در مهندسی زمین شناسی بدست آوردن خصوصیات گسستگی ها اهمیت بسزایی دارد. عدم دسترسی آسان و مناسب به دامنه های سنگی مهمترین مشکل در دست یابی و ارزیابی خصوصیات زمین شناسی دامنه های سنگی است. در برخی موارد، قسمت بزرگی از رخنمون سنگ دور از دسترس بوده و برداشت آن خطرناک است. بنابراین دستیابی به روشی سریع و ایمن جهت بدست آوردن پارامترهای هندسی ناپیوستگی ها ضرورت دارد. پردازش تصاویر دیجیتالی ابزاری دقیق، کامل و سریع جهت اتوماتیک کردن روش های دستی است. در این تحقیق، با استفاده از تصاویر دیجیتالی بدست آمده از رخنمون توده سنگ روشی خودکار برای شناسایی و تعیین خصوصیات ناپیوستگی ها ارائه می شود. در روش پیشنهادی، ابتدا با استفاده از فرآیند یکنواخت سازی هیستوگرام و اعمال فیلترهای هموارسازی به تصویر، شدت روشنایی تصویر اصلاح شده و اثر شکاف های ریز موجود برطرف می شود. سپس با اعمال آشکار ساز کنی، لبه های موجود آشکار شده و با استفاده از روش ماکزیمم سازی تابع هدف، جهت لبه ها نیز آشکارسازی می شود. پس از آن با بکارگیری روشی نوین ضمن ترکیب اطلاعات حاصل از موقعیت و جهت لبه ها خطوط موجود در تصویر شناسایی شده و محل درزه ها تعیین می شود. پس از آن با درنظر گرفتن خصوصیت زاویه درزه ها، درزه ها با استفاده از روش خوشه بندی کاهشی و خوشه بندی فازی دسته بندی می شوند و سپس فاصله داری و طول درزه ها در هر دسته درزه محاسبه می شود. با توجه به تعداد دسته درزه ها و فاصله داری میانگین شاخص مقاومت زمین شناسی بدست می آید، همچنین با در نظر گرفتن مسیر حفاری می توان شاخص کیفیت سنگ را محاسبه نمود. در نهایت با استفاده از تابع توزیع فیشر و بکارگیری الگوریتم بهینه سازی ژنتیک برای هر دسته درزه شناسایی شده جهت داری میانگین و ثابت فیشر که بیانگر میزان پراکندگی جهت داری حول میانگین آن است بدست می آید.

با جمع آوری نمونه و انجام آزمایشات، مقاومت فشاری سنگ محاسبه و در مرحله بعدی مدل هندسی دیواره غربی در برنامه flacslope ساخته و دیواره به چهار لایه تقسیم بندی شد. با توجه به معلوم نبودن سطح آب زیر زمینی برای سطح آب، 13 تراز در مدل مشخص شد. در مرحله ی بعد با توجه به نوع سنگ، خشک یا تر بودن لایه و پارامترهای هندسی دیواره rmr و gsi مشخص شد. سپس با استفاد از برنامه roclab و با توجه به عمق لایه، نوع سنگ در لایه و rmr و gsi محاسبه شده برای هر قسمتی از لایه، زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی برای آن قسمت محاسبه شد. در نهایت برای تحلیل دیواره در هر تراز آبی 9 شیب مختلف در نظر گرفته شد، که به عبارتی به ساخت 117 مدل با تراز آبی و شیب متفاوت انجامید. برای تحلیل شبه استاتیکی نیروی برشی زلزله معادل 3/0 شتاب گرانشی زمین در نظر گرفته شد و با این ویژگی مدل ها حل شدند. در نهایت با استفاده از ضرایب ایمنی محاسبه شده و با توجه به تراز آّب، شیب سرتاسری بین 38 الی 5/27 درجه برآورد شد.

شکست ناگهانی و غیرمنتظره بعضی از سازه های مهندسی از جمله فضاهای زیرزمینی، خسارات مالی و جانبی فراوانی را داشته است که به دلیل کاربرد فراوان از این سازه ها در سال های اخیر در راه، راه آهن، مترو، سازه های هیدرولیکی و برقابی، ذخیره سازی و ... ، بررسی پایداری این فضا ها، مسئله ای مهم است. انواع شکست در سازه ها شامل شکست نرم و ترد می باشد. که شکست ترد پایه علم مکانیک شکست را تشکیل می دهد. با اینکه سنگ ها موادی ناهمگن، ناهمسانگرد و دارای ناپیوستگی های مختلفی هستند، برای سادگی تحلیل آنها، از مکانیک شکست الاستیک خطی استفاده شده است که این ساده سازی از دقت تحلیل می کاهد. تا کنون در سقف، دیواره و کف سازه های زیرزمینی و همچنین در سیستم نگهداری آنها شکست های فراوانی مشاهده شده است که در صورت استفاده از تئوری مکانیک شکست در بررسی این شکست ها، می توان از خسارات پدید آمده کاست. این پژوهش با هدف بررسی و مدل سازی شبه استاتیکی انتشار ترک در اطراف تونل های دایره ای انجام شده است و برای این منظور با بیان مفاهیم کلی تئوری مکانیک شکست، مکانیک شکست الاستیک خطی و معیارهای انتشار ترک، مبانی روش المان مرزی برای حل مسائل شکست بررسی شده است. در ادامه 45 تونل دایره ای با هندسه یکسان در شرایط مختلف عمق حفاری، ویژگی های مقاومتی سنگ اطراف و نسبت تنش افقی به قائم، در نظر گرفته شده و با انجام مدل سازی شبه استاتیکی، مسئله انتشار ترک در اطراف آن با روش ناپیوستگی- جابجایی و المان های مرتبه دوم حل شده است. نتایج نشان می دهد که بیشترین انتشار ترک در سنگ های کم مقاومت و توزیع تنش تک محوری قائم و تنش تکتونیکی شدید رخ می دهد. همچنین پایدارترین حالت در شرایط توزیع تنش همه جانبه به دست آمد.

فصل اول این پژوهش به نظریه ی کلی فرکتال ها و هندسه ی آن ها مرتبط است. هدف اصلی آن فراهم آوردن زمینه ای در ریاضیات مرتبط با فرکتال ها و ابعاد است در حدی که برای کاربران این موضوع، در ریاضی و دیگر علوم قابل درک باشد. فرکتال علم جدیدی در ریاضیات است که به عنوان زیر شاخه ای از آنالیز مختلط برای رفع ضعف های هندسه اقلیدسی و بیان و مدل سازی از پدیده های طبیعی، بسط و گسترش یافته است و روش های جدیدی را طرح می کند تا پیچیدگی بین اجزای طبیعی را با روابط ریاضی و قوانین هندسه تبیین کند. مجموعه ها و توابعی که به اندازه ی کافی هموار و منظم نیستند و در همه جا پیوسته اما در همه جا مشتق پذیر نبوده به عنوان فرکتال در نظر گرفته می شوند و همواره دارای بعد کسری می باشند. همانطور که می دانید وجود شکستگی ها و بی نظمی ها در سطح درزه باعث می شود آن را به عنوان فرکتال در نظر بگیریم سپس با بیان ارتباط میان بعد فرکتالی و ضریب زبری درزه که این ضریب هر سه پارامتر زاویه ی اصطکاک، اتساع و مقاومت برشی حداکثر را تحت تأثیر خود قرار می دهد، به اهمیت کاربرد این ابعاد پی برده و بدین وسیله از دقت بالای ریاضیات برای کاهش میزان خطا در محاسبات و همچنین صرفه جویی در زمان و هزینه استفاده خواهیم نمود. در فصل دو و سه این پژوهش پس از معرفی مقاومت برشی ناپیوستگی ها و عوامل موثر بر آن، مطالبی درباره ی پردازش تصویر دیجیتالی بیان شده است. در ادامه با استفاده از کدی که در $ mathematica $ تهیه شده، می توان عکس درزه ی مورد نظر را در کمترین زمان پردازش کرده و بعد فرکتالی آن را نیز مجدداً توسط کدی که در $ matlab $ با استفاده از تکنیک جدایش کمانی تهیه شده، محاسبه نمود. در فصل پایانی پس از معرفی روش های محاسبه ی ابعاد فرکتالی در رویه ها، به تعمیم این ابعاد در حجم ها پرداخته که روال محاسباتی این بخش نیز در نرم افزار $ matlab $ پیاده سازی و اجرا شده است.

با توسعه معدن روباز و عمیق تر شدن آن و استخراج بیشتر ماده معدنی، میزان باطله استخراج شده نیز به همان نسبت افزایش خواهد یافت و این افزایش سبب بزرگتر شدن دپوی باطله شده که از یک طرف پایداری آن را تهدید خواهد کرد و از طرفی نیز بدلیل نزدیک شدن به دیواره معدن می تواند بر پایداری دیواره تاثیرگذار باشد. از روش های معمول تحلیل پایداری در ژئوتکنیک و مکانیک سنگ، استفاده از روش های عددی و تعادل حدی است که روز به روز در حال افزایش و توسعه است. ولی آنچه که مهم است، تخمین دقیق تر خصوصیات و شرایط محیط جهت تحلیل و به عبارتی تعیین دقیق پارامترهای ورودی است، به طوریکه هرچه این پارامترها به واقعیت نزدیک تر باشند نتایج بدست آمده از تحلیل و خروجی نیز واقعی ترند. تعیین خصوصیات فیزیکی و مکانیکی مواد توسط آزمون های آزمایشگاهی قابل انجام است. اما این تجهیزات برای محیطی مثل دپوی باطله معدن که مخلوطی از سنگ و خاک است نمی توانند به سادگی مورد استفاده قرار بگیرند. یک روش مناسب برای تعیین خواص مکانیکی مواد در چنین محیطی استفاده از آزمایش برجا با دستگاه بزرگ مقیاس سه محوره و جعبه برش است، اما بدلیل زمان بر بودن و هزینه زیاد این تجهیزات نیاز به روش های ساده و کم هزینه تر احساس می شود. یکی از این روش ها روش تحلیل برگشتی است که چندین سال است مورد توجه مهندسین ژئوتکنیک قرار گرفته است. در این پایان نامه از روش تحلیل برگشتی خصوصیات مقاومتی مواد دپوی باطله مورد مطالعاتی معدن سنگ آهن شماره یک گل گهر سیرجان با تکیه بر روش عددی و تحلیلی و استفاده از نمودارهای ارایه شده توسط هوک و بری بدست آمده است. نتایج حاصل از این سه روش برای تخمین چسبندگی و زاویه اصطکاک مواد باطله مطابقت خوبی را با هم نشان می دهند. با توجه به افزایش ارتفاع دپوی باطله معدن و احتمال ریزش آن، حمل مواد باطله به این دپو متوقف شده است. تحلیل پایداری دپوی باطله با استفاده از روش های عددی و تحلیلی و مدل سازی مکانیکی و احتمالاتی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل نشان می دهند که فاکتور ایمنی بدست آمده در سه مقطع از دپو نسبت به سایر مقاطع کمتر و احتمال ریزش در این سه مقطع نسبت به سایر مقاطع بیشتر بدست آمده اند و جهت رسیدن به فاکتور ایمنی پایدار 1/2 باید ارتفاع پله در این سه مقطع کاهش یابند. با کاهش ارتفاع در هر مقطع، احتمال ریزش نیز کاهش یافته است.

پایدارسازی شیب¬ها یکی از مهمترین مسائل در فعالیت¬های عمرانی و معدنی است. در سرمایه گذاری های کلان به ویژه در معادن روباز بزرگ، ریزش یک دیواره از معدن می¬تواند خسارات جبران¬ناپذیر جانی و مالی را به همراه داشته باشد. شیب های سنگی باید در مقابل بارهای استاتیکی وارده و بارهای دینامیکی احتمالی تحلیل پایداری¬ شوند. چالزنی و آتشباری روشی رایج در استخراج معادن روباز است. در طی آتشباری، بار اضافی القایی توسط آتشباری می تواند منجر به ریزش شیب سنگی گردد. به این منظور مطالعه پاسخ دینامیکی مانند سرعت، شتاب، جابجایی یا تنش شیب سنگی تحت انفجار اولین گام می باشد. ریزش غالب در دیواره شمالی معدن چغارت از نوع واژگونی می¬باشد که این نوع ریزش به علت وجود پارامتر های مجهول بسیار در تحلیل و تنوع رفتاری بالا، پیشرفت چشم گیری در تحلیل آن ها به وجود نیامده است. در این تحقیق با استفاده از روش المان مجزا (در محیط نرم افزار udec) و منظور خصوصیات ژئومکانیکی دیواره شمالی معدن چغارت و پارامترهای انفجار، به تحلیل پایداری دینامیکی دیواره شمالی معدن چغارت پرداخته شده است. با توجه به نتایج، بدلیل عدم برقراری تعادل کامل پس از 5/2 ثانیه (وجود نیروهای نامتعادل قابل توجه) از انفجار، احتمال ناپایداری در پله های بالایی و شکست از نوع واژگونی وجود دارد.

در این پژوهش قابلیت آتشباری برای بهینه‎سازی خردایش ناشی از آتشباری مورد بررسی قرار گرفته است. دانه‎بندی مصالح حاصل از خردایش توده‎سنگ بوسیله عملیات آتشباری تابع سه دسته پارامتر اصلی شامل خصوصیات مهندسی توده‎سنگ آتشباری شده، خصوصیات طراحی عملیات آتشباری و خصوصیات مواد منفجره مصرفی می‎باشد. از این میان به اثر خصوصیات مهندسی توده‎سنگ بر نتایج آتشباری، قابلیت آتشباری می‎گویند. از آنجایی که این خصوصیات تأثیر زیادی بر خردایش حاصل از آتشباری می‎گذارند و در معادن مورد مطالعه نیز در طراحی عملیات آتشباری تأکید کمی به آن می‎شود، در این پژوهش سعی بر این است جهت بهینه‎سازی عملیات خردایش و رسیدن به دانه‎بندی مورد نظر با صرف کمترین هزینه، اثر این خصوصیات مورد بررسی قرار گیرد. برای این منظور خصوصیات توده‎سنگ در 51 بلوک انفجاری در سه معدن سنگ آهن چغارت، چادرملو و سه‎چاهون مورد مطالعه قرار گرفت. برای این منظور خصوصیات ناپیوستگی‎ها در طول 1780 متر خط پیمایش اندازه‎گیری شده و پس از تهیه نمونه‎های استوانه‎ای از بلوک‎های اخذ شده از توده‎سنگ، خصوصیاتی نظیر مقاومت تراکمی تک محوری، مقاومت کششی، چگالی، سختی و سرعت امواج طولی در آزمایشگاه تعیین گردید. همچنین سرعت امواج طولی در توده‎سنگ با اجرای 1817 متر پروفیل لرزه‎ای انکساری و پردازش داده‎ها توسط نرم‎افزار reflexw برای بلوک‎های انفجاری بدست آمد. پس از تعیین دانه‎‎بندی مصالح کپه انفجاری به روش پردازش تصویر به کمک نرم‎افزار split-desktop2 علاوه بر ارزیابی اثر پارامترهای خصوصیات طراحی آتشباری و مواد منفجره بر خردایش حاصله، اثر کلیه خصوصیات مهندسی توده‎سنگ بر خردایش مورد بررسی قرارگرفت. سپس روابطی جهت پیش‎بینی خردایش با توجه به کلیه پارامترهای موثر ارائه گردید. از آنجاییکه هدف توسعه روابطی برای بهینه‎سازی خردایش می‎باشد، برای اعمال پارامتر خصوصیات توده‎سنگ در این روابط از سه طبقه‎بندی توده‎سنگ rmr، brmr و لاتهام و لو و شاخص سرعت لرزه‎ای استفاده گردید. در نهایت روابطی جهت پیش‎بینی خرج ویژه لازم برای رسیدن به خردایش مورد نظر با هر طرح حفاری با فاصله‎داری جناحی چالها و بارسنگ مشخص بر اساس طبقه‎بندی توده‎سنگ و شاخص سرعت لرزه‎ای ارائه شد. تحلیل‎های آماری نشان داد که اختلاف میان مقدار پیش‎بینی شده با مقدار واقعی برای کلیه روابط کم بوده و خطای روابط متکی بر طبقه‎بندی لاتهام و لو کمتر می‎باشد. دستاورد این پروژه تحقیقاتی پیش‎بینی خرج ویژه لازم برای خردایش بهینه توده‎سنگ در معادن مورد مطالعه می‎باشد.

روش های تخریبی زیرزمینی را می توان در زمره ی روش هایی دانست که توان رقابت با روش های استخراج سطحی دارند. این روش ها بر اساس امکان تخریب خود به خودی توده سنگ هستند. قابلیت تخریب توده سنگ عامل اساسی در به کارگیری این دسته روش ها است. قابلیت تخریب توده سنگ را می توان در سه دسته ی کلی شامل سیسیتم توده سنگ، شرایط تخریب و سیستم استخراج بررسی کرد. مکانیزم تخریب را می توان به ارتباط این سه دسته در نظر گرفت. عوامل ژئومکانیکی به عنوان یکی از اصلی ترین عوامل موثر بر تخریب در سیستم توده سنگ لحاظ می شوند. دو عامل تنش و ناپیوستگی بیشترین نقش را در قابلیت تخریب ایفا می کنند. در این پژوهش با استفاده از مدلسازی عددی شرایط موجود در توده سنگ مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی ها نشان دهنده ی اهمیت بالای خصوصیات هندسی و مقاومتی ناپیوستگی ها در قابلیت تخریب هستند. بررسی تنش ها نیز نشان می دهد که با کاهش نرخ تنش های برجا، ایجاد زیربرش موجب افزایش تنش های القایی شده و شرایط تخریب را بهبود می دهد. مدلسازی شرایط توده سنگ آنومالی شماره 8 سه چاهون نیز نشان می دهد که امکان به کارگیری روش های تخریبی به خصوص تخریب بزرگ در این معدن وجود دارد.

ناپیوستگی های دارای جهت داری مخالف با جهت شیب دیواره های معادن سطحی، دارای قابلیت ریزش واژگونی هستند. مدل سازی احتمالاتی شیروانی ها که با هدف افزایش امکان قضاوت مهندسی و اعمال عدم قطعیت پارامترهای ورودی انجام می گیرد، شامل یک مدل احتمالاتی هندسی و یک مدل احتمالاتی مکانیکی است. در این پژوهش، مدل سازی احتمالاتی ریزش واژگونی دیواره شمالی معدن سنگ آهن چغارت که در ?? کیلومتری شمال شرقی شهرستان بافق استان یزد واقع شده، مدنظر می باشد. بدین منظور، بر پایه مدل های شبکه شکستگی تصادفی، با استفاده از نرم افزار مدل سازی هندسی ناپیوستگی ها تحت عنوان 3dgm، تعداد 38 مدل دو بعدی تهیه و بر اساس میانگین پارامترهای مکانیکی، در نرم افزار udec مورد تحلیل قرار گرفت. سپس جهت بررسی ابهامات ژئومکانیکی، با استفاده از روش شبیه سازی مونت کارلو، بر روی یکی از مدل های هندسی که به ریزش واژگونی نزدیک تر است، تعداد 38 مدل مکانیکی سوار و توسط نرم افزار udec مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج تحلیل حاکی از پتانسیل بالای ریزش هستند. همچنین احتمال وقوع ریزش در راستای ارتفاع دیواره بالا است.

در چند دهه اخیر شماری از روش های عددی ارائه شده¬اند که با استفاده از کامپیوترها جایگاه ویژه¬ای هم از لحاظ محاسبه تنش ها و تغییر مکان ها و هم از نظر برآورد گسیختگی توده سنگ ها شامل شیب¬های سنگی یافته¬اند. از طرفی با توجه به اینکه تحلیل پایداری توده سنگ درزه دار، منجر به بررسی گروه هایی از بلوک ها می شود که بصورت بالقوه برای پایداری یک شیب سنگی خطرناک هستند، لذا شناسایی این گروه های کلیدی مهم است. تلفیق روش گروه های کلیدی با روش های عددی موجب افزایش سرعت و دقت تحلیل خواهد شد و همچنین امکان توسعه این روش را در سه بعد فراهم می¬آورد. برای افزایش کارایی، دقت و سرعت روش گروه های کلیدی، تلفیق آن با یکی از روش های عددی مورد توجه است تا ضمن توسعه این روش مشکل زمان زیاد محاسبه و کمبود حافظه در روش های عددی نیز مرتفع گردد. در این پروژه، ابتدا به توصیف روش گروه های کلیدی پرداخته شد و سپس به کمک روش تصمیم¬گیری چند معیاره فازی بهترین گزینه از میان روش¬های عددی جهت تلفیق با روش گروه های کلیدی معرفی گردید. پس از انتخاب شدن روش عددی آنالیز تغییر شکل ناپیوسته به عنوان مناسب ترین روش، فرمولاسیون آن به تفضیل ارائه و برنامه مورد نیاز برای تلفیق این دو روش در محیط نرم افزار متمتیکا تهیه شد. جهت مدلسازی یک دیواره سنگی پس از تعریف دسته درزه ها، از داده¬های معدن سنگ آهن چغارت جهت توصیف ماده سنگ و خواص درزه¬ها استفاده و پس از انتخاب گروه کلیدی، روش آنالیز تغییر شکل ناپیوسته برای تحلیل آن بکار برده شد و ریزش آن مشاهده گردید.

یکی از معروف¬ترین روش¬های تعادل حدی استفاده شده در سی سال گذشته روش تحلیل بلوک های کلیدی یا تئوری بلوکی می¬باشد. تئوری بلوکی به بررسی جابجایی بلوک¬های سنگی و تحلیل تعادل حدی این بلوک¬ها از سطح حفریات مختلف می¬پردازد. در روش تئوری بلوکی تنها بلوک¬های کلیدی در نظر گرفته می¬شود. اگر هیچ یک از بلوک¬ها ناپایدار نباشد، نتیجه می¬شود که مجموعه توده سنگ مورد مطالعه پایدار است، اما در واقع می¬توان گروه¬هایی از بلوک¬ها را یافت که اگر به صورت مجموعه واحد در نظر گرفته شوند، ناپایدار خواهند بود. روش گروه های کلیدی یک روش گروه بندی بر مبنای تحلیل تمام بلوک های همسایه یک بلوک کلیدی است که به جستجوی یک گروه کلیدی ناپایدارتر از بلوک های کلیدی مجزا می¬پردازد. این روش بر اساس یک تحلیل پایداری پیشرونده اجرا می¬شود و در واقع یک روش تعادل حدی دو بعدی است. به¬ دلیل اینکه نتایج تحلیل دو بعدی معمولاً محافظه¬کارانه است، در پروژه¬های بزرگ، تحلیل سه ¬بعدی امری ضروری است. لذا مسئله اصلی در این تحقیق، توسعه روش گروه های کلیدی در سه بعد می باشد تا امکان تحلیل های واقعی تر شیب سنگ های درزه دار بوجود آید. در این تحقیق، پس از بسط و توسعه تئوری روش گروه¬های کلیدی به سه بعد، برای کاربرد عملی این روش، برنامه کامپیوتری آن در محیط mathematica تهیه شده است. برای اعتمادسنجی روش ارائه شده، نتایج اجرای آن بر روی چند مدل فرضی با نتایج حاصل از تحلیل عددی به روش المان¬های گسسته با استفاده از نرم افزار 3dec که برای مدل¬سازی و تحلیل محیط¬های ناپیوسته به کار می¬رود، مقایسه شده است. برای آزمایش کارایی روش در موارد واقعی، مدل هندسی بلوک تکتونیکی ii چغارت تهیه و تحلیل پایداری آن با استفاده از روش گروه¬های کلیدی سه بعدی انجام شده است.