Μέθοδοι υπόγειας εκμετάλλευσης Κατακρημνιζόμενα Μέτωπα

Transcript

1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών Μέθοδοι υπόγειας εκμετάλλευσης Κατακρημνιζόμενα Μέτωπα Ανδρέας Μπενάρδος Δρ. Μηχανικός Μεταλλείων Μεταλλουργός Ε.Μ.Π.

2 Μέθοδοι Υπόγειας Εκμετάλλευσης Με Κατακρήμνιση το κενό που δημιουργείται από την εξόρυξη, κατακρημνίζεται και γεμίζει από μόνο του. Η κατακρήμνιση αφορά μερικές φορές μόνο την οροφή, ενώ το μετάλλευμα εξορύσσεται με εκρηκτική ύλη. Σε μερικές όμως περιπτώσεις, η κατακρήμνιση εφαρμόζεται, εν μέρει ή ολοκληρωτικά και στο ίδιο το μετάλλευμα, που με τον τρόπο αυτό, εξορύσσεται αυτόματα

3 Μέθοδοι Υπόγειας Εκμετάλλευσης Με Κατακρήμνιση το κενό που δημιουργείται από την εξόρυξη, κατακρημνίζεται και γεμίζει από μόνο του. Η επιτυχία της μεθόδου εξόρυξης με κατακρημνιζόμενα μέτωπα, οφείλεται στην κατάλληλη εκμετάλλευση του γεγονότος ότι, όταν αδειάσει ένας κενός υπόγειος χώρος διασπάται και η συνέχεια της υποστήριξής του και κατακρημνίζεται. Με αυτές τις μεθόδους, η εργασία εκτελείται σύμφωνα προς την κατεύθυνση της ενέργειας των φυσικών νόμων, από όπου παρέχεται η δυνατότητα πραγματοποίησης χαμηλών παραγωγικών τιμών, που επιτρέπει την αξιοποίηση πτωχών κοιτασμάτων. Μαζί με την κατακρήμνιση του μεταλλεύματος, γίνεται και η κατακρήμνιση των πετρωμάτων της οροφής

4 Μηχανισμός δημιουργίας και επέκτασης της θραυσμένης ζώνης κατακρήμνισης (ζώνη διαταραχής)

5 Απαιτήσεις κατανάλωσης ενέργειας για διάφορες μεθόδους εκμετάλλευσης για την απόσπαση 1 tn υλικού

6 Μείωση του κόστους εκμετάλλευσης σε σχέση με την εφαρμοζόμενη μέθοδο

7 Συνέπειες στην άμεση περιβάλλουσα της περιοχής εκμετάλλευσης οι οποίες μπορούν να επεκταθούν έως την επιφάνεια

8 Μέθοδοι Υπόγειας Εκμετάλλευσης Με Κατακρήμνιση 1. Μέθοδος οριζόντιων διαδοχικών πλακών, που εξορύσσονται κατά λωρίδες και κατιούσα φορά (Top Slicing Method) 2. Μέθοδος κατακρήμνισης διαδοχικών ορόφων (Sub-level caving Method) 3. Μέθοδος της κατακρήμνισης πατώματος (Block Caving Method) 4. Μέθοδος του επιμήκους ευθύγραμμου μετώπου με κατακρήμνιση της οροφής (Longwall with caving)

9 Μέθοδος οριζόντιων διαδοχικών πλακών, που εξορύσσονται κατά λωρίδες και κατιούσα φορά (Top Slicing Method) Η εξόρυξη γίνεται κατά λωρίδες μέσα σε οριζόντιες διαδοχικές πλάκες (2,5-3m), προς τις οποίες προεκτείνεται κατά φορά κατιούσα. Ο χώροςπουαδειάζει, γεμίζει προοδευτικά με κατακρήμνιση της οροφής

10 Μέθοδος οριζόντιων διαδοχικών πλακών, που εξορύσσονται κατά λωρίδες και κατιούσα φορά (Top Slicing Method) Απαραίτητες προϋποθέσεις εφαρμογής της μεθόδου αυτής είναι: Εύκολα κατακρημνιζόμενη οροφή. Όταν η οροφή είναι σχετικά συνεκτική και κατακρημνίζεται δύσκολα, παραμένουν χώροι κενοί, που καθιστούν αδύνατη τη προέκταση της εξόρυξης κάτω από αυτούς. Η κλίση μπορεί να είναι οποιαδήποτε, όπως και το πάχος. Πιο ευνοϊκές, εν τούτοις, περιπτώσεις, είναι τα οριζόντια κοιτάσματα μεγάλου πάχους ή ισχυρά κεκλιμένα. Ομαλές παρυφές όσο το δυνατό. Επίπεδες παρυφές αποτελούν την πιο πλεονεκτική μορφή, χωρίς όμως αυτό να είναι απαραίτητο. Μέτρια σκληρότητα μεταλλεύματος. Η μεγάλη σκληρότητα δεν εμποδίζει την εφαρμογή της μεθόδου, αλλά επιδρά δυσμενώς στο κόστος εξόρυξης. Πεδίο εφαρμογής : Κοιτάσματα μετρίου πάχους, που η κλίση είναι μεγάλη και η οροφή ασθενής. Επίσης τα μεγάλου πάχους οριζόντια κοιτάσματα με οροφή από ασθενή μέχρι αρκετά ανθεκτική. Τέλος, τα μεγάλου πάχους κατακόρυφα κοιτάσματα, ανεξάρτητα από την ποιότητα των παρυφών

11 Μέθοδος οριζόντιων διαδοχικών πλακών, που εξορύσσονται κατά λωρίδες και κατιούσα φορά (Top Slicing Method) Ασφάλεια Πλεονεκτήματα: Υψηλή απόληψη Χαμηλή αραίωση Ικανοποιητικός ρυθμός παραγωγής Κατάλληλη για σαθρά πετρώματα Μειονεκτήματα: Καθίζηση Επιφάνειας Δύσκολος Αερισμός Πολλά προπαρασκευαστικά έργα Μεγάλες ποσότητες ξυλείας Κίνδυνος πυρκαγιάς Κίνδυνος από κενά στην οροφή

12 Μέθοδος κατακρήμνισης διαδοχικών ορόφων (Sub-level caving Method)

13 Μέθοδος κατακρήμνισης διαδοχικών ορόφων (Sub-level caving Method) Η εξόρυξη πραγματοποιείται μέσα σε διαδοχικούς ορόφους, με το κατώτερο τμήμα να αποσπάται με χρήση εκρηκτικών υλών, ενώ το ανώτερο κατακρημνίζεται. Αυτή την κατακρήμνιση ακολουθείται παράλληλα από την κατακρήμνιση των υπερκείμενων του ορόφου άγονων, με τα οποία τελικώς πληρούνται τα κενά που δημιουργούνται

14 Μέθοδος κατακρήμνισης διαδοχικών ορόφων (Sub-level caving Method) Το κοίτασμα χωρίζεται σε ορόφους (sub-levels) Εξόρυξη εκ των άνω προς τα κάτω Απαραίτητο χαρακτηριστικό η οροφή να κατακρημνίζεται Πρόκληση κατακρήμνισης αν χρειάζεται Διάνοιξη στοών μέχρι τα όρια του κοιτάσματος και οπισθοχώρηση κατακρημνίζοντας το μετάλλευμα Ύψος ορόφων συνάρτηση των διατρημάτων

15 Μέθοδος κατακρήμνισης διαδοχικών ορόφων (Sub-level caving Method) Απαραίτητες προϋποθέσεις εφαρμογής της μεθόδου αυτής είναι: Μετάλλευμα μέτριας σκληρότητας, που κατακρημνίζεται εύκολα. Στην περίπτωση μεταλλεύματος με δύσκολη κατακρήμνιση, δυσχεραίνεται η ομαλή πορεία και δημιουργούνται σημαντικές απώλειες. Ποιότητα μεταλλεύματος που δεν απαιτεί εκλεκτική εκμετάλλευση. Τέτοια εκλεκτική εκμετάλλευση είναι ανέφικτη καθώς και η διαλογή είναι πολύ δύσκολη. Πετρώματα οροφής που κατακρημνίζονται εύκολα. Είναι πολύ δύσκολη η επέμβαση για την υποβοήθηση της κατακρήμνισης με εκρηκτική ύλη και αντιοικονομική. Κατά το δυνατόν ομαλές παρυφές και καλός διαχωρισμός μεταξύ τους και του μεταλλεύματος. Μεγάλη κλίση. Όταν η κλίση είναι μικρή δημιουργούνται δυσχέρειες στην εκμετάλλευση του μεταλλεύματος πάνω στην στρώση του τμήματος, που προκαλούν σημαντικές απώλειες. Οι απώλειες αυτές γίνονται πιο σημαντικές όσο πιο μεγάλο είναι το ύψος του ορόφου.

16 Μέθοδος κατακρήμνισης διαδοχικών ορόφων (Sub-level caving Method) Προσοχή σε : Οι σημαντικές απώλειες (μειωμένη απόληψη) καθιστούν τη μέθοδο ακατάλληλη για πλούσια μεταλλεύματα. Όταν τα προϊόντα κατακρήμνισης είναι χονδρομερή, καθίσταται μικρότερος ο κίνδυνος πρόσμιξης άγονων. Σε περίπτωση ανώμαλων παρυφών γίνονται αναπόφευκτες μεγάλες απώλειες και η σημαντική πρόσμιξη στείρων. Οι απώλειες σε μετάλλευμα γίνονται πιο σημαντικές όσο πιο μεγάλο είναι το ύψος του ορόφου. Πεδίο εφαρμογής : Μεγάλου πάχους κοιτάσματα με όχι πλούσιο μετάλλευμα, που ως επί το πλείστον είναι ανθεκτικό και με ευχερής κατακρημνιζόμενη οροφή.

17

18

19

20 β βωξιτικός ορίζοντας (μεγάλο πάχος > 30m, μέτρια - υψηλή κλίση > 35 ο ) Μέθοδος κατακρήμνισης οροφής με διαδοχικούς υποορόφους Εκμετάλλευση βωξιτικού κοιτάσματος με τη μέθοδο κατακρήμνισης οροφής με διαδοχικούς υποορόφους

21 Διαχρονική εξέλιξη της μεθόδου των διαδοχικών ορόφων με κατακρήμνιση

22 Γεωμετρικές Παράμετροι του Ελλειψοειδούς Υπάρχουν 2 τύποι ελειψοειδών, το ελλειψοειδές των χαλαρωμένης ζώνης και το ελλειψοειδές της ζώνης απόσπασης Ο λόγος του ύψους τους είναι (h L :h n ) είναι 1:2.5 h L 2.5 h n Ο λόγος του όγκου τους είναι (V EL :V EE ) είναι 1:15 V EL 15 V EE Draw cone representation (Kvapil 1980)

23

24

25 Μέθοδος κατακρήμνισης διαδοχικών ορόφων (Sub-level caving Method) Πλεονεκτήματα: Καλή Παραγωγικότητα Χαμηλότερο κόστος Αερισμός καλός Λιγότερη προπαρασκευή Μειονεκτήματα: Καθίζηση Επιφάνειας Χαμηλή απόληψη Ασφάλεια Πρόσμιξη

26 Μέθοδοι Υπόγειας Εκμετάλλευσης Με Κατακρήμνιση Μέθοδος κατακρήμνισης πατώματος (Block caving Method)

27 Μέθοδος κατακρήμνισης πατώματος (Block caving Method) Η μέθοδος της εκμετάλλευσης με την κατακρήμνιση πατώματος παρουσιάζεται σαν φυσική εξέλιξη της μεθόδου των διαδοχικών ορόφων. Στησυγκεκριμένημέθοδοτούψος του ορόφου αυξάνει υπέρμετρα, καλύπτοντας ολόκληρο το ύψος του πατώματος, που μπορεί να φθάνει 130 και πλέον μέτρα. Μεγάλα τμήματα του κοιτάσματος υποσκάπτονται κοντά στη βάση (undercut). Η οροφή της εκσκαφής αφήνεται να κατακρημνισθεί, οπότε το κενό γεμίζει από εξορυγμένο μετάλλευμα. Βασικό της πλεονέκτημα το πολύ χαμηλό κόστος παραγωγής.

28 Μέθοδος κατακρήμνισης πατώματος (Block caving Method) Βασικά μειονεκτήματα της μεθόδου είναι τα υψηλά κόστη προπαρασκευής αλλά η σημαντικότατη επίπτωση στην επιφάνεια που μπορεί να δημιουργήσει καθιζήσεις.

29 Μέθοδος κατακρήμνισης πατώματος (Block caving Method) Απαραίτητες προϋποθέσεις εφαρμογής της μεθόδου αυτής είναι: Μεγάλη οριζόντια ανάπτυξη του κοιτάσματος, ώστε να μην περιορίζεται η κατακρήμνιση και να μην υπάρχει μεγάλη αραίωση /πρόσμιξη του μεταλλεύματος. Σημαντικό πάχος κοιτάσματος που να δικαιολογεί τις δαπάνες προπαρασκευής. Το ύψος αυτό είναι τουλάχιστον 25 μέτρα. Ισχυρές παρυφές, από τις οποίες το μετάλλευμα να διαχωρίζεται εύκολα. Αρκετά κανονικές παρυφές του κοιτάσματος, ώστε να μην προκαλούνται απώλειες μεταλλεύματος ή διεισδύσεις στείρων. Κατάλληλες ιδιότητες του μεταλλεύματος. Συνεκτικό για να επιτρέπει την κατασκευή της υποσκαφής κατά το ξεκίνημα, αλλά και εύθραυστο, ώστε να κατακρημνίζεται εύκολα χωρίς υπερμεγέθεις όγκους. Ποιότητα μεταλλεύματος που να μην απαιτεί διαλογή ή εκλεκτική εξόρυξη. Είναι προφανές ότι και οι δύο δεν είναι εφικτές. Κατάλληλη συμπεριφορά του υπερκείμενου πετρώματος που πρέπει να κατακρημνίζεται εύκολα, δίνοντας μεγάλα τεμάχια, τα οποία, καθώς ακολουθούν την κάθοδο του μεταλλεύματος, να το συμπιέζουν και προκαλούν τον κατακερματισμό του.

30 Μέρος ή ολόκληρο πάτωμα (block) κατακρημνίζεται Υποσκαφή (undercut) της βάσης του πατώματος Έλεγχος κατακρήμνισης Αποκόμιση μεταλλεύματος (βαρύτητα) μέχρι να παρουσιαστούν στείρα Ελάχιστα διατρήματα και ανατινάξεις

31 Ελάχιστο ύψος πατώματος ~ 25 m Πυκνοί κώνοι (λούκια) 15m x 15m Μεγάλος χρόνος προετοιμασίας (κώνοι, παραγωγικές στοές, σύστημα μεταφοράς)

32 Caving Undercut Drilling Draw Point Undercut Level Production Level Tipping point Grizzly Conveyo r Ore Passes Feeder Secondary Breakage Haulage Level Ventilation Level Crusher 2 nd Haulage

33

34

35

36

37 Laubscher Caving Stability Graph

38

39 Μοντελοποίηση της επέκτασης της ζώνης κατακρήμνισης μέχρι την επιφάνεια

40 Παρακολούθηση των μικροσεισμικών φαινομένων που σχετίζονται με την συνεχή επέκταση της ζώνης διαταραχής

41

42 Υποστήριξη των σημείων απόληψης / φόρτωσης του μεταλλεύματος (Henderson Mine, USA)

43 Υποστήριξη των σημείων απόληψης / φόρτωσης του μεταλλεύματος (Koffiefontein Mine, South Africa)

44 Παραδείγματα ογκοτεμαχίων στις θέσεις απόληψης / φόρτωσης

45 Μέθοδος κατακρήμνισης διαδοχικών ορόφων (Sub-level caving Method) Πλεονεκτήματα: Χαμηλό κόστος Εύκολη επίβλεψη (supervision) Ικανοποιητική ασφάλεια Εύκολος αερισμός Υψηλή δυναμικότητα Μειονεκτήματα: Καθίζηση Επιφάνειας Μεγάλη προετοιμασία / προπαρασκευή Χαμηλή απόληψη Πρόσμιξη / όχι εκλεκτική απόληψη Συντήρηση λουκιών Μη ευέλικτη μέθοδος

46 Επίμηκες ευθύγραμμο μέτωπο Προσβολή του κοιτάσματος υπό μορφή κατακόρυφου επιπέδου, με μικρό ύψος και μεγάλο μήκος. Το μέτωπο έχει μια μόνο ελεύθερη επιφάνεια, με ύψος που δεν υπερβαίνει τα 2,5 m και κινείται προς σταθερή κατεύθυνση (προχωρώντας ή οπισθοχωρώντας), διατηρώντας πάντα την ευθύγραμμη μορφή του.

47

48

49 Η εξόρυξη γίνεται σε λωρίδες παράλληλες προς την επιφάνεια προσβολής του μετώπου, που διατηρείται πάντοτε κατακόρυφη. Εκσκαφή και φόρτωση εκτελείται συγχρόνως. Επακόλουθο της εξόρυξης κάθε λωρίδας, είναι η αντίστοιχη διεύρυνση του ελεύθερου χώρου του μετώπου, που έχει ως αποτέλεσμα τη λήψη των μέτρων υποστήριξης, την μετακίνηση των μέσων αποκόμισης και τέλος την αντικατάσταση με κατάλληλη επέμβαση στην αρχική τιμή των διαστάσεων που διευρύνθηκαν στο χώρο αυτό.

50

51 Η παλαιότερη μέθοδος υποστήριξης στηρίζονταν σε ένα σύστημα ρυθμιζόμενων υποστηλωμάτων και αρθρωτών δοκών. Στις σύγχρονες εκμεταλλεύσεις, η υποστήριξη γίνεται με μεταλλικές ασπίδες. Συνήθωςτοσύνολοτωνμεταλλικώνασπίδωνκαλείταιπροχωρούσαή βηματίζουσα υδραυλική υποστήριξη και αποτελείται από δύο παράλληλα πλαίσια, τοποθετημένα επί της στρώσεως, που συνδέονται με υδραυλικό σύστημα βηματισμού.