صنایع فولاد مى باشد، مقدار زیادی باطله تولید مى کند که قادر به تولید زهاب اسیدی مى باشند. با توجه به انباشت مقدار زیادی باطله در اطراف کارخانه زغالشویی البرز شرقى مطالعاتى به منظور بررسى قابلیت تولید زهاب اسیدی از این باطله ها انجام شد. در مطالعات آزمایشگاهى اولیه که بر روی این باطله ها با استفاده از ازمایش استاتیکى ABA اصلاح شده(Accounting Modified Acid Base) انجام شد، مشخص گردید که باطله های قدیمى جیگ دارای قابلیت تولید اسید بوده و باطله های دیگر از نظر تولید اسید وضعیت نامشخصى دارند. به همین جهت برای مشخص شدن وضعیت کلى باطله های انباشته شده انجام آزمایش سینتیکى بر روی این باطله ها برای ادامه کار توصیه مى شود.
   واژه های کلیدی : زهاب اسیدى، پیریت، آزمایش استاتیکى، ABA اصلاح شده
  
   پیش گفتار:
     1- مقدمه
   در بسیاری از ذخایر زغالى مقادیر متنابهى کانیهای سولفیدی، عمدتأ بصورت پیریت وجود دارد. قبل از عملیات معدنکاری اکسیداسیون این کانى ها و نرخ تشکیل اسید، تابعى از فرآیند هوازدگى طبیعى مى باشد. اکسیداسیون در توده کانساری که تحت عملیات معدنکاری و فرآیندهای فرآوری قرار نگرفته باشد بسیار کند است و در نتیجه تولید اسید نیز آهسته است. زهاب حاصل از اینگونه کانسارها عموما فاقد تاثیر بر اکوسیستم طبیعى مى باشد. عملیات استخراج و فرآوری سبب افزایش نرخ واکنشهای اکسیداسیون، به دلیل بالا رفتن سطح تماس کانى های سولفیدی با هوا و آب، مى شوند و بدین ترتیب باطله های باقیمانده از این فعالیتها همچون منبعى برای آلودگى محیط اطراف بالاخص آبهای سطحى و زیر زمینى خواهند بود.[1]

 

   متن اصلی:
     کانى های سولفیدی دارای نرخ اکسیداسیون متفاوتى هستند. از میان کانیهای سولفید فلزی، پیریت، مارکاسیت و پیروتیت دارای بالاترین نرخ اکسیداسیون مى باشند.[ 4].
با توجه به اینکه پیریت عمده ترین کانى سولفیدی موجود در باطله های زغالى است، لذا عامل اصلى تولید زهاب اسیدی در اینگونه باطله ها محسوب مى گردد. اکسیداسیون پیریت را مى توان به سه مرحله اصلى تقسیم بندی نمود:
(1) اکسیداسیون سولفور (واکنش 1)
(2) اکسیداسیون آهن دو ظرفیتى (واکنش 2)
(3) هیدرولیز و ترسیب کانیها و کمپلکسهای آهن سه ظرفیتى (واکنش 3)
Image0$
در اغلب موارد، اسید تولید شده در باطله های سولفیدی با کانیهای دیگر موجود در باطله واکنش داده و خنثى مى شود. چنانچه مقدار اسید تولید شده از قابلیت خنثى سازی سنگ میزبان بیشتر باشد، اسید اضافى نشان دهنده قابلیت تولید اسید خالص از باطله ها خواهد بود. از کانى های خنثى کننده مى توان به کلسیت، دولومیت، منیزیت و آنکریت اشاره کرد. معادله 4 واکنش انحلال کلسیت را با اسید تولید شده از سولفید آهن در pH بیشتر از 4/6 را نشان مى دهد و معادله 5 واکنش اصلى انحلال را در pH کمتر از 4/6 نشان مى دهد.
 
فرمول4_5

نرخ انحلال کلسیت در واکنشهای 4 و 5 نسبتا سریع است. اما به هر حال نرخ انحلال همه کربناتها یکنواخت نیست. اساسا کربنات منیزیم و دولومیت از نرخ انحلال کمتری نسبت به کلسیت برخوردار مى باشند[ 4 ].
با تفاسیر بالا بر روی باطله های موجود در اطراف کارخانه زغالشویی البرز شرقى که یکى از مهمترین کارخانه های تولید کنسانتره زغالسنگ در ایران مى باشد، تحقیقاتى جهت برآورد قابلیت تولید اسید باطله های تولید شده از کارخانه طى 30 سال فعالیت مد نظر قرار گرفت. در این مقاله قابلیت تولید زهاب اسیدی از باطله های کارخانه زغالشویی البرز شرقى با استفاده از آزمایش ول ث! اصلاح شده، که از معتبرترین آزمایش های استاتیکى است، مورد بررسى قرار گرفته است.

2- موقعیت منطقه
منطقه زغالى البرز شرقى در استان سمنان و در 140 کیلومتری مرکز استان، در 25 کیلومتری شمال شرقى شیر دامغان و با فاصله 75 کیلومتر از شهر شاهرود قرار دارد. این منطقه بخشى از ناحیه البرز، در فاصله بین جاده های سمنان- ساری و شاهرود- آزادشهر را در بر مى گیرد و دارای دو حوضه زغالى مهم شاهرود- دامغان و قشلاق مى باشد. محدوده البرز شرقى دارای چهار بخش اصلى زغالى کلاریز، پشکلات، رزمجا و ممدویه است که در شمال منطقه مهماندوست قرار دارند. کارخانه زغالشویی البرز شرقى در مسیر روستای مهماندوست- طزره، بعد از روستای مهماندوست و در حدود 11 کیلومتری منطقه زغالى رزمجا قرار دارد. در این کارخانه از روشهای ثقلى و فلوتاسیون برای پرعیار سازی زغال استفاده مى شود. گازوییل و روغن کاج تنها مواد شیمیایی مورد استفاده در این کارخانه است.

3- انجام مطالعات تئورى و انتخاب روش انجام آزمایش استاتیکى
معمولا برای پیش بینى اولیه قابلیت تولید اسید در باطله های معدنی از آزمایش های استاتیکى استفاده مى شود. آزمایش های استاتیکى در حقیقت باطله های معدنى را از نظر پتانسیل تولید اسید، تقسیم بندی مى کنند. در این آزمایش ها، ماکزیمم پتانسیل تولید اسید AP و ماکزیمم پتانسیل خنثى سازی نمونه NP اندازه گیری شده و پس از مقایسه این دو مقدار، پتانسیل خنثى سازی خالص نمونهNNP بدست مى آید و وضعیت نمونه مشخص مى شود. AP، NP وNNP برحسب اولKgCaCO3 بیان مى شوند. آزمایش های استاتیکى (Acid Base Accounting) ABAاز معتبرترین آزمایش هایی هستند که برا ارزیابی پتانسیل تولید اسید نمونه های معدنى استفاده مى شود. از میان این آزمایش ها، روش ABA اصلاح شده بیشتر مورد استفاده قرار مى گیرد. دستورالعمل آزمایش ABA اصلاح شده به صورت زیر اس [2,7,8,9]:
1- ابتدا نمونه خرد و سپس پودر مى شود تا جایی که 80% نمونه از نظر ابعادی کوچکتر از 60 مش (سری تیلور) باشد. لازم به ذکر است که باطله های کانه آرایی باید در همان ابعاد بدست آمده آزمایش شوند.
2- آنالیز نمونه برای بدست آوردن سولفور کلى
3- مشخص کردن pH نهایى نمونه
4- استفاده از اسیدکلریدریک دقیقا 1/0 نرمال برای استاندارد کردن محلولهای 1/0 و 5/0 نرمال هیدروکسید سدیم که خود برای استاندارد کردن محلولهای 1/0 و 5/0 نرمال اسیدکلریدریک به کار مى روند.
5- اضافه کردن چند قطره اسید کلریدریک 25% به 1 تا 2 گرم نمونه پودر شده که در شیشه ساعت قرار دارد. پس از مشاهده واکنش، نرخ فیز به صورت بدون واکنش (non)، ضعیف (slight) ، متوسط (moderate) و قوی (string) مشخص مى شود ( جدول 1).
6- حدود 2 گرم از نمونه آماده سازی شده را در یک ارلن مایر 250 میلى لیتری ریخته و اسید کلریدریک با حجم و نرمالیته مشخص که بر اساس آزمایش فیز (جدول 2) انتخاب شده به آن اضافه می شود.
7- محتویات ظرف به وسیله یک شیکر (shaker) به مدت 24 ساعت تکان داده مى شود. حداقل یکبار در طول دوره آزمایش و ترجیحا پس از گذشت 6 ساعت از آزمایش، pH پالپ اندازه گیری مى شود. اگر pH بیشتر از 2 بود مقداری اسید کلریدریک (بین5/1 تا 2 میلى لیتر) با خصوصیات اولیه به ظرف محتوی نمونه اضافه مى گردد و مقدار اسید اضافه شده ثبت مى شود.
8- بعد از 24 ساعت، pH پالپ اندازه گیری مى شود. اگر حجم کل و قدرت اسید مناسب باشد، pH پایانى در محدوده 2 تا 5/2 خواهد بود. اگر pH بیشتر از 5/2 باشد، چنین مى توان استنباط کرد که مقدار اسید اضافه شده برای انجام واکنش ناکافى بوده است. اگر pH کمتر از 2 باشد چنین نتیجه گیری مى شود که اسید اضافه شده بیشتر از نیاز واکنش بوده است و باعث انجام واکنش بیش از حد معمول شده است. در هر یک از موارد یاد شده باید آزمایش با حجم بیشتر یا کمتر و یا اسید کلریدریک با قدرت لازم دوباره انجام شود.
 
جدول 1- حجم و نرمالیته اسید مورد استفاده در آزمایش ABA اصلاح شده بر اساس آزمایش فیز

9- محتویات ظرف با استفاده از هیدروکسید سدیم 1/0 نرمال یا 5/0 نرمال (مطابق نرمالیته اسیدکلریدریکى که در مرحله 5 استفاده مى شود) تا 3/8=pH تیتر مى شود
10- پس از پایان آزمایش مقادیر پتانسیل خنثى سازی و تولید اسید به روش زیر محاسبه مى شود. اختلاف AP وNP، پتانسیل خنثى سازی خالص (NNP) را نشان مى دهد و نسبت این دو مقدار (NP/AP) نمونه را بر اساس پتانسیل مصرف و تولید اسید طبقه بندی مى کند. معمولا برای آسان کردن مقایسه مقادیر، NP و AP و NNP به صورت KgCaCO3/ton بیان مى شود.
برای محاسبه پتانسیل اسیدزایی، سولفور کلى نمونه آنالیز مى شود. با فرض تبدیل کل سولفور به سولفات و تولید 4 مول اسید به ازای اکسیداسیون هر مول سولفید (با فرض اینکه پیریت منبع سولفور نمونه است) ، مقدار AP با استفاده از فرمول زیر بدست مى آید:
 
فرمول6

پتانسیل خنثى سازی نمونه به صورت زیر محاسبه مى شود:
 
فرمول7

که در آن:
N: نرمالیته، V: حجم بر حسب میلى لیتر، W وزن نمونه مى باشد. در نهایت اطلاعات زیر از انجام آزمایش بدست مى آید:%St
نرخ فیز، pH نهایی نمونه، آنالیز سولفور کل( ) ،NP، AP ، پتانسیل خنثى سازی خالص(NNP) و نسبت NP/AP تفسیر نتایج آزمایش ABA! اصلاح شده بطور خلاصه در جدول 2 آورده شده است.
 
جدول 2- تفسیر نتایج آزمایش ABA اصلاح شده

4- شناسایى منابع آلودگى و نمونه بردارى
در مطالعات صحرایی 5 منطقه انباشت باطله در محدوده کارخانه زغالشویی شناسایی شد. از آنجا که تنها این 5 محدوده مى توانست مولد احتمالى زهاب اسیدی باشد، لذا نمونه گیری از این مناطق مدنظر قرار گرفت. برای نمونه گیری، توجه به روش انباشت، بهترین روشهای نمونه گیری، روش معمول نمونه برداری در منطقه و همچنین میزان باطله های هر بخش مورد توجه قرار گرفت. در زیر مناطق نمونه برداری و موقعیت آنها آورده شده است:
باطله های قدیمى جیگ: این باطله ها در شرق و شمال شرقى کارخانه زغالشویی قرار دارد. سن آنها بیش از 8 سال است. این باطله ها در محدوده ای به طول و عرض 500 و 200 متر و ارتفاع 10 تا 15 متر انباشته شده است که بیشترین مقدار باطله انباشته شده را شامل مى شود.
باطله های جدید جیگ: این باطله ها در شمال شرقى کارخانه به صورت کپه ای انباشته شده است که تعداد آنها 2000 کپه مى باشد.
سد فلوتاسیون در حال تخلیه: سن این باطله ها در حدود 2 سال بود که در بخش جنوبی کارخانه انباشته شده بود. ارتفاع باطله انباشته شده در این سد در حدود 6 متر بود.
باطله های قدیمى فلوتاسیون: این باطله ها به صورت دره ای در جنوب غریی کارخانه انباشته شده اند و سن آنها بیش از 8 سال مى باشد.
باطله های فلوتاسیون با سن متوسط: این باطله ها در جنوب شرقى کارخانه انباشته شده بود. این باطله ها بسیار ریزدانه بوده و از نظر ظاهری بسیار شبیه کانى های رسى و گل بود. سن آنها در حدود 4 تا 8 سال بود. جدول 3 نوع و تعداد نمونه های برداشت شده از هر یک از منابع آلودگى را نشان مى دهد.

4-1- سازى نمونه ها
قبل از انجام هر آزمایشى نیاز است نمونه ها با توجه به دستورالعمل آن آزمایش آماده شوند. از آنجا که در این تحقیقات انجام آزمایش ABA اصلاح شده و در یی آن در صورت لزوم آزمایش سلول مرطوب پیش بینى شده بود، لذا لازم بود تا نمونه ها بر اساس شرایط این آزمایش ها آماده سازی شوند. نمونه های جمع آوری شده بر اساس فلوشیت موجود در شکل 2 آماده سازی شد.
 
جدول 3- نوع و تعداد نمونه های برداشت شده از هر یک از منابع آلودگی

5- انجام آزمایش هاى ABA اصلاح شده
5-1- آزمایش فیز
فیز صدایی است که پس از اضافه کردن اسید به نمونه از آن شنیده مى شود. آزمایش فیز یک آزمایش کیفى است و معیار خاصى برای آن وجود ندارد و معمولا با توجه به تجربه و نظر اپراتور آزمایشگاه مشخص مى شود. با توجه به کیفى بودن آزمایش فیز، برای مقایسه شدت فیز نمونه ها، کلیه این آزمایش ها در یک زمان انجام شد و در صورت تشخیص عدم صحت فیزها در طول آزمایش، حجم و نرمالیته اسید مورد استفاده اصلاح گردید. روش انجام این آزمایش به ترتیبى است که در زیر آورده شده است.
ابتدا حدود 1 تا 2 گرم نمونه پودر شده را در شیشه ساعت قرار داده و اسیدکلریدریک 25% با قطره چکان بر روی آن ریخته شد. بر اساس شدت صدای شنیده شده، فیز نمونه ها تعیین گردید. جدول 5 فیز انتخابی نمونه های مختلف را بر اساس نوع و شماره نمونه باطله نشان مى دهد.
پس از تعیین فیز نمونه ها، نرمالیته و حجم اسید و باز مورد استفاده در انحلال کانى های کربناته و تیتراسیون مشخص شد. برای اندازه گیری NP حدود 2 گرم از نمونه را در یک ارلن مایر ریخته و سپس بر اساس آزمایش فیز اسیدی با نرمالیته و حجم مقتضى به نمونه افزوده شد. محلول اسیدی و نمونه به مدت 24 ساعت در شیکر قرار گرفته و تکان داده شد. در ضمن پس از 6 ساعت از شروع آزمایش، pH محلول اندازه گیری شده و در صورت نیاز مقداری اسید به ظرف اضافه گردید. پس از پایان آزمایش دوباره pH محلول اندازه گیری شد و در صورتى که pH بین 2 تا 5/2 بود، اسلاری حاصله با استفاده از کاغذ صافى، صاف گردید و با استفاده از تیتراتور اتوماتیک تا 3/8=pH تیتر شد. چنانچه pH نهایی پس از 24 ساعت در محدودخ 2-5/2 نبود، آزمایش با مقدار اسید مقتضى دوباره انجام شد. جدول 4 اطلاعات مربوط به شرایط آزمایش های ABAاصلاح شده برای 10 نمونه را نشان مى دهد. جدول 5 نیز نتایج حاصداز آزمایش ها ABA اصلاح شده را در خود جای داده است.

5-3- تعیین AP
جهت محاسبه AP، سولفور موجود در نمونه ها اندازه گیری شد. با توجه به اینکه سولفور به اشکال مختلف در باطله ها وجود دارد، معمولا ملاکهای متفاوتى برای اندازه گیری AP استفاده مى شود. در بسیاری موارد شکل های مختلف سولفور اندازه گیری شده و در نهایت با تعیین سولفور سولفیدی، مقدار AP محاسبه مى شود. در برخى موارد هم، مقدار سولفور خنثى که در کانى هایی از قبیل ژیپس و باریت تجمع یافته است، از مقدار سولفور کلى نمونه کاسته شده و سپس مقدار حاصله به عنوان ملاک تعیین AP بکار می رود. اما امروزه استفاده از سولفور کلى به عنوان ماکى جهت تعیین AP گسترش بیشتری یافته است. اگرچه این روش در تئوری اشتباه به نظر مى رسد ولى با توجه به اینکه نرخ انحلال کانى های کربناته بسیار کمتر از کانى های سولفیدی است و از طرفى مقداری از گوگرد ارگانیکى در تولید اسید شرکت مى کند، لذا نتایج این روش به واقعیت نزدیکتر است. همچنین استفاده از این روش، هزینه انجام آزمایش های اندازه گیری سولفور را نیز کاهش مى دهد. [1,2]. با توجه به موارد مذکور، در آزمایش های اندازه گیری سولفور از سولفور کلى به عنوان ملاک تعیین AP استفاده شد. برای تعیین سولفور کلى نمونه ها از کوره لکوی (LECO) موجود در سازمان زمین شناسى استفاده شد. پس از تعیین سولفور کلى نمونه ها، مقدار AP با استفاده از فرمول 6 محاسبه گردید.
 
شکل 2- نمودار مراحل آماده سازی نمونه ها

5-4- انجام محاسبات
پس از انجام آزمایش ها، مقادیر AP،NP و در نهایت NP وNP/AP محاسبه گردید. جدول 4 اطلاعات
مربوط به شرایط آزمایش های ABA اصلاح شده را نشان مى دهد. جدول 5 نیز نتایج آزمایش ها ABA اصلاح شده را ارائه کرده است. پس از محاسبه نتایج، با استفاده از اطلاعات هر بخش نمودار مربوط به آن با توجه به نسبت NP/ AP رسم شد. این نمودارها را مى توان در شکلهای 3 تا 7 مشاهده کرد.
لازم به ذکر است در این نمودارها نقاطى که بالای خط 3=NP/AP قرار دارند از نظر تولید اسید دارای وضعیت بى خطر مى باشند و نقاطى که دارای NP/ AP مابین خطوط 1 و 3 مى باشند از نظر تولید اسید دارای وضعیت نامشخص مى باشند و نقاط زیر خط 1=NP/ AP مولد اسید هستند. همانطور که در شکل 8 مشاهده مى شود نمودار میله ای دیگری جهت مشخص کردن توزیع مقادیر NNP نمونهای آزمایش شده رسم شد. بر اساس این نمودار اکثر نمونه های آزمایش شده از نظر اسید زایی در محدوده نامشخص قرار دارند.
 
جدول 4- مشخصات شرایط آزمایش ABA اصلاح شده

 
جدول 5- نتایج حاصل از آزمایش ABA اصلاح شده

 
شکل 3- نتایج آزمایش ABA اصلاح شده روی باطله های قدیمی جیگ

 
شکل 4- نتایج آزمایش ABA اصلاح شده روی باطله های جدید جیگ

 
شکل 5- نتایج آزمایش ABA اصلاح شده روی باطله های قدیمی فلوتاسیون

 
شکل 6- نتایج آزمایش ABA اصلاح شده روی باطله های با عمر متوسط فلوتاسیون

 
شکل 7- نتایج آزمایش ABA اصلاح شده روی باطله های جدید فلوتاسیون

 
شکل 8- توزیع مقادیرNNP در محدوده های مولداسید، نامشخص و بدون پتانسیل تولید اسید

 

 

 

   نتیجه گیری:
     6- بحث و نتیجه گیرى
   اکثر نمونه های قدیمى جیگ در محدوده تولید اسید قرار گرفته اند، در حالى که نمونه های جدید جیگ از نظر تولید اسید در محدوده نامشخص قرار دارند. همچنین با مقایسه شکلهای 3 و 4 مى توان دریافت که باطله های جدید جیگ دارای پتانسیل خنثى سازی(NP) بالاتری نسبت به باطله های قدیمى جیگ مى باشند که این امر مى تواند ناشى از خنثى سازی اسید تولیدی از باطله های قدیمى در خا!ل سالیان انباشت و یا ایزوله شدن کانیهای کربناته موجود در نمونه ها با هیدروکسیدهای آهن تولیدی از اکسیداسیون پیریت باشد.
   همچنانکه در شکلهای 5 تا 7 مشاهده مى شود باطله های جدید فلوتاسیون دارای پتانسیل خنثى سازی خالص بالاتری نسبت به باطله های قدیمى تر بوده و مقادیر آن در باطله های فلوتاسیون جدید مشابه یکدیگر است. همانگونه که در نمودارهای 5، 6 و 7 مشاهده مى شود پتانسیل خنثى سازی خالص نمونه های قدیمى و جدید جیگ با یکدیگر متفاوت است. دلیل این مساله را مى توان اینگونه بیان کرد که در طول سالیان انباشت، مقداری از کانى های خنثى کننده به وسیله اسید تولیدی در باطله ها خنثى شده و یا در آبهای فصلى حل شده است و به همین جهت پتانسیل خنثى سازی آن کاهش پیدا کرده است. ولى به هر حال اکثر نمونه های فلوتاسیون از نظر تولید اسید در محدوده نامشخص قرار دارند.
   با مشاهده کلى در نمودارهای 3 تا 7 مى توان دریافت که پتانسیل خنثى سازی خالص اکثر نمونه های آزمایش شده از نظر تولید اسید در محدوده نامشخص قرار دارند. همچنین توزیع آماری پتانسیل خنثى سازی خالص نمونه ها در نمودار 8 نشان مى دهد که اکثر نمونه ها از نظر تولید اسید دارای وضعیت نامشخص و یا اسیدی مى باشند. با توجه به مواردی که در بالا ذکر شد برای مشخص شدن وضعیت کلى باطله های هر بخش و مقایسه آلودگى های تولید شده احتمالى باید آزمایش سینتیکى بر روی نمونه های نماینده این باطله ها انجام شود.

   منابع:
     فهرست منابع
   1-Tom Ridge, Gournor. James. M. (????),”Coal mine drainage prediction and pollution prevention in Pensylvania,” The Pensylvania department of environmental protection.
   2-Kleinmann R.L.P. (????),”Prediction of Water Quality at Surface Coal Mines”, The National Mine Land Reclamation Center.
   3- E. Holuszko, A. Matheson. (????),”Pyrite Occurrences in Telkwa and Quinsam Coal Seams”, Geological Field Work 1992,Paper 1993-1, British Columbia Geological Survey Branch
   4-Ian Butler, Stephen Grimes. (????),”David Rickard, Pyrite Formation in an Anoxic Chemo static”, Reaction System, Department of Earth Sciences, Cardiff University, Park Place, Cardiff, CF10 3YE, UK.
   5-Kim Lapakko. (????),”Metal mine rock and waste characterization tools”, an overview, Minnesota Department of natural resources, division of lands and minerals, 500 Lafayette road, st. Paul.
   6-Bernhard Dold. (????).”Basic concepts in Environmental Geochemistry of sulfide mine waste, UNESKO Society of Economic Geologists (SEG)
   7-U.S. Environmental Protection Agency.(1994) Technical Document: Acid Mine Drainage Prediction, EPA 530-R-94-036. Office of Solid Waste, Special Waste Branch, Washington D. C., December 1994.
   8-Watzlaf, G.R., (????). Pyrite Oxidation in Saturated and Unsaturated Coal Waste. In: Proceedings, 1991 National Meeting of the American Society for Surface Mining and
   Reclamation, Duluth, MN. pp. 191 – 205, June 14-18, 1992.
   9-EPA, March (????), Abandoned minesite characterization and cleanup hand book.
  
   [10] اکتشافات تفصیلى منطقه زغالى رزمجا، 1359، آرشیو بخش اکتشافات مجتمع زغالسنگ البرز شرقى

 

 

در موضوع: مکانیک سنگ

 

بررسی پایداری شیب دیواره طرح 15 ساله معدن شماره 3 گل گهر

 

 

 

خلاصه مطالب:
     اکتشاف تفضیلی کانسار شماره 3 گل گهر پایان یافته و بر اساس طرح 15 ساله استخراج‌این کانسار بصورت روباز خواهد بود و تا عمق 280 متری ادامه خواهد داشت. بعلت اغاز باطله برداری بررسی مجدد پایداری دیواره معدن مد نظر قرار گرفت در‌این ارتباط قسمت آبرفتی با استفاده از روشهای تعادل حدی و به کمک نرم‌افزار Geoslope Officeدیواره مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داد زهکشی بعد از حفاری ضروری می‌باشد و نقش عمده در پایداری دیواره خواهد داشت. در قسمت سنگی ابتدا شکستگیها مورد بررسی قرار گرفت، که نتایج آن احتمال ریزشهایی از نوع گوه‌ای و وارگونی را نشان می‌دهد، سپس کل دیواره توسط نرم افزار FLACمدل‌سازی شد .‌این تحلیل نشان داد در صورت صحت اطلاعات ورودی دیواره پایدار خواهد بود.

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
   متن اصلی:
     مجتمع معدنی سنگ آهن گل گیر با داشتن 1100 میلیون تن ذخیره در شش توده معدنی دارای بیشترین ذخیره سنگ آهن در کشور می‌باشد که در‌این میان، توده شماره 3 با داشتن ذخیره‌ای معادل 643 میلیون تن سنگ آهن از بزرگترین آنها می‌باشد. ‌این توده معدنی در جستجوهای ژئوفیزیک هوایی شرکت ‌ایروسرویس، به روش مگنتومتری و در پی آن بوسیله برداشتهای ژئوفیزیکی زمینی توسط انستیتوی زمین‌شناسی یوگسلاوی در سال 1354 کشف گردید. بعد از انجام شناسایهای ژئوفیزیکی در مجموع تعداد 139 گمانه جهت اکتشاف ‌این محدوده حفاری شد که اطلاعات کلی آنها در جدول (1) آورده شده است.

جدول 1- اطلاعات کلی گمانه‌های حفاری شده در محدوده آنوما لی3 حمل گهر ]3[

توده شماره 3 در یک دشت تقریباً هموار قرار دارد که از آبرفتهای عهد حاضر پوشیده شده است. ضخامت ‌این آبرفتها از 100 تا 200 متر متغیر است سنگ در برگیرنده کانسار در قسمهای شمالی و جنویی از بین رفته و در بخش مرکزی ضخامتی در حدود 300 متر دارد]1[. شکل (1) یک مقطع شمالی- جنویی از توده شماره 3 نشان می‌دهد.

شکل 1- مقطع عمودی از توده شماره 3 گل گهر

طراحی توده شمار ه 3 جهت استخراج توسط شرکت ADC از کانادا انجام شده است. بر اساس طراحی ‌این شرکت استخراج ‌این توده بصورت روباز و طبق یک طرح 15ساله آغازخواهد شد. قبل از آغاز عملیات استخراج ماده معدنی لازم است به مدت 3 سال باطله برداری انجام شود. جدول(2) مقدار و نوع مواد استخراجی از طرح 15ساله را بیان می‌کند. طبق‌این طرح معدن به مقدار 280 متر عمیق خواهد شد. زاویه شیب نهایی معدن در قسمت آبرفتی 33 درجه و در قسمت سنگی 45 درجه در نظر گرفته شده است. با آغاز عملیات خاکبرداری در سال جاری بررسی مجدد طراحی معدن مد نظر قرار گرفت به همین منظور بازنگری پایداری شیب نهایی معدن انجام شد. در‌این راستا نواقص بیشتر مورد توجه قرار گرفت و جهت بهبود آنها طرحی پیشنهاد گردید. نتایج تحلیل پایداری بطور خلاصه در نوشته حاضر آورده می‌شود.

جدول 2_مواد استخراجی از معدن شماره 3 گل گهر بر اساس طرح 15 ساله (میلیون تن) {2}

موقعیت جغرافیایی و زمین شناسی
ناحیه معدنی گل گیر در 60 کیلومتری جنوب غرب سیرجان در استان کرمان واقع است. توده 3‌ این ناحیه در 2 کیلومتری غرب معدن 1 که درحال استخراج می‌باشد، قرار دارد. مختصات مرکز توده به شرح ذیل است:

ناحیه معدنی گل گهر در لبه شمال شرقی زون سنندج- سیرجان قرار دارد. منطقه عموما از آبرفتهای عهد حاضر پوشیده شده است و ارتفاعات معدودی که رخنمون دارند شامل سنگهای دگرگونی پالئوزوئیک در جنوب معدن و سنگهای رسوبی مزوزوئیک و سنوزوئیک در شرق معدن می‌باشند. سنگهای پالئوزوئیک شامل کمپلکس گل گیر بوده که ‌این مجموعه قدیمی‌ترین مجموعه دگرگونی ‌این منطقه را تشکیل می‌دهد. ذخایر شش‌گانه سنگ آهن گل گهر در ‌این کمپلکس قرار گرفته است. بخش تحتانی‌ این کمپلکس شامل تناوبی از گنیس، میکاشیست، آمفیبولیت و کوارتز شیست می‌باشد.

بررسی شیب دیواره در قسمت آبرفتی
بخشهای بزرگی از دیواره معدن 3 گل گیر از رسوبات عهد حاضر تشکیل شده است. لذا لازم است بطور جدا مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. به همین منظور بخش آبرفتی دیواره معدن در مقاطع مختلف مورد بررسی قرار گرفت شکل(2) ضخامت آبرفت را در مقطعهای مختلف نشان می‌دهد. اکثر قسمتها ضخامت بین 90 تا 150 متر می‌باشد و در قسمت غرب و جنوب غرب ضخامت بین 175 تا 210 متر متغیر می‌باشد. جهت تحلیل پایداری سه مقطع انتخاب گردیدکه در شکل(2) دیده می‌شوند.

شکل 2_محدوده طرح 15 ساله مقاطع انتخاب شده برای تحلیل

از آنجا که در دیواره‌های آبرفتی بیشتر شکست دایره‌ای رخ می‌دهد، لذا با استفاده از روش تعادل حدی به کمک نرم افزار GEO SLOPE OFFIC تحلیل پایداری بر روی‌این مقاطع انجام شد.

خواص ژئومکانیکی روباره آبرفتی
روباره آبرفتی از دانه‌های گردشده تشکل شده است که اندازه ‌این دانه‌ها متفاوت میباشد،‌ این مواد در قسمتهای بالا از نظر دانه بندی بیشتر مخلوطی از رس، ماسه و شن می‌باشند (اعماق 0 ت 25/0 متر) و در قسمتهای عمیقتر مواد دانه درشت‌تر آن بیشتر می‌شود بطوریکه در اعماق پایینتر از 20 متر ‌این مواد مخلوطی از شن، گراول و قلوه‌‌سنگ می‌باشند. در قسمتهایی سیمانی از آهک و گچ دانه‌ها را بهم چسبانده و تشکیل کنگلومرا داده است ]3[.
بعلت عدم انجام آزمایشهای لازم برای محاسبه خواص‌مقاومتی روباره آبرفتی ‌این خواص در محدوده معدن شماره 3 در دست نیستند اما از آنجا که‌ این محدوده نزدیک به معدن شماره 1 می‌باشد با تقریب خوب می‌توان خواص معدن شماره 3 را مشابه معدن شماره 1 در نظر گرفت. با بررسیهای انجام شده در محدوده معدن شماره 1 و انجام یک تحلیل برگشتی بر روی ریزش اتفاق افتاده خواص توده آبرفتی طبق جدول 3 بدست آمده است ]4[.

جدول3_پارامترهای مقاومتی روباره آبرفتی {4}

تحلیلی دیواره آبرفتی توسط نرم افزار Geoslope
در گزارشهای اکتشافی سطح آب زیر زمینی در عمق 40 متری گزارش شده است. جهت انجام تحلیل پایداری دو فرض در مورد سطح آب بعد از ‌ایجاد دیواره در نظر گرفته شد: الف) ارتفاع آب از پاشنه 2/1 ارتفاع پاشنه است، ب) ارتفاع آب از پاشنه 4/1 پاشنه است. هر مقطع جهت تحلیل در نرم افزار آماده سازی گردید. اساس تحلیل در نرم افزار Geoslope روشهای تعادل حدی می‌باشد. ‌این نرم‌افزار توانایی بالایی در بکارگیری ‌این روشها دارا می‌باشد. همچنین نرم‌افزار از یک محیط گرافیکی قوی برخوردار می‌باشد که تعریف مدل در آن بسیار راحت می‌باشد. نتایج تحلیلهای دیواره در قسمت آبرفت در ادامه آورده شده است.
1- مقطع 1 (شکل 2) : ارتفاع آبرفت در‌این مقطع 200 متر می‌باشد. همانطور که در بالا ذکر شد برای همه مقاطع دو فرض در مورد سطح آب بعد از ‌ایجاد دیواره فرض شد. در حالت فرض (الف) در قسمتهایی فاکتور ایمنی زیر 1 می‌باشد که حکایت از ریزش دیواره خواهد بود. شکل (3) سطح لغزش بدست آمده در نرم‌افزار را نشان می‌دهد.

شکل 3_مقطع 1 بهمراه سطح لغزش بدست آمده از نرم افزار

همانطور که در شکل پیداست فاکتور‌ایمنی در‌این قسمت برابر 717/0 می‌باشد. در حالت فرض (ب) وضعیت بهتر خواهد بود و فاکتور ‌ایمنی بیشتر از 1 خواهد بود اما برای دیواره نهایی معدن که یک طرح دراز مدت است ‌این مقدار پایین است و لازم است حداقل فاکتور‌ایمنی بیشتر از 2/1 باشد.
1- مقطع 2 (شکل 2) : ارتفاع آبرفت در ‌این مقطع 150 متر می‌باشد. در ‌این مقطع نیز درحالت (الف) فاکتور ‌ایمنی زیر حد اطمینان می‌باشد اما در حالت (ب) فاکتور‌ ایمنی بالای 2/1 خواهد بود در نتیجه در ‌این حالت دیواره پایدار خواهد بود. شکل(4) سطح لغزش و ضریب اطمینان را برای سطح لغزش نشان می‌دهد.
1- مقطع 3 (شکل 2) : ارتفاع آبرفت در‌این مقطع 190 متر می‌باشد در مقطع نیز هم در حالت (الف) و هم در حالت (ب) فاکتور‌ایمنی زیر حد اطمینان خواهد بود. جدول 4 نتایج مربوط به تحلیلهای فوق را نشان می‌دهد.

جدول 4_ضریب ایمنی بدست آمده از تحلیل توسط نرم افزار

 

شکل 4_مقطع 2 بهمراه سطح لغزش بدست آمده از نرم افزار

بررسی شیب دیواره در قسمت سنگی
اطلاعات موجود در ضمیمه مشخصات ژئومکانیکی محدوده معدن 3 گل گهر بسیار کم و ناقص می‌باشد. اما با توجه به وجود معدن 1 در نزدیکی ‌این معدن و یکسان بودن خواص لیتولوژیکی سنگها در محدوده دو معدن می‌توان در ‌این مرحله جهت انجام تحلیل پایداری، در مدلها از خواص معدن شماره یک استفاده کرد. جهت بررسی وضعیت پایداری دیواره در قسمت سنگی، دو نکته مهم مورد بررسی قرار گرفت:
الف) توجه به ریزشهایی که تحت کنترل ساختاری می‌باشند
ب) بررسی پایداری دیواره نهایی بطور کلی

الف- بررسی ریزشهایی که تحت کنترل ساختاری می‌باشند.
وجود پوشش آبرفتی مانع از برداشتهای زمین‌شناسی سطحی شده است. و اطلاع دقیقی از وضعیت دسته درزها در محدوده ‌این معدن وجود ندارد اما با توجه به شواهد موجود و گمانه‌های حفاری شده یک سری از گسلها شناسایی شده است که در شکل (5) آورده شده است. شیب ‌این گسلها نزدیک به قائم است و از شیب دیواره نهایی معدن بیشتر است بنابراین شرایط ‌ایجاد شکست صفحه‌ای بوجود نخواهد آمد و همچنین در بیشتر موارد امتداد گسلها با امتداد دیواره‌ها موازی و یا تقریباً موازی نمی‌باشد. با توجه به موقعیت کاواک و گسله‌ها احتمال تشکیل گوه‌هایی در دیواره‌ها وجود دارد به همین منظور هر دیواره به همراه گسلهایی که در دیواره قرار می‌گیرند بر رو شبکه استریونیت رسم گردید و احتمال شکستهای گوه‌ای بررسی گردید. بیشترین احتمال ‌ایجاد گوه‌ای در دیواره شمال غربی با برخورد گسل 1 و 2 با دیواره می‌باشد. شکل(6) موقعیت‌ این دو گسل و دیواره معدن را بر روی شبکه استریونیت نشان می‌دهد همانطور که از‌این شکل پیداست در ‌این دیواره گوه‌ای تشکیل می‌شود اما شیب خط فصل مشترک دو دیواره گوه بر خلاف شیب دیواره می‌باشد و احتمال لغزش آن در‌این شرایط وجود ندارد. مطالعات انجام شده در محدوده معدن 1 نشان داده است دو دسته درزه غالب با شیب نزدیک به 60 درجه در منطقه وجود دارد. امتداد ‌این دسته درزه‌ها تقریباً شرقی غربی می‌باشد و مشخصات پرشدگی‌ها شامل کلریت، کلسیت در سنگ درون‌گیر و تالک سرپانتین در داخل ماده معدنی می‌باشد[4]. چنانچه ‌این درزه‌ها در محدوده معدن 3 وجود داشته باشند با توجه به شیب و امتداد آنها می‌توان ریزشهایی از نوع واژگونی را در دیواره شمالی و جنویی انتظار داشت.

شکل 5_مرز کانسار طرح 15 ساله و گسل های شناسایی شده در محدوده معدن 3

 

شکل 6_وضعیت پله های طرح 15 ساله و گوه های تشکیل شده در دیواره ها

ب- مدل سازی عددی دیواره
بمنظور بررسی وضعیت پایداری کل دیواره از نرم‌افزارFLAC کمک گرفته شد هنوز مطالعات جامعی در ارتباط با خصوصیات ژئوتکنیکی منطقه انجام نشده است لذا خواص ژئومکانیکی محدوده معدن 3 در دست نیست. جهت انجام تحلیل با فرض یکسان بودن خواص ژئومکانیکی محدوده معدن 1 با معدن 3 از‌این خواص کمک گرفته شد. مشخصات ورودی به نرم‌افزار در جدول(5) دیده می‌شود.

جدول 5_مشخصات ورودی به نرم افزار flac 5

شکل (7) مدل بکار رفته در نرم‌افزار را نشان میدهد. تحلیل با ‌این نرم‌افزار در شرایط اعمال شده به آن حاکی از پایداری دیواره دارد اما همانطور که از شکل(8) پیداست جابجائیها در قسمت خاکی زیاد میباشد.
شکل(9) اختلاف تنشهای اصلی را نشان می‌دهد همانطور که در شکل پیداست تمرکز تنش بطور جزئی در پاشنه شیب وجود دارد.

شکل 7_مدل آماده شده جهت تحلیل توسط flac

 

شکل 8_جابجایی های بست آمده توسط نرم افزار flac

 

 

 

 

شکل 9_تفاوت تنش های اصلی در دیواره بعد از حفاری
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   نتیجه گیری:
     &#-3978;نتایج تحلیلهای تعادل حدی دیواره نشان می‌دهد وضعیت آب بعد از شکل گرفتن دیواره عامل مهمی‌در پایداری یا عدم پایداری دیواره خواهد بود.
   &#-3978;اگرچه با وجود پوشش آبرفتی از وضعیت شکستگیها اطلاع دقیقی در دست نیست اما امکان ‌ایجاد شکستگی گوه‌ای در دیواره شمال غربی وجود دارد. بخصوص ‌اینکه مرز باطله و ماده معدنی بعنوان سطح سوم‌این گوه عمل خواهد کرد.
   &#-3978;در صورت تداوم دسته درزهای شناسایی شده در منطقه معدن 1 در منطقه معدن 3 می‌توان ریزشهایی از نوع واژگونی انتظار داشت.
   &#-3978;تحلیل عددی نشان می‌دهد دیواره بطورکل پایدار می‌باشد. اما در قسمت خاکی جابجائیها زیاد می‌باشد.
   &#-3978;ضروری است جهت شناسایی گسلهای بزرگ و وضعیت آب زیر زمینی در منطقه مطالعات ژئوفیزیکی انجام شود.
  
   &#-3978;اطلاعات و دادهای ژئومکانیکی محدوده معدن 3 ناقص و کم می‌باشد لازم است مطالعات تکمیلی بیشتری انجام شود. با توجه به پوشش آبرفتی لازم است گمانه‌هایی با اهداف ژئوتکنیکی حفاری گردد بخصوص ‌اینکه ضروری است به منظور شناسایی موقعیت و وضعیت درزه‌ها در منطقه از گمانه‌های جهت یای (Core Oriented) شده استفاده شود
  
   تقدیر و تشکر
   لازم می‌دانم از مدیریت منابع انسانی و بهره‌وری و کلیه کسانی که ‌اینجانب را درتهیه مقاله یاری کردند تشکر و قدردانی کنم.

 

 

 

در موضوع: مهندسی محیط زیست معدنی
مدل سازى انتشار آلودگیهاى نفتى در خاکهاى ماسه اى رس دار با استفاده از روش اجزاء محدود
   خلاصه مطالب:
     چکیده
   مطالعات انجام شده نشان مى دهد که یکى از مسائل مهم در آلودگى های نفتى، ماندگاری این مواد در زمین مى باشد. لذا در برخى از موارد بعد از صرف هزینه های هنگفت جهت پاکسازی منطقه از مواد نفتى، بعد از گذشت چند سال دوباره این مواد اثرات منفى خود را در منطقه نشان داده اند که این اثرات عمدتا ناشى از آزاد شدن مواد به دام افتاده در داخل زمین مى باشد. در این تحقیق نیز سعى شده است تا این مسئله به صورت آزمایشگاهى و با استفاده از یک مدل فیزیکى مورد بررسى قرار گرفته و نتایج آن با نتایج حاصل از مدل ریاضى MOFAT مقایسه شود. نتایج ضمن اینکه به فهم بهتر حرکت آلودگى در محیط خاک با لنز رسى کمک نمود، میزان انطباق نسبتا" خوب مدل ریاضى با نتایج آزمایشگاهى نشانگر میزان دقت کار و کارایی نرم افزار به کار رفته مى باشد.
   واژه هاى کلیدى: مدلسازى، آلودگى نفتى، اجزاء محدود، لنز رسى
  
   پیش گفتار:
     مقدمه
   انتشار مواد شیمیایی در محیط اطراف، همواره مشکلات فراوانى را به همراه داشته است که یکى از مهمترین آنها در خصوص آلودگى های آلى، ماندگاری این مواد در محیط اطراف مى باشد که این تاثیر در مورد مواد نفتى بیشتر نمود پیدا مى کند. این ماندگاری مواد باعث ایجاد مشکلات آتى بسیاری شده است که در برخى موارد هزینه های صرف شده جهت پاکسازی منطقه را به هدر داده است. لذا در مورد برنا مه های پاکسازی مناطق آلوده شده مهمترین قدم توجه به چگونگى حرکت و تجمع این مواد در زیر سطح زمین مى باشد. مواد رسى به دلیل ویژگیهای ذاتى خود با جذب مواد نفتى وارد شده به زمین و به اصطلاح به دام انداختن آنها باعث نگهداشت این مواد مى شوند و زمانیکه بارش سنگینى در منطقه صورت گیرد و یا سطح آب زیرزمینى بالا آید، مواد نفتى از رس جدا شده و وارد چرخه آب زیرزمینى منطقه مى شوند و دوباره آلودگى اثرات خود را نشان مى دهد. هرچه تجمع مواد رسى بیشتر باشد تجمع مواد نفتى نیز بیشتر مى گردد که این تجمع در اطراف لنزهای رسى به او، خود مى رسد [4] لذا شناسایی لنزها و بررسى نحوه تجمع مواد نفتى، ضامن کارآمد بودن فعالیت های انجام شده جهت پاکسازی منطقه مى باشد. در این تحقیق سعى شده است این پدیده مورد بررسى قرار گیرد و در ضمن با استفاده از یک مدل عددی نسبت به شبیه سازی حرکت مواد نفتى در محیط غیرهمگن خاک اقدام گردد.

 

  
  
   متن اصلی:
     روشها و مواد
مدل فیزیکى
در مورد مدل فیزیکى بعد از بررسى کارهای مشابه انجام گرفته در این زمینه [1] و [2] اقدام به ساخت یک جعبه شیشه ای به ابعاد 9* 50* 180 سانتیمتر شد که در داخل یک چهارچوب فلزی قرار گرفته بود. در دو طرف جعبه محفظه ای به عرض 25 سانتیمتر برای ایجاد بار آبی و شیب هیدرولیکى مناسب در داخل خاک در نظر گرفته شد. برای جلوگیری از حرکت دانه های خاک به خار، از جعبه و ورود آب بداخل آن از صفحات ژئوتکستایل استفاده گردید. بدین ترتیب که روی دیواره های جانبى که دارای ابعاد 8/8* 50 سانتیمتر بودند تا ارتفاع 15 سانتیمتری سوراخ هایى به قطر 1 میلیمتر ایجاد گردید و سپس روی این سوراخ ها را با روکش هایی از ژئوتکستایل پوشانده شد. روی این دیواره های جانبى در ارتفاع های 10 سانتیمتر در سمت چپ و 65/8 سانتیمتر در سمت راست، سوراخهایی به قطر 1 سانتیمتر ایجاد گردید تا آب از داخل فضاهای در نظر گرفته شده سرریز شود و در نهایت در داخل جعبه شیب 1% ایجاد شود. شکل 1 مدل فیزیکى ساخته شده را نشان مى دهد.
فضای موجود در داخل محفظه شیشه ای از ماسه ای با اندازه تقریبى 25/0 میلیمتر پر گردید. برای به دست آوردن مقدار ماسه ای که بتوان این جعبه را در ابعاد 9*45*135 سانتیمتر پر کند نیاز به 89 کیلوگرم ماسه خشک بود که برای به دست آوردن این مقدار ماسه در حدود 980 کیلوگرم ماسه رودخانه ای شسته شده از الکهای مختلف عبور داده شد که در نهایت ماسه های رد شده از الک های با مش 50 (33/0 میلیمتر) و مانده روی الک مش 60 (25/0 میلیمتر) انتخاب گردید و مواد رد شده از مش 220 به عنوان مواد تشکیل دهنده لنزهای رسى در نظر گرفته شد. گوشه سمت چپ پایین جعبه مبداء اندازه گیری نقاط در نظر گرفته شد. در ارتفاع 14 سانتیمتری از کف جعبه و به ضخامت 2 سانتیمتر و طول 15 سانتیمتر لنز رسى اول قرار داده شد طوری که وسط لنز رسى در مختصات طول 5/57 و ارتفاع 15 سانتیمتری از نقطه مبداء قرار گرفته باشد. در ارتفاع 32 سانتیمتری، لنز رسى دوم با ضخامت 2 سانتیمتر و طول 15 سانتیمتر قرار داده شد بطوریکه وسط لنز رسى دوم در مختصات 5/72 سانتیمتری و ارتفاع 45 سانتیمتری قرار بگیرد. جعبه تا ارتفاع 45 سانتیمتری پر گردید. در شکل 2 یک تصویر شماتیک از جعبه ساخته شده به همراه محل لنزهای رسى و شیب هیدرولیکى ایجاد شده نشان داده شده است.
 
شکل 1- تصویر کلی جعبه مورد استفاده برای مدلسازی

مخزن بتدریج از کف اشباع گردیده و سپس سوراخ های زهکشى باز شده تا آب بتدریج تخلیه گردد. جعبه برای 48 ساعت بدین شکل رها شد تا سطح آب و رطوبت داخل خاک به حالت تعادل برسد و شیب هیدرولیکى نشان داده شده در شکل تشکیل شود. سطح اشباع در ارتفاع بالاتری نسبت به سطح آب طرفین قرار گرفته است که این پدیده ناشى از اثر مویینگى مى باشد.
پس از اینکه شرایط مورد نظر ایجاد شد، آلاینده وارد گردید. در این آزمایش از گازوئیل به عنوان ماده آلاینده بدلیل اینکه دارای میزان تبخیر پذیری پایینى مى باشد و هم میزان ماندگاری آن در محیط بالا است، استفاده گردید. مقدار 2 لیتر گازوئیل در کل آزمایش استفاده شد که برای رنگى کردن آن از 30 سانتیمتر مکعب رنگ زرد روغنى استفاده شد.
 
شکل 2- جعبه شیشه ای پرشده به همراه لنزهای رسی و شیب هیدرولیکی (ابعاد به سانتیمتر)

در مورد وارد کردن آلاینده از یک جعبه به ابعاد 5*5/7*10 سانتیمتر استفاده گردید تا از انتشار جانبى ماده جلوگیری شود. این جعبه در وسط محفظه شیشه ای قرار داده شد تا شرایط تقارن برقرار باشد. در مورد نحوه وارد کردن ماده نیز سعى گردید تا ارتفاع گازوییل در داخل محفظه ورودی در ارتفاع ثابتى نگه داشته شود. برای افزایش میزان دقت اقدام به رنگى گردن آب گردید تا مرز بین آب و گازوئیل آشکارتر باشد که برای این کار از ماده اسید فوشین استفاده شد که باعث گردید تا آب به رنگ بنفش در آید. گازوییل مورد استفاده(2 لیتر) در مدت زمان 20 دقیقه وارد محیط گردید و بعد از 20 دقیقه اولین مرز پیشروی گازوئیل در خاک رسم گردید. سپس در دقیقه 25 مرز دوم و به همین ترتیب در زمانهای 30، 45، 60، 70، 80 و 100 دقیقه مرزهای پیشروی آلاینده مشخص و بروی شیشه جلویی جعبه رسم شد. در دقیقه 100 آزمایش متوقف شد و بلافاصله برای جلوگیری از تبخیر نمونه اقدام به نمونه برداری از محلهای مشخص گردید. 10 نمونه مربوط به ماسه و 2 نمونه مربوط به 2 لنز رسى تهیه شد. بعد از برداشت نمونه زمانهای برداشت نمونه و وزن نمونه به همراه ظرف مربوطه تا دقت 01/0گرم یادداشت گردید که موقعیت محل های نمونه برداری در شکل 3 نشان داده شده است.
در طى انجام آزمایش عکس هایى از جعبه و نحوه انتشار آلاینده و منحنى های رسم شده برروی شیشیه جلویى و شیشه پشتى جعبه برداشت گردید که در آنها وضعیت تقریبا" مشابهى ایجاد شده بود که نشان دهنده این مطلب است که فرض دوبعدی بودن جریان در محفظه شیشه ای صادق بوده است. شکل 4 یک نمونه از تصاویر گرفته شده را به همراه خطوط انتشار آلاینده را تا دقیقه 60 نشان مى دهد. پس از برداشت نمونه ها و توزین آنها با دقت مورد نظر، برای مدت 24 ساعت در دمای 108 درجه سانتیگراد قرار داده شد تا گازوئیل موجود درنمونه به طور کامل تبخیر شود و مجددا نمونه ها به همراه ظرف های مربوطه وزن گردید تا میزان گازوییل موجود در نمونه ها تعیین شود.
 
شکل 3- محلهای نمونه برداری از محفظه

مدل ریاضی
جهت شبیه سازی نتایج بدست آمده از آزمایش، از نرم افزار MOFAT [5] استفاده گردید. این نرم افزار توسط سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا تهیه شده است. اساس کار این نرم افزار بر روش اجزاء محدود و حل معادله حرکت آب، آلاینده و هوا بصورت سه فاز جدا مى باشد. این معادلات عبارتند از:
 
فرمول1_2_3

که در این روابط بار هیدرولیکى فاز که بترتیب آب(w)، آلایند(w) و هوا (a) مى باشد، ضریب هدایت هیدرولیکى فاز ، ، درجه اشباغ فاز ، مقدار خروجی و یا ورودی فاز و x و z محورهای مختصات در جهت افقی و قایم می باشند.
محدوده ای از جعبه که حاوی ماسه بود، در المان بندی دخالت داده شد. برای این کار نیز گوشه سمت چپ پایین محفظه به عنوان نقطه مبنایی انتخاب شد. ابعادی که در المان بندی منظور شد برابر با 42*140 سانتیمتر بود. با توجه به محدودیت نرم افزار MOFAT که تنها با المان های مستطیلى کار مى کند، این نوع المان برای محاسبات انتخاب گردید. برای افزایش میزان دقت کار مناطق بحرانى (مرز بین ماسه و رس و محل وارد کردن ماده نفتى) با المان های ریزتری تقسیم بندی گردید که در نهایت برای المان بندی از 36 المان در راستای محور X و 35 المان دیگر در راستای محور Y استفاده شد
 
شکل 4: منحنى های رسم شده که نشاندهنده مرز نفوذ گازوییل در داخل ماسه مى باشد. اعداد بیرون منحنى های نشان دهنده زمان سپری شده از شروع آزمایش مى باشند.

در مورد داده های ورودی نیاز به تعیین برخى از ویژگیهای ماسه و لنزهای رسى نظیر نفوذپذیری و رطوبت پس ماند مى باشد. برای تعیین نفوذپذیری در مورد ماسه از روش بار ثابت استفاده شد که میزان نفوذپذیری برابر با 3-10*3/2 سانتیمتر در ثانیه به دست آمد. برای تعیین میزان نفوذپذیری لنز رسى نیز از روش بار افتان استفاده گردید که مقداری برابر با 7-10*7/5 سانتیمتر در ثانیه به دست آمد.
برای تعیین میزان رطوبت پس ماند و رسم منحنى رطوبتى در فشارهای مختلف از دستگاه Pressure Membrane استفاده شد. آزمایشات انجام شده شامل اندازه گیری میزان رطوبت باقیمانده در فشارهای مختلف مى باشد که در این آزمایش از فشارهای25/0 ،5/0 ، 1، 2، 3 و 5 بار استفاده گردید و نتایج حاصله به صورت جدول 1 مى باشد.
 
جدول 1: نتایج آزمایشات مربوط به تعیین منحنى مشخصه رطوبتى ماسه مورد استفاده

همچنین از نتایج این آزمایش، میزان اشباع شدگی غیرقابل کاهش آب (Srw) تعیین شده و در مورد ماسه این مقدار برابر 01/0 درصد بدست آمد.
برای محاسبه مقدار اشباع شدگی ماده نفتی در گره های محاسباتی از بار هیدرولیکی بدست آمده از روابط 4 و 5 استفاده شده است.
 
فرمول4_5

که در این روابط و به ترتیب درجه موثر اشباع آب و کل می باشند. با استفاده از این روابط می توان درجه اشباع شدگی آب (Sw) و آلاینده (Sn) را از روابط زیر بدست آورد
 
فرمول6_7

در این روابط ضرائب و n که مربوط به خصوصیات فیزیکى و منحنى رطوبتى خاک مى باشند، با استفاده از نتایج بدست آمده از آزمایش Pressure Membrane و نرم افزار RETC [3] بدست آمدند. مقدار m از رابطه m=1-1/n محاسبه مى شود.
با استفاده از این ضرایب و ضرایب دیگری که مربوط به ویژگیهای ماده نفتى مى باشد (ویسکوزیته و چگالى) ، نرم افزار MOFAT اجرا شده که در نهایت از بین داده های خروجى مقدار اشباع شدگى و بار هیدرولیکى مربوط به آب، آلاینده و هوا در گره ها در زمان های مختلف بدست مى آید.
پس از اجرای مدل مقادیر محاسبه شده در نقاط نمونه برداری به صورت جدول 2 مى باشد. شکل شماره 5 نحوه پخش گازوئیل را که از مدل عددی بدست آمده نشان مى دهد.
 
جدول 2- نتایج نهایی حاصل از مدل فیزیکی و مدل ریاضی در مورد میزان اشباع شدگی

 
شکل 5- منحنی های رسم شده میزان درجه اشباع تا دقیقه 100

 

   نتیجه گیری:
     با توجه به نتایج حاصله می توان چنین گفت که در مناطق آلوده شده ای که به صورت پراکنده دارای مواد رسی تجمع یافته می باشند حتی در صورت حذف مواد نفتی آلوده کننده این مواد به صورت به دام افتاده در اطراف این لنزهای رسی باقی می مانند که با بارش سنگین باران و یا بالا آمدن سطح آب زیرزمینی، این مواد وارد چرخه آب محیط می شوند و به روشهای مختلف انتقال یافته و باعث گسترش آلودگی در منطقه در دراز مدت می شوند. استفاده از مدل ریاضی نشان داد که شبیه سازی این پدیده با اندازه گیری خصوصیات خاک و ماده آلوده کننده امکان پذیر بوده و از دقت نسبتا مناسبی برخوردار است. با در دست داشتن مدل ریاضی امکان بررسی سناریوهای مختلف پاکسازی و تعیین منشاء آلودگی میسر خواهد شد.

  

 

منابع:
     مراجع
   [ 1 ] . Mohammadi, K., M.H. Mousavizadeh, and R. Kahawita, (2003). "An Experimental Investigation of Infiltrating Organic Spill in a Variably Saturated Soil", Prepared foe presentation at the SPE 13th Middle East oil show & conference in Bahrain 5-8 April.
   [ 2 ] . Panday, S., Y.S. Wu, P.S. Huyakorn and E.P. Springer (1994). "A three-dimensional multiphase contamination in porous and fractured media, 2-Porous medium Simulation examples", Journal of Contaminant Hydrology, Vol. 16, 131-156.
   [ 3 ] . Van Genuchten, M.Th., F.J. Leij and S.R. Tates (1991). "The RETC Code for Quantifying the Hydraulic Function of Saturated Soil", U.S. Salinity Laboratory, U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service, Riverside, California 92501.
   [ 4 ] . McBride, J.F. (1997). "Entrapment of Non-Aqueous-phase Liquids in NAPL-Water porous media: The Residual-Funicular NAPL Saturation Relation", Center for multiphase research news, Vol. 3, Fall/Winter.
   [ 5 ] . Katyal A.K., Kaluarachchi J.J. and Parker J.C. (1991). "MOFAT: a two dimensional finite element program for multiphase flow and mult component transport, program documentation & user’s guide", Center for Environmental and Hazardous Material Studies, Virginia Polytechnic Institute & State University, Blacksburg, Virginia 24061-0404.