اصول استخراج – Principal of exploitation
صنایع معدنکاری و کشاورزی صنایع پایه کشورها است. به کمک کشاورزی می‌توان مواد اولیه خوراکی، پوشاکی و تا حدودی بعضی از مصالح ساختمانی را تامین کرد ولی به کمک صنعت معدنکاری، مواد اولیه مورد نیاز صنایع مختلف تامین می‌شود. مواد اساسی ساختمان سازی، نظیر سنگ‌های طبیعی، ماسه، رس و مواد اولیه سیمان و حتی تهیه تمام سوخت‌ها مثل گازهای طبیعی، نفت و زغال به کمک کارهای معدنی تامین می‌شوند.
مراحل معدنکاری
- پی جویی (Prospecting)
- اکتشاف (Exploration)
- آماده سازی (Development)
- استخراج (Exploitation)
- بازسازی (Reclamation)
۱- پی جویی
اولین مرحله قبل از معدنکاری است که دنبال ماده معدنی می گردیم. ماده معدنی هنوز به عنوان کانسار کانی (Mineral deposit) است. مدت football carnival زمان این مرحله ۱ تا ۳ سال طول می‌کشد. هزینه این مرحله ۰/۱ تا ۵ میلیون دلار است. این مرحله شامل موارد زیر است:
- روش‌های پی‌جویی
- مستقیم: شامل فیزیکی و زمین شناسی
- غیر مستقیم: شامل ژئوفیزیکی، ژئوشیمیایی
- ابزار مناسب تعیین محل (نقشه‌ها، مراجع و منابع علمی، معادن قدیمی)
- روش‌های هوایی: شامل عکس‌برداری هوایی، ژئوفیزیک هوابردی، ماهواره
- روش‌های سطحی: شامل ژئوفیزیک سطح زمین، زمین شناسی
- کشف آنومالی، آنالیز، ارزیابی
۲- اکتشاف
در این bonus مرحله اندازه و ارزش کانسار کانی تا حد امکان به طور دقیق تعیین می‌شود. روش‌های به کار گرفته شده در این مرحله thank you. you will receive an sms soon. دقیق‌تر از مرحله پی‌جویی است. در این مرحله اندازه و ارزش کانسار با استفاده از روش‌های زیر تعیین می‌شود:
ارزیابی کانسار با استفاده از رابطه زیر:
هزینه-درآمد= سود
آخرین مرحله از اکتشاف مطالعات امکان سنجی (Feasibility study) است. یعنی گرفتن تصمیم در مورد تعطیل کردن یا آماده سازی معدن
- زمان لازم برای انجام این مرحله ۲-۵ سال است.
- هزینه لازم برای انجام این مرحله ۱ -۱۵ میلیون دلار است
۳- آماده سازی
در این مرحله کانسار برای استخراج باز می‌شود. دسترسی به کانسار به روش‌های زیر امکان پذیر است:
- از طریق روباره برداری
- از طریق حفر فضاهایی از سطح زمین به کانسارهای واقع در نقاط عمیق‌تر
موارد مورد نیاز جهت انجام این مرحله:
- اخذ مجوز معدن کاری (خرید یا اجاره (Lease)) اگر در مرحله اکتشاف انجام نگرفته باشد.
- بررسی ملاحظات زیست محیطی، بررسی فنی و اخذ مجوز
- ساختن راههای دسترسی، بررسی سیستم حمل و نقل
- جایابی تاسیسات سطحی و احداث آنها
- دسترسی به کانسار از طریق روباره برداری یا حفر تونل یا چاه
- هزینه این مرحله ۱۰ تا ۵۰۰ میلیون دلار
- مدت زمان لازم برای این مرحله ۲-۵ سال است
۴- استخراج
در این مرحله استخراج از کانسار در مقیاس بزرگ (Large-Scale production of ore) شروع می شود.
این مرحله شامل موارد زیر است:
- بررسی فاکتورهای موثر در انتخاب روش استخراج شامل: فاکتورهای زمین شناسی، جغرافیایی، اقتصادی، زیست محیطی، اجتماعی و ایمنی
- انتخاب روش استخراج شامل: معدن کاری سطحی (Surface mining) یا معدن کاری زیرزمینی (Underground mining)
- کنترل هزینه ها و تعیین دوره بازگشت سرمایه
- زمان لازم برای این مرحله ۱۰-۳۰ سال است
- هزینه لازم برای این مرحله ۵-۷۵ میلیون دلار بر سال است.
۵- بازسازی (Reclamation or real estate)
آخرین مرحله معدنکاری است که شامل: بستن معدن (Mine colure)، حذف ساختمانها و کارخانه (Removal of plant and building)، بازسازی دمپهای باطله (Reclamation of waste and tailings dumps) مسطح کردن سطح زمین (Recontouring )، کاشتن درخت و گیاه مجدد (Revegitating) و برگرداندن وضعیت آبها و زمین به حالت اولیه (Restoring the water and land values) – بهترین زمان شروع برای برنامه ریزی بازسازی معدن قبل از ایجاد اولین حفاری در معدن است.
زمان لازم برای این مرحله ۱-۱۰ سال و هزینه ۱-۲۰میلیون دلار است.
طبقه‌بندی روش‌های استخراج
- عده‌ای از مولفان روش‌های استخراج را با توجه به نوع ماده معدنی فلزی و غیرفلزی تقسیم کرده‌اند.
- عده‌ای عمق نسبی را معیار قرار داده‌اند.
- عده‌ای دیگر اندازه و شکل ذخیره مثل رگه‌ای و توده‌ای بودن را معیار قرار داده‌اند.
معمولی ترین طبقه‌بندی توسط هارتمن (Hartman) ارائه شده است.
مراحل استخراج در روش‌های سطحی
- آماده سازی سطح زمین (Preparing the surface)
- حفاری بر روی باطله یا ماده معدنی
- انفجار باطله یا ماده معدنی
- بارگیری باطله یا ماده معدنی
- حمل باطله یا ماده معدنی
- بازسازی معدن
حفاری و انفجار بر روی باطله یا ماده معدنی
حفر چال‌ها معمولاً به کمک حفاری چرخشی (Rotary drills) و بعضاً در چال‌های با قطر کم از حفاری ضربه ای (Percussive drills) استفاده می‌شود. سنگ شکن اولیه معدن یکی از عوامل مهم در انتخاب ماشین حفاری، آرایش چال‌ها و نحوه انفجار است.
- پس از حفر چال‌ها عملیات انفجار صورت می‌گیرد. نوع مواد منفجره و میزان مصرف، بستگی به جنس سنگ و میزان خردشدگی لازمه دارد.
- انفجار باید به گونه‌ای باشد که از انفجار ثانویه (Secondary blasting) استفاده نشود و دارای کمترین پرتاب سنگ (Fly rock) باشد.
- غالباً در معادن سطحی از آنفو به دلایل ایمنی بالا، ارزانی و خردشدگی بهتر در انفجار استفاده می‌شود.
بارگیری و حمل باطله یا ماده معدنی
باطله‌ها و مواد معدنی در روش سطح برداری غالباً به کمک لودر، شاول، اسکریپر، دراگلین انتقال داده می‌شود. در روش روباز معمولاً از شاول یا لودر یا ترکیبی از این دو استفاده می‌شود. حمل مواد در معادن سطحی به کمک کامیون، نوار نقاله (Belt conveyor)، نقاله هوایی (Ropeway) و ریل (Rail) انجام می‌گیرد.
روش استخراج روباز
تعاریف واژهای مورد استفاده در روش روباز:
- پله (Bench): در روش روباز استخراج به کمک ایجاد پله انجام می‌گیرد.
- دامنه پله (Bench face): سطحی که لبه پله (Bench crest) را به پای پله (Bench toe) وصل می‌کند.
- ارتفاع پله (Bench height): فاصله عمودی بین لبه پله تا پای پله را ارتفاع پله می‌نامند. این فاصله بستگی ماشین حفاری، بارگیری و قوانین ایمنی موجود در معدن دارد.
- عرض پله (Bench width): فاصله افقی بین پای پله یک پله تا لبه پله پایینی، عرض پله بستگی به پهنای ماشین آلات حفاری، بارگیری و حمل دارد
- شیب پله (Bench slope): زاویه ای است که بین دامنه پله و افق بر حسب درجه
- شیب نهایی معدن (Overal pit slope angle): زاویه بین خط واصل لبه بالاترین پله و پای پایین ترین پله با خط افق
- پله ایمنی (Berm): به منظور افزایش پایدار شیب و ایمنی در معدن پله‌های ایمنی در دیواره معدن ایجاد می‌شوند شیب و عرض این پله‌ها به شرایط ژئوتکنیکی معدن دارد.
- دیواره بالایی (Hanging wall) و دیواره پایینی (Foot wall): در معادن روباز سنگ‌های بالای ماده معدنی دیواره بالایی یا کمربالا و سنگ‌های زیرین را دیواره پایینی یا کمرپایین می‌نامند
- پوشان سنگ (Over burden): به باطله‌های روی ماده معدنی که بایستی برداشته شوند تا به ماده معدنی دسترسی حاصل شود پوشان سنگ می‌نامند.
- عیار (grad): مقدار فلز موجود در ماده معدنی
- ماده معدنی (Ore body): به توده سنگ حاوی کانی که از نظر عیار و تناژ در وضعیتی باشد که استخراج آن مقرون به صرفه باشد.
- رمپ (Ramp): پله‌ها در معادن روباز به صورت حلزونی (Spiral system) یا زیگزاگی (Zig-Zag) به هم مرتبط می‌شوند.
انتخاب هر یک از این دو روش بستگی به عوامل زیر دارد:
- عمق معدن: با عمیق تر شدن معدن، در روش حلزونی فاصله افزایش می‌یابد لذا روش زیگ زاگی مناسب تر است.
- از آن جا که کمر پایین ماده معدنی سخت تر است نسبت به کمربالا، لذا جاده بایستی در کمرپایین ایجاد شود در نتیجه جاده زیگزاگی مناسب تر است
- در معادن با شیب زیاد عرض پله‌های و عرض جاده بایستی کم باشد از آن جا که جاده‌های زیگزاگی در سر پیچ نیاز به عرض زیاد هستند لذا مناسب نیستند.
رمپ زیگزاگی (Zig-Zag)
رمپ حلزونی (Spiral system)
- شیب جاده معدن بین ۸ تا ۱۲ درصد می‌باشد.
- عرض جاده‌ها بستگی به عرض کامیون‌های مورد استفاده در معدن دارد. عرض بهینه جاده‌ها ۳/۵ برابر عرض کامیون است. این مقدار در سر پیچ قدری زیادتر است.
- در صورتی که جاده دارای آبرو (Ditch) و دیواره اطمینان (Berm) باشد این فاصله حدوداً ۴/۵ برابر عرض کامیون است.
نسبت باطله برداری به ماده معدنی متوسط یا سرجمع (Average or Overall stripping ratio)
مثال: چنانچه فرض شود در کل عمر معدن به ازاء ۵ میلیون تن کانسنگ ۱۰ میلیون تن باطله برداشت شده است. نسبت باطله برداری متوسط عبارت است از:
در صورتی که ماده معدنی را به صورت استوانه ای شکل و شکل پیت را به صورت مخروط ناقص (Inverse truncated cone) فرض کنیم در این صورت نسبت باطله برداری عبارت است از:
در صورتی که ماده معدنی از شکل خاصی تبعیت نکند می‌توان با بلوک بندی ذخیره و اندازه گیری تناژ آنها OSR را به صورت زیر محاسبه کرد:
روش‌های نسبت باطله‌برداری به ماده معدنی
چهار نوع نسبت باطله برداری به ماده معدنی ممکن است در طراحی معادن برنامه ریزی شود که عبارتند از:
- روش نزولی نسبت باطله برداری به ماده معدنی (Declining stripping ratio)
- روش صعودی نسبت باطله برداری به ماده معدنی (Increasing stripping ratio)
- نسبت باطله برداری به ماده معدنی ثابت (Constant stripping ratio)
- روش فازبندی (Phased stripping ratio)
روش نزولی نسبت باطله‌برداری به ماده معدنی
در این روش کلیه ماده معدنی مربوط به هر پله قبل از استخراج پله بعدی استخراج می‌شود. باطله‌های هر پله تا حد نهایی معدن برداشت می‌شوند.
مزایای این روش:
- فضای کافی جهت ماشین آلات
- ایمنی بالا
- هزینه‌های استخراج در سالهای آخر کم
معایب روش:
- هزینه و زمان باطله برداری در سالهای اولیه زیاد است.
- حجم سرمایه گذاری اولیه بالاست به همین دلیل صاحبان معدن کمتر بدان علاقه نشان می‌دهند.
روش صعودی نسبت باطله برداری به ماده معدنی
در این روش باطله برداری در حدی انجام می‌گیرد که نیاز است تا به ماده معدنی دسترسی حاصل شود.
مزایای این روش عبارت است از:
- به ماشین آلات کمتری در سالهای اول نیاز است
- سرمایه گذاری اولیه کمتری در سالهای اول نیاز است
- به علت دسترسی سریع به ماده معدنی درآمد معدن در سالهای اول زیاد است. بنابراین به علت برگشت سریع سرمایه اولیه معدن این روش مورد علاقه صاحبان معدن است.
معایب روش عبارت است از:
- غیرتکنیکی بودن روش
- به علت کوچک بودن فضای عملیاتی امکان حادثه زیاد است و دسترسی به تولید مورد نیاز به علت کوچک بودن فضا از دیگر دشواری‌های روش است
روش نسبت ثابت باطله برداری به ماده معدنی
در این روش میزان باطله برداری در مدت عملیات (عمر معدن) ثابت و بر اساس نسبت کلی انجام می‌گیرد. از محسنات این روش آن است که دو حالت افراط و تفریط روش‌های قبلی را ندارد.
در این روش تجهیرات و تعداد ماشین آلات و تعداد پرسنل نسبتاً در مدت استخراج ثابت خواهند بود.
روش فازبندی
بهترین حالت برای روش روباز روش فازبندی است، بنحوی که میزان باطله برداری در سالهای اولیه کم و با افزایش زمان تا میانه عمر معدن افزایش و سپس با نزدیک شدن به انتهای عملیات حجم باطله برداری مجدداً کاهش می‌یابد.
مزایای روش:
- در کوتاه مدت می‌توان به سود بیشتری دسترسی پیدا نمود
- تعداد پرسنل و تجهیزات مورد نیاز معدن بتدریج تامین می‌شوند و با نزدیک شدن به آخر عمر معدن به تدریج کاهش می‌یابند.
- عملیات استخراج ماده معدنی و باطله برداری همزمان و بطور مجزا می‌تواند انجام گیرد و این امر انعطاف پذیری برنامه ریزی را افزایش خواهد داد.
عملیات معدن کاری زیرزمینی
عملیات معدنکاری به دو دسته تقسیم می‌شوند:
- عملیات تولیدی (Production Operation)
- عملیات جنبی (Auxiliary operation)
عملیات تولیدی
عملیات تولیدی شامل فعالیت هایی که به طور مستقیم با چرخه اصلی تولید ماده معدنی نقش داشته باشد.
production cycle = drill + blast + load + haul
باربری + بارگیری + آتشباری + چالزنی = چرخه تولید
عملیات جنبی
عملیاتی هستند که مستقیماً در تولید نقش ندارند تنها به چرخه تولید کمک می‌کنند. این عملیات شامل:
تامین نگهداری سقف (Support)، تهویه (Ventilation)، برق (Power Supply)، آبکشی (Pumping)، تعمیر و نگهداری (Maintenance)، روشنایی (lighting)، مخابرات (Communications)، هوای فشرده (compressed air)، کنترل نشست زمین (Subsidence) و …
آماده سازی
برای دسترسی به ماده معدنی فضاهای در ماده معدنی ایجاد می‌شود که به مجموعه آنها آماده سازی یا تجهیز معدن اطلاق می‌شود.اولین مرحله از آماده سازی بازکردن معدن (Opening) است. بازکنندهای اصلی معدن تونل، چاه شیبدار، چاه قائم و رمپ هستند.
عوامل موثر بر جانمایی فضاهای آماده سازی
- طول بازکننده‌ها کمترین مقدار را داشته باشد.
- دهانه در مسیر سیلاب نباشد.
- فضای کافی در جلوی بازکننده وجود داشته باشد.
- سهولت در خدمات رسانی و حمل و نقل
- توجه به پتانسیل ریزش سنگ و یا سقوط بهمن
باز کردن کانسار توسط چاه قائم
- چاه قائم برای کانسارهای بزرگ، عمیق، با نرخ تولید بالا به کار برده می‌شود.
- از نظر ایمنی برای هر معدن دو چاه(یکی ورود هوای تمیز و دیگری خروج هوای کثیف) در نظر گرفته می‌شود.
مهمترین عوامل موثر در انتخاب محل چاه:
۱- اصل تعادل ممان ذخایر
براساس این اصل چاه بایستی نزدیک ذخیره بزرگتر باشد
۲- رعایت حریم چاه
مقدار ماده معدنی که به عنوان حریم حفاظتی چاه و تاسیسات سر چاه جایگزاری می‌شود حریم چاه می‌نامند.
حریم چاه مخروطی فرض می‌شود که زاویه مخروط به جنس سنگ بستگی دارد. در سنگ‌های سخت زاویه این مخروط بیشتر است نسبت به سنگ‌های نرم
هر چقدر چاه عمیق تر باشد حریم چاه بیشتر خواهد بود.
حفر چاه باید در خارج محدوده نشست ناشی از معدنکاری قرار گیرد.
اگر کانسار دارای حالت طاقدیس و یا ناودیس باشد به دلیل کاهش فشار و ضایعات کمتر ماده معدنی، چاه در طاقدیس ایجاد می‌شود.
بهتر است چاه در کمر پایین ماده معدنی ایجاد شود. تا تحت تاثیر نشست‌ها و حرکات معدن کاری قرار نگیرد.
شکل مقطع چاه
شکل مقطع چاه دایره، مستطیل، مربع، ذوزنقه، بیضی، هشت ضلعی است. ولی بیشتر از مقاطع دایره و مستطیل و مربع استفاده می‌شود. سطوح مستطیلی، سهولت نگهداری آن با چوب از امتیازات آن است
سطح مفید قابل استفاده در مقاطع مربعی بیشتر از مقاطع دایره ای است. اگر شعاع دایره را R بنامیم این سطح تقریباً۳۰% است:
مزایای سطوح دایره ای نسبت به مستطیلی
- پخش یکنواخت فشار اطراف چاه دایره ای
- کاهش هزینه آتشکاری مقطع دایره ای نسبت به مستطیلی
- مقاومت کمتر در مقابل عبور هوا
- مقاومت بیشتر وسایل نگهداری اطراف چاه
- نسبت محیط به سطح کمتر، در نتیجه هزینه نگهداری کمتری نیاز دارد
- در زمین‌های سست و آبدار مقطع دایره ای مناسب تر است. در مواردی که سنگ پایدار است (معادن فلزی) مقطع چهارگوش مناسب است
عوامل موثر بر تعیین سطح مقطع چاه
- اندازه تجهیزات بالابر و تعداد آنها
- فاصله بین قفس یا اسکیپ با پوشش
- فاصله ۲۰۰ میلیمتر بین دو قفس یا اسکیپ یا قفس با اسکیپ
- سطح لازم برای تجهیزات نصب شده در چاه از قبیل لوله‌های مختلف آب، هوا و کابل‌های مختلف
- فضای لازم برای نصب نردبان جهت عبور و مرور افراد
- سطح مقطع مفید لازم برای عبور هوا
بازکردن توسط چاه شیبدار
برای کانسارهای مسطح و کم عمق نظیر زغال استفاده می‌شود. اگر بنا به دلایلی همچون آبدار بودن لایه، خودسوز بودن و مقاومت کم سنگ‌های کمربالا نتوان چاه شیبدار را در داخل ماده معدنی ایجاد کرد باید در کمرپایین ایجاد شود و از طریق میان بر به ماده معدنی وصل شود.
حفر چاه شیبدار در لایه، منظم بودن لایه را می‌طلبد. مواد معدنی به طرق زیر به بیرون از معدن انتقال داده می‌شوند:
- واگن: شیب کم
- اسکیپ: در شیب ۴۰ تا۴۵ درجه
- نوارنقاله: ۱۸تا۲۲ درجه
- وسایل چرخ لاستیکی: کمتر از ۱۰ درجه
بازکردن توسط تونل
تونل یک دهانه یا دو دهانه وقتی بکار می‌رود که کانسار دارای رخنمون باشد و در منطقه کوهستانی قرار گرفته باشد.
تونل می‌تواند عمود بر لایه، در امتداد لایه و یا به شکل شیب دار نسبت به امتداد حفر شود. مهمترین پارامترهای که در مورد تونل می‌توان مدنظر قرار داد عبارتند از:
انتخاب محل- شیب – شکل مقطع- اندازه سطح-روش حفر- نگهداری
انتخاب محل حفر
- از نظر اقتصادی بایستی کوتاه ترین فاصله را با راهروهای آماده سازی داشته باشد
- زمین شناسی منطقه بایستی مورد توجه قرار گیرد
- نقطه شروع بایستی تا حد امکان پایین انتخاب شود تا ماده معدنی بیشتری را استخراج کرد
- محوطه کافی برای احداث ساختمانها و تاسیسات
- دهانه تونل بالاتر از آخرین حد سیلابها باشد
شیب تونل‌ها به واسطه خروج آب و واگن‌های پر تحت نیروی وزن ۳ تا ۵ در هزار انتخاب می‌شود.
شکل مقطع تونل به صورت مربع، مستطیل، ذوزنقه، دایره، و قوسی و …
مزایای تونل‌های افقی نسبت به چاه:
- کمتر بودن هزینه حفر (یک چهارم چاه)
- تجهیزات و خدمات ساده تر از چاه
- سرعت حفر زیادتر
- افقی بودن مسیر حمل و نقل
- باربری پیوسته
- آبکشی تحت نیروی ثقل
معایب تونل‌های افقی نسبت به چاه:
- طول تونل برای رسیدن به ماده معدنی زیادتر است
- قابل استفاده در مناطق کوهستانی
- هزینه نگهداری زیاد
- برای دسترسی به کانسارهای عمیق باید از روش‌های دیگر استفاده کرد
بازکردن توسط رمپ
رمپ گالری شیبداری است در کمرپایین ماده معدنی که حمل و نقل در آن به وسیله کامیون انجام می‌شود. از رمپ بیشتر برای معدنی که روش استخراج آنها ترکیب روباز و زیرزمینی است استفاده می‌شود.
رمپ به دو صورت مارپیچی و زیگزاگی ایجاد می‌شود. از مزیت‌های رمپ این است که می‌توان مواد استخراجی را تا محل تخلیه باطله یا کارخانه فرآوری انتقال داد. از معایب آن استهلاک زیاد کامیون‌ها است.
بازکردن از طریق چاه کور
در صورتی که سطح زمین مقدار زیادی باطله پوشانده باشد برای برقراری ارتباط با کانسار از راه حل مرکب تونل-چاه کور استفاده می‌شود.
بازکردن کانسارهای لایه‌ای
بازکردن این کانسارها بستگی به شیب لایه، عمق و توپوگرافی سطح دارد. اگر منطقه کوهستانی باشد بهترین راه تونل است. برای کانسارهای عمیق افقی و کانسارهای قائم یا پرشیب از چاه قائم استفاده می‌شود. این روش دارای تولید و عمر زیاد است.
از چاه شیبدار برای کانسارهای با شیب متوسط (۳۰ تا ۷۰ درجه) استفاده می‌شود. این روش دارای عمر کم تا متوسط است. این روش دارای آماده سازی افقی کم و در حین آماده سازی تولید کم وجود دارد.
از تونل شیبدار برای باربری متوسط از نوار نقاله (شیب حدود ۲۰ درجه) یا کامیون (شیب کمتر از ۱۲ درجه) استفاده می‌شود. این روش برای کانسارهای افقی کم عمق مناسب است و دارای تولید متوسط تا بالا و عمر زیاد می‌باشد.
بسیار عالی