فهرست مطالب

روش های تحلیلی و عددی مهندسی معدن - پیاپی 13 (بهار و تابستان 1396)

نشریه روش های تحلیلی و عددی مهندسی معدن
پیاپی 13 (بهار و تابستان 1396)

  • تاریخ انتشار: 1396/07/30
  • تعداد عناوین: 10
|
  • مقاله پژوهشی
  • حسین نیک نفس، حسین جلالی فر * صفحات 1-13
    فرایند شکست بسته به شرایط تنش و جنس سنگ، متفاوت است و این موضوع در پایداری سازه ها اهمیت زیادی دارد. یکی از تکنیک‏های بررسی فرآیند شکست انجام آزمایش سه محوره است. در این تحقیق هدف به دست آوردن راستا و فرآیند شکست نمونه های سنگ توف ریولیتی در شرایط تنش های جانبی متفاوت در آزمایشگاه و سپس مطالعه جزئیات فرآیند شکست در مدل عددی ساخته شده با روش تفاضل محدود سه بعدی است. راستا و نحوه شکست سنگ در آزمایشگاه، تحت تاثیر تنش‏های همه جانبه مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد که با افزایش تنش جانبی، زاویه شکست از حالت قائم به مایل تغییر می‏کند. سپس مدل عددی با داده های آزمایشگاهی کالیبره گردید و در مدل عددی، جزئیات فرآیند شکست که در آزمایشگاه قابل مشاهده نیست، تجزیه و تحلیل شد. بررسی ها نشان داد راستای گسیختگی و جزئیات فرآیند شکست، از تجمع کرنش های پلاستیک در مرکز نمونه شروع شده و تا تبدیل شدن به صفحه گسیختگی برشی ادامه می یابد. هم چنین مدل عددی با دقت بسیار بالا با آزمایش های آزمایشگاهی تطابق نشان داد.
    کلیدواژگان: فرایند شکست، فشار همه جانبه، آزمایش سه محوره، روش تفاضل محدود سه بعدی، مدلسازی عددی
  • مسعود زارع نقدهی، حسام دهقانی *، رویا نادری پور صفحات 15-26
    داده های ورودی در فرآیند بهینه سازی محدوده نهایی پیت روباز، مجموعه ای از بلوک ها است که هر یک از آن ها دارای یک ارزش اقتصادی خالص بوده وطراح با انتخاب بلوک های مناسب از میان بلوک های ذکرشده اقدام به بهینه سازی طراحی و بیشینه سازی ارزش خالص معدنکاری می نماید. ارزش خالص اقتصادی تخصیص داده شده به هر بلوک با استفاده از اطلاعاتی چون قیمت ماده معدنی، هزینه های عملیاتی، هزینه های ذوب وپالایش وهزینه های فرآوری و غیره محاسبه می گردد. روند تغییرات قیمت فلزات و همچنین هزینه های معدنکاری در سال های مختلف نشان می دهد که قطعی فرض کردن این پارامترها موجب بروز خطا در روند محاسبه ارزش اقتصادی بلوک های معدنی می شود. در روش های معمول برای محاسبه ارزش اقتصادی بلوک، همواره تاکید بر ثابت فرض کردن پارامترهایی چون عیار، هزینه های عملیاتی، قیمت ماده معدنی و... بوده است. این در حالی است که عدم قطعیت پارامترهایی چون قیمت کاملا بدیهی بوده و ثابت فرض کردن آن ها منجر به بروز خطا در فرآیند محاسبه ارزش اقتصادی بلوک می شود. در تحقیق حاضر سعی شده است که ابتدا به بررسی نقش عدم قطعیت اقتصادی پرداخته شده و سپس با استفاده از روش شبیه سازی مونت کارلو ارزش اقتصادی بلوک با در نظر گرفتن عدم قطعیت های قیمت ماده معدنی و هزینه های عملیاتی محاسبه شود. برای نیل به این هدف از داده های اقتصادی معدن مس گرسبرگ اندونزی استفاده شده است. نتایج این تحقیق نشان داد که روش شبیه سازی مونت کارلو توانایی بالایی در تخمین عدم قطعیت های اقتصادی پروژه های معدنی داشته و ارزش اقتصادی بلوک محاسبه شده از این روش با خطای کمتری نسبت به سایر روش ها به مقدار واقعی نزدیک تر است. همچنین ملاحظه شد که ارزش فعلی خالص به دست آمده از روش مونت کارلو از روش های معمول بیشتر بوده و به واقعیت نزدیک تر است.
    کلیدواژگان: عدم قطعیت اقتصادی، ارزش اقتصادی بلوک، ارزش فعلی خالص، شبیه سازی مونت کارلو
  • مهدی زمانی لنجانی* صفحات 27-33
    یکی از عوارض زمین شناسی بسیار مهم در تعیین مقاومت و پایداری توده سنگ ها موقعیت و آرایش درزه ها و شکستگی ها است. در اینجا شکل درزه شکل هندسی است که از جهت عمود بر سطوح درزه ها دیده می شود. در مورد شکل هندسی درزه ها اطلاعات زیادی وجود ندارد. بعضی از مراجع به صورت تقریبی شکل آنها را مربعی، مستطیلی، دایره ای و بیضوی ذکر کرده اند. به دلیل آن که معمولا محل تقاطع صفحه یا رویه درزه با صفحه رخنمون سنگی به صورت یک پاره خط قابل رویت است، به سختی می توان شکل درزه ها را در رخنمون های سنگی مشاهده نمود. در این تحقیق درزه های موازی که تشکیل سیستم درزه می دهند توسط شبیه سازی آماری و برای اشکال مختلف تولید گردیده اند. سپس با مطالعه چگونگی توزیع آماری درزه های شبیه سازی شده و مقایسه آن با توزیع آماری واقعی درزه ها در رخنمون سنگی می توان فرم و شکل درزه ها در توده سنگ را پیش بینی نمود. بررسی های حاصله نشان می دهند، توزیع آماری طول درزه ها ی شبیه سازی شده برای سیستم های درزه از توزیع های آماری رایج و کلاسیک توانی، لگاریتمی و پواسون پیروی نمی کند. طول درزه ها در واقع دارای توزیع پیچیده و اکثرا دارای چولگی به سمت چپ هستند.
    کلیدواژگان: سیستم درزه، رخنمون سنگی، شبیه سازی، طول درزه، ناپیوستگی، ناپایداری
  • بهنام قبادی، حمیدرضا نجاتی*، کامران گشتاسبی صفحات 35-44
    نفوذپذیری توده سنگ یکی از مهمترین پارامترهای کنترل کننده پروژه های مختلف مهندسی سنگ اعم از مخازن دفن زباله های اتمی، پی سدها، فضاهای زیرزمینی همانند تونل‍ ها و مغارها، پروژه های ژئوترمال و تولید نفت و گاز است. به طور کلی نفوذپذیری توده سنگ متشکل از نفوذپذیری سنگ بکر و ناپیوستگی های موجود در آن است اما در حوضه های با سنگ میزبان سخت و کریستالی نفوذپذیری سنگ بکر تقریبا ناچیز و قابل اغماض است و کنترل کننده اصلی جریان عبوری از توده سنگ، درزه ها و ناپیوستگی ها هستند. در چنین شرایطی، علاوه بر پارامترهای هندسی درزه لازم است تاثیر عواملی همانند جابجایی برشی و تنش نرمال نیز بررسی گردد. در این مقاله با روش عددی المان مجزاء یک کد عددی توسط نرم افزار UDEC برای بررسی کوپل هیدرومکانیکی درزه های منفرد تحت برش با مدل درزه داری بارتن- باندیس توسعه داده شده است. در کد عددی توسعه داده شده تاثیر پارامترهایی همانند جابجایی برشی، تنش نرمال و سختی درزه بررسی شده است. برای راستی آزمایی مدل عددی نتایج آن با نتایج تجربی بدست آمده توسط السون- بارتن (2001) مقایسه شده است. بررسی های انجام شده، نشان می دهد که نتایج مدلسازی عددی هماهنگی خوبی با نتایج آزمایشگاهی السون بارتن (2001) دارد. همچنین تحلیل های عددی انجام شده حاکی از آنست که متناسب با افزایش جابجایی برشی، مقدار بازشدگی هیدرولیکی و نرخ جریان افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: کوپل هیدرومکانیکی، جابجایی برشی، نفوذپذیری، بارتن - باندیس، روش المان مجزاء
  • سید سعید قنادپور، اردشیر هزارخانی *، ترانه رودپیما صفحات 45-57
    در مطالعه پیش رو به منظور کاهش خطا و ریسک در راستای صرف هزینه، زمان، انرژی و نیز دستیابی به پیشگوئی هایی به مراتب ارزنده تر، به بررسی ترکیب روش های داده کاوی و جدایش آنومالی پرداخته می شود. اهمیت تشخیص مقادیر آنومال از زمینه بر هیچ یک پوشیده نیست، به این منظور روش های متعددی ابداع گشته است که از آن جمله می توان به روش جدایش فواصل ماهالانوبیس اشاره کرد که روشی موثر و چند متغیره در جدایش مقادیر آنومال از زمینه محسوب می شود. از طرفی، پیش بینی ابزاری قدرتمند در فرآیند برنامه ریزی در هر فعالیتی هست، پس به کارگیری روش های داده کاوی در جهت یافتن الگو و روابط نهفته در دل داده ها، نیاز ما را در این زمینه مرتفع می سازد. لذا در مطالعه حاضر، به بررسی عملکرد ترکیب روش جدایش فوق با سه روش داده کاوی K-نزدیک ترین همسایه، طبقه بند ساده بیز و درخت تصمیم گیری پرداخته می شود. به این ترتیب که پس از جدایش مقادیر آنومال مس و مولیبدن در مورد 377 نمونه حاصله از عملیات نمونه برداری سطحی در محدوده پرکام به کمک روش فواصل ماهالانوبیس، به منظور پیش بینی این مقادیر برای هر نمونه تصادفی، سه روش داده کاوی مذکور، مورد استفاده قرار می گیرند. در نهایت نیز جهت بررسی شبکه های طراحی شده، نمونه های آموزشی به عنوان داده های تست در اختیار شبکه های مذکور قرار گرفته اند. نتایج حاصله نشان می دهند که روش درخت تصمیم گیری به مراتب قوی تر ظاهر شده، زیرا در شبکه طراحی شده توسط این روش، تنها دو نمونه از بین 377 نمونه، اشتباها شناسایی شده اند که نشان دهنده دقت بالای شبکه طراحی شده است. یعنی مقدار خطای Resubstitution گزارش شده برای این شبکه برابر با 0053/0 هست. لازم به ذکر است که تعداد نمونه های به اشتباه پیش بینی شده برای دو روش KNN و بیز به ترتیب برابر با 9 و 23 و به تبع، مقدار خطای محاسبه شده برای آنها نیز به ترتیب برابر با 0239/0 و 061/0 گزارش شده اند. به این ترتیب با توجه به میزان خطای به مراتب قابل قبول تر برای شبکه طراحی شده توسط ترکیب روش درخت تصمیم گیری و فواصل ماهالانوبیس، ترکیب مذکور به عنوان روشی قابل اطمینان و سودمند جهت رسیدن به صحیح ترین پیشگوئی ها به تصمیم‏گیران این صنعت معرفی شده است.
    کلیدواژگان: تخمین، مقادیر آنومال، جدایش، فواصل ماهالانوبیس، داده کاوی
  • هادی فتاحی *، زهره بیات زاده صفحات 59-70
    امروزه عملیات حفاری انحرافی به طور گسترده ای در انواع شرایط زمین شناسی به کار می رود، اما استفاده بهینه از این فناوری در شرایط سنگی و سخت به دانش و تجربه بالای مهندسی نیاز دارد. مقدار گشتاور چرخشی یکی از پارامترهای بسیار مهمی است که باید برای انجام عملیات حفاری انحرافی پیش بینی شود. در این پژوهش جهت ارائه راهکار جدید برای پیش بینی گشتاور چرخشی موردنیاز برای انجام عملیات حفاری انحرافی در لایه های سنگی از روش ترکیب شبکه عصبی مصنوعی و الگوریتم بهینه سازی مبتنی بر جغرافیای زیستی استفاده شده است. درواقع برای بهینه سازی وزن های شبکه عصبی مصنوعی و بالا بردن توانایی های شبکه از الگوریتم مبتنی بر جغرافیای زیستی بهره گرفته شده است. هم چنین از نیروی محوری، سرعت چرخش مته، طول رشته حفاری، تغییر زاویه کلی گمانه، قطر iامین برقو، سرعت جریان گل و ویسکوزیته گل حفاری به عنوان پارامترهای ورودی مدل برای پیش بینی گشتاور چرخشی استفاده شده است. برای ارزیابی توانایی مدل در پیش بینی گشتاور چرخشی، از داده های پروژه انتقال گاز طبیعی غرب به شرق چین استفاده شده است. تعداد کل داده ها در این پروژه 84 داده است که از این تعداد به طور تصادفی، 75 درصد داده ها برای آموزش مدل و 25 درصد داده ها برای آزمون مدل استفاده شده است. نتایج حاصل از این مطالعه بیانگر آن است که مدل پیشنهادی می تواند به عنوان یک ابزار قدرتمند برای مدلسازی مسائل حفاری انحرافی مورد استفاده قرار گیرد.
    کلیدواژگان: حفاری انحرافی، گشتاور چرخشی، شبکه عصبی مصنوعی، الگوریتم بهینه سازی مبتنی بر جغرافیای زیستی
  • سید حسین مجتهدزاده*، مهدی بمانی، سعیده ملک زاده صفحات 71-90
    معادن سرب و روی ایرانکوه در رشته کوهی به همین نام در 20 کیلومتری جنوب غرب اصفهان واقع شده است. بخش های معدنی تپه سرخ، گوشفیل، خانه گرگی و... در این منطقه شناسایی شده که جداگانه تعیین ذخیره شده و بعضا مورد بهره برداری قرار گرفته است. این مطالعه به منظور شناسایی آنومالی ها و اندیس های سرب و روی در بین دو منطقه معدنی تپه سرخ و گوشفیل انجام گردیده است. در این مطالعه 804 نمونه خاک به طور سیستماتیک در دو مرحله برداشت شده و نمونه ها پس از آماده سازی های لازم برای 35 عنصر آنالیز شده اند. در این مطالعه از 12 عنصر برای تجزیه و تحلیل استفاده شده است. برای شناسایی و تفکیک آنومالی ها در این مطالعه از سه روش آمار کلاسیک، هندسه فرکتال و EDA (تحلیل اکتشافی داده ها) استفاده شده است. قبل از انجام تجزیه و تحلیل اصلی با روش های فوق الذکر، ابتدا پردازش اولیه داده ها شامل اصلاح داده های سنسورد و جداسازی داده های خارج از رده انجام گردید. سپس نرمال بودن داده ها بررسی شد. داده های اولیه عناصر Ca، Mg و S نرمال بودند ولی بقیه عناصر با تبدیل لگاریتمی ساده و یا سه پارامتری نرمال سازی شدند. روش آمار کلاسیک با توجه به پارامترهای آماری به دست آمده و فرمول های استاندارد، مقادیر آنومالی و زمینه در مورد هر عنصر جداسازی گردید. برای جداسازی زمینه از آنومالی با روش فرکتال از مدل عیار – مساحت در محیط GIS استفاده شد. جداسازی آنومالی از زمینه با روش EDA نیز به کمک نمودار جعبه ای انجام گردید. سپس نقشه های مربوط به هر عنصر با کاربرد سه روش نامبرده رسم شدند. به طورکلی نقشه های تهیه شده انطباق خوبی با هم دارند ولی روش فرکتالی به علت ساختاری بودن دارای قابلیت اعتماد بیشتری است. مناطقی که در سه روش آنومالی نشان دادند، دارای اولویت بالاتری جهت مطالعات بعدی می باشند. عناصر اصلی شامل Pb، Zn و Cd در شمال غرب، مرکز و جنوب شرق آنومالی نشان می دهند. آنومالی های به دست آمده با نتایجی که از مطالعات سطحی به دست آمده انطباق خوبی نشان می دهند. جهت انجام مراحل بعدی اکتشاف و بررسی های بیشتر آنومالی ها، استفاده از روش ژئوفیزیکی IP پیشنهاد گردید.
    کلیدواژگان: آمار کلاسیک، هندسه فرکتال، تحلیل اکتشافی داده ها، آنومالی ژئوشیمیایی، سرب و روی ایرانکوه
  • سعید جمالی زواره*، حمید هاشم الحسینی، علیرضا باغبانان، محسن خوشکام، هادی حقگویی صفحات 91-100
    در طی پدیده خستگی جسم به علت تجمع آسیب و گسترش ترک ناشی از تکرار روند بارگذاری، در تنشی کمتر از مقاومت استاتیکی خود به صورت ناگهانی و ترد می شکند. سازندها و سازه های سنگی ازجمله گسل ها، درزه ها، صفحات لایه بندی، مخازن زیرزمینی، دیواره تونل ها، دیواره حائل پل ها، پی راه ها و سدها و... می توانند تحت تاثیر بارهای دینامیکی ناشی از زمین لرزه های بزرگ، انفجار سنگ، آتشباری، حفاری، ترافیک قرار گیرند. در این کار تحقیقاتی رفتار سنگ ها تحت تاثیر بارگذاری کاملا معکوس شونده (کشش – فشار) و به کمک دستگاه آزمایش خستگی ساخته شده بر اساس آزمایش رایج خستگی فولاد بررسی شده است. از دو نمونه سنگ بلوری گابروی نطنز و مرمر سبز با ترکیب کانی شناسی و منشا ساخت متفاوت جهت بررسی پدیده خستگی با این روش استفاده شد. نتایج به دست آمده نشان می دهد که در نمودار S-N برای هر دو نوع سنگ با کاهش مقدار تنش اعمالی به نمونه، تعداد دوره تحمل شده به صورت لگاریتمی افزایش پیدا می کند و نمودار هر دو سنگ از رابطه وهلر پیروی می کنند. همچنین امکان ارزیابی حد دوام به کمک این نوع آزمایش وجود دارد، درحالی که در تحقیقات قبلی این امکان وجود نداشته است. نتایج نشان می دهد که حد دوام برای گابروی نطنز در حدود 7/14 مگا پاسکال (53% مقاومت کششی در حالت استاتیکی) و برای مرمر سبز حدود 8/10 مگا پاسکال (60% مقاومت کششی در حالت استاتیکی) است. مقایسه نتایج حاصل شده با نتایج سایر مصالح تایید می کند که دستگاه ساخته شده و روش مورداستفاده در این تحقیق برای برآورد خستگی در سنگ های بلوری مناسب است.
    کلیدواژگان: خستگی سنگ، سنگ بکر دانه ای، روش تنش - عمر، بارگذاری کاملا معکوس شونده، حد دوام
  • سیما گروسی نژآد، احمدرضا مختاری*، فریماه آیتی صفحات 101-112
    در این مطالعه داده های ژئوشیمیایی رسوبات آبراه های برگه 1:50000 میرده به روش حوضه آبریز نمونه بررسی شده است. 299 نمونه از رسوبات آبراه های در مساحتی حدود 617 کیلومترمربع از منطقه مورد مطالعه برداشت شده و تحت آنالیز شیمیایی قرار گرفته است. به دلیل وجود پتانسیل کانی‏سازی طلا در منطقه روش حوضه آبریز نمونه، بر روی غلظت‏های تک عنصری طلا اعمال شده است. پس از انجام محاسبات مربوط به روش حوضه آبریز نمونه، آنالیز PCA بر روی نتایج حاصل انجام شده و نقشه های توزیع فضایی آنومالی های طلا با استفاده از روش فرکتالی عیار- مساحت ترسیم شده است. هدف از این مطالعه، بررسی قابلیت روش حوضه آبریز نمونه در تعیین حوضه های آنومال و معرفی مناطق پر پتانسیل در منطقه مورد نظر است. بر این اساس، مناطق پر پتانسیل معرفی شده توسط روش حوضه آبریز نمونه در جنوب غربی منطقه قرار گرفته است که با کانی‏سازی شناخته شده در منطقه مطابقت دارد.
    کلیدواژگان: مطالعات آماری، رسوبات آبراهه ای، حوضه آبریز، کرویان، سنندج، سیرجان
  • گزارش فنی
  • حسین بهزادی نژاد، لهراسب فرامرزی*، محمد داربر صفحات 113-123
    امروزه سازه های بزرگ زیرزمینی به منظور توسعه راه و راه‏آهن، انتقال آب، ذخیره‏سازی نفت و گاز، نیروگاه های زیرزمینی، دفن زباله های اتمی و غیره احداث می‏شوند. از مهم ترین اهداف طراحی این فضاها، ارزیابی پایداری و در صورت لزوم طراحی سیستم نگهداری آنها است. در این پژوهش، پایداری محل انشعاب تونل‏های پنستاک از تونل انتقال آب سد رودبار لرستان بررسی شده است. با تجزیه و تحلیل آماری روی نتایج حاصل از آزمایش‏های آزمایشگاهی و برجای انجام شده در ساختگاه سد، روابط تجربی موجود و اعمال قضاوت مهندسی، پارامترهای ژئومکانیکی توده سنگ محل انشعاب تعیین شد. با توجه به ضعیف بودن توده سنگ محل انشعاب، محیط سنگی محل انشعاب، به صورت محیط پیوسته در نظر گرفته شد و با استفاده از نرم افزار FLAC3D، مدل‏سازی گردید. با توجه به نتایج حاصل از مدل‏سازی عددی و نیز تعیین ناحیه تاثیر (زون پلاستیک)، جهت مهار جابجایی ها و پایدارسازی فضای مذکور، سیستم نگهداری موقت به صورت ترکیبی از شاتکریت و شبکه پیچ سنگ با طول مناسب طراحی شد. مقادیر بیشینه جابجایی به وجود آمده در سقف، کف و دیواره های فضای محل انشعاب، پس از 16 مرحله حفاری و نصب سیستم نگهداری، نشان دهنده پایداری فضای محل انشعاب و مناسب بودن فاصله بین دو تونل پنستاک از یکدیگر است. همچنین بررسی منحنی اندرکنش نیروی محوری- ممان خمشی نشان داد، مقطع شاتکریت طراحی شده پایدار است.
    کلیدواژگان: تونل های پنستاک، پارامترهای ژئومکانیکی، مدلسازی عددی، ناحیه تاثیر، سیستم نگهداری موقت
|
  • Hossein Niknafs, Hossein Jalalifar * Pages 1-13
    Summary Failure mechanism is different due to stress conditions and rock types, and it is very important to stability of structures. One of the investigations of failure mechanism’s techniques is using triaxial compression test. The aim of the research is determination of failure plane and failure mechanism of Rhyolite Tuff experimentally in different confining pressures and then investigating failure mechanism numerically using three-dimensional finite difference method in details. From the experimental results it was found that with increasing confining pressure, failure angle changes from vertical to oblique. Then numerical model was calibrated with laboratory data and analyzed the details of failure process, which could not be investigated experimentally. Investigations showed that failure process, started with plastic strains at the center of the sample and continued to achieve shear failure plane. Moreover, the results showed that the numerical model is in good agreement with the laboratory tests.
    Introduction Given the increasing production of minerals, the need to expand and deepen mines is inevitable. With deeper mining, sustainability issues have become more important. All of underground structures have been constructed in rock and the recognition of the rock mechanics issues in relation to the stability of these structures is very important. One of the main topics of rock mechanics, which plays a significant role in the stability of structures, is the rock failure mechanism. Since these structures are located deep in the ground and the behavior of rock failure in different conditions of stress is different, recognizing the rock deformation process under stress conditions can provide a better picture of rock behavior in real conditions .When the distribution and turbulence of the stress creates an imbalance in the rock mass, rock failure occurs by the distribution and interconnection of the micro cracks. Still, there are ambiguities about how rocks are really broken and how the cracks begin to spread. Therefore, prediction of models for fracturing of rocks is very complicated, and it is impossible to predict the failure of rocks with simple models. Therefore, fundamental studies are needed to evaluate the failure process and damage of rocks in different stages of stress.
    Methodology and Approaches By using uniaxial and triaxial tests, a stress-strain graph was drawn for a rhyolite rock sample. Analyzing the experimental results, it was observed that, with increasing lateral stress, rock resistance increased, and the direction of the fracture plane was maximally illuminated and more angular than the direction of the main stress. It was also found that the behavior of rock with the Mohr Columb's failure criterion is good. For numerical modeling of laboratory experiments, cohesion parameters, internal friction angle, shear modulus, volume modulus and specific gravity were used. To calibrate the model, the meshes and the rate of application applied to the top of the specimen were changed to see the fracture and ultimate strength similar to the laboratory sample in the numerical model. After calibrating the model, the details of the failure stages were carefully examined.
    Results and Conclusions In numerical models with increasing lateral stress, the angle of deflection compared to the original stress was increased. Tensile plastic strains were formed at the beginning of the loading at the center of the sample. As the loading steps progressed, shear plastic strains started from the corners of the sample and proceeded to the center of the sample. This condition continued until the complete failure of the model and the creation of the plane shear failure. Also, with increasing lateral stress, the initiation of plastic strain occurred in higher stresses and later formed in the sample. Plastic tensile strains appeared at the center of the sample at the beginning of the loading. In the following, the strain began from the two corners of the sample and extended towards the center of the sample. It then extended its path until a plane was formed. Shear and tensile strains were formed in the form of shear-n and (tensile-n) in the sample. These strains may create a shear failure sheet. In fact, joining these strains continuously created a failure plane in the model. The final shear plane was the result of shear-n joining of the shear strains.
    Keywords: Failure mechanism, triaxial test, Three-Dimensional Numerical Modeling, Laboratory Tests, Tuff Rock
  • Masoud Zare Naghadehi, Hesam Dehghani *, Roya Naderipour Pages 15-26
    Summary In this research, the Block Economic Value (BEV) and project NPV in an open-pit mine has been analyzed probabilistically by using the Monte Carlo Simulation (MCS) method to deal with the uncertainties in the nature of the most important economic parameters including metal price and operational costs. The results showed that the outcomes are closer to the reality by this method compared to the results of the classic methods.
    Introduction The basic input in the process of open-pit limit optimization is a set of block values representing the net economic worth of each block. Based on the estimated block economic values (BEV’s), the optimizer selects the optimum destination of each block in order to maximize the overall pit value under some given technical constraints. A dollar value is usually assigned to each block by estimating the revenue of recoverable metal at a given fixed metal price and subtracting applicable mining, processing and other costs. The variation trend of metals price and mining costs over the years shows that deterministic assumptions for values of such parameters will result in errors in the process of BEV calculation. The effective parameters such as metal price, operating costs, grade etc. are always assumed deterministic in the conventional methods of BEV calculation. While, these parameters have, obviously, uncertain nature.
    Methodology and Approaches In this paper, the BEV and project NPV were initially determined using Whittle’s formula based on deterministic economic parameters. Then the Monte Carlo Simulation (MCS) method was employed and the economic uncertainties such as the metal price and cost uncertainties were taken into account. The economic data of Grassberg Copper Mine were utilized to achieve this goal.
    Results and Conclusions The results showed that the Monte Carlo simulation method is highly capable of estimation of economic uncertainties. The estimated block economic values using this method are closer to the actual values compared to other methods and the error percentage is lower. As well, it was observed that the net present values obtained by the Monte Carlo simulation are closer to the reality compared to the other calculations.
    Keywords: Economic Uncertainty, Block Economic Value, Net Present Value, Monte Carlo Simulation
  • Mehdi Zamani Lenjani * Pages 27-33
    Summary Geometry of joints or joint shapes is one of the geological characteristics, which is important for determining the strength and stability of rock mass. Here joint shapes mean the geometric forms of joints when looking from the direction normal to the joint planes. There is not enough literature and references about the shape of the joints. Some of them consider approximately the joint shapes as square, rectangular, circular or even elliptical forms. We usually observe the traces of joints as segments in rock outcrops but it is difficult to see their shapes in the outcrops of underground openings. In this research the parallel joints which form a joint set, are created by the statistical simulation for different joint shapes. Then by comparing the simulated joint distribution with the real joint set distribution from outcrop measurements, it is possible to predict the shape of joints in rock masses. The simulation results showed that the joint set distributions will not follow the classic statistical distributions such as logarithmic, power, exponential or Poisson. They are complex in nature and have a skewness to the left.
    Introduction One of the important parameters of discontinuities in rock mass is the shape and geometry of joints. The effects of joint shape and its geometry in rock mass resistance properties are defined by many rock mechanics and engineering geologist specialists. They assumed the shape of joints as square, rectangle, circular and elliptical features.
    Methodology and Approaches For determination the shape of joints in rock masses in this research the statistical engineering is applied. The joints and discontinuities are considered two-dimensional planes. Then by intersection of a random plane normal to the joint set planes the simulation of joints in outcrop were obtained. At the end by the distribution of the joints obtained from the simulation, one can determine the shape of the joints.
    Results and Conclusions The results showed that the joints with circular, uniform shapes and with the relative movements have the exponential distribution of trace length. But for nonuniform cases the distribution approaches the normal distribution. A uniform distribution was observed for the square or the diamond shape of the joints.
    Keywords: joint set, rock outcrop, Simulation, joint length, joint shape, instability
  • Behnam Ghobadi, Hamidreza Nejati *, Kamran Goshtasbi Pages 35-44
    Summary This papers focuses on the permeability of rock joint under direct shear tests and a comprehensive study was made to numerically evaluate the hydro-mechanical behavior of rock joints.
    Introduction Rock mass permeability is a key parameter in rock engineering projects such as repositories for radioactive waste, dam foundations, excavation of tunnels and caverns, geothermal energy plants, oil and gas production, etc. Due to the stiffer rock matrix, most parts of rock mass permeability are related to the joints and discontinuities. Further, shear and normal stress, shear and normal deformation, joint roughness and etc. affect rock joint permeability. Therefore interaction between stress and permeability is a crucial factor during different stages of reservoir’s life such as: assessment, productivity and management.
    Methodology and Approaches In the present paper, it is intended to consider the permeability of rock discontinuity in direct shear test. For this purpose, a distinct element code is used to develop numerical modeling of the direct shear test. UDEC has the capability to perform the analysis of fluid flow through the fractures and voids of a system of impermeable blocks. Steady-state pore pressures can be assigned to zones within deformable blocks and boundary conditions may be applied in terms of fluid pressures or by defining an impervious boundary. The fluid-flow calculation can also be run either coupled or uncoupled with the mechanical stress calculation. A fully coupled mechanical-hydraulic analysis is performed in which fracture conductivity is dependent on deformation, and conversely, joint fluid pressures affect the mechanical computations. Two main experimental stress conditions under which the shear force of rock joints can be determined, are the Constant Normal Load condition, CNL, and the Constant Normal Stiffness condition, CNS. The numerical model was calibrated with experimental tests and it was tried to confirm the validity of the developed model. Finally, a sensitivity analysis was made to investigate the effect of mechanical rock joint parameters and properties of fluid on the flow rate of discontinuities.
    Results and Conclusions Variation of shear stress and rock joint transmissivity with shear displacement compared in the both numerical model and experimental test and it is shown that the results of numerical modeling have a good agreement with results of experimental models from literature. Numerical analyses revealed that with increasing the shear displacement, increases hydraulic aperture and flow rate of discontinuities. Also it is revealed that joint roughness coefficient has a direct relation with flow rate of discontinuity.
    Keywords: Hydro-mechanical couple, shear displacement, permeability, Barton-Bandis, distinct element method
  • Seyyed Saeed Ghannadpour, Ardeshir Hezarkhani *, Taraneh Roodpeyma Pages 45-57
    Summary Importance of detecting anomalous values from background is undeniable; so many different methods have been developed. On the other hand, prediction is a powerful tool in the process of each task’s planning. Using data mining methods for finding patterns between data can answer this requirement. Due to the necessity of high processing accuracy, the performance of a separation method has been evaluated. This performance is combined with three data mining methods. Finally we introduced the best combination (Mahalanobis Distance and Decision Tree) with the most accurate predictions. In order to reduce error and risk to save costs, time, energy and access to the more valuable predictions, in following paper we have studied Mahalanobis Distances to separate anomalous values and combined the results with three
    Methods
    K–Nearest Neighbor (KNN), Naïve Bayes Classifier and Decision Tree (DT) then achieved to the best combination with the least error rate.
    Introduction Mahalanobis distances method was used to assess prospective areas of Parkam district based on the two variables (Cu and Mo grade) and anomalous values have been defined based on the grades of copper and molybdenum. Then the three mentioned algorithms were trained by 4 parameter data grades of copper and molybdenum, coordinates of each samples (X and Y) and the results of our separation method as well, finally predictive equations were achieved in order to inform about other random samples. The best combination could be useful to predict with high accuracy in each plan.
    Methodology and Approaches Mahalanobis distances method is an effective multivariate method on separation of anomalous values from background. Various data mining methods have been developed to classify data. Three most important and common methods are K–Nearest Neighbor, Naïve Bayes Classifier and Decision Tree; They can be used to find features that can distinguish different classes from each other.
    Results and Conclusions After separation of anomalous values by applying Mahalanobis distances, combined models have been produced. Then actual data have been seen as the test ones to evaluate the accuracy of predictions. At last, based on the resubstitution rate, that is 0.0053, for designed system via Decision Tree technique and anticipating only 2 out of 377 numbers of samples as the background samples instead of anomalous ones, this method was recognized as the more pragmatic approach than KNN and Naïve Bayes approaches producing 0.0239 and 0.061 error rate and predicting 9 and 23 numbers of anomalous values as the background samples respectively. According to the much more acceptable error rate for designed network by combination of Mahalanobis Distances and Decision Tree methods, we can introduce that as a much more reliable and useful method in order to achieve the most accurate predictions to the decision makers in the industry.
    Keywords: Estimation, Anomalous Values, Separation, Mahalanobis Distances, Data mining
  • Hadi Fattahi *, Zohre Bayatzade Pages 59-70
    Summary Horizontal directional drilling (HDD) is a popular method for installation of both steel and plastic underground pipelines. Besides selecting the appropriate type and size of reamers the rotational torque is another important parameters that must be predicted for performing the reaming operation. In this study, hybrid artificial neural networks (ANN) with biogeography-based optimization (ANN-BBO) model were applied for predicting rotational torque. In fact BBO was used to better regulate the weights and biases of the ANN model. In this study, axial force on the cutter/bit, rotational speed of the bit, the length of drill string in the borehole, the total angular change of the borehole, the radius for the ith reaming operation, the mud flow rate and the mud viscosity are applied as input variables to predict the rotational torque. To assess the ability of the model to predict the rotational torque, West–East Natural Gas Transmission project in China was used. Results indicate that this model has high potentials for estimating the rotational torque using a set of listed input parameters.
    Introduction A major concern of many HDD projects is prediction of required rotation torque. It has been established that the required rotational torque at the drill rig depends on various factors, including geological conditions, drilling method, reamer cutter/bit size and type, rotary speed, axial force on bit, drilling mud properties, borehole diameter, length of drill string in the borehole, and borehole trajectory. In this area in recent years, studies have been done using traditional statistical methods, but this study focuses on the application of artificial intelligence in this field.
    Methodology and Approaches In this study, ANN method and BBO algorithm is used. We used BBO to better regulate the weights and biases of the ANN model. BBO is an evolutionary algorithm that is inspired by biogeography. In BBO, a biogeography habitat indicates a candidate optimization problem solution, and it is comprised of a set of features, which are also called decision variables, or independent variables. BBO consists of two main steps: migration and mutation.
    Results and Conclusions In this paper, 75% of the data sets were assigned for training purposes while 25% was used for testing of the network performance. Network with 7-8-1 structure is optimized and the results indicate that this model has high potentials for estimating the rotational torque.
    Keywords: Horizontal Directional Drilling (HDD), rotational torque (M), Artificial Neural Networks (ANN), Biogeography-Based optimization (BBO)
  • Seyed Hossein Mojtahedzadeh *, Mahdi Bemani, Saeede Malekzade Pages 71-90
    Summary Anomaly and lead-zinc index recognition of an area between Tappeh-Sorkh and Gushfil, in Irankouh Pb- Zn mine, near Isfahan, was investigated. Interpretation for 12 elements, using 804 soil samples, was conducted. After early activities for censored data correction and transforming data for preparing normal distribution, anomalies recognition and separation were done using classical statistics, fractal and EDA (Exploratory Data Analysis) methods. Plotted anomalies maps prepared by three methods, show good conformity. Therefore, further studies in the regions showed overlapping resulted anomalies by three methods. Also detailed exploration by using geophysical IP methods was proposed.
    Introduction Irankouh mine is located in Irankouh Mountains, 25 km southwest of the Isfahan city. Four mining area, including Tappeh-Sorkh, Gushfil, Khane – Gorgi are distinguished and their ore reserve has been determined separately. The aim of this research was anomaly and lead-zinc index recognition in the area between Tappeh-Sorkh and Gushfil. In this research 804 soil samples were taken and analyzed for 35 elements, but for interpretation only 12 elements were used. Anomalies recognition and separation were conducted using classical statistics, fractal and EDA (Exploratory Data Analysis) methods.
    Methodology and Approaches In the first step censored values were corrected, then the normality test on corrected datasets accomplished and showed that Ca, Mg and S have normal distribution. Other elements, which did not show normal distribution, were normalized by Log – normal and 3-parameters log distribution methods. Based on the parameters obtained from classical statistics and standard formula the anomaly and the background values were separated, using area- concentration model of fractal method. Also separation of anomaly from background in EDA method, was done with boxplot. Then the anomaly maps of elements for 3 methods were plotted.
    Results and Conclusions Comparison of the maps prepared by three methods, showed a good conformity. Since fractal is a structural method, it is more reliable. Further studies in the regions showed overlapping resulted anomalies by three methods. Pb, Zn and Cd were expanded in North-west, center and South-east. For more confirmation, detailed exploration by using geophysical IP methods is suggested in this area.
    Keywords: classical statistics, EDA (Exploratory Data Analyze), fractal, Geochemical data analysis, Irankoh Pb-Zn mine
  • Saeed Jamali Zavareh *, Hamid Hashemolhosseini, Alireza Baghbanan, Mohsen Khoshkam, Hadi Haghgouei Pages 91-100
    Summary The fatigue behavior under completely reversed loading for two crystalline quarry stones in Iran; Natanz gabbro and Green onyx, which have different mineral compositions and formation conditions, were evaluated using a new developed apparatus. The obtained S-N curves followed common “Wöhler relationship” in the variation of applied amplitude stress versus loading cycle number. In addition, the endurance limit is perceived for both tested rocks as well as observed in ferrous metals. The endurance limit for Natanz gabbro and Green onyx were evaluated 14.7MPa (0.53 of its tensile strength) and 10.8Mpa (0.6 of its tensile strength), respectively.
    Introduction During fatigue phenomenon cyclic loading causes a material to fail prematurely and suddenly like a brittle failure at a stress level less than determined strength under monotonic condition. Rock formations and structures such as faults, joints, bedding planes, underground reservoirs, tunnels walls, bridge abutments, roads and dams’ foundations, etc. can be subjected to dynamic loadings resulting from vibrations of the earth’s crust, through major earthquakes, rock bursts, rock blasting and drilling and also, traffic. Reaction of rocks to cyclic and repetitive stresses resulting from dynamic loads has been generally neglected with the exception of a few rather limited studies. In this research work, the fatigue behavior of two crystalline quarry stones in Iran; Natanz gabbro and Green onyx which have different mineral compositions and formation conditions were studied under completely reversed loading.
    Methodology and Approaches The stress-life method was applied and fatigue behavior and the existence of the endurance limit for two crystalline quarry stones in Iran; Natanz gabbro and Green onyx which have different mineral compositions and formation conditions were evaluated using a new developed apparatus. The developed fatigue testing machine was inspired by rotating beam fatigue testing machine (R. R. Moore) which is commonly used for laboratory fatigue test in metals.
    Results and Conclusions The obtained results (S-N diagram) followed common “Wöhler relationship” in the variation of applied amplitude stress versus loading cycle number. In addition, results showed that both rocks have endurance limit. The results also illustrated that the endurance limits for both tested rocks are ranged between 0.4 and 0.6 of their tensile strengths. The endurance limit for Natanz gabbro and Green onyx were evaluated 14.7MPa (0.53 of its tensile strength) and 10.8Mpa (0.6 of its tensile strength), respectively. The agreement between the obtained results and presented results in fatigue of other materials showed that the offered method can be applied for studying the fatigue of rocks.
    Keywords: Fatigue of rocks_Crystalline intact rocks_Stress – life method_Completely Reversed Loading_Endurance limit
  • Sima Garousinejad, Ahmad Reza Mokhtari *, Farimah Ayati Pages 101-112
    Summary In the present study the sample catchment basin approach has been used in addition to multivariate statistical analysis over geochemical dataset collected in Kervian area in Iran. Sample catchment basin has reasonably detected the favorable zones in the present study and the proven Au mineralization has validated the results.
    Introduction Stream sediment data application method has been widely used and accepted in exploration of different deposit types in mineral exploration industry and has shown its efficiency in this context. The sample catchment basin approach is a technique for processing of stream sediment data that is employed for removal of lithological impact from existing variation in chemical content of the samples.
    Methodology and Approaches The target area covers 617 km2 in which 299 stream sediment samples were collected for chemical analysis. In addition, digitized 1:100000 geological and 1:50000 topographical maps were used for creation of sample catchment basins considering the sampling point positions. In order to remove the impact of background contribution to geochemistry of stream sediment by this technique the following procedure has been taken into account: 1- estimation of uni-element background concentration of element of interest for every lithology and then estimation of uni-element background value for every sample catchment basin 2- removal of the background concentration from measured concentration of element for each sample 3- dilution correction of residual values by taking the catchment area size into account 4- analysis of dilution correction values and delineating the anomalous basins.
    Results and Conclusions The sample catchment basin method was employed and data processing was completed as mentioned above which resulted in delineation of anomalous Au values extended south-westerly. The results are compatible with known gold occurrences located in this part of the map. There are weak to moderate anomalous basins positioned south east and east of the known mineralization covered with the same sedimentary units as mineralization area that could be assumed promising. However, sample catchment basin has successfully highlighted the anomalous basins which were not detected through analysis of raw dataset. Employing this method has led to introduction of more areas for further prospecting, decreasing the chance of false negative anomaly. Comparison between processed dataset with the sample catchment basin approach and raw data set has demonstrated the superiority of the sample catchment basin approach.
    Keywords: Statistical Analysis, stream sediment, basin cachment, Kervian, Sanandaj-Sirjan
  • Hossein Behzadinejad, Lohrasb Faramarzi *, Mohammad Darbor Pages 113-123
    Summary In this research, stability of penstock tunnels bifurcation with headrace tunnel of Rudbare-Lorestan dam powerhouse was studied. Due to the weak rock masses at the bifurcation area, the numerical modeling using FLAC3D was performed. According to the results of numerical modeling and determination of plastic zone and the empirical methods, the temporary support system consists of shotcrete and rock bolt with adequate length are suggested. Based on laboratory and in situ tests, the geomechanical parameters are determined.
    Introduction Today, large underground structures are constructed in order to transfer the water, oil and gas storage, underground power plants, radioactive waste repositories and etc. With the development and upgrade of infrastructures, tunnel construction is increasing all over the world and tunnel engineers are more aware of the importance of the safety and economics of tunnel construction. Stability of underground structures depend on size and geometry of construction, excavation technique, in situ stress conditions and support system and its installation time.
    Methodology and Approaches In order to estimate the deformation modulus of the rack mass in the headrace tunnel, in situ tests including of plate loading and dilatometer tests were performed. Then elasto-plastic behavior was defined for the rock mass by mohr-columb criterion and model was executed numerically to reach static stability. The Bifurcation cavern have been excavated by heading and benching method that is executed through drill and blasting technique.
    Results and Conclusions The empirical method suggest shotcrete with rock bolts to support weak rock masses. Also the numerical analysis demonstrate the installation of rock bolts with shotcrete as a temporary support system. Due to the large plastic zone caused by excavation processes, the value of the advancing step 0.8 m was determined. Also, the analysis of rock mass plastic zone in bifurcation area determined a suitable length of 6 meters for rock bolts. During the excavating of rock pillars, the value of change in the axial force acting on the rock bolt in the right wall of the tunnel No. 1, was increased. Also, the excavation of tunnel No. 2 at a distance of 11 meters from the tunnels No. 1, No. 4 and No. 5, was shown the less influence on the value of axial forces applied to the rock bolts. After the 16 stages of excavation advancement steps and installation of support systems, the maximum values of displacement in the roof, floor and walls of the bifurcation, were respectively 2.8, 3.67 and 1.5 cm
    Keywords: Penstock Tunnels, Geomechanical Parametes, Numerical Simulation, Plastic zone, Temporary support system