close
تبلیغات در اینترنت
خرید دامنه
مقاله- معدنی- پدیده نشست در معدن Your SEO optimized title
پدیده نشست در معدن
سه شنبه 24 فروردين 1395 ساعت 0:1 | بازدید : 39 | نویسنده : مجید ظفری | ( نظرات )

۱ـ مقدمه:
همانطور که می دانیم سنگ های موجود در یک منطقه از زمین در حالت عادی از لحاظ تنش ها و نیروهای وارده به یکدیگر در حالت تعادل می باشند. حال اگر عاملی باعث شود این تعادل از بین برود در اطراف این ناحیه نامتعادل شاهد دگرگونی هایی خواهیم بود. بنابر آنچه گفته شد، در اثر استخراج مواد معدنی از زیرزمین، فضاهایی متنوع از نظر شکل هندسی با ابعاد گوناگون ایجاد خواهد شد که باعث بر هم خوردگی تعادل در سنگ های اطراف این فضا می شود.

 

بیشتر این تأثیر به صورت خرد شدن سقف بلافاصله و خمش آن به سمت فضای خالی ایجاد شده نمایان می شود که با حرکت به سمت بالا و رسیدن به سطح زمین از تأثیرآن کاسته می شود. به این واکنش زمین در اثر ایجاد فضای خالی در زیر آن، پدیده نشست سطح زمین در اثر معدنکاری زیرزمینی گویند.
پس روشن است که پدیده نشست وابسته به زمان می باشد و عملی تدریجی است و با توجه به نوع سنگ سقف بلافاصله و عوامل موثر دیگر، که در قسمت های بعد درباره آنها صحبت خواهیم کرد، مدت زمان آن متنوع می باشد. در هر صورت پس از گذشت مدتی از استخراج ماده معدنی نشست به صورت جابجایی های قائم و افقی در سطح زمین و در محدوده معینی ظاهر می شود وبه مرور زمان مقدار آن افزایش می یابد تا به حداکثر مقدار خود برسد.
ارتباط دهی تمام پارامترهای مؤثر بر عمل نشست سطح زمین بسیار مشکل و پیچیده است زیرا از یک طرف با شرایط متغییر لایه های پوششی از نظر جنس سقف پوششی، و شرایط ساختمانی از قبیل ضخامت لایه، شیب لایه، عمق آن، میزان رطوبت، تخلخل و.. مواجه هستیم و از طرف دیگر فضاهای هندسی ایجاد شده متنوع و دارای ابعاد گوناگونی خواهند بود که روشهای کنترل متفاوتی را ایجاب می کند.
از جمله عوامل مهم در عمل نشست سطح زمین روش استخراج ماده معدنی از زیرزمین می باشد که بر این اساس تحقیقات به دو نوع کلی تقسیم بندی می گردد. یک بخش از تحقیقات مربوط به بررسی پدیده نشست سطح زمین با توجه به روش های استخراجی ناقص مانند استخراج به روش اتاق و پایه و بخش دیگر مربوط به بررسی همین پدیده به لحاظ روش های استخراجی کامل مانند استخراج به روش جبهه کار بلند می باشد. که در این بخش به ترتیب مورد بررسی قرار خواهند گرفت. دو عامل اساسی که باعث شده است تا بررسی پدیده نشست سطح زمین در اثر معدنکاری زیرزمینی مورد توجه و اهمیت قرار گیرند عبارتند از:
۱ـ همانطور که می دانیم از جمله منابع تولید انرژی مورد نیاز بشر معادن زغالسنگ می باشد از طرفی به دلیل محدود بودن ذخایر نفت و گاز دنیا، استخراج زغال سنگ ازذخایر ان جهت تولید انرژی مصرفی ، امری اجتناب ناپذیر است . این امر مهم امکان دارد به جایی ختم شود که مجبور شویم ذخایری را استخراج کنیم که در زیر تأسیسات مختلف رفاهی و شهرها باشند و از آنجا که پدیده نشست سطح زمین عاملی ویرانگر است لذ اهمیت بررسی این پدیده کاملا روشن می شود.
۲ـ جهت رفع نیازهای کشاورزی ، دامی، صنعتی و اسکان افراد ضروری است که از سطح زمین به منظور احداث مزارع، مراتع، کارخانه ها شهرها استفاده بهینه صورت می گیرد و به دلیل وجود احتمال قرار گیری این موارد در محدوده کارهای معدنی زیر زمینی که در گذشته انجام گرفته، ضروری است برای جلوگیری یا کاهش اثرات نشست سطح زمین و خسارات احتمالی ناشی از ان پیش بینی های لازم صورت گیرد. از جمله مؤسسات و مراکزی که در زمینه نشست سطح زمین دراثر معدنکاری تحقیقاتی انجام داده اند عبارتند از:
« مؤسسه ملی زغال بریتانیا » (National Coal Board )NCB : در این زمینه دو نشریه و مقالات متعددی منتشر نموده است مبنای کار دراین مؤسسه مطالعات انجام شده در کانسارهای زغال انگلستان می باشد.
« اداره معادن امریکا » (US Bureau of Mines) نیز در این زمینه تحقیقاتی انجام داده است.

 

۲ـ نشست و انواع آن:
نشست عبارت است از فرو رفتن سطح زمین در پی استخراج زیرزمینی یک کانسار که معمولاً نشست در تمام روش های استخراج زیرزمینی و روباز با درجه های مختلف وجود دارد. نشست در اثر به هم خوردن تنش مؤثر زمین در اثر ایجاد یک فضای خالی برای استخراج ماده معدنی یا فعالیت¬های دیگر معدنکاری مانند آبکشی ایجاد می گردد.
نشست در سطح زمین ممکن است به دو صورت پیوسته یا نا پیوسته باشد:

۲ـ۱ـ نشست پیوسته یا نشست حفره ای (countinus subsidence):
به فرو رفتن آرام زمین به صورت یک منحنی و بدون ایجاد پله، نشست پیوسته گویند(شکل ۱).

شکل ۱ـ نشست پیوسته در یک پانل استخراجی جبهه کار طولانی

این نوع نشست در نتیجه استخراج جبهه کار طولانی زغال­سنگ و کانسارهای نازک، افقی و عمیق که توسط لایه ­های رسوبی ضعیف و غیر شکننده پوشیده شده­اند تشکیل می­گردد. همچین این نوع نشست در کانسارهایی گسترده مثل سولفات و کانسارهای تبخیری که در محیط های رسوبی تشکیل می­شوند نیز دیده شده است.

 

۲ـ۲ـ نشست ناپیوسته (discountinus subsidence):

به جابه جایی و فرو رفتن وسیع سطح زمین در سرتاسر ناحیه­ ای که توسط استخراج محدود شده است که معمولاً با ایجاد تشکیلات پله­ ای همراه در پروفیل سطح همراه می­ باشد را نشست ناپیوسته گویند. این نوع نشست ممکن است بصورت ناگهانی یا تدریجی اتفاق افتد. که دربعضی از روش های استخراج فلزی و با مقیاس و اندازه­ های متفاوت صورت می­گیرد. نشست ناپیوسته خود دارای انواع و مکانیسم­ های مختلفی می ­باشد که عبارتند از:

  1. crown hole (چال سری)
  2. chimney caving (تخریب رگه ­ای)
  3. plug subsidenee (تخریب دوشاخه)
  4. solution cavities (تخریب انحلالی)
  5. black eaving (تخریب بزرگ)
  6. progressive henging wall eaving (تخریب تدریجی کمر بالا)

 

شکل۳-۲ انواع نشست ناپیوسته : a) crown hole – b) chimney caving
c) plug subsidenee d) solution cavities e) black eaving
f) progressive henging wall eaving

الف‌ـ crown hole (چال سری): در اثر ریزش سقف کارگاه های روباز کم عمق متروکه و همچنین ریزش پایه ها در کارگاه های کم عمق قدیمی حالت خاصی از نشست ناپیوسته ایجاد می گردد که به آن crown hole (چال سری) گفته می شود. در واقع crown hole در اثر کاهش یافتن مقاومت پایه¬ها به مرور زمان و تحمیل با اضافی به پایه¬ها توسط تشکیلات سطح زمین که باعث ریزش پایه ها می شود، تشکیل می گردد. که در نتیجه باعث این گونه نشست می گردد.
crown hole در واقع حالت خاصی از chimney eaving می باشد که سبب نشست زمین در یک ناحیه وسیع می گردد که اثرات و پیامدهای جدی بدنبال دارد

ب ـ chimney caving (تخریب رگه ای یا تخریب لوله ای یا تخریب قیفی): در اثر حرکتت تدریجی مواد پوشاننده از میان یک حفره معدنی بدون چوبست کاری (بدون نگهداری) به طرف سطح زمین ایجاد می گردد. که محدوده ناحیه نشست سطح به طرف ابتدای استخراج
می باشد. این نوع نشست بیشتر در کانسارهایی که دارای روبازه ضعیف می باشند تشکیل می گردد.
اگر تشکیلات رگه¬ای بیشتر بصورت ناگهانی ریزش کنند احتمال ریزش آنها بصورت تدریجی کمتر باشد این پدیده را می توان به عنوان plug subsidenee (تخریب دوشاخه) نامید. عموماً این نوع نشست به وسیله ساختارهای اصلی مثل دایک یا یک گسل کنترل می گردد که سبب تشکیل یک سطح ضعیف واز بین رفتن مقاومت برشی، در بعضی از مراحل بحرانی معدنکاری می گردد. همچین انفجار هوای زیرزمین معمولاً سبب تشکیل این نوع نشست می گردد.
تخریب رگه ای همچنین بعضی وقت ها به عنوان (سنگ چال یا چال کارستی) sink hole نامیده می شود. به هر حال این عنوان برای تشریح ویژگی نشست هایی که با مرتبط با انحلال حفره هایی که از قبل در دولومیت و لیمستون ایجاد گردیده استفاده می شود. انحلال دولومیت ها و لیمستون سبب ایجاد حفره هایی در زمین می گردد که درنتیجه تخریب مواد موجود در بالای این حفره ها سبب ایجاد نشست هایی در سطح زمین می گردد که به آن solution cavities (تخریب انحلالی) می گویند.
نشست های ناپیوسته همچنین در اثر روش های تخریبی نیز اتفاق می افتد. یک نشست توده‌ای با مقیاس وسیع را در اثر روش blok caving (تخریب بزرگ) نشان می دهد و نشست سطح را در اثر شکست تدریجی کمر بالا( (progressive hanging wall caving را دریک عملیات استخراج از طبقات فرعی نشان می دهد.
در هر صورت نشست از هر نوعی که باشد پیامدهای فاجعه باری بدنبال دارد. نشست سطح زمین سبب از بین رفتن حیات در قسمت وسیعی می گردد. همچنین نشست سبب از بین رفتن قسمت های تولیدی معادن و تأسیسات مهم در سطح زمین می گردد.

 

۳ـ ریزش پیوسته ناشی از استخراج کانسارهای مسطح و لایه ای:
چنانچه کانسار لایه ای شکل در یک ماده معدنی استخراج شود طبقات فوقانی آن جهت پرکردن فضای خالی شده نشست می یابند. در صورتیکه سطح افقی مناطق استخراج شده کوچک باشد (مانند اغلب معادن فلزی) این نشست حاصل نمی گردد. بلکه بطور عمده در اثر استخراج یک سطح بزرگ نشست ایجاد می¬گردد. در این بخش نشست حاصل از عملیات معدنکاری در طبقات سنگی بالای کانسارهای لایه¬ای شکل کم شیب که طبقات پیش از ۱۵-۲۰ درجه شیب ندارند(حدود۱به۳) مورد بحث قرار می گیرد. نشست مربوط به استخراج کانسارهای فلزی بعداً مورد بررسی قرارمی گیرد.
شکل ۳ یک پانل جعبه کار بلند را در تصویر افقی همراه با یک مقطع قائم بر پانل نشان می دهد. استخراج زغال باعث فرو نشینی سقف بالا واسطه لایه می گردد. و متقاقب آن طبقات فوقانی این سقف تدریجاً پایین آمده و نهایتاً نشستی در سطح زمین پدید می آید.

شکل ۳ ریزش پیوسته دریک کانسار لایه ای و مسطح

 

 

۴ـ پروفیل نشست و اصطلاحات:

حالت کلی پدیده نشست که بصورت جابه ­جایی افقی و قائم در سطح زمین نمایان می­ شود در شکل ۴ ملاحظه می­ گردد. همان­طور که از این شکل پیداست همه جابه ­جایی­ های افقی به سمت مرکز پانل استخراجی است و در این نقطه، جابه­ جایی افقی به صفر می­رسد. جابه­ جایی­ های قائم در نقاط مرزی محدوده نشست در سطح زمین حداقل است، و با نزدیک شدن به مرکز پروفیل نشست این جابه­ جایی افزایش می­یابد تا به حداکثر مقدار خود برسد. برای مشخص نمودن مقادیر نشست علامات استانداردی در اروپا پذیرفته شده ­اند که اهم آنها بقرار زیر هستند: (شکل ۴)

شکل ۴ یک پروفیل نشست در یک کارگاه استخراج جبهه کار طولانی

M : ضخامت لایه استخراج شده
α : زاویه شیب لایه
h : عمق قائم لایه از سطح زمین
Wc :عرض بحرانی
W : عرض پانل
L : طول پانل
a : ضریب نشست که عبارتند از نسبت نشست کامل به ضخامت لایه Smax / m
ζ: زاویه حدی قائم (زاویه کشش) که عبارتند از زاویه¬ای که یک خط قائم از لبه محل استخراج شده، با خطی که از لبه محل استخراج شده تا نقطه ای که جابه جایی سطح به صفر می رسد کشیده شده، تشکیل می دهد. سطح محوطه ای که خارج از منطقه کشش قرار می گیرد تحت تأثیر عملیات معدنکاری واقع نمی شود. که این فاصله طبق تئوری الاستیک برابر یا زاویه ای به اندازه ۳۵ درجه می باشد. در بسیاری از حالات اثرات جابه جایی در خارج از زاویه کشش حدود ۲۵ درجه بحدی خفیف است که تأثیری بر روی تأسیسات سطحی ندارد. البته مقدار زاویه کشش تا حد کمی با عمق و مشخصات طبقات تغییر می کند.
γ: زاویه حدی افقی عبارت است از زاویه ای که یک خطی که از لبه محل استخراج شده تا نقطه ای که جابه جایی سطح به صفر می رسد. کشیده شده، با امتداد لایه می سازد را زاویه حدی افقی می گویند.
R : شعاع بحرانی که رابطه R=Wc / 2 بدست می آید.
Smax : حداکثر نشست ممکن که از حاصلضرب ضخامت لایه در ضریب نشست بدست می آید.
m Smax = S/m
S : حداکثر نشست در مقطع موردنظر.
Ç: نقطه عطف که بین کوژ و کاو بر روی منحنی نشست زمین نقطه در فاصله نیمی نشست حداکثر ۲/ Smax واقع شده است.

 

۵ـ عوامل نشست سطح زمین:
پارامترهای گوناگون مؤثر در پدیده نشست به سه دسته عمده تقسیم شده است:
۱ـ پارامترهای مربوط به شکل، ابعاد، عمق و چگونگی احداث فضای زیرزمین.
۲ـ پارامترهای مربوط به نوع مواد تشکیل دهنده سنگ بین فضای استخراج شده و سطح زمین مانند عوامل زمین شناسی، سنگ شناسی، در حد شیل موجود در این سنگ ها، میزان رطوبت و غیره.
۳ـ پارمتر زمان، از آنجا که پدیده نشست عملی ناگهانی نیست و بتدریج صورت می گیرد لذا اثر زمان در این پدیده بسیار مهم است.
پس بطور کلی عوامل مؤثر در نشست سطح زمین عبارتند از:
۱ـ شکل هندسی و ابعاد فضای استخراجی.
۲ـ تأثیر عرض پانل استخراج وعمق کارهای معدنی.
۳ـ ضخامت لایه وارتباط آن با کنترل سقف.
۴ـ شیب لایه
۵ـ زاویه کشش حدی قائم (زاویه کشش)
عامل پدیده نشست ترکیبی از عوامل فوق الذکر است. لذا در بررسی پدیده نشست باید همه این عوامل را مد نظر قرار دهیم در ادامه به بررسی تک تک این عوامل می پردازیم:

 

۶ـ اثر عرض پانل استخراجی و عمق کارهای معدنی:
در شکل ۵ اثر عرض و عمق کارهای معدنی را در جابه جایی سطح زمین نشان می دهد. اگر از نقطه ای مانندp بروی سطح زمین خطوطی با زاویه کشش (نسبت به خط قائم) ترسیم شود تا لایه را در نقاط B و A قطع نماید، این نقاط عرض پانلی را که در اثر استخراج آن حداکثر نشست در نقطه P حاصل می شود را معین می نماید. سطح استخراجی که دارای عرضAB باشد را سطح بحرانی یا سطح تأثیر (critical extraction) می نامند.

شکل ۳-۵ عرض بحرانی استخراج که حداکثر نشست را بوجود می آورد

استخراج یک پانل با عرض کمتر، یعنی کوچکتر از سطح بحرانی، باعث نشست کمتر از نشست حداکثر می شود در حالی که استخراج یک عرض بیشتر، یعنی بزرگتر از سطح بحرانی، باعث نشست حداکثر بیشتر از نشست حداکثر می گردد. بنابراین مقدار نشست ناشی از استخراج با ازدیاد عرض استخراج بیشتر شده تا به حد سطح بحرانی استخراج برسد. و با مقدار ثابت عرض استخراج، با ازدیاد عمق کاهش می یابد زیرا عمق بر سطح بحرانی استخراج برسد. و با مقدار ثابت عرض استخراج، با ازدیاد عمق کاهش می یابد زیرا عمق بر سطح بحرانی و زاویه کشش تأثیر می نماید. به عبارت دیگر هر چه عمق بیشتر باشد مساحت بزرگتری باید استخراج شود تا منحنی فشار لازم را جهت ایجاد نشست در سطح زمین را به وجود آورد.
تأثیر عرض پانل در این سه حالت را می¬توان در شکل۶ مشاهده نمود. شکلa6 حالتی است که عرض پانل استخراجی زیر حد بحرانی است که به آن subcritical extraction گفته می شود. این حالت زمانی اتفاق می افتد که نسبت w/h کمتر از۴/۱ باشد. شکل b6 حالت critical extraction یا حالت بحرانی را نشان می دهد این حالت زمانی اتفاق می افتد که نسبت w/h برابر با۴/۱ باشد. شکل c6 حالت فوق بحرانی یا supereritical extraction را نشان می دهد. این حالت زمانی که نسبت w/h بزرگتر از۴/۱ باشد روی می دهد. دراین حالت مقدار نشست افزایش پیدا نخواهد کرد زیرا عمق لایه ثابت بوده و تنها محدوده نشست گسترده تر خواهد شد.

شکل ۶ تاثیر عرض پانل بر روی پروفیل نشست

 

۷ـ شکل هندسی ابعاد فضای استخراجی:
همان¬طور که گفته شد در اثراستخراج ماده معدنی در زیر زمین فضای خالی ایجاد می شود تأثیر عوامل تکنونیکی و همچنین نیروی ثقل باعث کشیده شدن سنگ های پوشاننده فضای خالی به سمت داخل این فضا و در نتیجه بسته شدن آن می شوند. لذا با توجه به شکل هندسی و ابعاد فضای استخراجی و تأثیر عوامل ذکر شده، سطح زمین تغییرات متفاوتی را تحمل می کند و در نتیجه خرد شدن سقف بلافاصله، تغییرات و در محدوده گسترده ای بر روی زمین نمایان می شود.

 

۸ـ اثر ضخامت لایه و ارتباط آن با کنترل سقف:
در صورتی که عمق لایه استخراجی برای شکستن و خمیدن سنگ های فوقانی کفایت کند و عرض پانل استخراجی از حد بحرانی بیشتر باشد، سطح زمین به نسبت درصد بزرگی از ضخامت لایه فرو می نشیند. حال اگر فضای خالی با هیچگونه مواد پرکننده ای پر نشود، نشست حاصل در سطح زمین به۷۰ تا۹۰ درصد ضخامت لایه استخراجی خواهد رسید، اما در صورتی که فضای خالی ایجاد شده را با روش های دستی یا پنوماتیکی با مواد باطله خارجی پرکنیم حداکثر نشست را می توانیم تا حدود۴۵ درصد کاهش دهیم. در صورتی که فضای خالی ایجاد شده را با ماسه و به روش هیدرولیکی پرکنیم، میزان نشست را می توانیم به حداقل ممکن یعنی حدود ۳۰ درصد ضخامت لایه استخراج شده، کاهش دهیم. علت بالا بودن مینیمم(min) نشست این است که سقف بلافاصله بعداز استخراج لایه و قبل از هرگونه کاربرد مواد پرکننده سقف بلافاصله در حدود ۲۵ درصد ضخامت لایه به سمت داخل فضای خالی متمایل می شود.

 

۹ـ شیب لایه:
شیب لایه بر روی پروفیل نشست و زاویه کشش اثر می گذارد.
اثر شیب لایه ای که استخراج شده بر روی منحنی نشست این است که گودی منحنی نشست(تعقر پروفیل) را به سمت قسمت عمیق تر لایه جابه جا می کند. شکل ۷ مقطعی است که نشان می دهد چگونه ماکزیم نشست جابه¬جا شده به جای قرارگیری در بالای مرکز قسمت خالی شده، بر روی خطی که از نقطه تقاطع خط قائم بر مرکز قسمت خالی شده و سطح زمین، بطور قائم ترسیم شود قرارگرفته است، و نقاط نیم نشست نیز بطور مشابه بطرف شیب لایه جابه جا شده اند. البته در این مبحث دو نکته قابل توجه است:
۱ـ مطالب فوق فقط برای شیب های تا حدود ۱ به ۳  (۱۸ درجه معتبر) است. به احتمال قوی در شیب¬های بیشتر، میزان جابه¬جایی گودی پروفیل نشست بایستی بیشتر شده و نهایتاً به یک حدی برسد.
۲ـ اثر شیب بر روی جابه جایی نشست مربوط به عمق متوسط تا زیاد می باشد. مشاهدات واقعی نشان داده است که در عمق¬های کم ماکزیم نشست واقعاً در طرف بالا شیب مرکز پانل واقع می شود علت این امر این است که در اعماق کم قسمت فوقانی استخراج آن قدر کم عمق تر از قسمت دیگر است که مقدار بیشتری از جابه جایی در بالای آن صورت می گیرد. ولی در اعماق زیاد اختلاف عمق بین نیمه های فوقانی و تحتانی استخراج ناچیز است.
اثر لایه های شیب دار بر روی کشش حدی افقی یا زاویه شکست (γ ) را می توان به صورت زیر بیان کرد که طبق مشاهدات انجام شده مشخص شده است که زاویه کشش حدی افقی در قسمت عمیق تر با افزایش شیب لایه خوابیده تر می شود. در حالی که زاویه کشش در قسمتی که لایه نزدیک به سطح زمین است پر شیب تر می شود. که زاویه کشش لزوماً مانند سایر عوامل اصلی پروفیل نشست، نسبت مستقیم با زاویه شیب لایه ندارند.

شکل ۷ – اثر شیب لایه بر روی پروفیل نشست

 

۱۰ـ زوایه کشش حدی قائم (زاویه کشش):
تئوری الاستیک حاکی از آن است که اثر کشش تا فاصله نامحدودی از حفریات ادامه دارد، اما مشاهدات عملی نشان داده است که جابه جایی قابل اندازه گیری سطح زمین معمولاً در منطقه ای که خارج از یک زاویه کشش در حدود ۳۵ درجه واقع شده است ادامه نیافته است و در بسیاری از حالات اثرات جابه جایی در خارج از زاویه کشش حدود ۲۵ درجه به حدی خفیف است که تأثیر محلی بر روی تأسیسات سطحی ندارد. البته مقدار زاویه کشش تا حد کمی با عمق و مشخصات طبقات تغییر می کند.

 

۱۱ـ ارتباط کرنش با نشست سطح و عمق لایه:
مقدار تغییر طول نسبی در هر نقطه از سطح زمین با انحنای پروفیل سطح زمین در همان نقطه مشخص می شود. این انحنا بنوبه خود به مقدار جابه جایی قائم و میزان گستردگی عرض نشست سطح زمین بستگی دارد. بطور کلی هر چه لایه ضخیم تر باشد مقدار نشست بیشتر بوده و هرچه عمق لایه کمتر باشد میزان گستردگی نشست کمتر خواهد بود. این دو عامل تندی انحنای نشست سطح زمین را سبب می شوند. بدین ترتیب می توان گفت تغییر طول نسبی در هر نقطه مستقیماً متناسب با ماکزیم نشست و معکوساً متناسب با عمق کار معدنی بوده بنابراین داریم:

(عمق کار معدنی /  ماکزیم تنش) = کرنش

در عرض های بحرانی و کمتر از بحرانی در مورد کارهای عمیق، کرنش روی محوطه بزرگتری گسترده شده است و نقطه ماکزیم نشست از شدت کمتری برخوردار است. اما در عرضهای بحرانی منطقه فشردگی در بالای قسمت خالی شده و حوالی مرکز آن به صفر یا نزدیک به صفر می رسد.

 

۱۲ـ جابه جایی سطح زمین:
هنگامی که گودی نشست در سطح زمین تشکیل می گردد. قسمت مرکزی بطور قائم نشست پیدا می کند. اما بقیه قسمت ها علاوه بر حرکت قائم، بطرف داخل گودی نیز جابه جایی افقی نیز دارند. مؤلفه قائم حرکت سطح زمین را نشست و حرکت افقی آن را جابه جایی می نامند.
هنگامی که نقاط مختلف سطح زمین به نسبت های مختلف جابه جایی افقی پیدا می کند بر حسب اینکه نقطه داخلی یا نقطه خارجی سریعتر حرکت نمایند. زمین دچار کشش یا فشردگی افقی خواهد شد. چون قسمت مرکزی حرکت افقی ندارد، اما نقاط اطراف آن بطرف داخل حرکت می کنند. بنابراین واضح است که قسمت مرکزی منحنی نشست متعاقباً تحت فشردگی قرار خواهد گرفت. مشابهاً چون نقاط حاشیه خارجی منحنی نشست حرکت افقی ندارند، زمین بین این نقاط و لبه های استخراج، بایستی بطور افقی دچار کشش شوند. در واقع نقطه ای که در آنجا کشش به صفر رسیده و فشردگی آغاز می شود. که کم و بیش معادل نقطه نیم نشست بر روی پروفیل نشست می باشد.

۱۳ـ محاسبه مقدار نشست سطح زمین:
دو روش جهت تعیین مقدار نشست در سطح زمین وجود دارد که عبارتند از:
۱ـ روش تجربی (با استفاده از نمودار).
۲ـ روش نظری (با استفاده از فرمول).

که به بررسی و شرح آنها می پردازیم.

 

۱۳ـ۱ـ روش تجربی تعیین نشست سطح زمین:
جامع ترین و پرکاربردترین روش تجربی تعیین نشست سطح زمین توسط مؤسسه ملی زغال بریتانیا (NCB) ارائه شده است.در این زمینه در نشریه و مقالات متعددی توسط این مؤسسه منتشرشده است‌که مبنای کار مطالعات انجام شده درکانسارهای زغال انگلستان می باشد.
اساس این روش بر مبنای مجموعه ای از داده ها و اطلاعات مربوط به نشست که از بیش از ۱۵۷ پانل استخراجی long wall که از۵۰ معدن مختلف در سرتاسر بریتانیا بخصوص میدلند و یورک شیر برداشت شده است بنا نهاده شده است. که رنج پانل¬های برداشت شده در عمق هایی بین۲۴ تا۸۳۳ متر واقع شده بودند و نسبت عرض به عمق (w/h) آنها از ۰/۱۶ تا بیش از ۴  می باشد.
از این داده ها چندین جدول و گراف برای تعیین و پیش بینی نشست سطح زمین بدست آمد. مهمترین گراف، گراف ۱ می باشد. که برای بدست آوردن ماکزیمم نشست(smax ) می باشد. این گراف توسط آلن و اورچارل ارائه گردید. با این گراف با توجه به عرض پانل و عمق کار معدنی می توان ضریبی تحت عنوان ضریب نشست(s/m) را بدست آورد که از حاصلضرب این ضریب در ضخامت لایه استخراجی(m) می توان ماکزیم نشست را با دقت۱۰+ و۱۰- بدست آورد:
(مقدار کل نشست) Smax = s/m × m

 

نمودار ۱ – ضریب نشست در نسبت های مختلف عرض به عمق

در برخی حالات ممکن است که پانل با عرض معین باندازه کافی پیشروی ننموده تا نشست کامل را حاصل نماید بنابراین منحنی ۲ جهت تصحیح در موارد پیشروی محدود ارائه شده است در این حالت می بایست مقدار s/m بدست آمده از منحنی اول را در ضریب بدست آمده از (s/s) منحنی دوم ضرب نمود. بنابراین مقدار کلی نشست از رابطه زیر بدست می آید:
(مقدار کل نشست) smax = m × s/m × s/s
البته این‌ نکته قابل ذکراست‌که این‌گراف ها برای‌ پانل های مستطیل شکل‌ و تنها کاربرد دارد.

نمودار ۳-۲ منحنی تصحیح برای پیشروی محدود

 

۱۳ـ۲ـ محاسبات نظری جهت تعیین نشست:
جهت محاسبه نظری نشست چندین فرمول و تابع توسط دانشمندان و مؤسسات مختلف ارائه شده است، که مهمترین آن به قرار زیر می باشد. این  تابعی که توسط فردی به نامmarr ارائه گردیده است، marr مهمترین عواملی که بر مقدار نشست در هر حالت را به دو گروه عوامل ثابت و عوامل غیر ثابت تقسیم می کند. که عبارتند از:

۱۳ـ۲ـ۱ـ عوامل ثابت:
۱- ضخامت و شیب لایه ای که کار می شود.
۲- عرض جعبه کار.
۳- مسافتی که جعبه کار پیش روی می نماید.
۴- نسبتی که برای پر کردن یا بستن جعبه کار استخراج شده عمل می کند.
۵- عمق جعبه کار نسبت به سطح زمین.

۱۳ـ۲ـ۲ـ عوامل غیر ثابت:
۱- خصوصیات طبقات بین لایه و سطح زمین.
۲- وجود مناطق کار شده قبلی در همان لایه.
۳- وجود فضای خالی شده در بالا و پایین لایه ای که کار می¬شود.
۴- وجود گسل های بزرگ.
Marr با در نظر گرفتن عوامل فوق رابطه ای را برای تعیین نشست ارائه کرده است.

 

۱۴ـ عامل زمان درجابه جایی زمین:
دانستن آنکه نشست در چه مرحله ای اززمان استخراج شروع وبه پایان می رسد و یا به عبارت دیگر چه مدت طول می کشد، نشست گسترش یابد، و در ارتباط با استخراج لایه زغال چه مدت ادامه خواهد یافت. و همچنین ساختمان ها چه موقع احتمالاً برای اولین بار تحت تأثیر نشست قرار می گیرد و چه موقع خسارت احتمالی در شدیدترین وضعیت خواهد بود بسیار مهم می باشد.
Waradil بطور خلاصه ارتباط بین نشست سطح زمین و استخراج لایه زغال را در نمودار ۴ ارائه داد. Waradil اعتقاد دارد بمجرد آنکه جبهه کار استخراج زغال سنگ در حال پیشروی به منطقه بحرانی در سطح زمین برسد، نشست در آن نقطه شروع و با پیشروی استخراج ادامه پیدا می کند که به آن نشست فعال می گویند.
یک منحنی تیپیک نشست در شکل ۴ نمایش داده شده است. نشست قابل اندازه گیری و فنی شروع می شود که جبهه کار حدوداً به فاصله سه چهارم برابر عمق(h 0/75) از نقطه سطحی p برسد، و هنگامی که جبهه کار به نقطه ای که در امتداد یک خط قائم که به p روی لایه باشد. برسد سطح زمین تقریباً ۱۵ درصد ماکزیمم نشست احتمالی، نشست خواهد یافت. در حدودh 0/8  بعد از این نقطه نشست، با تقریب چند درصد، واقعاً تکمیل می گردد. زمانی که لازم است تا نشست پدیدار گردد کاملاً بستگی دارد به زمانی که جبهه کار برای عبور کامل از منطقه بحرانی لازم دارد. و این خود به عمق کار و زاویه کشش و همچنین سرعت پیشروی بستگی دارد.
برای لایه های کم عمق سطح بحرانی کوچکتر است تاحدی که، برای یک سرعت معین پیشروی نشست خیلی زودتر از لایه های عمیق تر از تکمیل می گردد. همچنین لازم است تعداد جبهه کارهائی که برای استخراج کامل منطقه بحرانی ضروری است مورد نظر قرار گیرد. یک جبهه کار ممکن است فقط قسمتی از منطقه را برداشت کرده و جبهه کار یا جبهه کارهای دیگری جهت تکمیل استخراج بحرانی لازم است. هر جبهه کار هنگام عبور از منطقه بحرانی نشست فوق العاده ای را بوجود می آورد، و احتمالاً بهمین دلیل بوده که در گذشته مهندسین معدن تحقیق می کردند نشست زمین چندین سال پس از استخراج پدیدار می گردد.
مشکل است بتوان دقیقاً تعیین نمود که چه مدتی طول می کشد تا جابه جایی از محل استخراج به سطح زمین منتقل شود، و یا تا چه مدتی پس از توقف استخراج نشست ادامه پیدا می کند. هر چند مشاهده شده که هنگام توقف موقتی کار، مثلاً یک روز تعطیل، سرعت نشست در داخل محوطه تأثیر آن جبهه کار تقریباً یکباره کند میشود. همچنین مشاهده شده که هنگامی که یک جبهه کار پیشرو ودر مرز نهایی خود متوقف میشود، نشست سطح زمین تقریباً فوری کند شده و معمولاً برای چند روز، با احتمال قوی برای چند هفته متوقف می شود.

منحنی ۴ – تاثیر زمان بر روی میزان نشست

 

 

۱۷ـ خسارات ناشی از حرکات زمین

خسارات وارده پاره­ای بعلت مؤلفه قائم و پاره­ای ناشی از مؤلفه افقی جابه­ جایی سطح زمین است. مؤلفه قائم موجب پایین آوردن سطح زمین گردیده، و سبب نشست تدریجی یا سراشیبی می­گردد. که می­ تواند زیان­ آور و یا حتی برای ساختمان ها خطرناک باشد. سراشیبی­ های حاصل از نشست معدنکاری اغلب از حدود۱ به۵۰ تجاوز نمی­ کنند، حتی اگر کار کم عمق باشد. در کارهای عمیق این شیب­ ها خیلی کوچک می­شود. مثلاً ماکزیم شیب نشست روی کار لایه ­ای به ضخامت ۱/۵ متر و در عمق۹۰۰ متری تا۱ به۴۰۰ می­رسد. بارزترین اثر جابه­ جایی می­توان بصورت تأثیر بر روی جریان کانال ها، روی خانه­ ها و نهرها، فاضلاب­ ها مشاهده کرد. این­ها شرایطی هستند که معمولاً با هزینه­ های معقولی قابل مرمت هستند.

جابه ­جایی بعدی خودش مخرب آبادی های سطح زمین نیست. اگر زمین در محوطه وسیعی بصورت یک واحد حرکت کنند، آن وقت ساختمان های واقع در آن محوطه دچار کشیدگی یا فشردگی نخواهد شد. اما این جابه­ جایی افقی متعاقب آن است که تغییر طول سطح زمین را بوجود آورده (کشش یا فشاری) که باعث بیشترین خسارات به ساختمان های سطحی می­ شود. این کرنش ممکن است به۸/۰ یا حتی یک درصد در موارد استثنایی در بالای کارهای کم عمق برسد، اما معمولاً حدود ۰/۲۵ درصد یا کمتر است. متخصصین نشست معمولا تغییر طول ۰/۲۰ درصد را بصورت۲ میلی­متر بیان می­ کنند، و همچنین بصورت ۰/۲۰۰ متر نیز نوشته می­ شود. با این شدت کرنش، یک ساختمان به طول۵۰ متر۱۰۰ میلیمتر کشیده شده یا کوتاه می­ شود.

 

 

۱۸ـ خسارات وارده بر ساختمان ها

میزان خسارت وارده بر ساختمان متناسب با کرنش حاصله در سطح زمین بوده، ولیکن علاوه بر آن به اندازه و نحوه ساخت ساختمان، شکل آن و درجه اطمینان در زمین بستگی دارد. البته مهمترین عامل جهت تعیین میزان خسارات وارده اندازه ساختمان است. مثلاً ساختمانی به طول۵۰ متر بایک کرنش۲ میلیمتر در متر باندازه ساختمانی بطول۱۰۰ متر یک کرنش۱ میلیمتر در متر خسارت خواهد دید (این مثال بیش از حد ساده شده است، اما نسبت­ های خسارات را نشان می­دهد).

یک ساختمان بخصوص برحسب موقعیت روی منحنی نشست ممکن است تحت تأثیر انحناء مقعر یا انحناء محدب واقع شود. در حالتی که عمق کار خیلی کم باشد انحناء فقط روی ساختمان های طویل قابل رؤیت است، مثلاً دریک ردیف خانه چنانچه کرنش جهت ایجاد یک شکاف بزرگ به اندازه کافی زیاد باشد. انحناء باعث خواهد شد که شکاف در قسمت فوقانی عریض­تر از قسمت تحتانی گردد.

 

 

۱۹ـ احتیاط­ ها و تمهیدات برای کاهش خسارت در سطح زمین

۱۹ـ۱ـ لوله­ کشی­ های آب و مایعات

اغلب موردی است که مسئولین خدمات عمومی محلی باید بدان توجه نمایند، بطوری که مهندسین آنها بتوانند مراقبت­ های لازم را از پیش بعمل آورند. مشکلات عمده تغییر سطوح تراز است که جریان طبیعی را در لوله­ های شیب­دار یا کانال­ ها، رودخانه­ ها وغیره مختل می­ نماید؛ و تغییرات طول ها که در حالت فشاری باعث خمیدگی لوله­ ها شده و در حالت عکس باعث کشیدگی آنها می شود.

ممکن است لازم باشد، ترجیحاً قبل از شروع استخراج، که دیواره کنار رودخانه­ ها و کانال ها بالا آورده شوند تا سطح باز جهت ترازهای جدید افزایش یابد. بستر آنها ممکن است شکاف برداشته و آب بدرون خاکریزی­ ها (یا درون کارهای کم عمق) تراوش نماید. گل رسی جهت اندود کردن کف کانال ها، رودخانه­ ها یا استخرها می­توان بکار برد، یا گاهی ممکن است دوغاب بنتونیتی (رس های طبیعی بادکننده) تزریق شود. یک روش جدید استفاده از ورقه­ های جوش شده P.V.C جهت پوشش در طول قسمته ای تحت تأثیر قرارگرفته می باشد. گذراندن آستر پلاستیکی بخصوص برای محافظت استخرهای ذخیره کشاورزان مناسب بوده، و جهت پوشش منابع کوچک مورد استفاده قرار گرفته است.

لوله ­های کارهای مختلف با تعبیه اتصالات تلسکوپی بایست اصطحکاکی که انواع متعدد اختصاصی آنها در دسترس است، قابل حفاظت هستند. این انواع غالباً جهت مقابله با موج انتقالی حاوی استخراج قابلیت انعطاف کافی دارند، اما در بالای حاشیه­ی جانبی یک لایه ضخیم ممکن است نصب لوله خرطومی قابل انعطاف ضروری باشد. بالاخص در حالتیکه یک گسل وجود داشته باشد که در آن صورت ایجاد یک پله تیز در سطح زمین خواهد نمود.

در بعضی موارد ممکن است لازم باشد، برای خطوط لوله با فشار کم مثلاً فاضلاب تأسیسات موقتی پمپاژ احداث گردد. لوله­ های با اتصالات مخصوص را میزان یا بصورت آزاد در روی زمین قرار داد و یا روی بستر دانه­ ای، مثلاً کش یا براده فلزات در زیر زمین نصب نمود، در صورت نصب در زمین سخت ممکن است بشکنند.

 

 

۱۹ـ۲ـ راه­ ها و پل ­ها

هنگامی که لایه­ های کم عمق استخراج شوند، جاده­ های روی سطح ممکن است با پیچ ­ها و شیب های تند تغییر شکل دهند. تا زمانیکه تعمیرات صورت نگرفته لازم است مقررات موقتی سریعاً مورد اجرا گذاشته شود. پل­ ها مشکل اساسی هستند. پل­ های جدید که روی پاشنه­ های محوری با شانه ­های انبساطی در هر انتها ساخته می­ شوند خیلی خوب هستند.

 

۱۹ـ۳ـ ساختمان های کوچک

اینگونه ساختمان ها را می­توان بر روی یک کلاف بتونی یکپارچه بنا نهاد. بطوری که بتوانند بر اثر حرکت موج نشست تماماً کج شده بدون اینکه آثار شکستگی در ساختمان ظاهر شود. ساختمان های کمی بزرگتر را می­توان بر روی کلاف­ های سلولی ساخت. شن، ماسه یا سایر مواد کاهنده اصطحکاک بایستی بین کلاف و سطح زمین قرار داده شود.

 

۱۹ـ۴ـ مدارس، کارخانه ­ها و غیره

اینگونه ساختمان ها را میتوان بصورت یکسری واحدهایی که یا با قاب های جفتی بهم متصل شده ویا گاهی بار فنری دارند، و یا بصورت بلوک ­های مجزا از هم که فاصله کوچکی بدون هوا (درز) بین آنها است احداث نمود. هدف اصلی جلوگیری از ایجاد کرنش در بزرگترین طول دیوارها است، که با گذراندن شکاف های ساختگی کشیدگی یا فشردگی بی­اثر می­ گردد. یک اقدام دیگر در مورد ساختمان های موجود حفر خندقی در اطراف آن و پرکردن آن کمک یا سایر مواد دانه درشت می­باشد. خندق بایستی تا زیر سطح پی­ها حفر گردد تا از ادامه کشیدگی یا فشردگی بدرون ساختمان جلوگیری بعمل آورد. ممکن است لازم باشد دیوارهای بعضی ساختمان های قدیمی­تر را از زیر بر روی تیرآهن قرارداد تا از فرو نشینی آنها جلوگیری شود. طاق های سنگی را باید متوسط یک نگهداری موقتی در زیر آنها حفاظت نمود تا از بیرون پریدن سنگ میان طاق جلوگیری شود.

 

۱۹ـ۵ـ کج شدن

هنگامی که زمین پائین رود سطح آن در محل هایی شیب پیدا می­ کند. که باعث کج شدن ماشین آلات و تجهیزات کارخانه­ ها را می­ گردد که می­توان آن را خسارت تلقی نمود. شیب حاصله دستگاه ها را غیر قابل کار نموده که می­توان آنها را با روش هایی مجدداً اصلاح نمود؛ مثلاً با پیچ‌هایی تنظیم یا بستن مجدد بحالت قابل کار در آورد. ماکزیمم تمایل (از اندازه­ گیری تجربی) بر حسب لایه کارشده s/h 2/75 می ­باشد.

دریک ماشین تراش بطول۸ متر این مقدار باعث نشستی در حدود۲۰ سانتیمتر می­گردد، که چنانچه جریان روغن در آن با استفاده از نیروی ثقل باشد ماشین را غیر قابل کار نموده، و هر قطعه گرد آن مسلماً می­ پیچد.

ساختمان های بلند و دودکش­ ها هم به مراقبت دقیق نیاز دارند. در یک تمایل۱ به۲۴۰ یک دودکش۳۰ متری فقط ۱۲۵ میلیمتر از حالت قائم منحرف می­شود، که می­توان آن را یک انحراف مجاز موقتی بحساب آورد؛ اما در تمایل۱ به۴۰ حدود ۱/۳ متر از حالت قائم منحرف می شود که با اضافه نمودن بار دیگر ممکن است پا برجا نماند. بلوک­ های آپارتمانی که تجهیزاتی مانند آسانسور داشته باشند (یک بلوک چندین طبقه به بلندی۳۰ متر) دیگر قابل استفاده نبوده، اما احتمال فروریزی ندارند، ملاحظه میشود که در مناطق شهری بالای لایه­ های زغال کم عمق، استخراج ناقص ممکن است تنها راه جبران هزینه­ های خسارت زیاد باشد.

 

 

۲۰ـ روش های کنترل نشست سطح زمین

صدها سال روش سنتی برای محافظت ساختمان ها و سایر تأسیسات سطحی، باقی گذاردن پایه­ های بزرگی از لایه زغال، در زیر این ساختمان ها بوده است. با در نظر گرفتن زاویه کشش لازم است سطح پایه­ های باقی مانده بمراتب بزرگتر از سطح محوطه ساختمان هایی که باید محافظت شوند باشد. مقدار زغالی که با باقی گذاردن پایه­ ها بطور دائم محبوس می­شود آنقدر زیاد است که صرف می­کند فقط ساختمان های مهم و آسیب پذیر با این طریقه محافظت گردند.

 

۲۰ـ۱ـ استخراج ناقص

استخراج ناقص لایه­ های زغال، و باقی گذاردن پایه ­ها برای نگهداری دائمی طبقات بالائی در موارد متعددی بطور موفقیت آمیز مورد عمل قرار گرفته است. استخراج ناقص بافته­ های اطاق و پایه همیشه مؤثر نیست. زیرا پایه­ های نسبتاً کوچکی که برای نگهداری باقی گذاشته می­شوند مخصوصاً وقتی که لایه در عمق متوسط یا زیاد قرار گرفته باشد، تمایل به شکستن دارند. لایه ­های سقف و کف هم، در اطراف پایه ­های کوچک، تمایل به جریان یافتن یا بیرون خزیدن دارند. روش های موفقیت آمیز در استخراج ناقص آنهایی هستند که پایه­ های طویل با عرض از۲۰ تا۱۰۰ متر، که بستگی به عمق لایه دارد، باقی گذاشته و زغال بین آنها بصورت نوارهایی با عرض حدود۳۰ تا۵۰ متر استخراج شوند.

پیش­بینی مقدار کاهش یافته نشست از مجموع موقعیت ­های منحنی­ های محاسبه شده نشست در مناطق جداگانه استخراج بدست می­آید. شکل (۹) که توسط crchard وallen نقل شده است. پروفیل نظری نشست، از جمع کردن سه پروفیل که به همان ترتیب فوق برای سه منطقه استخراج محاسبه شده بدست می ­آید. منحنی اندازه ­گیری شده به دو دلیل با منحنی پیش­بینی شده مغایرت دارد. قسمت سمت چپ منحنی در طول خطی که نسبت به مقطع عمود بر امتداد لایه زاویه ۴۵ درجه داشت اندازه­ گیری شده است. قسمت سمت راست تحت تأثیر یک پانل مجاور قرار گرفته است. این یک نکته است که فضای خالی شده قدیمی که مجاور یک کار جدید باشد معمولاً مقدار نشست جدید را افزایش می­دهد.

اصل جمع شدن موقعیت­ ها بایستی برای پانل­ های مجاور هم با اثر افزایش نسبت w/h بکار رود. کاهش نشست در استخراج ناقص نتیجه مستقیم مقدار ماده معدنی باقی مانده در محل و استحکام پایه­هایی که گذاشته شده می­باشد. اگر پایه ­ها فرو ریزند، آن وقت بایستی نسبت w/h مجدداً محاسبه شود. اما بطور منطقی، با کاهش ضخامت لایه استخراج شده m ریزش زغال کمتر خواهد شد.