نویسنده : محمدحسین جلالیان دانشجوی دکترا دانشکده مهندسی معدن دانشگاه صنعتی اصفهان / راحب باقرپور استاد دانشکده مهندسی معدن دانشگاه صنعتی اصفهان

مقدمه

سنگ ساختمانی، سنگ ابعادی یا سنگ تزیینی عنوانی است که برای سنگهای طبیعی متمایز از بخش مصالح ساختمانی که با استفاده از روشهای خاص استخراج شده و با ابعاد و اشکال استاندارد برای اهداف تزیینی، ساختاری و ساختمانی مختلف استفاده می شوند، به کاربرده میشود.(1) ویژگی اصلی سنگهای ساختمانی این است که برخلاف سایر محصولات معدنی که عمدتا به دلیل خواص فیزیکی شان ارزش دارند، خواص فیزیکی یک سنگ ً صرفا حداقل شرایط لازم برای تعیین مناسب بودن استفاده در کاربردهای مختلف را تعیین میکند. موفقیت نهایی یک سنگ طبیعی به عنوان سنگ ً ساختمانی در بازار، اولاَ به ً ظاهر آن و ثانیا به امکان تولید اقتصادی بلوک با ابعاد مناسب وابسته است. به طوریکه علاوه بر جنبه تزئینی آن، امکان تولید مناسب محصول نهایی در اندازه های موردنیاز را فراهم کند(2 ,3)؛ بنابراین یک بلوک سنگ ساختمانی مناسب بلوکی است با ابعاد، ظاهر و زیرمجموعه ای از حداقل خواص فیزیکی و مکانیکی (مانند مقاومت، قابلیت ساب پذیری در فراوری، مقاومت در برابر هوازدگی فیزیکی و شیمیایی و … )(4 ) چرخه کلی تولید سنگهای ساختمانی به سه بخش اکتشاف، استخراج و فرآوری تقسیم بندی میشود. هدف نهایی در استخراج سنگهای ساختمانی تولید بلوکهایی با حداکثر ابعاد ممکن هست که به کارخانه فرآوری منتقل میشود. در کارخانه فرآوری نیز با توجه به هدف نهایی تولید محصوالت سنگی، تولید سنگهای ساختمانی در کشورهای اصلی تولیدکننده رو به افزایش است.

از عوامل اصلی تأثیرگذار در میزان سودآوری معادن سنگ ساختمانی میتوان به میزان تولید باطله یا ضایعات در چرخه تولید آن اشاره کرد. باطله های تولیدشده در چرخه تولید سنگهای ساختمانی به دو بخش باطله های عملیات استخراج و باطله های عملیات فرآوری تقسیم بندی میشوند. از باطله های عملیات استخراج میتوان به بلوک های بیشکل و شکسته و قلوه سنگ و از باطله های عملیات فرآوری میتوان به اسلب های شکسته شده و بی کیفیت و گل فرآوری اشاره کرد(5) با توجه به آمار منتشرشده در سال 2021 در حوزه سنگهای ساختمانی، از کل مواد استخراج شده از معادن سنگ سنگ ساختمانی که مقدار آن 318 میلیون تن بوده است، حدود 163 میلیون تن به باطله حین عملیات

استخراج تبدیل شده و از 155 میلیون تن باقیمانده که به کارخانه فرآوری منتقل شده است، حدود 5.63 میلیون تن به باطله حین عملیات فرآوری تبدیل شده است(1)

کل مواد استخراج شده از معادن سنگ ساختمانی، حدود %3.51 به باطله حین عملیات استخراج تبدیل شده است که مقدار قابل توجهی میباشد. عامل
اصلی تولید ضایعات در بخش استخراج سنگهای ساختمانی وجود ناپیوستگی ها و شکستگی ها میباشد. وجود ناپیوستگی ها و شکستگی ها در توده سنگ
باعث میشود ابعاد بلوک های استخراج شده در معادن کاهش یافته و تولید باطله افزایش یابد(5). همانطور که آمارها نشان میدهد میتوان نتیجه گرفت که
اصلی ترین بخش تولید سنگ ساختمانی ازنظر تولید باطله و ضایعات، فرایند استخراج سنگهای ساختمانی میباشد. در سالهای اخیر مطالعات زیادی در رابطه
با شناسایی ناپیوستگی ها و شکستگی ها در معادن سنگ ساختمانی و به کارگیری این اطلاعات در جهت بهینه سازی الگوی برش به منظور کاهش تولید
.باطله و ضایعات و افزایش بازدهی انجام شده است.

Ulker و همکاران در سال 2009 یک روش جدید باهدف بیشینه سازی بازیابی بلوک در معادن سنگ ساختمانی ارائه نمودند. آنها بیان نمودند که عواملی همچون نوع سنگ، سیستم شکستگی های ساختار سنگ و روش استخراج تأثیر مستقیم بر روی بازیابی معدن دارد. درروش ارائه شده با در نظر گرفتن ساختار شکستگی و ناپیوستگی های سنگ و با
مدلسازی سه بعدی شکستگی ها مبنی بر مشخصات هندسی ناپیوستگی ها و تکنیک هایی همچون ساختار درختی و الگوریتم ژنتیک به بهینه سازی بلوک دهی معادن سنگ ساختمانی پرداخته شد(7)
Mosch و همکاران در سال 2011 یک رویکرد جدید  به نام بلوک های سنگ ساختمانی ارائه نمودند. در این مطالعه اشاره شده است که در استخراج سنگهای ساختمانی توجه به مشخصات شکستگی ها یعنی فاصله هر یک از شکستگییها از یکدیگر و جهت آنها در فضا اهمیت بالایی دارد. آنها با در نظر گرفتن تأثیر جهت گیری ترک ها و شکستگی ها بر شکل و اندازه بلوکها به بهینه سازی استخراج پرداختند. این روش میتواند یک ابزاری قدرتمند در برنامه ریزی استخراج سنگهای ساختمانی باشد(8). همچنین Elmouttie و همکاران نیز روشی برای تخمین توزیع اندازه بلوکهای برجا در معدن بر اساس شبیه سازی مونتکارلو توسعه دادند. این روش نسبت به روش های پیشین تخمین اندازه بلوک، پیش بینی واقعیتری را دارد(9). در سال 2013 Arriba و همکاران به ارائه یک الگوریتم جدید به منظور بهینه سازی برش بلوک های اولیه سنگهای ساختمانی پرداختند. آنها بیان کردند که با انتخاب جهت برش مناسب برای بلوک های اولیه میتوان به طور قابل ملاحظه ای هزینه های استخراج و اثرات زیست محیطی ناشی از آن را کاهش داد. در
این مطالعه برای بهینه سازی بازدهی معدن روشهای عددی در محاسبه جهت پیشروی مناسب استفاده شد و نتایج به دستآمده به این صورت بود که پارامترهای
برش و جهت پیشروی بهطور خودکار به دست میآید. این روش نتایج را به صورت گرافیکی ارائه میکند(10). Yarahmadi و همکاران در سال 2018 الگوریتمی به نام QuarryOptimizer-3D تعیین هندسه بلوکها در معادن سنگهای ساختمانی و بهینه سازی استخراج بر اساس طبقه بندی کیفیت بلوک های تشکیل شده در الگوریتم ارائه نمودند. رویکرد بهینه سازی در این مطالعه برای افزایش بهره وری معدن و بررسی جهت استخراج در مقیاس بزرگ بود. در مقیاس های کوچکتر این رویکرد برای بررسی فاصله بین صفحات برش سنگ مورداستفاده قرار میگیرد. این الگوریتم بر روی دو مطالعه موردی شامل یک معدن سنگ گرانیت و یک معدن مرمریت مورد ارزیابی قرار گرفت و نتایج نشان داد که در مقیاس کوچک با اعمال فاصله بهینه بین صفحات برش سنگ، عملکرد معدن تا حدود 120 درصد افزایش داشته است(11). در سال 2020 Elkarmoty و همکاران با ارائه یک الگوریتم سه بعدی به یافتن جهت برش بهینه در معادن سنگ ساختمانی باهدف به حداکثر رساندن نرخ بازیابی بلوکها پرداختند. این الگوریتم توسط یک نرم افزار به نام
BlockCutOpt ارائه شد و بر روی دو مطالعه موردی شامل پله های یک معدن سنگ آهکی و یک معدن سنگ گرانیت اعمال شد. نتایج ضمن ارائه طراحی شبکه برش سنگ (با بهینه سازی تعداد بلوک های بدون شکستگی)، نشان داده جهت برش بهینه بلوک ها میتواند به صورت عمودی و افقی متفاوت باشد(12). هدف اصلی در بخش استخراج سنگهای ساختمانی، استخراج بلوک هایی با حداکثر ابعاد ممکن، بدون ناپیوستگی و شکستگی و از راهکارهای اصلی در جهت تولید این بلوک ها، آگاهی از چگونگی درزه داری سینه کار استخراجی، برداشت اطلاعات ناپیوستگی ها و شکستگی های سینه کار و همچنین محاسبه ی هندسه ی بلوک های محصورشده بین ناپیوستگیها میباشد(5 ). به منظور
دستیابی به هدف بیان شده، یک مطالعه موردی دریکی از معادن ایران در منطقه لاشتر انجام شده است. در بخش بعدی توضیحات تکمیلی در رابطه با مطالعه موردی انجام شده به تفصیل بیان شده است.
متدولوژی
روش کلی الگوریتم توسعه یافته به این صورت است که ابتدا ناپیوستگی ها بهصورت صفحاتی در نظر گرفته شده و تقاطع داده میشوند. در ادامه یال ها و رئوس شناسایی شده
و مرتب سازی میشوند. سپس صفحات بلوکها ردیابی شده و به کمک این صفحات، بلوکها ردیابی شده و در آخر بلوکهای شناسایی شده درجه بندی میشوند. درجه بندی بلوکهای شناسایی شده در الگوریتم مبنا بر اساس دو پارامتر حجم و شکل انجام شده است. به صورتیکه هرچقدر حجم بلوک ردیابی شده بزرگتر باشد و شکل آن به شکل بلوک مکعب مستطیل با ابعاد شاخص شبیه تر باشد، آن بلوک در درجه ی بالاتری قرار میگیرد(11). مراحل مختلف الگوریتم مبنا، به طور خلاصه در شکل زیر نشان داده شده است.

مطالعه موردی
ارزیابی و بهینه سازی بلوکهای سنگی با استفاده از الگوریتم نامبرده در یک معدن سنگ مرمریت (مرمریت لاشتر)بهعنوان مطالعه موردی انجام گرفت. معادن سنگ لاشتر یک مجموعه معدنی با بیش از 65 معدن و سینه کار فعال در حوزه استخراج سنگ ساختمانی میباشد. این معادن در 20 کیلومتری جنوب اصفهان و مجاور شهر بهارستان واقع شده است. محدوده مجموعه معدنی سنگ ساختمانی لاشتر، بر اساس تقسیم بندی های ساختاري در پهنه ساختاري سنندج-سیرجان واقع شده است. مجموعه معدنی بین
دو گسل کلاه قاضی و بهارستان با عملکرد معکوس با مؤلفه ی امتداد لغز راست بر قرارگرفته است که با ارزشترین توالی سنگ شناسی در منطقه، مربوط به دوره زمانی کرتاسه است. محصول تولیدی این معادن بلوک های سنگ ساختمانی مرمریت خاکستری تا سیاهرنگ است. روش مرسوم استخراج سنگ در این معادن برش سنگ با استفاده از سیم برش الماسه است یکی از مشکلات اصلی در معادن سنگ ساختمانی در منطقه لاشتر ، مقادیر عظیم باطله و ضایعات تولیدی حین عملیات استخراج میباشد که همانطور که
گفته شد، عامل اصلی تولید آن وجود ناپیوستگی ها و شکستگی ها در توده سنگ و همچنین عدم توجه به مطالعات زمینشناسی و درک کامل از سینه کارهای استخراجی قبل از انجام عملیات استخراج (شناسایی ناپیوستگی ها و شکستگی های موجود) میباشد.

به منظور درک درزه داری و همچنین شناسایی بلوکهای برجای محصورشده توسط ناپیوستگی ها و شکستگی های توده سنگ، در ابتدا محدودهای از سینه کار با طول 15 متر، ارتفاع 4 متر و عمق استخراجی 2 متر (مطابق با ابعاد بلوک بزرگ مرسوم در معدن به جهت استخراج) در نظر گرفته شد و اطلاعات مربوط به ناپیوستگیها و شکستگیها در این محدوده از سینه کار، با استفاده از روشهای دستی برداشت شد.

اطلاعات برداشت شده از ناپیوستگی های موجود در محدوده موردنظر در جدول نمایش داده شده است.

اطلاعات مربوط به محدوده سینه کار و همچنین ناپیوستگی های موجود در آن به عنوان اطلاعات اولیه ورودی به برنامه کدنویسی شده داده شد و الگوریتم معرفی شده بر روی آن پیاده سازی شد. میزان قابلیت استخراج بلوکی مکعب مستطیل با نسبت ابعاد مشخص از هر بلوک، به شکل آن وابسته است. در فعالیت های مربوط به سنگهای ساختمانی، فاکتور شکل یک پارامتر اساسی است. بر همین اساس در الگوریتم انتخابی، فاکتوری بر اساس میزان نزدیکی یک بلوک به مکعب مستطیل با نسبت ابعاد شاخص معرفی شده است؛ بنابراین برای درجه بندی بلوکها، فاکتوری که میزان نزدیکی یک بلوک مکعب مستطیل با نسبت ابعاد مشخص را تعیین میکند، برای هر بلوک محاسبه شد. فاکتور شکل هر بلوک عددی بین 0 و 1 است که باتوجه به میزان نزدیکی یک بلوک به بلوک مکعب مستطیلی با نسبت ابعاد شاخص تغییر میکند. با توجه به اطلاعات گرفته شده، بلوکهایی
با فاکتور شکل بیشتر از 97.0 به عنوان بلوک درجه 1، بین 92.0 تا 97.0 به عنوان بلوک درجه 2 ،بین 85.0 تا 92.0 به عنوان بلوک درجه 3 و کمتر از 85.0 به عنوان بلوک درجه 4 در نظر گرفته شد. همچنین بلوکهایی که حجم آنها کمتر از 5.3 و فاکتور شکل آنها کمتر از 95.0 میباشد به عنوان باطله در نظر گرفته شد.

مدلسازی سه بعدی بلوک های برجای تشکیل شده از تقاطع ناپیوستگی ها و محدوده سینه کار مطابق شکل زیر به دست آمد.

نمایی از بلوکهای شناسایی شده در سینه کار در شکل زیر نشان داده شده است.

مدل سازی سه بعدی و درجه بندی بلوک های سینه کار معدن میتواند به عنوان ابزار تصمیم گیری در استخراج یا عدم استخراج یک سینه کار و همچنین به کارگیری الگوی برش بهینه به منظور کاهش باطله تولیدی معدن به کار گرفته شود.

نتیجه گیری
یکی از مهمترین چالش های صنعت سنگهای ساختمانی، بهره برداری نامناسب و میزان قابل توجه باطله و ضایعات تولیدی حین فرآیند تولید آنها میباشد. حدود %80.1 از کل مواد استخراج شده از معادن سنگهای ساختمانی در سال 2021  80.1 درصد به باطله و ضایعات تبدیل شده است که بخش اعظم آن مربوط به بخش استخراج میباشد. توجه به الگوی ناپیوستگیها و شکستگیها و همچنین شناسایی هندسه ی بلوکهای محصورشده توسط آنها در توده سنگ، میتواند به عنوان ابزار مناسبی در جهت تصمیم گیری در استخراج سنگهای ساختمانی به کار گرفته شود. بدین منظور سینه کاری دریکی از معادن سنگهای ساختمانی ایران در محدوده لاشتر اصفهان، به عنوان مطالعه موردی در نظر گرفته شد و الگوی ناپیوستگیها و شکستگیهای آن شناسایی شد. سپس با استفاده از الگوریتم ارائه شده و اطلاعات ناپیوستگیها و شکستگیها و همچنین پارامترهای عملیاتی معدن موردنظر به عنوان ورودی الگوریتم، تمامی بلوکهای برجای توده سنگ شناسایی شد و حجم و شکل آنها تشخیص دادهشده و با توجه به بازار هدف درجه بندی شد. استفاده از ابزار فوق توانست به عنوان ابزاری در جهت تصمیمگیری استخراج یا عدم استخراج سینه کار موردنظر مورداستفاده قرار گیرد و در ادامه ی کار به عنوان ابزاری در جهت به کارگیری الگوی برش بهینه به منظور کاهش باطله تولیدی به کار گرفته شود.

منبع : نشریه دنیای سنگ