Το πρόβληµα της προσπέλασης κυρίως ανάγεται στα παρακάτω προβλήµατα:

Transcript

1 1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1.1 Ορισµός είδη προσπελαστικών έργων Προσπέλαση είναι η κατασκευή έργων ώστε να γίνει δυνατή η προσέγγιση στο κοίτασµα. Η προσπέλαση µπορεί να είναι επιφανειακή ή και υπόγεια. Η επιλογή, σχεδίαση και κατασκευή των προσπελαστικών έργων ενός κοιτάσµατος αποτελεί συχνά ένα ιδιαίτερα σύνθετο πρόβληµα για τον µηχανικό. εδοµένου ότι τα έργα προσπέλαση ενός µεταλλείου έχουν το χαρακτήρα «µόνιµου» έργου, αφού πρέπει να εξυπηρετούν τις ανάγκες του µεταλλείου σε όλη την διάρκεια ζωής του, αυτό συνεπάγεται ότι πιθανό λάθος στην σχεδίαση και κατασκευή τους θα επηρεάζει αρνητικά την λειτουργία του µεταλλείου σε όλο τον χρόνο ζωής του µε αντίστοιχες επιπτώσεις στο κόστος. Η επιφανειακή προσπέλαση δεν θα αναπτυχθεί διεξοδικά εφόσον αποτελεί αντικείµενο ξεχωριστού µαθήµατος. Συνοπτικά µπορεί να αναφερθεί ότι σε γενικές γραµµές είναι εύκολη στην πραγµατοποίηση της, αφού συνήθως αποτελείται από τις απαραίτητες οδικές προσβάσεις και την διαµόρφωση των βαθµίδων για την υπαίθρια εκµετάλλευση. Η υπόγεια προσπέλαση γίνεται γενικά µε τρία είδη έργων: Στοές, Φρέατα (πηγάδια) και Κεκλιµένα Πολλές φορές για την προσπέλαση χρησιµοποιούνται και συνδυασµοί των έργων αυτών. Έτσι ένας τύπος προσπέλασης που χρησιµοποιείται συχνά τα τελευταία χρόνια είναι το ελικοειδές κεκλιµένο ή ράµπα. 1.2 Επιλογή τρόπου προσπέλασης Το πρόβληµα της προσπέλασης κυρίως ανάγεται στα παρακάτω προβλήµατα: 1. Επιλογή του τρόπου προσπέλασης (είδος έργου) 2. Επιλογή της θέσης των έργων προσπέλασης 3. Επιλογή της µορφής και του µεγέθους της διατοµής Τα παραπάνω εξαρτώνται άµεσα από µια σειρά από παράγοντες οι οποίοι είναι: 1

2 Η γεωµετρία του κοιτάσµατος και η κλίση του Το βάθος στο οποίο θα πραγµατοποιηθεί η προσπέλαση Το τοπογραφικό ανάγλυφο της περιοχής Η γεωλογική δοµή της περιοχής Η σχεδιαζόµενη παραγωγή του µεταλλείου Το κόστος κατασκευής και λειτουργίας των έργων προσπέλασης Η εφαρµοζόµενη µέθοδος εκµετάλλευσης Η µελλοντική προοπτική του µεταλλείου Κατά την επιλογή των έργων προσπέλασης σπάνια θα συναντηθούν περιπτώσεις όπου ένας µόνο από τους παραπάνω παράγοντες θα παίξει καθοριστικό ρόλο, συνήθως ένας συνδυασµός των παραγόντων διαµορφώνει το πλαίσιο επιλογής των έργων προσπέλασης. Παρόλα αυτά υπάρχουν περιπτώσεις όπου η επιλογή είναι προφανής. Έτσι στην περίπτωση κοιτασµάτων µε µεγάλη κλίση ή κατακόρυφα ή οριζόντια σε βάθος από την επιφάνεια, η προσπέλαση προτιµάται να γίνεται µε φρέαρ (Σχήµα 1). Σχήµα 1. Προσπέλαση µε φρέαρ σε κοίτασµα µε µεγάλη κλίση 2

3 Αντίστοιχα για κοιτάσµατα που αναπτύσσονται σε µικρό βάθος µε µικρή κλίση, κρίνεται οικονοµικότερη η προσπέλαση µε κεκλιµένο ή αν το τοπογραφικό ανάγλυφο είναι ευνοϊκό µε στοά (Σχήµα 2, 3). Όσον αφορά την γεωλογία, γενικώς τα προσπελαστικά έργα πρέπει να κατασκευάζονται εκτός ζωνών ρηγµάτων, περιοχών ασταθών γεωλογικών σχηµατισµών και περιοχών αυξηµένης υδροφορίας. Επίσης στην περίπτωση όπου η εφαρµοζόµενη µέθοδος εκµετάλλευσης δηµιουργεί µια ζώνη διαταραχής στην γύρω περιοχή, τα προσπελαστικά έργα οφείλουν να κατασκευάζονται εκτός αυτής ή στην περίπτωση που κάτι τέτοιο δεν είναι εφικτό Σχήµα 2. Προσπέλαση µε κεκλιµένο. ιακρίνεται µε τις γραµµές µε αριθµό 3 η ζώνη επιρροής από την εκµετάλλευση. Σχήµα 3. Προσπέλαση µε συνδυασµό φρέατος και κεκλιµένου σε κοίτασµα µε µέτρια κλίση. 3

4 για πρακτικούς ή οικονοµικούς λόγους, τότε θα πρέπει να αφεθεί στύλος προστασίας εντός του κοιτάσµατος. Βέβαια είναι φανερό ότι ο στύλος αυτός αποτελεί απώλεια χρήσιµου υλικού και θα πρέπει σε κάθε περίπτωση να εξετάζονται εναλλακτικοί τρόποι προσπέλασης. Ο καθορισµός της βέλτιστης θέσης των προσπελαστικών έργων είναι ιδιαίτερα σηµαντικός δεδοµένου ότι καλείται να συνδυάσει µια σειρά από απαιτήσεις όπως: Ασφάλεια της εκµετάλλευσης Ταχεία και οικονοµική προσπέλαση του κοιτάσµατος Το δυνατόν συντοµότερη έναρξη των εργασιών εκµετάλλευσης Ελαχιστοποίηση του κόστους µεταφοράς των εξορυσσοµένων προϊόντων, των δαπανών αερισµού, της άντλησης των νερών και της διακίνησης των εργαζοµένων και των υλικών. 4

5 2 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2.1 Όρυξη φρεάτων Τα φρέατα που κατασκευάζονται για την προσπέλαση ενός µεταλλείου έχουν διατοµή ορθογώνια, κυκλική και σε ορισµένες περιπτώσεις ελλειψοειδή. Η πρώτη µορφή προσφέρει καλύτερη εκµετάλλευση της επιφάνειας της διατοµής σε σχέση µε την κυκλική αλλά τείνει να εγκαταλειφθεί λόγω δυσκολιών κατά την όρυξη και της συµπεριφοράς από πλευράς ευστάθειας και απαιτήσεως υποστήριξης (Σχήµα 4). Σχήµα 4. ιακρίνονται οι τρεις χαρακτηριστικές διατοµές φρεάτων: α) ορθογωνική, β) κυκλική και γ) ελλειψοειδής. Επίσης φαίνεται και η εκµετάλλευση της διαθέσιµης επιφάνειας σε κάθε διατοµή. Πριν την εκκίνηση της όρυξης του φρέατος και γενικότερα των προσπελαστικών έργων προηγείται εκτεταµένη έρευνα µε απώτερο σκοπό τον σχηµατισµό µιας το δυνατόν πληρέστερης εικόνας των συνθηκών και των ιδιαίτερων προβληµάτων που πιθανά θα προκύψουν κατά την πορεία των εργασιών. Κατά την διάνοιξη ενός φρέατος υπεισέρχονται 5

6 όλες οι φάσεις της µεταλλευτικής δραστηριότητας (διάτρηση, χρήση εκρηκτικών υλών, φόρτωση, µεταφορά, υποστήριξη, άντληση υδάτων, αερισµός κτλ.). Οι µέθοδοι που χρησιµοποιούνται για την διάνοιξη φρεάτων είναι κυρίως η «κλασική» µέθοδος διάτρησης και ανατίναξης (drill and blast) (Σχήµα 6) και η όρυξη µε χρήση µηχανικών µέσων. Σε σπάνιες περιπτώσεις έχει αναφερθεί και η περίπτωση διάνοιξης φρέατος ως γεώτρηση µε κοπτικό άκρο µεγάλης διαµέτρου. Κατά την µέθοδο της διάτρησης και ανατίναξης διακρίνονται οι εξής φάσεις οι οποίες επαναλαµβάνονται κυκλικά (Σχήµα 5): Όρυξη των διατρηµάτων Γόµωση των διατρηµάτων και πυροδότηση Αερισµός του µετώπου Αποκόµιση των προϊόντων της εξόρυξης Υποστήριξη της εκσκαφής Σχήµα 5. ιαδοχή των επιµέρους εργασιών της µεθόδου διάτρησης και ανατίναξης. Παράλληλα υπάρχει φωτισµός, πραγµατοποιείται άντληση των τυχόν υδάτων και γίνεται τοπογραφικός έλεγχος. Η διάτρηση πραγµατοποιείται µε αερόσφυρες ή ειδικά διατρητικά 6

7 φορεία. Συνήθως εγκαθίσταται εντός του φρέατος ικρίωµα το οποίο διαχωρίζεται σε διάφορα επίπεδα, στα οποία εκτελούνται διαφορετικές και ανεξάρτητες εργασίες. Έτσι το κατώτερο επίπεδο διενεργεί την διάτρηση και αποκόµιση του εξορυσσόµενου πετρώµατος, ενώ στο ανώτερο τµήµα πραγµατοποιείται η τοποθέτηση της υποστήριξης και τελικής επένδυσης του φρέατος. Όσον αφορά την φόρτωση και µεταφορά των προϊόντων της ανατίναξης, αυτές πραγµατοποιούνται µε ειδικές αρπάγες που φορτώνουν το πέτρωµα σε κάδους, οι οποίοι ανελκύονται στην συνέχεια στην επιφάνεια (Σχήµα 7). Εναλλακτικά αυτή η εργασία µπορεί να πραγµατοποιηθεί από µικρό µηχανικό φορτωτή. Σχήµα 6. Στις εικόνες (α) και (β) δίνονται χαρακτηριστικές κατόψεις και τοµές της εφαρµογής της µεθόδου διάτρησης και ανατίναξης (drill and blast) στην όρυξη φρεάτων. (α) (β) Η υποστήριξη του φρέατος µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε χρήση ξύλινων πλαισίων, µεταλλικών πλαισίων και µε χρήση σκυροδέµατος. Η χρήση ξύλινων πλαισίων παρουσιάζει µειονεκτήµατα, όπως : Μικρότερη αντοχή 7

8 (α) (β) Σχήµα 7. Στα σχήµατα (α) και (β) διακρίνονται χαρακτηριστικές φάσεις από την όρυξη φρεάτων µε χρήση ικριώµατος µε πολλούς ορόφους και φόρτωση του υλικού µε την βοήθεια ειδικής αρπάγης και κάδου. Μικρότερο χρόνο ζωής Κίνδυνος πυρκαγιάς Αδυναµία εφαρµογής σε κυκλικές και ελλειψοειδής διατοµές Συνηθέστερα εφαρµόζεται η υποστήριξη µε µεταλλικά πλαίσια ή οπλισµένο σκυρόδεµα, το οποίο µπορεί να είναι σε προκατασκευασµένα πλαίσια ή να γίνεται επί τόπου έγχυση Μηχανική όρυξη φρεάτων Εκτός από την κλασσική µέθοδο της διάτρησης και ανατίναξης, για την διάνοιξη φρεάτων χρησιµοποιούνται και µέθοδοι µηχανικής όρυξης. Οι µέθοδοι αυτές εφαρµόζονται όταν η διατοµή του φρέατος είναι µικρή και το µήκος επίσης µικρό. Στις µεθόδους αυτές 8

9 συµπεριλαµβάνονται η µέθοδος Alimak, η µέθοδος Jora Lift και η µέθοδος Raise Boring. Οι δύο πρώτες αποτελούν εναλλακτικές µεθόδους όρυξης κεκλιµένων και για το λόγο αυτό θα εξεταστούν αναλυτικά σε αντίστοιχες παραγράφους, ενώ στην συνέχεια θα περιγραφεί η µέθοδος Raise Boring. Η µέθοδος περιλαµβάνει δύο κύρια στάδια, κατά το πρώτο ανοίγεται γεώτρηση από το ανώτερο σηµείο όπου θα φτάσει το φρέαρ µέχρι το κατώτερο σηµείο. Στη συνέχεια εγκαθίσταται ειδικό µηχάνηµα στο ανώτερο τµήµα και τοποθετείται εντός της οπής της γεώτρησης ειδικό στέλεχος. Στο κάτω άκρο του στελέχους προσαρµόζεται κοπτική κεφαλή διαµέτρου αντίστοιχης µε την επιθυµητή διάµετρο του φρέατος και ξεκινά η όρυξη µε φορά προς τα πάνω ενώ το εξορυγµένο πέτρωµα συγκεντρώνεται στο δάπεδο της κατώτερης στοάς από όπου φορτώνεται και µεταφέρεται (Σχήµα 8). Σχήµα 8. Φάσεις όρυξης φρέατος µε την µέθοδο Raise Boring ιατάξεις εντός του φρέατος Το φρέαρ ως κύριο προσπελαστικό έργο εξυπηρετεί µια σειρά από λειτουργίες που σχετίζονται µε το µεταλλείο, για το σκοπό αυτό εγκαθίστανται διάφορες διατάξεις. Οι διατάξεις αυτές είναι: Ανεµιστήρες, τοποθετούνται στην επιφάνεια και παρέχουν τον απαραίτητο αέρα στα επίπεδα της εκµετάλλευσης 9

10 Σύστηµα ανέλκυσης, τοποθετείται στην επιφάνεια και χρησιµοποιείται για την διακίνηση των εργαζοµένων, των υλικών και των προϊόντων της εξόρυξης µε τη βοήθεια ειδικών κλωβών (skip) εξαµενή συγκέντρωσης των υδάτων, συνήθως βρίσκεται στον πυθµένα του φρέατος και συγκεντρώνει τα υπόγεια νερά καθώς και τα νερά από τις διάφορες εργασίες της εκµετάλλευσης Θάλαµος εγκατάστασης του υποσταθµού του ηλεκτρικού ρεύµατος, τοποθετείται στον πυθµένα του φρέατος Αποθήκη µεταλλεύµατος, τοποθετείται στον πυθµένα του φρέατος και εξυπηρετεί την προσωρινή αποθήκευση του µεταλλεύµατος για την ανέλκυση του στην επιφάνεια Ειδικά θέµατα Κατά την όρυξη ενός φρέατος ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται στην διάνοιξη του ανώτερου τµήµατος κοντά στην επιφάνεια. εδοµένου ότι στην περιοχή αυτή επικρατούν συνήθως χαλαροί εδαφικοί σχηµατισµοί ή το πέτρωµα είναι αποσαθρωµένο, πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην υποστήριξή του αφού πρόκειται να εγκατασταθούν και βοηθητικές εγκαταστάσεις, όπως τα πέδιλα του ικριώµατος, το σύστηµα της ανέλκυσης κ.α. Στην περίπτωση που συναντηθούν υδροφόρα στρώµατα ή η διάνοιξη πραγµατοποιείται εντός υδροφόρου ορίζοντα, πιθανά να µην επαρκεί η άντληση των υδάτων από τον πυθµένα του φρέατος. Τότε θα πρέπει να διανοιχτούν γεωτρήσεις περιµετρικά της εκσκαφής, οι οποίες θα αντλούν το νερό υποβιβάζοντας την στάθµη του υδροφόρου ορίζοντα ώστε η εκσκαφή να πραγµατοποιείται εντός στεγνού πετρώµατος. Επίσης αν συναντηθούν πετρώµατα µε έντονη τεκτονική καταπόνηση τότε εκτελείται η µέθοδος των τσιµεντενέσεων (Σχήµα 9). Συγκεκριµένα πραγµατοποιούνται γεωτρήσεις µικρής διαµέτρου ακτινικά του φρέατος µέσα από τις οποίες διοχετεύεται ένα αραιό µίγµα τσιµέντου νερού. Το τσιµεντένεµα επιτυγχάνει την σύνδεση των τεµαχίων του πετρώµατος αυξάνοντας την αντοχή του σχηµατισµού ενώ παράλληλα στεγανοποιεί την περιοχή περιορίζοντας τις εισροές υδάτων. 10

11 Σχήµα 9. Εφαρµογή τσιµεντενέσεων γύρω από φρέαρ µε σκοπό την ενίσχυση του πετρώµατος. Τέλος σε ιδιαίτερες περιπτώσεις γεωλογικών συνθηκών χρησιµοποιούνται εναλλακτικές µέθοδοι όπως η έµπηξη πασσαλοσανίδων, η προώθηση προκατασκευασµένης επένδυσης εντός του σχηµατισµού και η ψύξη των περιβαλλόντων σχηµατισµών. 2.2 Όρυξη στοών Η όρυξη στοών πραγµατοποιείται γενικά κατά παρόµοιο τρόπο µε τα φρέατα. Η µορφή και το µέγεθος της διατοµής ποικίλουν και εξαρτώνται από τα πετρώµατα εντός των οποίων διανοίγεται η στοά, την µέθοδο εκµετάλλευσης και τον µηχανολογικό εξοπλισµό που αναµένεται να χρησιµοποιηθεί. Έτσι από πλευράς µορφής διατοµής έχουµε, τραπεζοειδείς, πεταλοειδείς και κυκλικές, µε τις τελευταίες να παρουσιάζουν την καλύτερη συµπεριφορά στον χρόνο και να απαιτούν λιγότερη υποστήριξη. Αντίστοιχα από πλευράς διατοµής έχουµε: Στοές µικρού µεγέθους (<9 m 2 ) Στοές µέσου µεγέθους (µεταξύ 9 και 23 m 2 ) Στοές µεγάλου µεγέθους (>23 m 2 ) 11

12 Σχήµα 10. Χαρακτηριστικές διατοµές στοών προσπέλασης. Οι τελευταίες επιλέγονται στην περίπτωση όπου το µεταλλείο έχει µεγάλη ετήσια παραγωγή και διακινείται ογκώδης και «βαρύς» µηχανολογικός εξοπλισµός. Η διάνοιξη γίνεται συνήθως µε την µέθοδο της διάτρησης και ανατίναξης (Σχήµα 11), όπου η διάτρηση πραγµατοποιείται µε αερόσφυρες ή σε µεγάλες διατοµές µε διατρητικά φορεία (jumbo drill). Η φόρτωση και µεταφορά πραγµατοποιείται µε ελαστιχοφόρους φορτωτές υπογείων (LHD- Load Haul Dump) ή φορτωτές που κινούνται σε σιδηροτροχιές (Σχήµα 13). Για την υποστήριξη της στοάς χρησιµοποιούνται ξύλινα ή µεταλλικά πλαίσια, κοχλίωση οροφής (Σχήµα 14) ή και εκτοξευόµενο σκυρόδεµα. 12

13 (α) (β) (γ) Σχήµα 11. α) ιατρητική αερόσφυρα, µε υποστάτη, β) ιαµήκης τοµή στοάς όπου διακρίνονται τα διατρήµατα και γ)εγκάρσια τοµή στοάς όπου διακρίνεται η τοποθέτηση των διατρηµάτων στην επιφάνεια του µετώπου Γεωλογία υδρογεωλογία Σηµαντικό ρόλο κατά τον σχεδιασµό και την όρυξη των στοών παίζουν οι γεωλογικές και υδρογεωλογικές συνθήκες (Σχήµα 12). Αναλυτικότερα οι παράγοντες που επηρεάζουν την όρυξη των στοών είναι: Τα µηχανικά χαρακτηριστικά του πετρώµατος ή των πετρωµάτων που θα συναντηθούν 13

14 Σχήµα 12. Επίδραση της διεύθυνσης των στρωµάτων σε σχέση µε τον άξονα της στοάς. Η διεύθυνση και κλίση των στρωµάτων ως προς τον άξονα της στοάς Ο βαθµός κερµατισµού του πετρώµατος Η τοποθέτηση της στοάς σε σχέση µε γεωλογικές δοµές, όπως σύγκλινα ή αντίκλινα Ειδικοί παράγοντες (καρστ, διογκούµενοι σχηµατισµοί, ευδιάλυτοι σχηµατισµοί κτλ.) Σχήµα 13. ιατρητικό φορείο (jumbo drill) µε δύο διατρητικούς βραχίονες (µπούµες). 14

15 Από πλευράς υδρογεωλογίας είναι ιδιαίτερα κρίσιµο να είναι γνωστό εκ των προτέρων η ποσότητα (παροχή, πίεση) και η ποιότητα (χηµική σύσταση) των υπογείων υδάτων που θα συναντηθούν. Πάγια επιδίωξη κατά τον σχεδιασµό είναι η στοά να έχει µια ελαφρά κλίση προς την έξοδο ώστε να επιτυγχάνεται η απαγωγή των υδάτων µε φυσική ροή. Τέλος κάποιες ειδικές συνθήκες που πιθανόν να δηµιουργήσουν προβλήµατα είναι η έκλυση επικίνδυνων αερίων και οι θερµοκρασίες που θα συναντηθούν σε µεγάλα βάθη. Σχήµα 14. ιατρητικό φορείο κοχλίωσης Συµπεριφορά της εκσκαφής και σχεδιασµός της υποστήριξης Ο σχεδιασµός οποιασδήποτε υπόγειας εκσκαφής πρέπει να περιλαµβάνει την διερεύνηση των εντατικών καταστάσεων κάτω από τις οποίες θα λάβει χώρα η όρυξη. Από πλευράς τάσεων µπορούν να διακριθούν δύο κυρίως κατηγορίες, οι γεωστατικές τάσεις, οι οποίες οφείλονται στο βάρος των υπερκείµενων στρωµάτων και τις τάσεις που προέρχονται από τεκτονικά φαινόµενα όπως ρήγµατα, σύγκλινα κτλ. Η γνώση των παραπάνω θα οδηγήσει στον σωστό 15

16 και ασφαλή σχεδιασµό της στοάς. Αναλυτικότερα οποιαδήποτε υπόγειο άνοιγµα µεταβάλλει την εντατική κατάσταση στην γύρω περιοχή. Αυτό συνεπάγεται ότι κάποιες περιοχές θα δεχθούν ιδιαίτερα αυξηµένες τάσεις ενώ σε κάποιες άλλες οι αρχικές τάσεις θα µειωθούν ή θα αντιστρέψουν το πρόσηµό τους (οι θλιπτικές θα γίνουν εφελκυστικές). Το αποτέλεσµα είναι να δηµιουργηθεί µια ζώνη γύρω από την εκσκαφή όπου το πέτρωµα έχει πλαστικοποιηθεί και επέρχεται η χαλάρωση, η οποία εκδηλώνεται µε την µορφή µετακίνησης προς το εσωτερικό του ανοίγµατος. Αν το περιβάλλον πέτρωµα έχει µεγάλη αντοχή, τότε η όλη κατάσταση σταθεροποιείται µε τον σχηµατισµό µιας µορφής αψίδας στην οροφή. Σε διαφορετική περίπτωση πρέπει να τοποθετηθεί η απαραίτητη υποστήριξη για να επανέλθει η ισορροπία. Σε γενικές γραµµές η παρουσία ακµών στο σχήµα της διατοµής έχει δυσµενείς επιπτώσεις στην συµπεριφορά της ενώ καλύτερη συµπεριφορά παρουσιάζουν οι πεταλοειδείς και οι κυκλικές διατοµές. Για τον σχεδιασµό της υποστήριξης υπολογίζονται µε βάση διάφορες θεωρίες οι ασκούµενες τάσεις και τα αναµενόµενα φορτία και αναλόγως του συντελεστή ασφαλείας επιλέγονται τα αντίστοιχα µέτρα υποστήριξης. Στην συνέχεια είναι δυνατόν να παρακολουθείται η εξέλιξη της διατοµής µε µετρήσεις πιέσεων και συγκλίσεων ώστε αν απαιτηθεί να ενισχυθεί η υποστήριξη Εναλλακτικοί τρόποι όρυξης στοών Πέρα από την µέθοδο που περιγράφηκε, η όρυξη στοών µπορεί να πραγµατοποιηθεί και µε διαχωρισµό της διατοµής σε τµήµατα και την όρυξη σε δύο ή περισσότερες φάσεις (Σχήµα 15). Η τεχνική αυτή εφαρµόζεται όταν οι γεωτεχνικές συνθήκες δεν επιτρέπουν την προσβολή της διατοµής σε όλη την επιφάνεια ή όταν η διατοµή έχει µεγάλη επιφάνεια. Βέβαια στην περίπτωση αυτή πρέπει να προγραµµατισθεί µε ακρίβεια η διαδοχή και η πορεία των εργασιών ώστε να µην επέλθει διένεξη µεταξύ των φάσεων και η διαδικασία να προχωράει οµαλά. Τέλος η διάνοιξη στοών µπορεί να γίνει και µε µηχανές ολοµέτωπου κοπής (ΤΒΜ) ή σηµειακής κοπής (Roadheader) όπως θα αναλυθεί σε επόµενο κεφάλαιο. 16

17 Σχήµα 15. Όρυξη στοάς µεγάλης διατοµής. Η στοά διαχωρίζεται σε άνω τµήµα (top head) και µία ή περισσότερες βαθµίδες (benches). 2.3 Όρυξη κεκλιµένων Η όρυξη κεκλιµένων πραγµατοποιείται µε τις ίδιες µεθόδους που περιγράφηκαν για τις στοές µε την µόνη διαφορά ότι η στοά έχει κλίση. Εάν η κλίση δεν υπερβαίνει τις 20 ο περίπου, το προσωπικό µπορεί να µετακινείται χωρίς βοήθεια ειδικού εξοπλισµού. Σε διαφορετική περίπτωση οι εργασίες πραγµατοποιούνται µε µηχανήµατα αναρτηµένα µε συρµατόσχοινα τα οποία µετακινούνται σε σιδηροτροχιές (Σχήµα 16,17). (α) (β) Σχήµα 16. α) ιάτρηση και β)φόρτωση-αποκοµιδή εξορυγµένου υλικού σε κεκλιµένο µε µικρή κλίση. 17

18 Σχήµα 17. Φόρτωση εξορυγµένου υλικού στην περίπτωση κεκλιµένου µε µεγάλη κλίση. Η ύπαρξη κλίσης δηµιουργεί µια σειρά από προβλήµατα. Τα προβλήµατα αυτά σχετίζονται µε τα υπόγεια νερά, τα οποία λόγω βαρύτητας συγκεντρώνονται στον πυθµένα δυσχεραίνοντας τις εργασίες διάτρησης και αποκοµιδής. Έτσι προτιµάται να διαµορφώνεται ο πυθµένας κατάλληλα ώστε τα νερά να συγκεντρώνονται προς την µία πλευρά. Η διατοµή είναι συνήθως τραπεζοειδής ενώ ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην υποστήριξη, η οποία διαφέρει στον τρόπο εφαρµογής από την αντίστοιχη στην περίπτωση των στοών λόγω της κλίσης. Παράλληλα ο αερισµός πρέπει να είναι εντονότερος ώστε να µην συγκεντρώνονται στον πυθµένα το CO 2. Η χρήση του κεκλιµένου ως κύριο προσπελαστικό µέσο είναι σχετικά περιορισµένη. Το κεκλιµένο βρίσκει εφαρµογή στα έργα ανάπτυξης και εκµετάλλευσης του µεταλλείου ως εσωτερικό κεκλιµένο µεταφοράς µεταλλεύµατος (λούκι), ως κεκλιµένο µεταφοράς προσωπικού και ως κεκλιµένο αερισµού (καµινέτο). Επειδή τα παραπάνω έργα έχουν µικρό σχετικά µήκος και αντίστοιχα µικρή διατοµή και η όρυξή τους γίνεται συνήθως µε ανερχόµενη φορά, οι µέθοδοι που χρησιµοποιούνται διαφέρουν και είναι οι εξής: Η µέθοδος του συµπτυσσοµένου µετώπου Η µέθοδος Alimak και Η µέθοδος Jora Lift 18

19 2.3.1 Μέθοδος συµπτυσσοµένου µετώπου Κατά την µέθοδο του συµπτυσσοµένου µετώπου η διατοµή χωρίζεται σε δύο ή τρία διαµερίσµατα, όπου το ένα χρησιµοποιείται για την διακίνηση του προσωπικού, των υλικών και τον αερισµό και το άλλο για την κάθοδο του εξορυγµένου υλικού. Το εξορυγµένο υλικό παραµένει στο διαµέρισµα ενεργώντας ως υποστήριξη καθ όλη την διάρκεια των εργασιών διάνοιξης (Σχήµα 18). Μετά από κάθε ανατίναξη λαµβάνεται µόνο το επίπλησµα που αντιστοιχεί στον εξορυχθέντα όγκο πετρώµατος. Σχήµα 18. Όρυξη κεκλιµένων και µικρών φρεάτων µε την µέθοδο του συµπτυσσοµένου µετώπου (shrinkage stopping) Μέθοδος Alimak Μια πιο συχνά χρησιµοποιούµενη µέθοδος είναι η µέθοδος Alimak. Η όρυξη πραγµατοποιείται µε την βοήθεια ειδικού κλωβού ο οποίος κινείται σε µονή σιδηροτροχιά που στερεώνεται στην οροφή της στοάς εκκίνησης και επεκτείνεται καθώς προχωρά η όρυξη του κεκλιµένου. Στην φάση της όρυξης των διατρηµάτων και της γόµωσης ο κλωβός έρχεται στο µέτωπο του κεκλιµένου. Η διάτρηση πραγµατοποιείται από έναν ή δύο το πολύ χειριστές µε αερόσφυρα. Στην συνέχεια ο κλωβός αποµακρύνεται και πραγµατοποιείται η πυροδότηση, το 19

20 εξορυγµένο πέτρωµα συγκεντρώνεται στο δάπεδο της στοάς από όπου και φορτώνεται (Σχήµα 19). (α) (β) Σχήµα 19. α)μηχάνηµα Alimak, διακρίνεται στο άνω δεξιό τµήµα της εικόνας το κεκλιµένο και β)κύκλος διάτρησης κατά την µέθοδο Alimak Μέθοδος Jora Lift Η µέθοδος Jora Lift µοιάζει µε την µέθοδο Alimak αλλά διαφέρει στο ότι ο κλωβός µετακινείται µε την βοήθεια συρµατόσχοινου. Το συρµατόσχοινο διέρχεται από γεώτρηση µικρής διαµέτρου η οποία έχει ορυχθεί από την ανώτερη στοά πριν ξεκινήσουν οι εργασίες. Πρέπει να σηµειωθεί ότι οι παραπάνω µέθοδοι έχουν οικονοµικό πεδίο εφαρµογής µεταξύ 30 και 100 m (Σχήµα 20). 20

21 Σχήµα 20. Όρυξη κεκλιµένων και φρεάτων µε την µέθοδο Jora Lift Ελικοειδή κεκλιµένα Το ελικοειδές κεκλιµένο ή ράµπα αποτελεί τον συνδυασµό µιας στοάς και ενός κεκλιµένου. Ουσιαστικά ορύσσεται ως στοά η οποία όµως διαγράφει µια ελικοειδή τροχιά στο κατακόρυφο επίπεδο. Τα πλεονεκτήµατα που προσφέρει αυτή η λύση και την έχουν κάνει αρκετά δηµοφιλή ακόµη και ως βασικό έργο προσπέλασης είναι ότι η όρυξη γίνεται σε συνθήκες στοάς, µπορεί να µετακινηθεί αυτοκινούµενος εξοπλισµός και κατά συνέπεια να χρησιµοποιηθεί σε µεταλλεία µε µεγάλη παραγωγή. Στα µειονεκτήµατα της ράµπας συγκαταλέγονται το µεγαλύτερο µήκος έναντι κεκλιµένου ή φρέατος για την ίδια υψοµετρική διαφορά και η απαίτηση για συνεχή έλεγχο της γεωµετρίας. 21

22 3 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3.1 Ανάπτυξη µεταλλείου Η κατασκευή των προσπελαστκών έργων αποτελεί το πρώτο βασικό στάδιο για την έναρξη λειτουργίας ενός µεταλλείου, καθώς αυτά επιτρέπουν την προσέγγιση του κοιτάσµατος. Η ολοκλήρωση αυτού του σταδίου σηµατοδοτεί την έναρξη της επόµενης φάσης η οποία περιλαµβάνει τα έργα ανάπτυξης και την έναρξη της παραγωγής του µεταλλείου. Τα έργα ανάπτυξης συνθέτουν ένα πολύπλοκο δίκτυο το οποίο συνδέεται µε τα βασικά προσπελαστικά έργα, συνιστώντας τον σκελετό του µεταλλείου. Αποτελούνται από στοές κεκλιµένα, ράµπες και πολλές φορές φρέατα. Έχουν ως στόχο να διαχωρίσουν το κοίτασµα σε ορόφους (Σχήµα 21) και υποορόφους εκµετάλλευσης ώστε να εφαρµόζεται χωρίς προβλήµατα η µεταλλευτική µέθοδος. Έτσι για παράδειγµα αν η προσπέλαση έχει γίνει µε φρέαρ, τότε σε πρώτη φάση διανοίγονται οριζόντιες στοές που εκκινούν από διάφορα υψόµετρα από το φρέαρ και προσβάλλουν το κοίτασµα. Στη συνέχεια διανοίγονται στοές που διατρέχουν το κοίτασµα κατά την διεύθυνση ανάπτυξης του και καλούνται διευθυντικές στοές. Από τις διευθυντικές στοές εκκινούν εγκάρσιες στοές µέσα στο κοίτασµα µε σκοπό την έναρξη της εκµετάλλευσης και συνιστούν τις παραγωγικές στοές. Οι παραπάνω στοές συνδέονται µεταξύ τους µε εσωτερικά κεκλιµένα για την µεταφορά του µεταλλεύµατος (λούκια) και ράµπες για την διακίνηση του εξοπλισµού (Σχήµα 22). 3.2 Επιλογή ύψους ορόφων εκµετάλλευσης Ένα κρίσιµο ζήτηµα που επηρεάζει την παραγωγική διαδικασία και το κόστος εκµετάλλευσης είναι ο καθορισµός του ύψους των ορόφων. Το ύψος αυτό κυµαίνεται από µέτρα ενώ συνήθως επιλέγεται µεταξύ µέτρων. Η επιλογή επηρεάζεται από µια σειρά από παράγοντες όπως: Η φύση και το µέγεθος (γεωµετρία) του κοιτάσµατος Τα γεωτεχνικά χαρακτηριστικά του µεταλλεύµατος και των περιβαλλόντων πετρωµάτων Η µέθοδος εκµετάλλευσης Ο τρόπος προσπέλασης 22

23 Η πληρότητα της µεταλλευτικής έρευνας Το κόστος ανάπτυξης ενός ορόφου Σχήµα 21. Τυπική εικόνα ενός υπόγειου µεταλλείου σε λειτουργία όπου εκτός από τα προσπελαστικά έργα διακρίνονται και τα έργα ανάπτυξης (εγκάρσιες στοές, εσωτερικά κεκλιµένα και φρέατα καθώς και ράµπες). 23

24 Αυξάνοντας την απόσταση των ορόφων µειώνονται οι δαπάνες των έργων ανάπτυξης ανά τόνο προϊόντος αλλά από την άλλη µεριά αυξάνονται οι δαπάνες ανέλκυσης και διακίνησης των υλικών. Μείωση της απόστασης των ορόφων έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση των δαπανών των έργων ανάπτυξης ανά τόνο εξορυσσοµένου µεταλλεύµατος και µείωση των δαπανών ανέλκυσης και διακίνησης των υλικών αντίστοιχα. Σχήµα 22. ιαχωρισµός του κοιτάσµατος σε ορόφους. ιακρίνονται οι εγκάρσιες στοές από το κύριο προσπελαστικό έργο (φρέαρ) προς τα κοιτάσµατα και τα έργα ανάπτυξης (εσωτερικά φρέατα, διευθυντικές στοές). 3.3 Καθορισµός ετήσιας παραγωγής µεταλλείου Η κατασκευή των έργων ανάπτυξης είναι άρρηκτα συνδεδεµένη µε τον καθορισµό της ετήσιας παραγωγής του µεταλλείου. Η παραγωγή του µεταλλείου συνήθως υπολογίζεται σε ετήσια βάση και λαµβάνονται υπόψη τα αποθέµατα, η εφαρµοζόµενη µέθοδος εκµετάλλευσης, ο µηχανολογικός εξοπλισµός και η επιθυµητή διάρκεια ζωής. Για τον υπολογισµό της ετήσιας παραγωγής πρέπει σε κάθε περίπτωση να λαµβάνονται υπόψη κάποιες βασικές αρχές που διέπουν την µεταλλευτική δραστηριότητα, όπως: 24

25 Η επίτευξη της µέγιστης δυνατής ασφάλειας Η επίτευξη της µέγιστης δυνατής απόληψης Η επίτευξη του ελάχιστου δυνατού κόστους ανά µονάδα παραγόµενου προϊόντος Αναλυτικότερα οι παράγοντες που κυρίως επηρεάζουν την ετήσια παραγωγή ενός µεταλλείου είναι: Οι εθνικές ανάγκες στο παραγόµενο µετάλλευµα Η σκοπιµότητα εξαγωγών σε άλλες χώρες Η υφιστάµενη δυνατότητα διαθέσεως του µεταλλεύµατος Οι διαστάσεις και η γεωµετρία του κοιτάσµατος Οι γεωλογικές και υδρογεωλογικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή Η µέθοδος εκµετάλλευσης Το επίπεδο τεχνογνωσίας της χώρας Η ποιότητα του απασχολούµενου προσωπικού Παρόλο που ο υπολογισµός της ετήσιας παραγωγής ενός µεταλλείου είναι ένα σύνθετο πρόβληµα, εντούτοις αυτή µπορεί να εκτιµηθεί µε ικανοποιητικό βαθµό ακρίβειας αν είναι γνωστά κάποια µεγέθη. Έτσι µια σχέση που προτείνεται για την εκτίµηση της ετήσιας παραγωγής είναι η ακόλουθη: Κα Q = u S δ 1 Κρ όπου Q: η ετήσια παραγωγή σε τόνους u: η µέση ετήσια προχώρηση των µετώπων σε µέτρα S: η µέση εκµεταλλευόµενη επιφάνεια του κοιτάσµατος σε τετραγωνικά µέτρα δ: το ειδικό βάρος του µεταλλεύµατος σε τόνους ανά κυβικά µέτρα Κ α : ο συντελεστής απόληψης, ο οποίος κυµαίνεται από 0,50 ως 0,95 Κ ρ : ο συντελεστής ανάµιξης, ο οποίος κυµαίνεται µεταξύ 0,05 και 0,20 Η παραγωγή που υπολογίζεται είναι δυνατόν να επανεξετασθεί και να τροποποιηθεί κατά την διάρκεια ζωής του µεταλλείου. Αυτό συµβαίνει γιατί στα πρώτα χρόνια ζωής του η 25

26 µεταλλευτική έρευνα δεν έχει ολοκληρωθεί και τα αποθέµατα δεν έχουν καθοριστεί επαρκώς. Επίσης η παραγωγή µπορεί να µεταβληθεί εξαιτίας άλλων παραγόντων, όπως η ζήτηση στην διεθνή αγορά κτλ. Η επιλογή του ύψους της παραγωγής εξαρτάται άµεσα από το επιτυγχανόµενο κόστος ανά µονάδα παραγόµενου προϊόντος, το οποίο αποτελείται από το κόστος εκµετάλλευσης (80-90%) και από το κόστος των αποσβέσεων (10-20%). Γενικά αύξηση της ετήσιας παραγωγής επιφέρει µείωση του κόστους εκµετάλλευσης και αύξηση του κόστους των αποσβέσεων, δεδοµένου ότι απαιτούνται περισσότερα έργα ανάπτυξης και περισσότερος εξοπλισµός. Τα παραπάνω διακρίνονται στο ακόλουθο γράφηµα που απεικονίζει την µεταβολή του κόστους σε συνάρτηση µε το ύψος της παραγωγής (Σχήµα 23). Συσχέτιση Κόστους - Μεγέθους Παραγωγής Μεταβλ. Κόστος 1 Μεταβλ. Κόστος 2 Αθροισµ. 1,2 Σταθερό Κόστος Συνολικό Κόστος Κόστος Ετήσια Παραγωγή (1000tn) Σχήµα 23. Στο γράφηµα απεικονίζεται η συσχέτιση µεταξύ των κατηγοριών κόστους και της ετήσιας παραγωγής ενός µεταλλείου. Στο γράφηµα απεικονίζονται πέντε καµπύλες, η πρώτη αντιστοιχεί στο µεταβλητό κόστος των αποσβέσεων το οποίο αυξάνεται µε την αύξηση της παραγωγής, η δεύτερη απεικονίζει το µεταβλητό κόστος εκµετάλλευσης το οποίο µειώνεται καθώς η παραγωγή αυξάνεται. Το άθροισµα τους δίνει την καµπύλη του µεταβλητού κόστους, η τέταρτη καµπύλη είναι το σταθερό κόστος της εκµετάλλευσης και το άθροισµα αυτών των δύο αποτελεί το συνολικό κόστος της εκµετάλλευσης. Παρατηρείται ότι υπάρχει µια περιοχή όπου το συνολικό κόστος 26

27 ελαχιστοποιείται, η περιοχή αυτή αντιπροσωπεύει την βέλτιστη (optimum) παραγωγή του µεταλλείου. Η περιοχή αυτή έχει αρκετά µεγάλο εύρος επιβεβαιώνοντας το ότι η επιλογή του ύψους παραγωγής είναι ένα πολύπλοκο πρόβληµα. 27

28 4 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4.1 Μηχανική όρυξη στοών και σηράγγων Σε προηγούµενο κεφάλαιο περιγράφηκε η µέθοδος διάτρησης και ανατίναξης για την διάνοιξη στοών, φρεάτων και κεκλιµένων. Η χρησιµοποίηση εκρηκτικών υλών για την θραύση του πετρώµατος έχει ως αποτέλεσµα τον επηρεασµό της περιοχής γύρω από την εκσκαφή. Αναλυτικότερα η ενέργεια που απελευθερώνεται από την εκρηκτική ύλη προκαλεί ρηγµατώσεις στο πέτρωµα και ως αποτέλεσµα δηµιουργείται γύρω από την εκσκαφή µια ζώνη όπου το πέτρωµα παρουσιάζει µειωµένη αντοχή και απαιτεί υποστήριξη. Το πάχος της ζώνης αυτής εξαρτάται από το πέτρωµα, τον σχεδιασµό της ανατίναξης (ποσότητα εκρηκτικής ύλης, χρόνοι ανατίναξης, αριθµός διατρηµάτων, ειδικές τεχνικές κτλ.) και τις γενικότερες γεωλογικές συνθήκες. Η ζώνη αυτή επηρεάζει άµεσα και την απαιτούµενη υποστήριξη εποµένως το κόστος κατασκευής. Έτσι πάγια επιδίωξη αποτελεί ο περιορισµός της. Επιπλέον ο κύκλος εκσκαφής µε την µέθοδο αυτή είναι ασυνεχής υπό την έννοια ότι µεσολαβούν «νεκρά» χρονικά διαστήµατα µεταξύ των διαφόρων φάσεων. Οι παραπάνω λόγοι οδήγησαν στην ανάπτυξη της µηχανικής όρυξης σηράγγων. Η µηχανική όρυξη σηράγγων πραγµατοποιείται µε τις Μηχανές Ολοµέτωπης Κοπής (ΤΒΜ- Tunnel Boring Machine) ή µε µηχανές σηµειακής κοπής (Roadheader) Όρυξη σηράγγων µε ΤΒΜ Οι µηχανές ολοµέτωπης κοπής διακρίνονται σε: Μηχανές χωρίς ασπίδα, για σκληρά πετρώµατα (Σχήµα 26). Μηχανές µε ασπίδα (µονή ή διπλή), για µέσης ή µικρής αντοχής πετρώµατα (Σχήµα 27), Μηχανές για ειδικές συνθήκες (slurry shield, EPB) Τα κύρια τµήµατα που αποτελούν ένα ΤΒΜ είναι η κεφαλή, πάνω στην οποία είναι προσαρµοσµένα τα κοπτικά εργαλεία, οι κινητήρες ώθησης, τα πέδιλα στήριξης και το σύστηµα αποκοµιδής του εξορυγµένου πετρώµατος. 28

29 Η αρχή λειτουργίας ενός ανοιχτού ΤΒΜ φαίνεται στα επόµενα σχήµατα. Το ΤΒΜ στηρίζεται µε την βοήθεια των πεδίλων στα πλευρά της στοάς και η κεφαλή περιστρέφεται και ωθείται από τους κινητήρες στο µέτωπο (Σχήµα 24). Σχήµα 24. Φάσεις λειτουργίας ανοιχτού ΤΒΜ. Με την πίεση και την περιστροφή το πέτρωµα θραύεται και τα τεµάχια του πετρώµατος συγκεντρώνονται µέσω ανοιγµάτων στην κεφαλή και µεταφέρονται µε µεταφορική ταινία στο πίσω τµήµα του ΤΒΜ όπου φορτώνονται σε τρένα ή φορτηγά και µεταφέρονται εκτός της σήραγγας. Η θραύση του πετρώµατος επιτυγχάνεται µε την βοήθεια κοπτικών δίσκων ή κοπτικών σφηνών από σκληρό µέταλλο. Είναι προφανές ότι η διαδικασία είναι συνεχής και δεν υπάρχουν νεκροί χρόνοι, το γεγονός αυτό οδηγεί στην επίτευξη υψηλών ρυθµών προχώρησης, οι οποίοι µπορούν να φτάσουν ή και να ξεπεράσουν τα 30 m/day. Η όρυξη είναι πλήρως µηχανοποιηµένη και ο έλεγχος πραγµατοποιείται από ειδική καµπίνα πάνω στο µηχάνηµα. 29

30 Σχήµα 25. ιάγραµµα εύρους εφαρµοσιµότητας του τύπου του ΤΒΜ σε σχέση µε την ποιότητα της µάζας του πετρώµατος σύµφωνα µε την ταξινόµηση RMR. Σχήµα 26. Κύρια µέρη ενός ανοιχτού ΤΒΜ. 30

31 Η µηχανική όρυξη παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήµατα αφού: Η ταχύτητα προχώρησης είναι µεγάλη Η διαδικασία είναι πλήρως αυτοµατοποιηµένη Επιτυγχάνεται ελάχιστη διαταραχή στα περιβάλλοντα πετρώµατα Επίτευξη απολύτως επιθυµητού µεγέθους της διατοµής µε ελάχιστη υπερεκσκαφή (overbreak) Μεγαλύτερη ασφάλεια Σχήµα 27. Κύρια µέρη ΤΒΜ µονής (άνω σχήµα) και διπλής ασπίδας (κάτω σχήµα). Από την άλλη µεριά η µέθοδος έχει και ορισµένα σηµαντικά πλεονεκτήµατα που την καθιστούν µη συµφέρουσα καθώς: Απαιτείται µεγάλο κεφάλαιο αρχικής επένδυσης 31

32 Το µηχάνηµα κατασκευάζεται κατά παραγγελία και για συγκεκριµένες συνθήκες Υπάρχει δυσκολία προσαρµογής σε µεταβαλλόµενες συνθήκες εν εφαρµόζεται σε όλα τα πετρώµατα (Σχήµα 25) ιανοίγει µόνο κυκλικές διατοµές Μηχανές σηµειακής κοπής Κάποια από τα µειονεκτήµατα µπορούν να αρθούν µε την χρήση των µηχανών σηµειακής κοπής (Σχήµα 28). Σχήµα 28. Μηχάνηµα σηµειακής κοπής µε ένα βραχίονα ο οποίος φέρει δύο κοπτικές κεφαλές εγκάρσιας κοπής. Τα µηχανήµατα αυτά φέρουν έναν ή περισσότερους βραχίονες όπου στο άκρο τους έχουν προσαρµοστεί κοπτικά εργαλεία. Με την κίνηση του βραχίονα η εκσκαφή πραγµατοποιείται σε συγκεκριµένη θέση της διατοµής και προοδευτικά καλύπτει το σύνολο της επιφάνειάς της. Κατά παρόµοιο τρόπο µε τα ΤΒΜ το εξορυγµένο πέτρωµα συγκεντρώνεται από το δάπεδο και µε µεταφορική ταινία φορτώνεται σε φορτηγά. Με τα µηχανήµατα σηµειακής κοπής η διατοµή µπορεί να έχει οποιοδήποτε σχήµα αλλά τίθενται περιορισµοί στο µέγεθος (λόγω της 32

33 κίνησης του βραχίονα) και επιπλέον η µέθοδος είναι εφαρµόσιµη σε ένα στενό φάσµα γεωλογικών συνθηκών. Στην περίπτωση που οι εδαφικές συνθήκες είναι δυσµενείς, το µηχάνηµα σηµειακής κοπής µπορεί να σχεδιαστεί ώστε να φέρει και ασπίδα. Με τον τρόπο αυτό η εξόρυξη πραγµατοποιείται κάτω από την ασπίδα και στο πίσω µέρος του µηχανήµατος τοποθετείται η υποστήριξη, η οποία µπορεί να συνίσταται ακόµη και από προκατασκευασµένους δακτυλίους από σκυρόδεµα, όπως και στην περίπτωση των ΤΒΜ µε ασπίδα. Σχήµα 29. Μηχάνηµα σηµειακής κοπής µε µία κοπτική κεφαλή διαµήκους κοπής. Το συγκεκριµένο µηχάνηµα έχει και ασπίδα και χρησιµοποιήθηκε στο Μετρό της Αθήνας. 33

34 5 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5.1 Παράδειγµα επιλογής έργων προσπέλασης και ανάπτυξης µεταλλείου (Ι) Να εξετασθούν και αναλυθούν τα κύρια έργα προσπέλασης και ανάπτυξης (θέσεις, τύπος, κατασκευή, διαστασιολόγηση, κτλ.), σε σχέση µε τη µέθοδο εκµετάλλευσης που θα επιλεχθεί, για ζεύγος µεταλλοφόρων κοιτασµάτων, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Να ληφθεί υπ όψη ότι η µέγιστη αναµενόµενη δυναµικότητα του µεταλλείου θα είναι της τάξης των tn/έτος. Τα περιβάλλοντα πετρώµατα θεωρούνται µετρίων µηχανικών χαρακτηριστικών, ενώ το µετάλλευµα είναι επίσης µετρίων έως κακών µηχανικών χαρακτηριστικών. 150 m 70 m 70 m 550 m Περιβάλλοντα πετρώµατα µετρίων µηχανικών χαρακτηριστικών Επιλογή µεθόδου εκµεταλλεύσεως Αρχικά, θα πρέπει να καθοριστεί η µέθοδος εκµετάλλευσης που θα χρησιµοποιηθεί για την απόληψη του µεταλλεύµατος. Η επιλογή της µεθόδου είναι σηµαντική, καθώς είναι δυνατό να διαφοροποιήσει τα προσπελαστικά έργα. Με βάση τα στοιχεία που δίδονται και πιο 34

35 συγκεκριµένα τα γεωµηχανικά χαρακτηριστικά του µεταλλεύµατος και των περιβαλλόντων πετρωµάτων, φαίνεται ότι οι πιθανές µέθοδοι που θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν είναι : Μέθοδος µε κατακρήµνιση (caving) Μέθοδος µε λιθογόµωση (cut-and-fill) Η διαφοροποίηση έγκειται στο γεγονός ότι, στη µέθοδο της κατακρήµνισης θα είναι υποχρεωτικό να τοποθετηθούν τα έργα προσπέλασης, εκτός της ζώνης διαταραχής που θα προκύψει (Σχήµα 1). Αντίθετα, στη µέθοδο της λιθογόµωσης δεν υφίσταται τέτοιος περιορισµός. Σχήµα 1. Ζώνη διαταραχής που θα δηµιουργηθεί µετά την εξόφληση του ζεύγους των κοιτασµάτων. Έστω ότι, για το συγκεκριµένο παράδειγµα, επιλέγεται η µέθοδος κατακρήµνισης. Στην περίπτωση αυτή, υπάρχει ακόµη ένας περιορισµός, το ζήτηµα έναρξης εκµετάλλευσης, αφού όπως φαίνεται στο σχήµα, η ζώνη διαταραχής που σχηµατίζεται από το µεγαλύτερο κοίτασµα επικαλύπτει το µικρότερο, οπότε θέτει σε κίνδυνο τα έργα και τους εργαζόµενους που βρίσκονται σε αυτό. Η ορθότερη επιλογή είναι να γίνει η εκµετάλλευση πρώτα στο µικρότερο και στη συνέχεια, οι εργασίες να επεκταθούν και στο δεύτερο κοίτασµα. Επιλογή τύπων - χαρακτηριστικών έργων προσπέλασης Έχοντας καθορίσει τα όρια της ζώνης διαταραχής, στη συνέχεια και µε βάση την τοποθέτηση των κοιτασµάτων στο χώρο και τη διαµόρφωση του τοπογραφικού αναγλύφου, είναι δυνατό να γίνει η επιλογή των κύριων προσπελαστικών έργων. Φαίνεται ότι αρχικά µια στοά (δεξιά των κοιτασµάτων) και ένα φρέαρ (αριστερά), µπορούν να εξυπηρετήσουν τις εργασίες 35

36 εκµετάλλευσης. Από τα δύο αυτά έργα, είναι πιο οικονοµικό να χρησιµοποιηθεί η στοά για τη µεταφορά του µεταλλεύµατος στην επιφάνεια µε φορτηγά, αντί να ανελκυθεί το µετάλλευµα µέσω του φρέατος. Σε αυτό συµβάλλει ακόµη η κατασκευή της στοάς µε µικρή κλίση (0,5-1%) προς την επιφάνεια, ώστε να διευκολύνεται η κίνηση του εξοπλισµού, αλλά και να επιτυγχάνεται η ελεύθερη ροή των υδάτων εκτός του µεταλλείου. Βέβαια η διαµόρφωση αυτή δεν είναι και η µοναδική. Έτσι µια πιο πολύπλοκη, αλλά ταυτόχρονα πιο λειτουργική διαµόρφωση των προσπελαστικών έργων, παρουσιάζεται στο Σχήµα 2. Η διαφοροποίηση συνίσταται στο γεγονός ότι αντί το φρέαρ να φτάνει µέχρι τον πυθµένα του κοιτάσµατος Κ2, µετασχηµατίζεται σε στοά και τελικά σε ελικοειδές κεκλιµένο (ράµπα). Φρέαρ Σχήµα 2. ιάταξη των κύριων έργων προσπέλασης ΚΚ11 ΚΚ22 Στοά Ελικοειδές Κεκλιµένο Με τη δηµιουργία του ελικοειδούς κεκλιµένου, επιτυγχάνεται σε µεγάλο βαθµό η κυκλοφορία του µηχανοκίνητου εξοπλισµού στα κοιτάσµατα (π.χ. jumbo διάτρησης, φορτωτές, κ.α.), πράγµα που θα ήταν αρκετά πιο δύσκολο να γίνει, στην περίπτωση επιλογής µόνο του φρέατος. 36

37 Οι διαστάσεις των έργων προσπέλασης και των εν γένει χαρακτηριστικά τους, εξαρτώνται άµεσα από το αναµενόµενο µέγεθος παραγωγής, όσο και από τα χαρακτηριστικά του εξοπλισµού που διαθέτει το µεταλλείο. ίνεται όµως σχεδόν πάντα ένα µεγαλύτερο περιθώριο, ώστε τα έργα να είναι σε θέση να ανταποκριθούν σε ενδεχόµενη αύξηση παραγωγής, ή/και "βαρύτερο" εξοπλισµό. Επίσης, αρκετά σηµαντική είναι η επιλογή της µορφής της διατοµής των έργων προσπέλασης, αφού επηρεάζει τόσο την ευστάθειά τους όσο και την κίνηση του αέρα στο µεταλλείο. Πιο συγκεκριµένα, επιλέγεται κατά κύριο λόγο κυκλική διατοµή στο φρέαρ, ενώ η κύρια προσπελαστική στοά µπορεί να έχει αψιδωτή ή πεταλοειδή διατοµή. Στο συγκεκριµένο µεταλλείο, επιλέγεται φρέαρ κυκλικής διατοµής µε ωφέλιµη διατοµή περίπου m 2,(διάµετρος 5-5,5m) ενώ η διατοµή της στοάς είναι πεταλοειδής, µε εµβαδό m 2. (Σχήµα 3). Προσοχή δίδεται στην κατασκευή του ελικοειδούς κεκλιµένου, η κλίση του οποίου δεν θα πρέπει να υπερβαίνει το 10-12%, ενώ η ακτίνα καµπυλότητάς του θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 m για λόγους που έχουν να κάνουν µε την δυνατότητα κίνησης του εξοπλισµού. Σχήµα 3. Χαρακτηριστικές µορφές διατοµών και διαστάσεις για τα κύρια έργα προσπέλασης. Η υποστήριξη του φρέατος θα γίνει µε τη χρήση προκατασκευασµένων δακτυλίων οπλισµένου σκυροδέµατος, ενώ για την περίπτωση της στοάς, θα χρειαστεί κοχλίωση, χρήση πλέγµατος, ή ακόµη και µεταλλικών πλαισίων, αν, και όπου αυτό κριθεί απαραίτητο. 37

38 Έργα Ανάπτυξης Τα έργα ανάπτυξης πραγµατοποιούνται για την περιχάραξη και προσέγγιση του κοιτάσµατος από τους εργαζοµένους, ώστε να διευκολυνθεί σε δεύτερη φάση, η εξόρυξη και µεταφορά του. Καταρχάς παρατηρείται ότι δεν χρειάζεται να υπάρξει χωρισµός των κοιτασµάτων σε δύο ή περισσότερα τµήµατα, αφού πρόκειται για σχετικά µικρά κοιτάσµατα. Στη συνέχεια γίνεται ο χωρισµός τους σε ορόφους. Με βάση ότι η απόσταση µεταξύ ορόφων που εξασφαλίζει µικρότερο κόστος και ακόµη επιτρέπει τη βέλτιστη αξιοποίηση των εσωτερικών κεκλιµένων (λούκια) βρίσκεται στην περιοχή ανάµεσα στα m, επιλέγεται για το κοίτασµα Κ1 ένας όροφος και για το Κ2 τέσσερις (4) ορόφους µε απόσταση µεταξύ τους περίπου m. ΚΚ11 ΚΚ22 Σχήµα 4. Άποψη των ορόφων και των άλλων έργων ανάπτυξης του µεταλλείου. Από τους ορόφους αυτούς εκκινούν διευθυντικές στοές (παράλληλα µε τη διεύθυνση του κοιτάσµατος) και στη συνέχεια, κάθετα σε αυτές στοές που προσβάλλουν το κοίτασµα (Σχήµα 5). Επίσης, για την ένωση των ορόφων κατασκευάζονται εσωτερικά κεκλιµένα µεταφοράς µεταλλεύµατος (λούκια) ή αερισµού, καθώς και µικρά ελικοειδή κεκλιµένα που επιτρέπουν την εύκολη πρόσβαση των εργαζοµένων και του εξοπλισµού. 38

39 Σχήµα 5. Λεπτοµέρεια των διευθυντικών και εγκαρσίων στοών που αναπτύσσονται στο µεταλλείο. 39

40 5.2 Παράδειγµα επιλογής έργων προσπέλασης και ανάπτυξης µεταλλείου (ΙΙ) Να εξετασθούν και αναλυθούν τα κύρια έργα προσπέλασης και ανάπτυξης (θέσεις, τύπος, κατασκευή, διαστασιολόγηση, κ.λ.π.), για το κοίτασµα του παρακάτω σχήµατος.. Ιδιαίτερη προσοχή να δοθεί στο ζήτηµα της όρυξής τους. Θεωρείται, ότι η εκµετάλλευση θα χρειαστεί αρκετά βαρύ αυτοκινούµενο εξοπλισµό και ότι η µέγιστη αναµενόµενη δυναµικότητα του µεταλλείου, θεωρείται ότι θα είναι της τάξης των tn/έτος. Ακόµη, τα περιβάλλοντα πετρώµατα θεωρούνται συνεκτικά, καλών µηχανικών χαρακτηριστικών. 450 m Επιφανειακή ζώνη χαλαρών σχηµατισµών ο Επιλογή µεθόδου εκµεταλλεύσεως Παρατηρείται από το σχήµα ότι υπάρχει επιφανειακή εµφάνιση του κοιτάσµατος, οπότε είναι δυνατό να γίνει αρχικά η επιφανειακή εκµετάλλευση, η οποία θα περατωθεί µόλις η σχέση εκµετάλλευσης θα γίνει αντιοικονοµική. Μετά από το σηµείο αυτό, µπορεί να πραγµατοποιηθεί η υπόγεια προσβολή του κοιτάσµατος, αφού όµως αφεθεί προστατευτικός στύλος. Για τον καθορισµό της υπόγειας µεθόδου, κύριος γνώµονας είναι τα χαρακτηριστικά του κοιτάσµατος και των περιβαλλόντων πετρωµάτων. Στη συγκεκριµένη περίπτωση, οι καλύτερη λύση είναι να επιλεχθεί η µέθοδος µε κενά (open stopping), καθώς τα µηχανικά χαρακτηριστικά, τόσο του κοιτάσµατος όσο και των περιβαλλόντων πετρωµάτων είναι καλά. 40

41 Θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί επίσης µέθοδος λιθογόµωσης (cut-and-fill) αν αυτό απαιτούνταν από τα εν γένη ποιοτικά χαρακτηριστικά του κοιτάσµατος, π.χ. κοίτασµα ιδιαίτερης οικονοµικής αξίας, η στρατηγικής σηµασίας, οπότε θα χρειάζονταν η µεγαλύτερη δυνατή απόληψή του. Σηµειώνεται ότι και µε τις δύο προαναφερθείσες µεθόδους, δεν θα υπάρξει ζώνη διαταραχής. Επιλογή τύπων - χαρακτηριστικών έργων προσπέλασης Έχοντας ως βάση το τοπογραφικό ανάγλυφο της περιοχής και την τοποθέτηση των κοιτασµάτων στο χώρο, είναι δυνατό να γίνει η επιλογή των κύριων έργων προσπέλασης. Το πρώτο έργο µπορεί να είναι µια στοά που θα ορυχθεί από το δεξιό τµήµα, ενώ το δεύτερο έργο προσπέλασης θα είναι φρέαρ το οποίο θα περνά από το κέντρο περίπου του κοιτάσµατος. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα το φρέαρ αυτό να µην φτάνει µέχρι το βαθύτερο τµήµα του κοιτάσµατος, αλλά σε πρώτη φάση να φτάσει µέχρι το επίπεδο της στοάς και στη συνέχεια αφού ολοκληρωθεί η εκµετάλλευση του τµήµατος αυτού, να γίνει η εκβάθυνση του φρέατος µέχρι το πέρας του κοιτάσµατος (Σχήµα 1). Θέση αρχικής επιφανειακής εκµετάλλευσης Φρέαρ Σχήµα 1. ιάταξη των κύριων έργων προσπέλασης Στοά Προσπέλασης 41

42 Βέβαια, για την καλύτερη αξιοποίηση του εξοπλισµού, µπορούν να διαµορφωθούν ελικοειδή κεκλιµένα (ράµπες), τα οποία αναπτύσσονται περιµετρικά του φρέατος. (Σχήµα 2). Σχήµα 2. Χαρακτηριστικές απόψεις της θέσης των ελικοειδών κεκλιµένων σε σχέση µε το φρέαρ προσπέλασης. Οι διαστάσεις των έργων προσπέλασης και των εν γένει χαρακτηριστικά τους, εξαρτώνται άµεσα από το αναµενόµενο µέγεθος παραγωγής, όσο και από τα χαρακτηριστικά του εξοπλισµού που διαθέτει το µεταλλείο. Επίσης, αρκετά σηµαντική είναι η επιλογή της µορφής της διατοµής των έργων προσπέλασης, αφού επηρεάζει τόσο την ευστάθειά τους όσο και την κίνηση του αέρα στο µεταλλείο. Πιο συγκεκριµένα, επιλέγεται κατά κύριο λόγο κυκλική διατοµή στο φρέαρ, αντί της ορθογωνικής, ενώ η κύρια προσπελαστική στοά µπορεί να έχει αψιδωτή ή πεταλοειδή διατοµή. 42

43 Σχήµα 3. Χαρακτηριστικές µορφές διατοµών και διαστάσεις για τα κύρια έργα προσπέλασης. Στο συγκεκριµένο µεταλλείο, επιλέγεται φρέαρ κυκλικής διατοµής µε ωφέλιµη διατοµή περίπου 30 m 2, (διάµετρος 6-6,2m) ενώ η διατοµή της στοάς είναι πεταλοειδής, µε εµβαδό m 2. (Σχήµα 3). Προσοχή δίδεται στην κατασκευή του ελικοειδούς κεκλιµένου, η κλίση του οποίου δεν θα πρέπει να υπερβαίνει το 10-12%, ενώ η ακτίνα καµπυλότητάς του θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 m. Σχήµα 4. Παρουσίαση του κύκλου όρυξης των έργων. 43

44 Για την όρυξη των προσπελαστικών έργων θα χρησιµοποιηθεί η µέθοδος της διάτρησης - ανατίναξης (drill-and-blast) µε χρήση φορείων διάτρησης (jumbo) για τη στοά και ειδικού συστήµατος διάτρησης (shaft-jumbo) για το φρέαρ. Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται να δοθεί κατά τα πρώτα στάδια της εκσκαφής, αφού θα συναντηθεί η µικρή επιφανειακή ζώνη χαλαρών σχηµατισµών, η οποία αν και δεν θέτει δυσκολίες όρυξης, µπορεί να δηµιουργήσει αρκετά προβλήµατα αν δεν εφαρµοστούν κατάλληλα µέτρα υποστήριξης στα έργα. Ο κύκλος όρυξης των έργων (Σχήµα 4) είναι : ιάτρηση, Γόµωση, Ανατίναξη, Αερισµός, Ξεσκάρωµα, Αποκοµιδή, Υποστήριξη. Με βάση τα χαρακτηριστικά των πετρωµάτων δεν αναµένονται ιδιαίτερα προβλήµατα για την υποστήριξη των έργων. Η υποστήριξη του φρέατος θα γίνει µε τη χρήση προκατασκευασµένων δακτυλίων οπλισµένου σκυροδέµατος, ενώ για την περίπτωση της στοάς, θα χρειαστεί κοχλίωση, χρήση πλέγµατος. εν αναµένεται να χρειαστούν µεταλλικά πλαίσια, παρά ίσως τοπικά σε περιοχές ιδιαίτερου κερµατισµού, ή περιοχές συνάντησης µεγάλων ρηγµατώσεων. Έργα Ανάπτυξης Όπως αναφέρθηκε, υπάρχει η δυνατότητα χωρισµού του κοιτάσµατος σε δύο τµήµατα, σε αυτά που βρίσκονται σε υψοµετρικά επίπεδα, υψηλότερα και χαµηλότερα σε σχέση µε την Σχήµα 5. Όρυξη διατρηµάτων στοάς µε χρήση διατρητικού φορείου (jumbo). προσπελαστική στοά. Αν υιοθετηθεί η άποψη αυτή, τότε στο τµήµα Α, (µε συνολικό κατακόρυφο ύψος περίπου 225m) µπορεί να δηµιουργηθούν 3 όροφοι µε µεταξύ τους 44

45 απόσταση περίπου 75 m, δεδοµένης της κλίσης του κοιτάσµατος και της αναµενόµενης ετήσιας παραγωγής. Από τους ορόφους, εκκινούν διευθυντικές στοές (παράλληλες µε τη διεύθυνση του κοιτάσµατος) και από αυτές εγκάρσιες στοές για την προσβολή του κοιτάσµατος. 1η Φάση Εκµετάλλευσης (Τµήµα Α) Σχήµα 6. Άποψη των ορόφων και των άλλων έργων ανάπτυξης του µεταλλείου κατά την πρώτη φάση της εκµετάλλευσης. Κατασκευάζονται επίσης και εσωτερικά κεκλιµένα µεταφοράς µεταλλεύµατος (λούκια), ή αερισµού, καθώς και ελικοειδή κεκλιµένα για την καλύτερη επικοινωνία µεταξύ των ορόφων. Για την εκµετάλλευση του δεύτερου τµήµατος του κοιτάσµατος (τµήµα Β), χρειάζεται να γίνει η εκβάθυνση του φρέατος, η οποία θα ξεκινήσει λίγο πριν την εξόφληση του τµήµατος Α. Αυτό γίνεται ώστε µε την ολοκλήρωση των εργασιών στο τµήµα Α να είναι έτοιµα τα αναγκαία έργα ώστε να αρχίσει αµέσως η εκµετάλλευση στο δεύτερο τµήµα του κοιτάσµατος. Ο χωρισµός του κοιτάσµατος σε ορόφους και τα έργα ανάπτυξης γίνονται όπως και ακριβώς και για το τµήµα Α (3 όροφοι µε απόσταση 75 m περίπου, κεκλιµένα, ράµπες) 45

46 Εξοφληµένο τµήµα Τµήµα Β Σχήµα 7. Άποψη των προσπελαστικών έργων και έργων ανάπτυξης κατά τη δεύτερη φάση της εκµετάλλευσης του κοιτάσµατος Χρειάζεται να σηµειωθεί ότι για την αποκοµιδή του µεταλλεύµατος στην επιφάνεια και από τα δύο τµήµατα του κοιτάσµατος υπάρχουν δύο δυνατές εναλλακτικές λύσεις, από τις οποίες η επιλογή της βέλτιστης θα γίνει µε βάση τεχνικοοικονοµική ανάλυση. Οι λύσεις αυτές είναι : α. Αρχική χρήση της προσπελαστικής στοάς για την µεταφορά του µεταλλεύµατος από το τµήµα Α, στην επιφάνεια, ενώ στη συνέχεια για το τµήµα Β, συνδυασµός εσωτερικής ανέλκυσης (µέχρι τη στοά) και από εκεί µέσω της στοάς στην επιφάνεια. β. Χρήση του φρέατος για την ανέλκυση του µεταλλεύµατος τόσο για το τµήµα Α, όσο και για το τµήµα Β, έχοντας δηµιουργήσει δύο διαδοχικούς "πυθµένες" φρέατος, τον πρώτο στο επίπεδο της στοάς και τον δεύτερο στο πέρας του εκβαθυµένου φρέατος. Η τελική επιλογή θα προκύψει ύστερα από συγκριτική τεχνικοοικονοµική αξιολόγηση των δύο αυτών εναλλακτικών λύσεων. 46