Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών Μέθοδοι υπόγειας εκμετάλλευσης Γομούμενα Μέτωπα Ανδρέας Μπενάρδος Δρ. Μηχανικός Μεταλλείων Μεταλλουργός Ε.Μ.Π.
Μέθοδοι Υπόγειας Εκμετάλλευσης Με Γομούμενα Μέτωπα το κενό που δημιουργείται από την εξόρυξη γεμίζεται με με άγονα ή στείρα υλικά Η γόμωση είναι μόνιμη και εκτελείται ως συγκεκριμένη και ανεξάρτητη φάση, που προϋποθέτει την αποκομιδή και απόθεση άχρηστου υλικού, για τη πλήρωση του κενού, πίσω από τον ελεύθερο χώρο του μετώπου. Εξαίρεση αποτελεί η μέθοδος του συμπτυσσόμενου μετώπου, που η γόμωση είναι προσωρινού χαρακτήρα και γίνεται αυτόματα από το μετάλλευμα που εξορύσσεται
Μέθοδοι Υπόγειας Εκμετάλλευσης Με Γομούμενα Μέτωπα Oι μέθοδοι εκμετάλλευσης με γομούμενα μέτωπα είναι κατά κανόνα, μέθοδοι με υψηλό κόστος παραγωγής. Συνεπώς, η εφαρμογή τους περιορίζεται στις περιπτώσεις πλούσιων μεταλλευμάτων, εφ όσον επιτρέπουν την εφαρμογή απωλειών ή εκεί όπου δεν είναι αποδεκτές καθιζήσεις στην επιφάνεια, επειδή υπάρχουν επιφανειακές εγκαταστάσεις Η φάση της λιθογόμωσης μπορεί να ακολουθεί αμέσως μετά την εξόρυξη, σε περιπτώσεις κοιτασμάτων με φτωχά μηχανικά χαρακτηριστικά ή μπορεί να εφαρμόζεται σε μεταγενέστερο στάδιο αν τα χαρακτηριστικά του μεταλλεύματος και των υπερκειμένων είναι ικανοποιητικής αντοχής. Η προσκόμιση των στείρων και η τοποθέτησή τους μέσα στο κενό γίνεται, στις απλές περιπτώσεις με τη βαρύτητα ή με χειρονακτική εργασία. Εάν όμως πρόκειται για εκτεταμένη και γρήγορη γόμωση, η προσκόμιση και απόθεση γίνεται με κυρίως με υδραυλική πίεση (υδραυλική λιθογόμωση).
Μέθοδοι Υπόγειας Εκμετάλλευσης Με Γομούμενα Μέτωπα 1. Ξύλινα Πρισματικά Πλαίσια (Square-set timbering) 2. Εναλλασσόμενες Κοπές και Γομώσεις (Cut and Fill) 4. Συμπτυσσόμενα Μέτωπα (Shrinkage Method) 3. Ευθύγραμμα Επιμήκη Μέτωπα (Longwall Mining)
Μέθοδος Ξύλινων Πρισματικών Πλαισίων (Square-set timbering)
Μέθοδος Ξύλινων Πρισματικών Πλαισίων (Square-set timbering) Το μετάλλευμα εξορύσσεται σε σειρές μικρών τετράγωνων πρισμάτων (1,5 1,5 2,5 m). Μόλις ολοκληρωθεί η αποκόμιση, ο κενός χώρος υποστηρίζεται με την τοποθέτηση συμπλέγματος από ισάριθμα ξύλινα πρισματικά πλαίσια, που γεμίζονται από λιθογόμωση.
Μέθοδος Ξύλινων Πρισματικών Πλαισίων (Square-set timbering) Πεδίο Εφαρμογής: Πλούσιο μετάλλευμα για την αντιστάθμιση του υψηλού κόστους της μεθόδου Μετάλλευμα μικρής αντοχής (σαθρό) που απαιτεί μικρά ανοίγματα και άμεση υποστήριξη Ανώμαλη γεωμετρία κοιτάσματος καθώς είναι εύκολη και πλήρης η προσαρμογή σε γεωμετρικές ανωμαλίες Μετάλλευμα επιρρεπή σε αυτανάφλεξη (spontaneous combustion) καθώς η καλή κυκλοφορία αέρα που επιτυγχάνεται μειώνει τέτοιο κίνδυνο Οποιοδήποτε πάχος κοιτάσματος (>2-3 m) Εξόρυξη στύλων (pillar mining) Γεωλογικά διαταραγμένες ζώνες (faulted zones)
30-50m Η εξόρυξη γίνεται σε οριζόντιες πλάκες πάχους 1,5 m από κάτω προς τα πάνω και στη συνέχεια γίνεται η τοποθέτηση των πλαισίων
Μέθοδος Ξύλινων Πρισματικών Πλαισίων (Square-set timbering) Πλεονεκτήματα: Μεγάλη Ευελιξία / Ελαστικότητα Δυνατότητα Εκλεκτικής Απόληψης Μεγάλη Απόληψη Απόλυτη Ασφάλεια Επίτευξη Καλού Αερισμού Αποφυγή Επιφανειακής Καθίζησης Μειονεκτήματα: Μεγάλο Κόστος Μεθόδου Απαίτηση για Ειδικευμένο Προσωπικό Υψηλές Απαιτήσεις σε Ξυλεία Χρονοβόρα Μέθοδος Κίνδυνος Πυρκαγιάς
Μέθοδος των εναλλασσόμενων κοπών και λιθογομώσεων (Cut and fill method)
Μέθοδος των εναλλασσόμενων κοπών και λιθογομώσεων (Cut and fill method) Tο μετάλλευμα εξορύσσεται από κάτω προς τα πάνω, κατά πλάκες ύψους 2m περίπου. Μετά την απομάκρυνση του θραυσμένου μεταλλεύματος λαμβάνει χώρα λιθογόμωση του δημιουργούμενου κενού. H προχώρηση των μετώπων ακολουθείται από εναλλαγή εξόρυξης και λιθογόμωσης, με σκοπό την διατήρηση σταθερού του ύψους του ελεύθερου χώρου του μετώπου.
Μέθοδος των εναλλασσόμενων κοπών και λιθογομώσεων (Cut and fill method) Πεδίο Εφαρμογής: Ανθεκτικότητα του μεταλλεύματος από μεγάλη έως μέτρια. Οποιαδήποτε ανθεκτικότητα των περιβαλλόντων πετρωμάτων. Οποιαδήποτε σύσταση του μεταλλεύματος καθώς διαχωρίζονται εύκολα παρεμβολές ποιοτήτων μεταλλεύματος και στείρων, με διαλογή των αγόνων που αξιοποιούνται για τη λιθογόμωση. Μετάλλευμα μεγάλης αξίας. Η απόληψη που επιτυγχάνουμε είναι σχεδόν πλήρης και ασήμαντες συνεπώς οι απώλειες. Αδιακρίτως ανώμαλες ή κανονικές παρυφές. Η ασάφεια μεταξύ μεταλλεύματος και παρυφών αντιμετωπίζεται επίσης με ευχέρεια. Όμως η παρουσία παραφυάδων δημιουργεί δυσκολίες. Πάχος κοιτάσματος από 1 μέχρι και 10 m ή και περισσότερα μέτρα. Παρ όλα αυτά απαιτείται μεγάλη ανθεκτικότητα του μεταλλεύματος για τα μεγάλα πάχη. Ελάχιστη κλίση 45 ο. Με κλίση κατώτερη από αυτή, η κάθοδος του μεταλλεύματος μέσα από τα φρέατα απαγωγής δεν είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί.
30-50m
Yλικό λιθογομώσεως (ξηρό υλικό dry sandfill) Στείρα υλικά (αδρανή λατομείων, υλικά από ανάπτυξη του μεταλλείου, υπόγειους δανειοθαλάμους, νεογενείς αποθέσεις, απορρίμματα εργοστασίων εμπλουτισμού (tailings & slags)) Χρήση ιπτάμενης τέφρας (στερεό υπόλειμμα σε μορφή σκόνης από τη καύση στερεού άνθρακα κατά την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος σε ατμοηλεκτρικά εργοστάσια) Yλικό λιθογομώσεως (τσιμεντοπολφός cemented rockfill) Η ανάγκη για αυξημένη αντοχή του υλικού λιθογόμωσης επέβαλλε την προσθήκη τσιμέντου σε διάφορες αναλογίες (τσιμεντοπολφοί) Επιβάλλεται στην μέθοδο με κατιούσα φορά εξόρυξης, undercut & fill Χρησιμοποίηση χονδρομερών (<150 mm) και λεπτόκκοκων (<10 mm) με κατάλληλη αναλογία για την ελαχιστοποίηση των κενών. Χρήση μίγματος τσιμέντου έως 55% κατά βάρος (λόγος νερού προς τσιμέντο 1,2:1)
Yλικό λιθογομώσεως (υδραυλική λιθογόμωση hydraulic sandfill) Υλικά από απορρίμματα εμπλουτισμού ή φυσικά υλικά σε ένα ποσοστό στερεών 65-70%. Μπορεί να περιέχει τσιμέντο ή όχι Το υλικό μεταφέρεται από την επιφάνεια μέσω δικτύου σωληνώσεων στο χώρο των μετώπων με ταχύτητες εξόδου μεγαλύτερες από 2m/s. Η αντοχή του πολφού είναι αντιστρόφως ανάλογη της περιεκτικότητας σε νερό. Συνηθέστερα δημιουργούνται μικρά φράγματα που κρατάνε το υλικό στη θέση του και επιτρέπουν την απορροή/διήθηση του νερού από τη μάζα της λιθογόμωσης. Μέσος ρυθμός διήθησης 10-15cm/h. Yλικό λιθογομώσεως ( πάστα λιθογόμωσης cemented paste fill) Υλικά από απορρίματα εμπλουτισμού ή φυσικά υλικά σε ένα ποσοστό στερεών >75%. Μπορεί να περιέχει τσιμέντο ή όχι, ενώ συνήθως περιέχει και ποσοστό πολύ λεπτόκκοκων υλικών (<20μm) Υλικό σε ημιυδαρή κατάσταση με μικρότερο λόγο κενών Το υλικό εισπιέζεται με τη χρήση ειδικών αντλιών (πρέσες παρόμοιες για εισπίεση σκυροδέματος)
Mεταφορά διοχέτευση υλικού λιθογόμωσης Με τη βαρύτητα (για ξηρό υλικό λιθογόμωσης) Mε μεταφορικές ταινίες Πνευματική λιθογόμωση (για ξηρό υλικό λιθογόμωσης) Υδραυλική λιθογόμωση είτε για στείρα υλικά ή για τσιμεντοπολφούς. Αγωγοί 100-150 mm, κλίσης 1/10 για επίσπευση ροής. Παροχή 200-250 m 3 /8 h Με μονάδες LHD Με φορτηγά εκτόξευσης slinger-belt
Διάφοροι τύποι φραγμάτων που χρησιμοποιούνται στη λιθογόμωση
1950 1960 1970 Αριθμός μετώπων Πολλά 4 2 3 Drifting & Aνάπτυξη Κεκλιμένα Ράμπες Ράμπες Τρόπος αποκομιδής Χοάνες (ξύλινες ή όχι) Φόρτωση εκ του δαπέδου Χοάνες εκτός κοιτάσματος (λίγες & ειδικές) Μηχανοποίηση Πτύα & τραίνα, αποξεστήρες Αυτοφορτωτές cavo, αεροκίνητοι ή diesel LHD s Υλικό πληρώσεως Στείρο πέτρωμα Στείρο πέτρωμα Τσιμεντοπολφοί
1950 1960 1970 Αριθμός μετώπων Πολλά 4 2 3 Drifting & Aνάπτυξη Κεκλιμένα Ράμπες Ράμπες Τρόπος αποκομιδής Χοάνες (ξύλινες ή όχι) Φόρτωση εκ του δαπέδου Χοάνες εκτός κοιτάσματος (λίγες & ειδικές) Μηχανοποίηση Πτύα & τραίνα, αποξεστήρες Αυτοφορτωτές cavo, αεροκίνητοι ή diesel LHD s Υλικό πληρώσεως Στείρο πέτρωμα Στείρο πέτρωμα Τσιμεντοπολφοί
Διάγραμμα μεταφοράς μεταλλεύματος αγόνων. Μεταλλείο Neves-Corvo, Πορτογαλία
Για την αντιμετώπιση μεγάλου πάχους κοιτασμάτων όπου η αντοχή του μεταλλεύματος δεν επιτρέπει το πλάτος του μετώπου να είναι το ίδιο με το πάχος του κοιτάσματος εφαρμόζεται η μέθοδος Drift & Fill. Mε αυτή την μέθοδο η εξόρυξη ενός ορόφου γίνεται με περισσότερες από μία στοές.
Μέθοδος Bench & Fill Εξόρυξη κοιτασμάτων μεγάλου πάχους με χρήση βαθμίδων και μετέπειτα λιθογόμωση των κενών που επιτρέπει μεγαλύτερη παραγωγικότητα και χαμηλότερο κόστος εκμετάλλευσης και υποστήριξης. Drilling Equipment Ore LHD Equipment Retreatin g Blasted Ore Truck backfills after most ore is mucked Backfill Floor can be of any type: Ore, backfill or sill (mat) pillar
Εφαρμογή της ανεστραμμένης μεθόδου κοπών και λιθογομώσεων στην εκμετάλλευση μεταλλεύματος μικτών θειούχων στο μεταλλείο Μαδέμ Λάκκος (Χαλκιδική)
Εφαρμογή της ανεστραμμένης μεθόδου κοπών και λιθογομώσεων στην εκμετάλλευση μεταλλεύματος χρυσού στο μεταλλείο Gosowong (Ινδονησία)
Εφαρμογή της ανεστραμμένης μεθόδου κοπών και λιθογομώσεων στην εκμετάλλευση μεταλλεύματος χρυσού στο μεταλλείο Gosowong (Ινδονησία)
Μέθοδος των εναλλασσόμενων κοπών και λιθογομώσεων (Cut and fill method) Πλεονεκτήματα: Yψηλός βαθμός αποληψιμότητας (>90-95%). Υψηλή παραγωγικότητα ανά μονάδα επιφανείας του κοιτάσματος. Δυνατότητα εκλεκτικής εξόρυξης. Καλέςσυνθήκεςασφάλειας. Καλός αερισμός και εύκολη προσπέλαση στα μέτωπα εργασίας. Δυνατότητα εκμετάλλευσης σχηματισμών χαμηλών μηχανικών ιδιοτήτων Μειονεκτήματα: Yψηλό κόστος λόγω του σταδίου της λιθογόμωσης και της δημιουργίας των κεκλιμένων για την μεταφορά του μεταλλεύματος. Έλλειψη σταθερότητας του παραγωγικού κύκλου λόγω τόσο των εναλλαγών εκμετάλλευσης και λιθογόμωσης όσο και του σταδίου ανάπτυξης των κεκλιμένων εντός της λιθογομώσης
Μέθοδος συμπτυσσόμενου μετώπου (Shrinkage Stoping)
Μέθοδος συμπτυσσόμενου μετώπου (Shrinkage Stoping) Πεδίο Εφαρμογής: H κλίση του κοιτάσματος πρέπει να είναι υψηλή (δηλαδή η κλίση της στρώσης να υπερβαίνει τη γωνία φυσικού πρανούς του υλικού). Η ελάχιστη κλίση του κοιτάσματος είναι 50 ο. Το πάχος του κοιτάσματος να κυμαίνεται από 1 m έως 10 m, το μέγιστο 15 m σε εξαιρετικές περιπτώσεις. Η οροφή και η στρώση του κοιτάσματος να έχουν σχετικά καλή μηχανική συμπεριφορά. Μέτρια έως υψηλή μηχανική αντοχή του μεταλλεύματος. Η οροφή και κυρίως η στρώση να είναι όσο το δυνατόν ποιο ομαλές, διότι οποιαδήποτε γεωμετρική ανωμαλία της στρώσης δυσχεραίνει την ροή του θραυσμένου μεταλλεύματος. Σαφής διαχωρισμός μεταξύ μεταλλεύματος και παρυφών, για ελαχιστοποίηση της αραίωσης του μεταλλεύματος με στείρο πέτρωμα και ομοιογενής μεταλλοφορία Tο μετάλλευμα να μην υπόκειται σε συσσωμάτωση, οξείδωση και αυτανάφλεξη λόγω του αυξημένου χρόνου παραμονής του στο μέτωπο εργασίας
Μέθοδος συμπτυσσόμενου μετώπου (Shrinkage Stoping) 30 m Το μετάλλευμα μετά την εξόρυξή του παραμένει στο χώρο σχηματίζοντας ένα δάπεδο εργασίας και λειτουργώντας ως υποστήριξη των παρυφών του μετώπου. Από τα φρέατα αποκομιδής λαμβάνεται μόνο το επίπλησμα ενώ το υπόλοιπο παραμένει στο χώρο και αφαιρείται μετά το τέλος της εξόρυξης
Περίπου το 40% του μεταλλεύματος λαμβάνεται από τις χοάνες κατά την διάρκεια των εργασιών εκμετάλλευσης, ενώ το υπόλοιπο 60% μετά. Ηαπόληψηκυμαίνεταιπερίτο85-90% για πάχη κοιτασμάτων 10-12m. Υπάρχει υψηλή πρόσμιξη του μεταλλεύματος (25-30%)
Μέθοδος του συμπτυσσόμενου μετώπου σε περίπτωση κοιτάσματος μεγάλου σχετικά πάχους
Μέθοδος του συμπτυσσόμενου μετώπου σε περίπτωση μικρού φακοειδούς κοιτάσματος
Μέθοδος του συμπτυσσόμενου μετώπου. Tρόποι διατάξεως των διατρημάτων
Μέθοδος συμπτυσσόμενου μετώπου (Shrinkage Stoping) Πλεονεκτήματα: Περιορισμένα έργα προπαρασκευής Μεγάλη ταχύτητα προχώρησης του μετώπου Εξαιρετικά περιορισμένη υποστήριξη Μεγάλη παραγωγή ανά μονάδα επιφανείας και εκμετάλλευση της βαρύτητας τόσο για την εξόρυξη όσο και για την εξαγωγή και μεταφορά Καλός αερισμός Μειονεκτήματα: Αδυναμία εκλεκτικής εκμετάλλευσης ή διαχωρισμού των στείρων που παρεμβάλλονται Ακαμψία που δεν επιτρέπει την αντιμετώπιση των ανωμαλιών του κοιτάσματος ή την εκμετάλλευση παραφυάδων Δύσκολη προσπέλαση του προσωπικού και των υλικών στο χώρο του μετώπου Κίνδυνοι πρόσμιξης στείρων ή απώλειας μεταλλεύματος, ακινητοποίηση του μεγαλύτερου μέρους του μεταλλεύματος που εξορύσσεται
Μέθοδος οριζοντίων διαδοχικών πλακών εξορυσσόμενων κατά εγκάρσιες λωρίδες (Cross-cut method) Το μετάλλευμα εξορύσσεται σε παραλληλεπίπεδες λωρίδες, που αποκόπτονται καθέτως προς τις παρυφές, μέσα σε οριζόντια πλάκα. Μόλις ολοκληρωθεί η εκσκαφή μέσα σε ένα τέτοιο παραλληλεπίπεδο, λιθογομώνεται ο κενός χώρος, πριν αρχίσει η εξόρυξη μέσα στο επόμενο. Ανάλογα προς τη φορά που λαμβάνονται οι πλάκες, έχουμε την περίπτωση ανιούσας ήκατιούσαςεξόρυξης
Μέθοδος οριζοντίων διαδοχικών πλακών εξορυσσόμενων κατά εγκάρσιες λωρίδες (Cross-cut method) Πεδίο Εφαρμογής: Η μέθοδος εφαρμόζεται για την εκμετάλλευση φλεβών ή ανώμαλων όγκων σε μεγάλο πάχος, με αδύνατες παρυφές και μαλακό μετάλλευμα, όπου οι διαστάσεις των κενών που επιτρέπονται, χωρίς υποστήριξη είναι απλά περιορισμένες 12-18m
Μέθοδος επιμήκους ευθύγραμμου μετώπου (Longwall Method) Πεδίο Εφαρμογής: Το κατ εξοχήν πεδίο εφαρμογής είναι η εκμετάλλευση των οριζόντιων μέχρι μέσης κλίσης στρωμάτων γαιάνθρακα ή παρόμοιων από πλευράς σκληρότητας μεταλλευμάτων, που το πάχος τους κυμαίνεται από 0,8-2,20 m
Μέθοδος επιμήκους ευθύγραμμου μετώπου (Longwall Method) Επίμηκες ευθύγραμμο μέτωπο. α- μέτωπο που οπισθοχωρεί, β-μέτωπο που προχωρεί Διάφορες διευθύνσεις του μετώπου: α. Παράλληλα προς την κλίση, β. Διαγώνια, γ. Παράλληλα προς την παράταξη του στρώματος
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.
Μέθοδος του επιμήκους ευθύγραμμου μετώπου. Προπαρασκευή και τυπική εικόνα της εκμετάλλευσης Μέτωπο που προχωρεί Μέτωπο που οπισθοχωρεί
Εξόρυξη εντός ευθυγράμμων μετώπων Ακολουθεί γόμωση ή κατακρήμνιση Ευθυγράμμιση μετώπου: διευκόλυνση εξόρυξης διευκόλυνση αερισμού Μήκος μετώπου 50-800 m (συνήθως 150 m) Περιορισμοί: Αντοχή οροφής Κλίση και Πάχος «φλέβας» Δυναμικότης κοπτικής μηχανής Δυνατότης μεταφορικής ταινίας (κύριος παράγων)
Βασικός στόχος της λιθογόμωσης είναι η μείωση των καθιζήσεων. Ο χώρος προς λιθογόμωση εγκλωβίζεται με την κατασκευή παράλληλου προς το μέτωπο φράγματος από ξύλινους στύλους και σανίδες, που επενδύεται εσωτερικά με κατάλληλο υδροπερατό ύφασμα. Οι διαστάσεις και η κατασκευή του φράγματος προβλέπονται έτσι ώστε να αντέχουν στις πιέσεις που αναπτύσσονται. Προς την στοά βάσης κατασκευάζεται ισχυρό επίσης φράγμα, μέσα από το οποίο τοποθετούνται σωλήνες για την απορροή του ύδατος Η υδραυλική λιθογόμωση δίνει τα καλύτερα αποτελέσματα από απόψεως καθιζήσεων στην επιφάνεια, οι οποίες περιορίζονται στο 10-20% του πάχους του στρώματος
Επιμήκη Ευθύγραμμα Μέτωπα (Longwall Method) Πλεονεκτήματα: Περιορισμένη προπαρασκευή Μεγάλη παραγωγικότητα και συνεχής παραγωγή Ευκολότερη επίβλεψη Ευκολία αερισμού Μείωση καθιζήσεων λόγω της λιθογόμωσης Μειονεκτήματα: Μεγάλες απώλειες παραγωγής λόγω καθυστερήσεων Σκόνη, Εκροή μεθανίου (Εκρηκτική κατάσταση) Απαιτείται καλή υποδομή στη μεταφορά των υλικών Αυξημένο κόστος λόγω του σταδίου της λιθογόμωσης
Προσβολή κοιτάσματος μεγάλου πάχους με τη μέθοδο του επιμήκους μετώπου
Χρήση εκρηκτικών για την απόσπαση του κοιτάσματος με τη μέθοδο του επιμήκους μετώπου