علوم و تكنولوژي محيط زيست، دوره هجدهم، شماره سه، پاييز 95

پيش بيني ميزان پيريت باقيمانده در دمپ باطلههاي فرآوري زغال با استفاده از
روش آماري رگرسيون چند متغيره

بهشاد جديري شكري1*
b.jodeiri@hut.ac.irفرامرز دولتي ارده جاني2 صادق كريم پولي3
تاريخ دريافت: 19/1/93 تاريخ پذيرش:29/9/93
چكيده
زمينه و هدف: يكي از مهم ترين مشكلات محيطزيستي ناشي از عمليات معدن كاري، توليد و انتشار زهاب اسيدي در محيط پيرامون آن ها است. زهاب اسيدي اغلب از اكسيداسيون كانيهاي سولفيدي (به ويژه پيريت) در باطله ها، كانسارها و فرآوري معدني توليد ميشود. از اين رو، پيشبيني و اندازه گيري ميزان پيريت نقش شايان توجهي در شناسايي و كنترل زهاب اسيدي دارد. در اين مقاله با استفاده از روش آماري رگرسيون چند متغيره، رابطهاي براي پيشبيني ميزان پيريت باقيمانده در يك دمپ باطله فرآوري زغال واقع دراطراف كارخانه زغال شويي البرزشرقي پيشنهاد شده است.
روش بررسي: پيش بيني ميزان پيريت باقي مانده (متغير هدف) براساس متغيرهاي تأثيرگذاري (مستقلي) مانند ميزان اكسيژن نفوذي در ذرات باطله، عمق قرارگيري باطله ها در دمپ، ميزان بارش تجمعي (از زمان ايجاد دمپ باطله تاكنون) و دماي محيطي در دمپ انجام گرفته است. براي تعيين ميزان پيريت باقيمانده پس از انجام نمونهبرداري و آماده سازي نمونه ها، از روش جذب اتمي براي اندازه گيري ميزان آن در سولفور پيريتي استفاده شد. اندازه گيري اكسيژن نفوذي در باطله ها نيز به صورت برجا در محل ترانشههاي حفر شده در دمپ باطله انجام شد.
يافته ها: نتايج مطالعات آزمايشگاهي نشان داد كه ميزان پيريت باقي مانده با افزايش عمق باطله ها روند افزايشي داشته است در حالي كه اكسيژن در باطله ها تا عمق دو متري از دمپ نفوذ كرده است. پس از اندازهگيري و جمع آوري داده هاي مورد نياز آزمايشگاهي و تاريخي، مطالعات آماري گسترده اي بر روي دادهها انجام يافته كه به واسطه آن، روابط آماري تجربي بين متغير هدف و هريك از متغيرهاي مستقل ارايه و پيشنهاد شدند. سپس با استفاده از اين روابط غيرخطي پيشنهادي و به كمك روش رگرسيون چند متغيره بر اساس الگوريتم

استاديار دانشكده مهندسي معدن، دانشگاه صنعتي همدان*(مسوول مكاتبات).
استاد دانشكده مهندسي معدن، دانشگاه تهران.
استاديار دانشكده مهندسي، گروه مهندسي معدن، دانشگاه زنجان.

افروي مسون (به روش گام به گام)، بهترين مدل (رابطه) پيشنهادي براي پيشبيني ميزان پيريت باقي مانده در دمپ باطله زغال ارايه شده است.
بحث و نتيجه گيري: نتايج به دست آمده حاكي از قابليت اطمينان بسـيار مطلـوب 87 درصـدي مـدل پيشـنهادي اسـت. ارتبـاط بـالايداده هاي اعتبارسنجي و مدل پيشنهادي با ضريب قوت90%= 2R نيز دليل ديگري بـر مطلـوب بـودن مـدل پيشـنهادي بـراي پـيش بينـي ميزان پيريت باقي مانده در دمپ باطله زغالي مي باشد. مدل پيشنهادي قابليت استفاده در دمپ هاي مشـابه زغـالي را دارد و سـبب كـاهشقابل توجهي در هزينه ها و زمان بررسي هاي زهاب اسيدي معدني در مديريت محيطزيستي باطله هاي معدني خواهد شد.

واژه هاي كليدي: دمپ باطله زغال، پيريت باقي مانده، رگرسيون چند متغيره، كارخانه زغال شويي البرز شرقي

J.Env. Sci. Tech., Vol 18, No.3, autumn 2016

Prediction of remained pyrite fraction within a coal waste pile with using of multivariate regression method

Behshad Jodeiri Shokri 1*
b.jodeiri@hut.ac.ir
Faramarz Doulati Ardejani
Sadegh Karimpouli

Abstract
Background and Objective: Acid mine drainage (AMD) is one of the most environmental problems which is caused by mining activities. It may be generated from oxidation of sulfide minerals (specifically pyrite) in mining wastes, ore and mineral processing. As a result, prediction and measurement of pyrite can play a key role in investigation of AMD process. In this paper, a relationship based on multivariate regression is suggested for predicting of remained pyrite fraction within a coal waste pile located nearby Alborz- Sharghi coal washing plant.
Method: For this purpose, the model uses the most important factors (independent variables) including depth, mole fraction of oxygen, local temperature and cumulative annual precipitation (from the initial deposition of the wastes within the pile) as input parameters and returns the remaining pyrite fraction (dependent variable) in the related depth of the pile as its output.
Findings: The results of the laboratory experiments reveal that the fraction of pyrite remaining gradually increased at the lower depth where the oxygen diffuses from the surface to 2 m of the pile. A comprehensive statistical analysis was conducted after obtaining and collecting of the required data which caused all the possible relationships among the target and independent variables to be suggested and presented. Then, the best model (relationship) according to Efroymson’s the step wise regression method was presented to predict of the remained pyrite fraction within the pile.
Discussion and discussions: The relatively high confidence level of the suggested model (87%) reveals its appropriate reliability. A strong correlation (R2=90%) between validation data and suggested model also confirms the desirable reliability of the model. The proposed model is recommended to be applied in similar coal waste piles and will economize time and cost in investigation of AMD process on the environmental management issue of mining wastes.

Keywords: Coal Waste Pile, Remained Pyrite Fraction, Multivariate Regression, Alborz- Sharghi Coal Washing Plant

Assistant Professor, Department of Mining Engineering, Hamedan University of Technology, Hamedan, Iran *(Corresponding Author).
Professor, School of Mining, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran 3- Assistant Professor, Department of Engineering, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
مقدمه
يكي از مهمترين مشكلات محيطزيستي ناشي از دمپ ها و در ضمن، آهن سه ظرفيتي ميتواند به شكل هيدروكسيد سدهاي باطله كارخانههاي فرآوري زغال، توليد و گسترش آهن مطابق واكنش (4) رسوب نمايد.
زهاب اسيدي معدن1 است (2،1). از ويژگي هاي بارز 3
اين زهاب ها مي توان به كاهش ميزان pH، افزايش ميزان يون هاي فلزي محلول (مانند آهن، آلومينيوم، كادميوم، مس، سرب، روي و جيوه)، افزايش ميزان سولفات ها با غلظتي بين 500 تا 10000 ميلي گرم بر ليتر و نيز غلظتهاي بالاي اكسيژن اشاره كرد (5- 3). اين زهاب ها ممكن است در دراز مدت سبب وارد آوردن خسارات جبران ناپذيري به منابع آبي (آب هاي سطحي و زيرزميني) و يا خاكي شوند، از اين رو بررسي و مطالعه آن ها از اهميت شايان توجهي برخوردار است.
معمولاً توليد زهاب اسيدي با اكسايش پيريت شروع شده و محصولات واكنش آن، توليد آهن، سولفات و اسيد (+H) است (5 و 6).
FeS2 

O2  H2O  Fe2 2SO42 2H
آهن دو ظرفيتي توليد شده در واكنش (1) در مجاورت اكسيژن، اكسيده شده و مطابق واكنش (2) آهن سه ظرفيتي توليد مي شود.
2 13 1
Fe 

4O2 H Fe 

2H2O
در شرايط pH پايين، واكنش (2) بسيار كند است. اگر شرايط محيطي مناسبي براي رشد و فعاليت باكتري هاي اسيدوفيل (تيوباسيلوس فروكسيدان2) فراهم باشد (يعني pH واكنش كم تر از 3)، در مجاورت اين باكتريها سرعت اين واكنش 106 برابر افزايش مي يابد (7). آهن سه ظرفيتي توليد شده مطابق واكنش (3) ممكن است با پيريت واكنش داده، آهن دو ظرفيتي، سولفات و اسيد بيش تري توليد نمايد.
FeS214Fe38H2O15Fe22SO4216H

Acid Mine Drainage
Thiobacillus ferrooxidans
Fe 3H2OFe(OH)33H(4)
اگر باكتري هاي احيا كننده سولفات تحت شرايط هوازي حضور داشته باشند، سولفات به سولفور (واكنش 5) احيا مي شود كه نتيجة آن كاهش يو ن هاي سولفات محلول و خنثي نمودن pH است.
CH3COOSO42H  H2S2HCO3 (5)
سال هاي متمادي است كه از روشهاي مدل سازي رياضي، مطالعات ژئوشيميايي براي بررسي اكسايش پيريت و محصولات ناشي از آن در دمپ ها و سدهاي باطله معدني استفاده شده است (15-8). در تمامي اين بررسي ها از مدل مغزه انقباضي استفاده شده است. براساس اين مدل، ابتدا پيريت موجود در سطح ذره باطله اكسيده مي شود. سپس ماده اكسيد كننده (اكسيژن و يا آهن سه ظرفيتي) از سطح ذره به داخل آن نفوذ كرده و از طريق ناحيه اكسيد شده به سمت مغزة اكسيد نشده ذره (پيريت باقي مانده) حركت مي كند. با انجام اين فرآيند، يك حالت منطقه بندي در ذره ايجاد مي شود. در نهايت، مرز مغزة اكسيد نشده به سمت داخل ذره حركت كرده و شعاع مغزة
اكسيد شده با واكنش اكسايش و انتقال محصولات آن، كاهش و ضخامت ناحيه اكسيد نشده افزايش خواهد يافت. بايد توجه كرد، آنچه كه سبب انتقال ماده اكسيد كننده به داخل ذره شده، همان عامل نفوذ كه در واقع گراديان غلظت ماده اكسيد كننده بين سطح و مغزة اكسيد نشده است، مي باشد (8). پژوهشگر ان فاكتورهاي مختلفي را در تعيين و اندازه گيري ميزان پيريت باقي مانده در باطله هاي زغال در نظر گرفته اند كه از جمله آن ها مي توان به مواردي كه در ادامه آمده است، اشاره نمود (10- 15). نوع كاني سولفيدي، اندازه ذره باطله در برگيرنده پيريت، غلظت اكسيژن نفوذي در باطله ها، دماي محيطي، شرايط Eh و pH محيطي، محتواي سولفوري و حضور يا عدم حضور باكتري ها. بايد توجه كرد كه در نظر گرفتن تمامي اين موارد اشاره شده، سبب پيچيده شدن تعيين اكسايش پيريت مي شود. از طرفي، اندازهگيري تمامي اين موارد اشاره شده اغلب غير ممكن است زيرا سبب بالا رفتن هزينهها و نيز زمان بررسيها خواهد شد. از اينرو در سال هاي اخير، پژوهشگرها تلاش نموده اند تا با استفاده از روشهايي كم هزينه، سريع (مانند روش هاي هوشمند و آماري) و نيز با در نظر گرفتن برخي از پارامترهاي موثر، براي بررسي فرآيند اكسايش پيريت (تعيين ميزان پيريت باقي مانده) استفاده كنند.
در سال 1991، Boogerd و همكاران يك معيار تجربي براي پيش بيني نرخ اكسايش شيميــايي پيـــريت تـوسط آهــن سه ظرفيتي را كه تابعي از پارامترهايي مانند دماي محيطي، ميزان پيريت و غلظت آهن سه ظرفيتي است، ارايه نمودند (16). آن ها براي دستيابي به اين رابطه تجربي، واكنش شيميايي بين پيريت و آهن سه ظرفيتي را در وضعيت هاي دمايي مختلف (30، 40 و 70 درجه سانتي گراد) با ميزان pH، 6/1 به كمك پايش مقادير آهن دو ظرفيتي، ميزان آهن كل، غلظت سولفات و سولفيد به دقّت مــورد بررسي قرار دادند.
Holmesو Grundwell (2000)، روابط تجـربي مختلفي بين نرخ هاي سينتكي انحلال پيريت به وسيله آهن سه ظرفيتي و اكسيژن حل شده (فاز مايع) را با استفاده از مطالعهها الكتروشيميايي پيشنهاد كردند (17).
در سال 2005 Elberling، اثر دما، ميزان غلظت اكسيژن و نرخ هاي مختلف مصرف آن را در اكسايش پيريت باطلههاي فرآوري در شرايط دمايي بسيار پايين (شرايط يخ زده) در سايت معدني نانسويك واقع در جزيره بافين كانادا را مـورد بررسي قرار داده و يك رابطه تجربي را پيشنهاد كرد (18).
Yueping و همكاران (2012) مطالعات آزمايشگاهي گسترده اي در مورد نرخ اكسيژن مصرفي در روي نمونههاي زغال انجام دادند. در نهايت يك رابطه تجربي براي نرخ مصرف اكسيژن در نمونه هاي زغالي با دانهبندي مختلف ارايه كردند (19). در اين رابطه پارامترهاي مستقلي مانند دما، غلظت اكسيژن و اندازه ذرات استفاده شده بود. Jianfang و همكاران (2012) يك رابطه خطي بين نرخ مصرف اكسيژن و دماي محيطي در حين فرآيند اكسايش پيريت را پيشنهاد كردند (20).
صادقي اميرشهيدي و همكاران (2012) با استفاده از روش شبكه هاي عصبي، ميزان پيريت باقي مانده را در يكي از دمپهاي باطله كارخانه زغال شويي البرزشرقي پيشبيني كردند (13). آن ها در بررسيهاي خود از 4 پارامتر ميزان بارندگي ساليانه، ضريب نفوذ موثر اكسيژن، ميزان پيريت اوليه و عمق قرارگيري باطلهها در دمپ استفاده نمودند. بايد توجه نمود كه آن ها در بررسي هاي صورت گرفته، ميزان ضريب موثر نفوذ را بدون اندازهگيري هاي آزمايشگاهي و تنها با توجه به سوابق و مطالعههاي قبلي در نظر گرفتند. براي برطرف نمودن اين نقصان، جديري شكري و همكاران (2013)، با استفاده از روش عصبي- فازي ميزان پيريت باقيمانده در يكي از دمپهاي ناشي از كارخانه زغال شويي البرزشرقي را پيش بيني كردند (15).
جديري شكري و همكاران (2013)، با استفاده از روش هاي آماري فرآيند اكسايش پيريت را در يكي از دمپهاي باطله زغال كارخانه زغالشوئي البرز شرقي بررسي نمودند. براي اين منظور ابتدا با استفاده از روش برازش منحني روابط ساده اي را براي تعيين ميزان پيريت باقيمانده و اكسيژن نفوذي با توجه به عمق قرارگيري باطله ها پيشنهاد نمودند. در نهايت آن ها، با استفاده از روش برازش سطح، رابطه آماري را براي تعيين ميزان پيريت باقيمانده به صورت تابعي از ميزان اكسيژن نفوذي در باطلهها و نيز عمق قرارگيري باطله ها ارايه كردند. با وجود مطلوب بودن نتايج در اين بررسي، نقش عواملي نظير دماي متوسط محيطي و نيز بارندگي ساليانه كه از اهميت شايان توجهي در تعيين ميزان پيريت باقي مانده برخوردار هستند، ناديده گرفته شده بود (21). از اين رو در اين مقاله با استفاده از روش رگرسيون چند متغيره رابطه تجربي جامعي براي پيشبيني ميزان پيريت باقي مانده به صورت تابعي از ميزان بارش تجمعي، دماي محيطي، عمق نمونهبرداري و اكسيژن نفوذي به كمك نتايج آزمايشگاهي و داده هاي پيشين1 در يكي
1- Historical Data
از دمپ هاي باطله كارخانه زغالشويي البرزشرقي، ارايه و نيز مورد اعتبارسنجي قرار گرفته است.
موقعيت منطقه مورد بررسي كارخانه زغال شويي البرز شرقي سوخت مورد نياز كارخانه ذوبآهن اصفهان را تأمين مي كند و داراي قدمتي بيش از 30 سال است. اين كارخانه در شمال شرقي دامغان و در كيلومتر 57 شاهرود، در مسير جادة مهماندوست – دامغان و در حدود
11 كيلومتري منطقه رزمجا قرار دارد. تغليظ زغال هاي استخراج شده از معدن زغال طزره، قشلاق و در برخي موارد معدن زغال طبس در اين كارخانه صورت مي گيرد. خوراك ورودي كارخانه در حدود 600 هزارتن در سال مي باشد و از آن جايي كه ميزان بازيابي زغال در آن حدود 50 % است، نيمي از خوراك ورودي كه نزديك به 300 هزار تن است شسته شده و بقيه آن به باطله تبديل ميشود (1 و 22). در مدار كارخانه زغال شويي از هر دو فرآيند جيگ ماشين و فلوتاسيون استفاده مي شود. فرآيند فلوتاسيون باطلههايي با ابعاد كوچك تر از فرآيند جيگ ايجاد مي كند كه در سدهاي نزديك كارخانه انباشت مي شوند. اين سدها اشباع از آب هستند و بنابراين ميزان نفوذ اكسيژن در آنها بسيار كم است. در حالي كه باطلههاي جيگ خشك بوده و در نزديكي كارخانه در دمپ هاي باطله انباشت مي شوند. باطله هاي زغال ايجاد شده توسط كاميون ها حمل شده و بدون هيچ گونه مطالعه محيط زيستي در نقاط مختلف نزديك به كارخانه، انباشت مي شوند. به نظر مي رسد طي ساليان متمادي حدود 3 ميليون تن در اطراف كارخانه انباشت شده است. با توجه به بررسي هاي صحرايي دو سد باطله و 4 دمپ باطله در مجاورت كارخانه شناسايي شدند (شكل 1). يكي از اين دمپ هاي جيگ ماشين، قدمت بيشتري دارد (در حدود 15 سال)، غيرفعال بوده و مساحتي در حدود 100 ×150 مترمربع را در برگرفته است. بررسيهاي صحرايي و نيز مطالعه-هاي قبلي انجام يافته در اين دمپ، حاكي از اين امر است كه قابليت توليد زهاب اسيدي معدني را دارد (22). از اين رو با درنظرگرفتن تمامي اين موارد بيان شده، اين دمپ كه قديمي ترين دمپ باطله جيگ است، براي انجام مطالعههاي بيش تر انتخاب شد. با توجه به اين كه در حدود 10 كيلومتري از پايين دست منطقه، شهرك مهماندوست كه منطقهاي مسكوني است، قرار دارد و نيز فعاليتهاي كشاورزي در اين ناحيه انجام مي شود. از اين رو، ضرورت انجام مديريت محيط- زيستي باطله ها به ويژه تعيين ميزان پيريت باقي مانده از اهميت قابل توجهي برخوردار باشد. بايد توجه كرد كه منطقه مورد مطالعه آب و هوايي كوهستاني دارد و حداكثر ميزان ارتفاع در آن نيز 2600 متر است.

در باطله ها

شكل 1- موقعيت مكاني و شماتيك از ناحيه مورد نظر و دمپ باطله جيگ قديمي
Fig 1- A schematic view of the studied area, the waste pile and the locations of sampling trenches روش بررسي
تعيين ميزان پيريت باقيمانده و اكسيژن نفوذي آن جايي كه براي تعيين ميزان پيريت باقي مانده در اين مطالعه
براي بررسي فرآيند اكسايش پيريت (تعيين ميزان پيريت باقي مانده و اكسيژن نفوذي در باطلهها)، در دمپ باطله، تعداد 10 ترانشه با عمق 2 متر روي 5 پروفيل نمونهبرداري موازي با فاصله جدايش 25 متري در سطح دمپ حفر شد (شكل 1). در مجموع تعداد 210 نمونه، با فاصله جدايش 1/0 متر (21 نمونه در هر ترانشه) هر يك به وزن 1 كيلوگرم از سطح تا عمق 2 متري دمپ برداشت شدند. هريك از نمونه ها جداگانه در داخل كيسههاي در بسته قرار گرفته و به آزمايشگاه كانهآرايي دانشگاه شاهرود براي آمادهسازي منتقل شد. سپس نمونه ها به مدت 2 روز در دسيكاتور با دماي 105 درجه سانتيگراد قرار گرفتند. پس از اخذ نمونه هاي معرف و از از روش جذب اتمي استفاده شده است، نمونه ها به مدت 15 دقيقه با استفاده از سرندهاي 30، 60، 100، 140 و 200 مش مورد تجزيه سرندي قرار گرفتند. سپس نمونه هايي معرف هريك به ميزان 1 گرم از نمونه عبوري سرند 200 مش (زير 75 ميكرون) براي تعيين پيريت باقي مانده انتخاب شدند. از آن جا كه سولفور در باطلهها ممكن است انواع مختلفي (آلي، غير آلي و پيريتي) داشته باشد، از اين رو ابتدا با استفاده از اسيد كلريدريك رقيق، پيريت از ساير سولفاتها جدا شده و در ادامه با استفاده از اسيد نيتريك رقيق، پيريت از ساير تركيبات موجود در باطلهها جدا شد. در نهايت با استفاده از دستگاه جذب اتمي AA-670 Shimadzu ميزان آهن در فاز پيريتي اندازه گيري شده و با استفاده از ضرايب استيكيومتري، ميزان پيريت در نمونه هاي باطله اندازه گيري شد.
براي بررسي روند غلظت اكسيژن در باطلهها، اندازه گيـري هــا به صورت برجا با استفاده از دستگاه ODM مدل (XP 204) ساخت شركت (RK1) كشور هلند در هر ترانشه در عمق هاي مختلف انجام يافت. اين دستگاه قادر است تا اكسيژن موجود در خلل و فرج ذرات باطله را در فاز گازي اندازهگيري كند. قبل از ثبت داده ها براي جلوگيري از ورود اكسيژن به درون نقطه اندازه گيري و ايجاد خطا، سطح ورود نازل بلافاصله توسط پوششي از خاك پوشانده مي شد. اندازه گيري ها به صورت همزمان با نمونهبرداري باطلهها در دمپ و مطابق با عمق اخذ آنها انجام يافت. بنابراين، با استفاده از اين اندازهگيري ها 210 داده از غلظت اكسيژن نفوذي در ذرات باطله ها در دمپ ثبت شد.
يافته ها
مقدار هاي مربوط به ميزان پيريت باقي مانده در باطله هاي دمپ قديمي جيگ ماشين در جدول 1 ارايه شده اند. همان گونه كه از اين جدول ديده ميشود، ميزان پيريت باقيمانده با افزايش ميزان عمق، افزايش مي يابد.
نتايج مربوط به ميزان غلظت اكسيژن در فضاهاي خالي باطله تا عمق 2 متري در محل نقاط مختلف نمونهبرداري در جدول 2 آورده شده است. بيش ترين ميزان اكسيژن در تمامي مـوارد در سطح دمپ است كه برابر با ميزان آن در اتمسفر است (21/0% ). تقريباً در عمق هاي زير 7/1 متري، كم ترين ميزان غلظت اكسيژن (صفر)، اتفاق افتاده است. در حالت كلّي با توجه به نتايج به نظر مي رسد، با افزايش عمق در دمپ باطله ميزان اكسيژن كاهش يافته است.

جدول 1- درصد پيريت باقي مانده در باطله هاي دمپ
Table 1- Pyrite remaining fraction within the wastes of the pile
پيريت باقي مانده (%) عمق (m) نمونه
P10 P9 P8 P7 P6 P5 P4 P3 P2 P1 0/83 0/57 0/25 0/41 0/85 0/70 0/79 0/60 0/33 0/52 0 S0
0/95 0/54 0/43 0/47 0/90 0/77 0/74 0/66 0/54 0/58 0/1 S1
1/00 0/47 0/62 0/52 0/95 0/84 0/69 0/74 0/75 0/63 0/2 S2
1/06 0/56 0/76 0/65 1/01 0/91 0/70 0/79 0/91 0/70 0/3 S3
1/11 0/69 0/87 0/86 1/08 0/96 0/79 0/88 1/02 0/79 0/4 S4
1/20 0/83 0/98 1/07 1/15 1/02 0/88 0/95 1/12 0/86 0/5 S5
1/22 0/88 1/11 1/14 1/13 1/07 0/94 1/07 1/18 0/97 0/6 S6
1/27 1/02 1/24 1/29 1/11 1/13 1/00 1/17 1/26 1/06 0/7 S7
1/32 1/09 1/33 1/38 1/16 1/18 1/07 1/28 1/30 1/17 0/8 S8
1/38 1/15 1/39 1/34 1/26 1/25 1/17 1/36 1/34 1/25 0/9 S9
1/50 1/20 1/48 1/30 1/35 1/31 1/25 1/42 1/36 1/33 1/0 S10
1/48 1/18 1/51 1/39 1/47 1/38 1/31 1/47 1/38 1/38 1/1 S11
1/54 1/12 1/55 1/48 1/59 1/45 1/37 1/54 1/38 1/44 1/2 S12

جدول 2- درصد غلظت اكسيژن نفوذي در باطلههاي دمپ
1/59 1/18 1/59 1/55 1/62 1/49 1/41 1/56 1/45 1/48 1/3 S13
1/64 1/29 1/64 1/60 1/56 1/50 1/52 1/61 1/54 1/54 1/4 S14
1/71 1/41 1/69 1/65 1/50 1/52 1/59 1/65 1/63 1/58 1/5 S15
1/75 1/44 1/73 1/75 1/59 1/56 1/63 1/67 1/79 1/60 1/6 S16
1/80 1/49 1/76 1/86 1/68 1/58 1/67 1/69 1/94 1/62 1/7 S17
1/82 1/62 1/78 1/91 1/75 1/62 1/68 1/71 2/03 1/63 1/8 S18
1/91 1/68 1/79 1/92 1/80 1/63 1/68 1/71 2/04 1/64 1/9 S19
1/84 1/75 1/80 1/92 1/85 1/63 1/69 1/74 2/08 1/64 2/0 S20
Table 2- The contents of diffused oxygen within the wastes of the pile
(

كسر مولي اكسيژن (2- 10 عمق(m) نمونه
P10 P9 P8 P7 P6 P5 P4 P3 P2 P1 21/00 21/00 21/00 21/00 21/00 21/00 21/00 21/00 21/00 21/00 0 S0
20/00 20/00 20/00 19/00 20/00 18/00 19/00 18/50 18/50 18/50 0/1 S1
18/00 18/50 19/00 17/50 18/50 15/00 15/50 17/00 16/50 17/00 0/2 S2
15/00 17/00 17/00 13/00 15/50 13/50 14/50 15/50 14/50 16/00 0/3 S3
13/00 16/00 16/00 11/00 13/50 11/00 13/50 14/00 13/00 14/00 0/4 S4
10/00 14/00 14/50 8/00 12/00 8/40 12/00 13/00 12/00 12/50 0/5 S5
9/00 13/00 13/00 6/00 11/00 7/20 11/20 11/20 10/00 11/00 0/6 S6
8/50 12/00 9/50 5/00 9/00 6/00 10/00 9/50 8/50 10/00 0/7 S7
6/50 10/50 8/00 3/50 7/50 5/50 8/50 8/00 6/00 8/50 0/8 S8
5/50 8/50 6/50 3/00 6/00 4/50 7/00 6/50 4/90 6/50 0/9 S9
4/00 6/50 4/00 2/50 5/50 4/00 6/00 6/00 3/50 5/50 1/0 S10
3/00 4/50 3/00 2/00 4/50 3/00 5/00 4/00 2/50 4/00 1/1 S11
2/00 3/00 2/50 1/50 2/00 2/50 4/00 3/00 2/00 3/00 1/2 S12
0/50 2/00 2/00 1/00 2/00 2/00 2/00 1/60 2/00 2/00 1/3 S13
0/50 1/00 1/00 0/50 1/50 1/50 1/50 1/00 1/80 1/40 1/4 S14
0/00 0/50 0/50 0/50 1/00 1/00 1/00 0/50 1/40 0/50 1/5 S15
0/00 0/10 0/00 0/00 0/50 0/10 0/20 0/20 1/00 0/20 1/6 S16
0/00 0/00 0/00 0/00 0/20 0/00 0/20 0/10 0/50 0/00 1/7 S17
0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 1/8 S18
0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 1/9 S19
0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 0/00 2/0 S20

پيش بيني ميزان پيريت باقي مانده در دمپ باطله هاي …. 45

ارايه داده ها
از آن جايي كه تعداد محدودي از پارامترهاي تأثيرگذار بر روي پيريت باقيمانده (متغير پاسخ)، در دسترس هستند، پارامترهاي ميزان تجمعي بارش جوي در منطقه از زمان ايجاد دمپ باطله، دماي متوسط محيطي، عمق بررسي و ميزان اكسيژن نفوذي در باطلهها به عنوان پارامترهاي اصلي در نظر گرفته شدند.
240 مجموعه داده شامل 5 پارامترهايي است قبلاً به آنها اشاره شده است، در اين بخش استفاده شده اند كه 210 مجموعه آن از مطالعة حاضر و 30 مجموعه دادة ديگر از مطالعات قبلي (25- 23) گرفته شده اند. براي درك بهتر به هر يك از اين پارامترها، نمادهاي زير اختصاص داده شد:
ميزان تجمعي بارش (Pr)؛
دماي متوسط محيطي (T)؛
عمق باطلهها (D)؛
درصد اكسيژن نفوذي در باطله ها (O)؛
درصد پيريت باقي مانده (Py)؛ در مرحله بعد، دادهها به دو بخش داده هاي ساخت مدل و دادههاي اعتبارسنجي تقسيم شدند كه هريك از آنها به ترتيب شامل 70 و 30 % از مجموعه دادههاي اصلي بودند. بايد توجه كرد كه انتخاب دادههاي اعتبارسنجي به صورت تصادفي انجام يافته است.
تعيين متغيرهاي مناسب در مدل پيشبيني پيريت باقي مانده
پس از تقسيم داده ها و فراهم نمودن دادهها، در مرحله بعد بايد روابط هريك از اين پارامترها بر روي يكديگر و همچنين رابطة هريك از آن ها بر روي ميزان پيريت باقي مانده به صورت يك متغير رگرسيوني جداگانه كه در مدل استفاده خواهد شد، مشخص گردد. براي اين منظور از نرم افزارهاي برازش دو بعدي و سه بعدي Table Curve ver 5.01 استفاده شد. از طرفي ممكن است تعداد روابط اشاره شده بين پارامترها، بسيار زياد باشند. براي داشتن يك مدل مناسب، بايد تا حد ممكن بهترين رابطه ها از بين همة روابط ممكن بين پارامترها به عنوان متغير استفاده شده در مدل انتخاب شود. براي انجام اين موضوع، از مقايسة ضرايب تبيين (2R) و ضرايب تبيين اصلاح شده (-2RAdjusted)، استفاده شده است. در برخي از موارد ممكن است اين ضريبها بسيار نزديك به يكديگر باشند، در اينصورت از آن جا كه هدف يك ارايه مطلوب است، تمامي اين موارد در نظرگرفته شده است. از آن جا كه ممكن است در برخي از محاسبات ميزان پيريت باقي مانده منفي شود، مجذور آن به عنوان متغير پاسخ (Sqrt(Py)) استفاده شد. براي جلوگيري از بي معني شدن برخي از روابط مانند عمق صفر (سطح دمپ) و يا ميزان اكسيژن نفوذي (0 درصد)، از عددهاي بسيار كوچك مانند 001/0 استفاده شد. در نهايت متغيرهاي استفاده شده در مدل به صورت زير خواهند بود:
توابع مجذور پيريت باقي مانده بر حسب عمق قرار گيري ذرات باطله در دمپ به صورت رابطه هاي (6) و (7) هستند:

از طرفي توابع مجذور پيريت باقي مانده بر حسب ميزان اكسيژن نفوذي در دمپ به صورت رابطه هاي (8)، (9) و
(10) هستند:

(8)

(9)

(10)
توابع مطلوب براي محاسبه مجذور پيريت باقيمانده بر حسب دماي محيطي در دمپ به صورت رابطههاي (11)، (12) و (13) هستند:

(11)

(12)

(13)

توابع تعيين مجذور پيريت باقي مانده بر حسب ميزان بارش تجمعي در محدوده دمپ به صورت رابطه هاي (14)، (15) و (16) كه در ادامه آورده شده اند، هستند:
541793-537

(14)

541793-536

(15)

541793-536

(16)

توابع پيشنهادي براي تعيين مجذور پيريت باقي مانده برحسب عمق قرار گيري باطلهها و اكسيژن نفوذي بين ذرات باطله در دمپ به صورت رابطه هاي (17)، (18) و (19) هستند:
541794-537

(17)

همچنين توابع مجذور پيريت باقيمانده بر حسب دماي محيطي و بارش تجمعي در دمپ نيز رابطههاي (17)، (18) و (19) هستند:

پيش بيني ميزان پيريت باقي مانده در دمپ باطله هاي …. 47
در نهايت رابطه توابع مجذور پيريت باقي مانده برحسب قدم1 براساس الگوريتم افروي مسون2 و با استفاده از نرم افزار IBM SPSS ver 20 انجام يافت. در واقع، در روش رگرسيون قدم به قدم تعديل روش انتخاب پيش رو3 است كه در آن در هر گام بر اساس روش حذف پس رو4 همه متغيرهاي رگرسيوني از قبل وارد شده به مدل با آماره F جزيي خودشان، مجدداً مورد ارزيابي قرار مي گيرند. يك متغير رگرسيوني اضافه شده در يك گام قبلي تر ممكن است از نظر ارتباط با متغيرهاي رگرسيوني كه اكنون در معادله وجود دارند، اضافي (زايد) باشد. در اين روش، اگر آماره F جزيي براي يك متغير كمتر از FOUT باشد، آن متغير از مدل كنار گذاشته ميشود. رگرسيون قدم به قدم دو مقدار FIN و FOUT دارد. به طور معمول FIN > FOUT انتخاب مي گردد، براي اينكه اضافه شدن يك متغير رگرسيوني نسبت به حذف آن را ساده تر ميكند. در نهايت پس از استفاده از اين روش تعداد مختلفي مدل رگرسيون به دست خواهد آمد (26). براي انتخاب بهترين مدل بايد برخي از معيارهاي آماري مانند ضريب تبيين و ضريب تبيين اصلاح شده آنها با يكديگر مقايسه شوند. البته بايد توجه داشت كه مدل ارايه شده بايد فرضياتي را كه در مورد خطاها به آن ها پيشتر اشاره شد، نيز داشته باشد. پس از انتخاب مدل مطلوب، بايد مدل به دست آمده براي دادههاي اعتبارسنجي مورد بررسي قرار گيرد تا ميزان اطمينان به آن مشخص شود. نتايج مربوط به آناليز رگرسيون خطي به دست آمده در جدول 3 آورده شده است.
با مقايسه بين مدلها، مدل 8 با 2R و 2R اصلاح شده به ترتيب 934/0 و931/0 به عنوان بهترين مدل به صورت زير انتخاب
ميزان بارش تجمعي از زمان ايجاد دمپ در محدوده بررسي

(25)
0C تا 7C مقادير ثابت هستند كه به ترتيب: 148/5، 347/0،
610/5968-، 025/0-، 013/0-، 010/0، 993/8-، 265/0- هستند.

به صورت روابط (23) و (24) هستند:

ساخت مدل آماري
پس از ايجاد متغيرها، در مرحله بعد براي يافتن بهترين رابطه رگرسيوني چند متغيره بين متغيرهاي ذكر شده از روش قدم به
ميزان اكسيزن نفوذي در بين ذرات باطله و نيز ميشود (رابطه 25):
Stepwise Methods
Efroymson
Backward Methods
Forward Methods
48 علوم و تكنولوژي محيط زيست، شماره 70، پاييز 95 جديري شكري و همكاران

جدول 3- مقايسه معيارهاي آماري مدل هاي به دست آمده با استفاده از رگرسيون خطي چند متغيره
ميزان انحراف معيار خطا 2R اصلاح شده R2 R ل
0/09896 0/728 0/730 0/854 1
0/07550 0/842 0/844 0/919 2
0/06728 0/874 0/877 0/936 3
0/05994 0/900 0/903 0/95 4
0/05414 0/919 0/921 0/960 5
0/05159 0/926 0/929 0/964 6
0/05079 0/928 0/931 0/965 7
0/04983 0/931 0/934 0/966 8
Table3- Comparison of statistical results of the models using multivariate linear regression
مدل 1: عدد ثابت، 2x مدل 2: عدد ثابت، 2×7 ،x، مدل 3: عدد ثابت، 2×18 ،x7 ،x، مدل 4: عدد ثابت، 2×17 ،x18 ،x7 ،x، مدل 5: عدد ثابت، 2×12 ،x17 ،x18 ،x7 ،x، مدل 6: عدد ثابت، 2×8 ،x12 ،x17 ،x18 ،x7 ،x مدل 7: عدد ثابت ، 2×4 ،x8 ،x12 ،x17 ،x18 ،x7 ،x مدل 8: عدد ثابت ، 2×13 ،x4 ،x8 ،x12 ،x17 ،x7 ،x

51103558009

در نهايت رابطه تجربي (26) براي پيشبيني ميزان پيريت نفوذي، دماي محيطي و بارش تجمعي به صورت زير پيشنهاد باقي مانده در دمپ باطله به شكل تابعي از عمق، ميزان اكسيژن مي شود:
(26)

محاسبه شد كه حاكي از اين است كه مدل ارايه شده 87% قابليت اطمينان دارد كه عدد بسيار مطلوبي است. شكل 3 ارتباط داده هاي اعتبارسنجي و مدل پيشنهادي را با 90%= 2R نشان مي دهد.

پيش بيني ميزان پيريت باقي مانده در دمپ باطله هاي …. 49
شكل 2 هيستوگرام آناليز خطاي مدل ارايه شده را نشان مي دهد. تابع توزيع خطاي مدل از تابعي نرمال است و به نظر مي رسد كه مدل ارايه شده مناسب انتخاب شده است. براي اطمينان از درستي مدل، داده هاي اعتبار سنجي به مدل بالا وارد شدند. ميزان RMSE، دادههاي اعتبارسنجي 13/0 و متغير هدف، بهترين رابطه ممكن آماري با قابليت اطمينان 87 % پيشنهاد شد. ميزان 90%= 2R، حاكي از مطلوب بودن اعتبارسنجي رابطه پيشنهادي است. بايد توجه كرد كه روابط و معادلات رياضي حاكم بين پارامترهاي (متغيرهاي) مختلف در پيش بيني اكسايش پيريت و توليد زهاب اسيدي معمولاً بسيار پيچيده هستند. حل اين معادلات (پيش بيني ميزان پيريت باقي مانده) كه معمولاً به صورت معادلات ديفرانسيلي پاره اي و غيرخطي هستند و فرآيندي بسيار وقتگير و هزينهبر است، تنها با استفاده از روش هاي عددي كه همراه با كد نويسي پيچيده و نرم افزارهاي محدودي امكانپذير است. از سوي ديگر، محاسبه آن نيز تنها با انجام كارهاي آزمايشگاهي وقتگير و سخت كه معمولاً با برهم زدن ساختار دمپ همراه است، امكان پذير مي باشد. از اين رو به نظر مي رسد كه با استفاده از رابطه آماري جامعي كه در اين مقاله پيشنهاد شد، مي توان ميزان پيريت باقي مانده را در منطقة اكسايش واقع در نواحي سطحي دمپهايي با مشخصات يكسان و شرايط محيطي مشابه محاسبه كرد و با توجه به آن اطلاعات بيش تري را در شروع مطالعات مديريت محيطزيستي باطله ها بدون صرف وقت و هزينة زياد فراهم نمود.
تشكر و قدرداني
نويسندگان مقاله برخود لازم مي دانند از همكاري و مساعدت كارشناسان محترم شركت زغال سنگ البرزشرقي، دانشكده معدن، ژئوفيزيك و نفت دانشگاه شاهرود كمال تشكر و قدرداني را به جا آورند.
منابع
1. Doulati Ardejani, F., Jodieri Shokri, B., Moradzadeh, A., Soleimani, E., Ansari Jafari, M., 2008. A combined mathematical geophysical model for prediction of pyrite oxidation and pollutant leaching associated with a coal washing Waste dump.
International Journal of Environmental

شكل 2- هيستوگرام داده هاي خطاي مدل ارايه شدهFig. 2- The histogram related to the residual of the suggested model

شكل 3- ارتباط داده هاي اعتبارسنجي مدل و داده هاي اندازه گيري شدهFig. 3- The linear regression plots of targets related to outputs for the validation data and the measured data بحث و نتيجه گيري
50 علوم و تكنولوژي محيط زيست، شماره 70، پاييز 95 جديري شكري و همكاران
براي پيش بيني ميزان پيريت باقي مانده (متغير هدف) به صورت رابطه اي برحسب ميزان اكسيژن نفوذي در باطلهها، عمق قرارگيري ذرات باطله، ميزان تجمعي بارش ها در محل دمپ باطله (از زمان ايجاد دمپ باطله) و نيز دماي متوسط محيطي از روش رگرسيون چند متغيره استفاده شد. براي اين منظور كليه روابط بين ميزان پيريت باقي مانده و پارامترهاي ذكر شده بررسي شد. پس از انتخاب بهترين روابط بين متغيرهاي وابسته producing acid mine drainage 2: application of numerical simulation. Journal of Contaminant Hydrology, Vol. 52, pp. 165-186.
Fala, O., Aubertin, M., Molson, J. W.,
Bussie`re, B., Wilson, G. W., Chapuis, R., Martin, V., 2003. Numerical modeling of unsaturated flow in uniform and heterogeneous waste rock pile, In: Farrell, T., Taylor, G. (Eds.), Sixth International Conference on Acid Rock Drainage (ICARD),
Australasian Institute of Mining and Metallurgy, Cairns, Australia,
Publication Series 3, pp. 895– 902.
Molson, J. W., Fala, O., Aubertin, M., Bussière, B., 2005. Numerical simulations of sulphide oxidation, geochemical speciation and acid mine drainage in unsaturated waste rock piles. Journal of Contaminant
Hydrology, Vol. 78(4), pp. 343-371.
Molson, J. W., Fala, O., Aubertin, M., Bussière, B., 2008. Geochemical transport modeling of acid mine drainage within heterogeneous waste rock piles. Geo Edmonton, pp. 15861593.
Doulati Ardejani, F., Singh, R. N, Baafi, E. Y., 2004. Use of PHEONICS for solving one dimensional mine pollution problems. The PHOENICS Journal of Computational Fluid Dynamics & Its Applications,Vol. 16, pp. 23-28.
Sadeghiamirshahidi, M. H, Eslam Kish, T., Doulati Ardejani, F., 2012. Application of artificial neural networks to predict pyrite oxidation in a coal washing refuse pile. Fuel, Vol. 104, pp. 163-169.
Shahhoseiny, M., Doulati Ardejani, F., Shafaei, S. Z., Noaparast, M., Hamidi, Science and Technology, Vol. 5 (4), pp. 517-526.
Doulati Ardejani, F., Jodeiri Shokri, B., Bagheri, M., Soleimani, E., 2010. Investigation of pyrite oxidation and acid mine drainage characterization associated with Razi active coal mine and coal washing waste dumps in the Azad shahr–Ramian region, northeast Iran. Environmental Earth Sciences, Vol. 61. pp. 1547–1560.
Vandersluis, G.D., Straskraba, V., and Effner, S.A., 1995. Hydrogeological and geochemical aspects of lakes forming in abandoned open pit mine, Proceedings on Water Resources at Risk, W.R.



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید