پیش‌بینی میزان پیریت باقی‌مانده در دمپ باطله‌‌های فرآوری زغال با استفاده از روش آماری رگرسیون چند متغیره

محورهای موضوعی : مدیریت محیط زیست

بهشاد جدیری شکری ¹ , فرامرز دولتی ارده‌جانی ² , صادق کریم پولی ³

1 - استادیار دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی همدان*(مسوول مکاتبات).
2 - استاد دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه تهران.
3 - استادیار دانشکده مهندسی، گروه مهندسی معدن، دانشگاه زنجان.

تاریخ دریافت : 1392/10/25 تاریخ پذیرش : 1392/12/01 تاریخ انتشار : 1395/07/01

کلید واژه: دمپ باطله زغال, پیریت باقی‌مانده, رگرسیون چند متغیره, کارخانه زغال‌شویی البرز شرقی,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف: یکی از مهم‌ترین مشکلات محیط زیستی ناشی از عملیات معدن‌کاری، تولید و انتشار زهاب اسیدی در محیط پیرامون آن‌ها است. زهاب اسیدی اغلب از اکسیداسیون کانی‌های سولفیدی (به‌ویژه پیریت) در باطله‌ها، کانسارها و فرآوری معدنی تولید می‌شود. از این‌رو، پیش‌بینی و اندازه‌گیری میزان پیریت نقش شایان توجهی در شناسایی و کنترل زهاب‌‌ اسیدی دارد. در این مقاله با استفاده از روش آماری رگرسیون چند متغیره، رابطه‌ای برای پیش‌بینی میزان پیریت باقی‌مانده در یک دمپ باطله فرآوری زغال واقع دراطراف کارخانه زغال‌شویی البرزشرقی پیشنهاد شده است. روش بررسی: پیش‌بینی میزان پیریت باقی‌مانده (متغیر هدف) براساس متغیرهای تأثیرگذاری (مستقلی) مانند میزان اکسیژن نفوذی در ذرات باطله، عمق قرارگیری باطله‌ها در دمپ، میزان بارش تجمعی (از زمان ایجاد دمپ باطله تاکنون) و دمای محیطی در دمپ انجام گرفته است. برای تعیین میزان پیریت باقی‌‌مانده پس از انجام نمونه‌‌‌برداری و آماده‌سازی نمونه‌ها، از روش جذب اتمی برای اندازه‌گیری میزان آن در سولفور پیریتی استفاده شد. اندازه‌گیری اکسیژن نفوذی در باطله‌ها نیز به صورت برجا در محل ترانشه‌های حفر شده در دمپ باطله انجام شد. یافته‌ها: نتایج مطالعات آزمایشگاهی نشان داد که میزان پیریت باقی‌مانده با افزایش عمق باطله‌ها روند افزایشی داشته است در حالی‌که اکسیژن در باطله‌ها تا عمق دو متری از دمپ نفوذ کرده است. ‌پس از اندازه‌گیری و جمع‌آوری داده‌های مورد نیاز آزمایشگاهی و تاریخی، مطالعات آماری گسترده‌ای بر روی داده‌ها انجام یافته که به واسطه آن، روابط آماری تجربی بین متغیر هدف و هریک از متغیرهای مستقل ارایه و پیشنهاد شدند. سپس با استفاده از این روابط غیرخطی پیشنهادی و به کمک روش رگرسیون چند متغیره بر اساس الگوریتم افروی‌مسون (به روش گام به گام)، بهترین مدل (رابطه) پیشنهادی برای پیش‌بینی میزان پیریت باقی‌مانده در دمپ باطله زغال ارایه شده است. بحث و نتیجه‌گیری: نتایج به دست آمده حاکی از قابلیت اطمینان بسیار مطلوب 87 درصدی مدل پیشنهادی است. ارتباط بالای داده‌‌های اعتبارسنجی و مدل پیشنهادی با ضریب قوت90%= R2 نیز دلیل دیگری بر مطلوب بودن مدل پیشنهادی برای پیش‌بینی میزان پیریت باقی‌مانده در دمپ باطله زغالی می‌باشد. مدل پیشنهادی قابلیت استفاده در دمپ‌های مشابه زغالی را دارد و سبب کاهش قابل توجهی در هزینه‌ها و زمان بررسی‌های زهاب اسیدی معدنی در مدیریت محیط زیستی باطله‌های معدنی خواهد شد.

چکیده انگلیسی:

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.  

منابع و مأخذ:

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 Science and Technology, Vol. 5 (4), pp. 517-526.


2. 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.


3. 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. Hotckkiss, J.S. Downey, E.D. Gutentag and J.E. Moore (Eds.), American Institute of Hydrology, pp. 162-177.


4. Ezeigbo, H.I., Ezeanyim, B.N, 1993. Environmental pollution from coal mining activities in the Enugu areas, Anambka State, Nigeria, Mine Water and the Environment, Vol. 12, pp. 53-62.


5. Williams, R.E., Baldwin, J. Ralston, D.R., 1979. Coping with mine drainage regulations, Proceedings of the First International Mine Drainage Symposium, Denver, Colorado, pp. 184 -218.


6. Singer, P.C. Stumm, W., 1970. Acidic mine drainage: The rate determining step, Science, 167, 1121-1123


7. Evangelou, V.P., Zhang, Y.L., 2010. A review: Pyrite oxidation mechanisms and acid mine drainage prevention, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, pp. 1-60

1. Lefebvre, R., Hockley, D., Smolensky, J., Lamontagne, A., 2001. Multiphase transfer processes in waste rock piles producing acid mine drainage 2: application of numerical simulation. Journal of Contaminant Hydrology, Vol. 52, pp. 165-186.


2. 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.


3. 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.


4. 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. 1586-1593.


5. 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.


6. 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.


7. Shahhoseiny, M., Doulati Ardejani, F., Shafaei, S. Z., Noaparast, M., Hamidi, D., 2013. Geochemical and mineralogical characterization of a pyritic waste pile at the Anjir Tangeh coal washing plant, Zirab, Northern Iran. Mine Water and the Environmont, Vol. 32(2), pp. 84-96.


8. Boogerd, F. C., Beemd, V. D., Stoelwinder, T., Bos, P., Kuenen, J. G., 1991. Relative contributions of biological and chemical reactions to the overall rate of pyrite oxidation at temperatures between 30 ºC and 70 ºC. Biotechnology and Bioengineering, Vol. 38, pp. 109-115.


9. Elberling, B., 2005. Temperature and oxygen control on pyrite oxidation in frozen mine tailings, cold regions. Science and Technology, Vol. 41, pp. 121-133.


10. Yueping, Q., Wei, L., Yang, C., Zhengzhong, F., Liangliang, W., Guowei, J., 2011. Experimental study on oxygen consumption rate of residual coal in goaf. Safety Science, Vol. 50, pp. 787- 791.


11. Jianfeng, Z., Ning, H., Dengji, L., 2012. The relationship between oxygen consumption rate and temperature during coal spontaneous combustion. Safety Science, Vol. 50, pp. 842-845.

15. Jodeiri Shokri, B., Ramazi, H., Doulati Ardejani, F., Sadeghiamirshahidi, M. H., 2014. Prediction of pyrite oxidation in a coal washing waste pile applying artificial neural networks (ANNs) and adaptive neuro-fuzzy inference systems (ANFIS). Mine Water and the Environmont, Vol. 33, pp. 146-156.

17. Holmes, P.R., Grundwell, F.K., 2000. The kinetics of the oxidation of pyrite by ferric ions and dissolved oxygen: An electrochemical study, Geochimical et Cosmochimical Acta, Vol. 64(2), pp. 263-274.

21. Jodeiri Shokri, B., Ramazi, H.R., Doulati Ardejani, F., Moradzadeh, A., 2014. A statistical model to relate pyrite oxidation and oxygen transport within a coal waste pile: case study, Alborz Sharghi, northeast of Iran. Environmental Earth Sciences, Vol. 71, pp. 4693-4702.


22. Doulati Ardejani, F., Jodieri Shokri, B., Moradzadeh, A., Shafaei S.Z., Kakaei, R., 2011. Geochemical characterisation of pyrite oxidation and environmental problems related to release and transport of metals from a coal washing low grade waste dump, Shahrood, Northeast Iran. Environmental Monitoring and Assessments, Vol. 181, pp. 41-55.


23. جدیری شکری- ب، «تلفیق مدل‌سازی ریاضی و مطالعات ژئوفیزیکی زیست محیطی مواد حاصل از شستشوی کارخانه زغال‌شویی البرزشرقی»، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه شاهرود، دانشکده معدن و ژئوفیزیک، 1385؛ صفحات 1 تا40.


24. زارع- م، « مطالعات زیست محیطی روی انتشار آلودگی از مواد حاصل از شستشوی کارخانه زغال‌شویی البرزشرقی با استفاده از مدل‌سازی دو بعدی ریاضی و مطالعات ژئوفیزیکی»، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه شاهرود، دانشکده معدن و ژئوفیزیک، 1387؛صفحات 1 تا 20.


25. صادقی امیر‌شهیدی-م، « استفاده از شبکه عصبی و آنالیز تصاویر در پیش‌بینی نرخ اکسایش پیریت و تولید آلاینده‌ها در دمپ باطله کارخانه زغال‌شویی البرز شرقی»، پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، 1390؛ صفحات 1 تا 30.


26. شاهکار، غلامحسین و بزرگ‌نیا، ابوالقاسم؛ "تحلیل رگرسیون کاربردی"، چاپ اول، مرکز نشر دانشگاهی، 1378، فصل هشتم.