Σχολή Μηχανικών Ορυκτών Πόρων Σχεδιασμός Yπαίθριων Εκμεταλλεύσεων ΜΟΠ406 Ενότητα: Εκτίμηση αποθεμάτων & σχεδιασμός (αρχιτεκτονική) Μέρος Ι Καθηγητής Εξαδάκτυλος Γεώργιος
Περιεχόμενα 1. Γενικά (ορολογία) 2. Εκτίμηση αποθεμάτων 3. Σχεδιασμός υπαιθρίων εκμεταλλεύσεων 4. Σχέση αποκάλυψης 5. Τελικά όρια εκμετάλλευσης 6. Μέθοδοι υπαιθρίων εκμεταλλεύσεων 7. Σχεδιασμός οδών προσπέλασης
Προβλήματα που συναντώνται σε υπαίθριες εκμεταλλεύσεις Έρευνα και εκτίμηση γεωλογικών αποθεμάτων (resource model) Οικονομικός σχεδιασμός της εκμετάλλευσης (βέλτιστα όρια εκμετάλλευσης) Εκτίμηση μεταλλευτικών αποθεμάτων (reserve model) Επιλογή, διαστασιολόγηση και παραγωγικότητα του μηχανολογικού εξοπλισμού Προγραμματισμός της παραγωγής Μοναδιαίο κόστος & ανάλυση αγοράς (βιωσιμότητα (sustainability) (1)). Σχέση αποκάλυψης. Ασφάλεια Περιβαλλοντικές επιπτώσεις και αποκατάσταση (βιωσιμότητα (sustainability) (2))
Βασικές έννοιες Μεταλλευτικό κοίτασμα (ore deposit) είναι ο καταλαμβανόμενος από το πέτρωμα γεωμετρικός χώρος. Μετάλλευμα (ore) είναι ειδικός τύπος πετρώματος στην σύνθεση του οποίου συμμετέχουν ωφέλιμα ορυκτά σε τέτοιο ποσοστό ώστε το εν λόγω πέτρωμα να αποκτά βιομηχανική σημασία κάτω από τις παρούσες ή τις μελλοντικές οικονομικές συνθήκες (εγχώριες και διεθνείς). Εξερχόμενο μετάλλευμα απ το μεταλλείο Run-of-mine είναι μίγμα πολύτιμου μεταλλεύματος και στείρου πετρώματος. Σχέση αποκάλυψης = όγκος (βάρος) στείρου/όγκος (βάρος) μεταλλεύματος Aποληψιμότητα (recovery) μετάλλου (μεταλλουργικός όρος) R = (αποληφθείς όγκος μετ/τος/συνολικό εξορυχθέντα όγκο) Kατώφλι περιεκτικότητας ή οριακή περιεκτικότητα σε χρήσιμο ορυκτό (Cut-off grade) = Κόστος /(Αξία x απόληψη) Εξαρτάται από παράγοντες όπως η τιμή του υλικού, η μέθοδος εκμετάλλευσης, το κόστος εξόρυξης και επεξεργασίας του μεταλλεύματος.
Οριακή περιεκτικότητα H oριακή περιεκτικότητα (ΟΑ) εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. (α) την τιμή αγοράς του μετάλλου, (β) την μέθοδο εκμετάλλευσης και (γ) το κόστος εκμετάλλευσης και επεξεργασίας του μεταλλεύματος. Σε περιόδους εξάντλησης του συγκεκριμένου μετάλλου σε μια χώρα για τη μείωση των εισαγωγών μπορεί να εφαρμοσθεί μια κατώτερη τιμή ΟΑ.
Σχέση αποθεμάτων και ποιότητας προϊόντος με την οριακή περιεκτικότητα
Δεν υπάρχει η περίπτωση της μοναδικής «ορθής» εκτίμησης μεταλλευτικού αποθέματος. Αυτό φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα με οριζόντιο άξονα την Oριακή Περιεκτικότητα, και αριστερό κατακόρυφο άξονα την Καθαρή Παρούσα Αξία και δεξιό την περιεκτικότητα των αποθεμάτων σε ουγγιές που παρίστανται η εξάρτηση της ΚΠΑ από την οριακή περιεκτικότητα και η ποιότητα του μετ/τος χρυσού πάλι με την οριακή περιεκτικότητα.
Στείρα υλικά και απόβλητα από την Εξόρυξη εμπλουτισμό εξαγωγική μεταλλουργία θραύση λειοτρίβιση Θραύση-λειοτρίβιση Συμπύκνωμα (απόβλητα = ρευστά απόβλητα εμπλουτισμού) Mέταλλο (απόβλητα = σκωρία) τήξη
Απ την άποψη του σχεδιασμού οι εκμεταλλεύσεις διακρίνονται σε: Yπαίθριες: χαρακτηρίζονται από την απλότητα τους και την έλλειψη περιορισμών όσον αφορά τον διατιθέμενο χώρο ο οποίος παρέχει τη δυνατότητα χρήσης ισχυρού μηχανολογικού εξοπλισμού (διατρητικά, φορτωτές, εκσκαφείς, φορτηγά κ.λπ.) Υπόγειες: Σε αντίθεση με τις παραπάνω παρουσιάζουν μεγάλη πολυμορφία και περιορισμένο διατιθέμενο χώρο. Η πολυμορφία οφείλεται στην προσπάθεια προσαρμογής προς τις εκάστοτε τοπικές συνθήκες με σκοπό το καλύτερο δυνατό οικονομικό αποτέλεσμα.
Σχέσεις αποκάλυψης στις υπαίθριες και στις υπόγειες εκμεταλλεύσεις Υπαίθριες Εκμεταλλεύσεις Υπόγειες Εκμεταλλεύσεις Μετάλλευμα Στείρα Σύνολο Μετάλλευμα Στείρα Σύνολο Μέταλλα 1290 1863 3153 64 3 67 Μη μέταλλα 2778 449 3227 123 0 123 Άνθρακας 669 10303 10972 421 45 466 Σύνολο 4737 12615 17352 608 48 656 πηγή: Moore (1997) και Energy Information Administration (2000) Επιφανειακή Εκμετάλλευση: Τα στείρα αποτελούν το 73% του συνολικού εξορυχθέντος υλικού και το 266% του εξορυχθέντος μεταλλεύματος. Υπόγεια Εκμετάλλευση: Τα στείρα αποτελούν το 7% του συνολικού εξορυχθέντος υλικού και το 9% του εξορυχθέντος μεταλλεύματος
Μέθοδοι εκμετάλλευσης μεταλλευτικών κοιτασμάτων Οpen pit mining Οpen cast mining Tαυτόχρονη εκμετάλλευση-διαμόρφωση είτε με dragline είτε με διάτρηση-ανατίναξη των αγόνων Εσωτερική απόθεση αγόνων ή στείρων Υπόγεια Χημική (διάλυση) Εσωτερική απόθεση αγόνων ή στείρων? Backfilling!
Κοπτική κεφαλή Βυθοκόρηση (dredging) αλλουβιακών αποθέσεων
Σχήματα συνήθων μεθόδων υπαίθριας εκμετάλλευσης Cast mining Εκμετάλλευση + απόθεση αγόνων εντός της εκμετάλλευσης
Eκσκαφέας συρόμενου κάδου (dragline) για cast coal mining
Κάτοψη και Τομή Επιφανειακής Εκμετάλλευσης Σχέση μεταξύ
Σχέση Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Αποθεμάτων Δυνατά Σχέση μεταξύ των Ορυκτών Πόρων (Γεωλογικών αποθεμάτων) και των Μεταλλευτικών Αποθεμάτων.
Eκτίμηση γεωλογικών & μεταλλευτικών αποθεμάτων
Σημασία του πειραματικού ημι-βαριογράμματος γ ( h) 1 2N h N h i 1 Z( x h) Z( i x i ) 2 η μαθηματική του έκφραση μοιάζει με εκείνη της διασποράς ενός στατιστικού δείγματος. Η διαφορά είναι όμως ότι βρίσκουμε τη διασπορά μόνο εκείνων των μετρήσεων της μεταβλητής Ζ που ισαπέχουν απόσταση περίπου h. Αν το γ(h) είναι αύξουσα συνάρτηση του h τότε αυτό δείχνει ότι υπάρχει χωρική συσχέτιση της μετρούμενη μεταβλητής. Η ανώτερη τιμή του γ(h) τείνει στη διασπορά του στατιστικού δείγματος. Αφού βρεθεί το πειραματικό ημι-βαριόγραμμα το επόμενο στάδιο είναι η προσαρμογή ελαχίστων τετραγώνων της κατάλληλης εξίσωσης (θεωρητικό ημι-βαριόγραμμα).
Downhole spatial continuity of MgO Range (ακτίνα επιρροής) Sill (οροφή) ( h z ) 1 2 1 N h z N h i 1 Z( x i h z ) Z( x i ) 2 Exponential Variogram Nugget: 0.7 Sill: 14 Range: 115 m Max Distance: 400 m Lag: 5 m
ελαχιστοποίηση του μέσου τετραγωνικού σφάλματος της εκτίμησης (Unbiased or null mean values of estimation error) min E 2 z s z s 0 o o Η γραμμική μέθοδος παρεμβολής Kriging βασίζεται στην παρακάτω γραμμική σχέση z * n x ; p wi z xi wi 1 i 1 n i 1 Αμεροληψία των συντελεστών βαρύτητας η μέση τιμή είναι άγνωστη αλλά σταθερή στην γειτονιά έρευνας, οι συντελεστές βαρύτητας καθορίζονται με την επίλυση του γραμμικού συστήματος με αγνώστους: n j 1 i x( si s j ) x( si so ) όπου β ο πολλαπλασιαστής του Lagrange
Eκτίμηση αποθεμάτων Γεωστατιστική ανάλυση (Ι) Δεδομένα γεωτρήσεων Μοντέλο ημι-βαριογράμματος
Η παρεμβολή γίνεται στις 8 κορυφές του block και στο κέντρο του από τις γειτονικές γεωτρήσεις με τη μέθοδο Οrdinary Kriging (Βest Linear Unbiased Estimation, ΒLUE). Η μέση περιεκτικότητα του block βρίσκεται μετά από την μέση τιμή των 9 τιμών του συγκεκριμένου block.
Παράδειγμα: Μελέτη της Γεωμετρικής ανισοτροπίας (μεταβολή της ακτίνας επιρροής από την κατέυθυνση) του MgO στο οριζόντιο επίπεδο Anisotropy Variograms 340 200 0 20 320 160 40 300 120 60 280 80 70 40 260 0 80 range 250 100 240 120 220 140 200 180 160 ( h 1 N h 1 ) Z( xi h) Z( x i ) 2 i 1 N 1 h 2
Eκτίμηση αποθεμάτων Γεωστατιστική ανάλυση (ΙΙ) Ογκομετρικό μοντέλο Οριζοντιογραφίες / βαθμίδα
Η σημασία της τεκτονικής γεωλογίας Γεωλογικό / τεκτονικό μοντέλο της περιοχής (structural geology) Διάγραμμα ανισοτροπίας ημιβαριογράμματος λόγω πτυχώσεων Για τη μελέτη της ανισοτροπίας των βαριογραμμάτων και των στατιστικά ομοιογενών περιοχων εντός των οποίων θα πρέπει να γίνει ξεχωριστή τατιστική ανάλυση και ανάλυση βαριογραφίας πρέπει να ληφθεί υπόψη η γεωλογία της περιοχής
Τύποι Υπαίθριων Εκμεταλλεύσεων Τα υπαίθρια μεταλλεία από τα οποία εξορύσσονται μεταλλεύματα, αδρανή υλικά, βιομηχανικά ορυκτά και διακοσμητικά πετρώματα αναφέρονται ως «λατομεία». Εκμετάλλευση ανοικτού τύπου (σε λοφώδηορεινή τοπογραφία) Εκμετάλλευση κλειστού τύπου (σε επίπεδο τοπογραφικό ανάγλυφο)
Παράδειγμα: Au-Cu σε κοίτασμα πορφυρίτη σωληνοειδούς μορφής (κοίτασμα Σκουριών)
Φορά εξόρυξης υπαίθριων εκμεταλλεύσεων Κλειστή εκμετάλλευση, αναπτυσσόμενη εις βάθος Κλειστή εκμετάλλευση, οριζοντίως Πρόοδος μετώπων Πρόοδος εκμετάλλευσης Πρόοδος μετώπων Πρόοδος εκμετάλλευσης
Φορά εξόρυξης υπαίθριων εκμεταλλεύσεων ανοικτή εκμετάλλευση (διαδοχικές φάσεις εκμετάλλευσης) οριζόντιου στρωματοειδούς κοιτάσματος σε λοφώδη τοπογραφία
Βασική ορολογία υπαίθριων εκμεταλλεύσεων Η κλίση της εκμετάλλευσης βρίσκεται αν ενώσουμε το πόδι της κατώτερης βαθμίδας με το φρύδι της ανώτερης)
Άποψη μεταλλείου ΛΑΡΚΟ, Ορχομενός, κοντά στο χωριό Κόκκινο
Ακολουθία εξόρυξης βαθμίδων υπαίθριων εκμεταλλεύσεων I 1-εξορυχθέν πέτρωμα, 2,3-εσωτερικές και εξωτερικές αποθέσεις αγόνων, 4,5-βαθμίδες εργασίας και ανενεργές, 6-τελικά όρια εκμετάλλευσης, 7-δάπεδα τελικών ορίων εκμετάλλευσης, Ι,ΙΙ,...-ακολουθία εξόρυξης των βαθμίδων
Προγραμματισμένη επόμενη φάση εκμετάλλευσης (pushback) Pushback = θέση βαθμιδας στο τέλος ενδιάμεσου σταδίου εκμετάλλευσης για προγραμματισμό της παραγωγής
Ακολουθία εξόρυξης βαθμίδων υπαίθριων εκμεταλλεύσεων με αναπαράσταση με «λωρίδες» αντί για βαθμίδες (α) απομάκρυνση αγόνων και εξόρυξη μετ/τος σε οριζόντιες λωρίδες (ύψος βαθμίδας H συμπίπτει με το πάχος της λωρίδας), (β) σε ελαφρώς κεκλιμένες λωρίδες που ακολουθούν την κλίση των στρωμάτων (αγόνων και μετ/τος) (γ) σε οριζόντιες και ελαφρώς κεκλιμένες λωρίδες ανάλογα με την κλίση των στρωμάτων (δ) σε λωρίδες με μεγάλη κλίση για την απομάκρυνση των αγόνων (η αναπαράσταση αυτή είναι πολλές φορές πιο χρήσιμη από την αναπαράσταση της διαδοχικής απομάκρυνσης των βαθμίδων (α) (ε) (γ) (β) (δ)
Τύποι υπαίθριων μετώπων
Διάνοιξη τάφρου ή δρόμου προσπέλασης στα μέτωπα Αυτοί οι δρόμοι συνδέουν θέσεις που βρίσκονται σε διαφορετικά υψόμετρα (όταν διανοίγεται μια νέα βαθμίδα η υψομετρική διαφορά είναι ίση με το ύψος της βαθμίδος) και έχουν δεδομένη κλίση (συνήθως <12%).
Διάνοιξη τάφρου για την προσπέλαση σε κατώτερο υψόμετρο για τη διαμόρφωση υπαίθριας βαθμίδας Τάφρος διανοίξεως για δημιουργία νέας βαθμίδας παραγωγής. Η κλίση είναι 10-12% και το πλάτος ικανό για τη διακίνηση των μηχανημάτων διάτρησης, φόρτωσης και μεταφοράς.
Κατασκευή αρχικού δρόμου προσπέλασης/επιχώματος και βαθμίδας σε πρανές
Διάνοιξη δρόμου προσπέλασης σε ρηγματωμένο ασβεστόλιθο Σ αυτήν την περίπτωση του λίαν ρηγματωμένου ασβεστολίθου ο θρυμματισμός δεν είναι πρόβλημα. Θέλουμε μόνο την «διόγκωση (swelling)» του πετρώματος που θα είναι εύκολο για φόρτωση-μεταφορά.
Για διάμετρο κορώνας 3.5 in τότε Β=S=2.5 m (αν Φ 3 in τότε Β=S=2 m)
Διάνοιξη δρόμου σε φυσικό πρανές (side hill) με τη βοήθεια τσάπας
Cut = πάνελ εξόρυξης Η = τελικό ύψος βαθμίδας Διαδοχικές εκσκαφές (αριθμημένες) με τσάπα για την δημιουργία βαθμίδας σε λοφώδες αναγλυφο
Διαμόρφωση του δρόμου στο πόδι του πρανούς από την υδραυλική τσάπα
Αποψη παραγωγικής υπαίθριας βαθμίδας
Πρόοδος κοπής κατά την κατεύθυνση προόδου του μετώπου
Πρόοδος κοπής κάθετα στην κατεύθυνση προόδου του μετώπου
Προσπέλαση με ράμπα κοιτάσματος με επίπεδη τοπογραφία
Ορυξη τάφρου διανοίξεως για την δημιουργία νέας παραγωγικής βαθμίδας
Διάφοροι τρόποι διαμόρφωσης βαθμίδας μετά την διάνοιξη της τάφρου προσπέλασης
Κλίση της εκμετάλλευσης Μεταβολή της κλίσεως της εκμεταλλεύσεως συναρτήσει του ύψους και του πλάτους της βαθμίδας. Η κλίση της εκμετάλλευσης προσδιορίζεται από την ευστάθεια του πρανούς και την σχέση αποκάλυψης
Επίδραση της τελικής κλίσεως του πρανούς μεταλλείου επί της ποσότητας του απολαμβανομένου κοιτάσματος για δεδομένη σχέση αποκάλυψης
Σχεδιασμός κλίσης εκμετάλλευσης για αποφυγή αστοχίας πρανών
Σχεδιασμός διαδοχικών φάσεων εκμετάλλευσης κοιτάσματος διαμαντιών (Ν. Αφρική)
Παράδειγμα: Στάδια εκμετάλλευσης οριζόντιου στρωματοειδούς κοιτάσματος με επίπεδο τοπογραφικό ανάγλυφο επιφάνειας Μεταφορά με φορτηγά pushbacks Μεταφορά με ταινιόδρομο
Θραυστήρας (για μεταφορά αγόνων ή μετ/τος με μεταφ. ταινία
Τοπογραφική απεικόνιση λατομείου & τομή στην αρχική φάση διάνοιξης
Άρθρο 84 του Κ.Μ.Λ.Ε (Ι)
Άρθρο 84 του Κ.Μ.Λ.Ε (ΙΙ) Σύμφωνα με το άρθρο 84 του Κ.Μ.Λ.Ε., κάθε επιφανειακή εκσκαφή θα πρέπει να υποδιαιρείται σε βαθμίδες ύψους h 15m η γωνία πρανούς της βαθμίδας (γ.π.β.) 90 0 κατά την ανάπτυξη το πλάτος της βαθμίδας (berm), b είναι: b 12m, όταν κινούνται τροχοφόρα μηχανήματα άλλως b 6m. b 4m, κατά τη φάση της εξόφλησης στα λατομεία μαρμάρου. Στον πίνακα παρουσιάζονται πραγματικές τιμές γεωμετρικών χαρακτηριστικών της εκμετάλλευσης μαρμάρου για την επίτευξη τελικής κλίσης πρανούς λατομείων (γ.π.λ.)=70 0 (σύμφωνα με το άρθρο 83 του Κ.Μ.Λ.Ε.). ΒΑΘΜΙΔΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ h=15m b=6m γ.π.β. 90 0 γ.π.λ. 68 0 ΒΑΘΜΙΔΑ ΕΞΟΦΛΗΣΗΣ h=10m b=4m γ.π.β.=90 0 γ.π.λ. 68 0
Λατομείο λευκού μαρμάρου στην Θάσο Στο λατομείο εξορύσσεται χιονόλευκο δολομιτικό μάρμαρο. Το ύψος του πρανούς είναι περίπου 80 μέτρα. Εφόσον ο Σ.Α. >=1.5 δεν υπάρχει τεχνικό πρόβλημα.
Λατομείο μαρμάρου στην Carrara, Ιταλία Φωτογραφία γερανού που χρησιμοποιείται σε λατομείο μαρμάρου στην Ιταλία.
Κοίτασμα σχιστολίθου με υπερκείμενο ασβεστόλιθο Αποκάλυψη κοιτάσματος (μετακίνηση υπερκειμένων αγόνων με μηχανικά μέσα ή διάτρηση-ανατίναξη)
Σχέση αποκάλυψης στις επιφανειακές εκμεταλλεύσεις Μέση σχέση αποκάλυψης Στιγμιαία σχέση αποκάλυψης SR SR V V V ABEZI A ZI K ZEHK V V BEZ IZ ZE BEZ
Περίπτωση σταθερού SR κατά την εκμετάλλευση Διάταξη υπαίθριας εκμετάλλευσης οριζόντιου στρωματοειδούς κοιτάσματος σε επίπεδη μορφολογία εδάφους. Το SR παραμένει σταθερό (ο = μετ/μα, r = υπερκείμενα, s = φυτική γή, α = αποθέσεις)
Περίπτωση σταθερού SR κατά την εκμετάλλευση Διάταξη υπαίθριας εκμετάλλευσης οριζόντιου στρωματοειδούς κοιτάσματος σε επίπεδη μορφολογία εδάφους. Το SR παραμένει σταθερό (ο = μετ/μα, r = υπερκείμενα, s = φυτική γή, α = αποθέσεις) SR V V
Περίπτωση (1) σταθερώς αυξανόμενου SR Διάταξη υπαίθριας εκμετάλλευσης οριζόντιου στρωματοειδούς κοιτάσματος σε λοφώδη μορφολογία εδάφους. Το SR αυξάνει συνεχώς (ο = μετ/μα, r = υπερκείμενα, s = φυτική γή) SR S II R I SR I SR II V V V V at at stage stage I II
Περίπτωση (3) σταθερώς αυξανόμενου SR SR SR SR I II III V V V V V V a' b' d dbc ' ' d ' aab ' ' b b' c' cb abb a bcc b ά h 1 ά h ά 2 h 3 SR III SR II SR I Διάταξη υπαίθριας εκμετάλλευσης στρωματοειδούς κοιτάσματος μεγάλης κλίσης σε επίπεδη μορφολογία εδάφους. Το SR αυξάνει συνεχώς.
Οριακή σχέση αποκάλυψης Υπαίθριας Εκμετάλλευσης (Ι) P Sp F SR a b c Eννοια του μοναδιαίου κέρδους ( /t ore) P = κέρδος (profit) ανά μονάδα βάρους μετ/τος ( /t ore) S p = τιμή πώλησης του περιεχομένου μετάλλου στη μονάδα βάρους του μετ/τος ( /t) ν = περιεκτικότητα ή συγκέντρωση του μετ/τος σε μέταλλο (πχ gr/t ore = ppm) που μπορεί να μετρηθεί στο μεταλλείο με XRF. F = απολαμβανόμενη μετά τις διάφορες επεξεργασίες περιεκτικότητα σε χρήσιμο μέταλλο (%) SR = τρέχουσα σχέση αποκάλυψης (t (waste)/ t (ore)) α = μοναδιαίο κόστος απομάκρυνσης υπερκειμένων (εξόρυξη φόρτωση αποκομιδή απόθεση) ( /t waste) b = μοναδιαίο κόστος εκμετάλλευσης και μεταφοράς του μετ/τος μέχρι το εργοστάσιο ( /t ore) c = μοναδιαίο κόστος επεξεργασίας και λοιπές δαπάνες μετ/τος μέχρι την πώληση του περιεχόμενου σ αυτό μετάλλου ( /t ore).
Οριακή σχέση αποκάλυψης Υπαίθριας 1. Οριακή σχέση αποκάλυψης για μηδενικό μοναδιαίο κέρδος Εκμετάλλευσης (ΙΙ) P SR 0 Limit,1 S F p a b c 2. Οριακή σχέση αποκάλυψης για ελάχιστο μοναδιαίο κέρδος P min P SR P min Limit,2 S F p P min a b c
Οριακή σχέση αποκάλυψης Υπαίθριας 3. Οριακή σχέση αποκάλυψης για το μοναδιαίο κέρδος P und υπόγειας εκμετάλλευσης εφόσον το κοίτασμα μπορεί να εκμεταλλευθεί υπογείως στους κατώτερους ορίζοντες Εκμετάλλευσης (ΙΙ) P SR P S F P b c p und Limit,3 b c b c und S F a p und a P und a b c Παρατήρηση (1): H τελευταία σχέση (3) συγκρινόμενη με τη (2) δείχνει ότι τα όρια της υπαίθριας εκμετάλλευσης σταματούν γρηγορότερα όταν καθίσταται δυνατή η συνέχιση της εκμετάλλευσης υπογείως. Παρατήρηση (2): Ολες οι προηγούμενες σχέσεις δείχνουν ότι η οριακή σχέση αποκάλυψης αυξάνει με την αύξηση της περιεκτικότητας του κοιτάσματος σε χρήσιμο μέταλλο και με την τιμή πώλησης του παραγομένου μετάλλου.
Ασκηση 1.1. Δίνονται τα ακόλουθα δεδομένα κεκλιμένου κοιτάσματος λιγνίτη με κλίση a = 30 o κάτω από επίπεδη επιφάνεια του εδάφους (μάργα-κροκαλοπαγή-ψαμμίτες) Αξία κοιτάσματος = 30 /t Κόστος εκμετάλλευσης λιγνίτη= 2 /t λιγν Kόστος εξόρυξης-μεταφοράς υπερκείμενου στείρου = 2.5 /m3 στειρα Kόστος επεξεργασίας & μεταφοράς λιγνίτη = 0.7 /t λιγνιτη (θραύση-μεταφορά στο λιμάνι) Πλάτος δαπέδου α=0 m Μοναδιαίο βάρος λιγνίτη = 1.2 t/m3 Πάχος κοιτάσματος λιγνίτη, t = 10 m Θεωρείστε 1000 m μήκος του στρώματος κατά την παράταξη και όλοι οι γεωμετρικοί υπολογισμοί να γίνουν στην κατακόρυφη τομή που δίνεται. Ζητείται: (1) Σχεδιάσατε τη γεωμετρία των βαθμίδων στον λιγνίτη και στο στείρο και βρείτε τη μέγιστη κλίση εκμετάλλευσης β. Μηχανικές ιδιότητες υπερκειμένων (αργιλική μάργα) Συνοχή c = 150 kpa Γωνία εσωτερικής τριβής φ = 27 ο Μηχανικές ιδιότητες λιγνίτη Συνοχή c = 50 kpa Γωνία εσωτερικής τριβής = 24 ο
(2) Bρείτε τη μέγιστη σχέση αποκάλυψης (SR) για P=0 /t, και (3) το τελικό βάθος της εκμετάλλευσης h,
Επιλογή μεταξύ Υπαίθριας και Υπόγειας Εκμετάλλευσης Οριακή σχέση αποκάλυψης από τη σχέση (3): SR SR Limit Limit euros t euros / t t waste t ore / ore, underground ore, surface euros / t waste, SR Limit = (280 /t 140 /t)/20 /t = 7 t waste/ 1 t ore R = ore/(ore+waste) = 1/(7+1)= 12.5 %! Αν α = 5 /t τότε R=3.4 %
Πύλη εισόδου της ράμπας
Oριακή σχέση αποκάλυψης Μεταβολή της οριακής σχέσης αποκάλυψης με την περιεκτικότητα σε χρήσιμο μέταλλο και την τιμή πώλησης
Ασκηση 1.2. Eκμετάλλευση πολυστρωματικού κοιτάσματος λιγνίτη στην Αλάσκα
Ωφέλιμο φορτίο 154 t, όγκος φορτίου 78 m3 (με υπερπλήρωση)
http://www.cat.com/en_us/products/new/equipment/dozers/large-dozers/18332635.html Νύχια - άροτρα(rippers) για την εξόρυξη του πετρώματος D11N
Επιλογή υδραυλικού πτύου με κάδο 3-4 φορές μικρότερο της χωρητικότητας της σκάφης του dumper. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα ο κάδος είναι χωρητικότητας 18-21 m3.
http://www.ritchiespecs.com/specification?type=&category=shovel&make=terex&model= RH170&modelid=107769
Mέθοδος των τομών για υπολογισμό των προς εξόρυξη όγκων
Προσεγγιστικός υπολογισμός όγκου εκσκαφών
Σχεδιασμός τελικών ορίων εκμετάλλευσης για στρωματοειδές (Ι) Τομή κοιτάσματος Τομή εκμετάλλευσης Ο σχεδιασμός των τελικών ορίων της εκμετάλλευσης είναι αναγκαίος για την εκτίμηση των μεταλλευτικών αποθεμάτων και τον προγραμματισμό της εκμετάλλευσης
Σχεδιασμός τελικών ορίων εκμετάλλευσης για στρωματοειδές (ΙΙ) Πρόσοψη κοιτάσματος Πρόσοψη εκμετάλλευσης
Σχεδιασμός τελικών ορίων εκμετάλλευσης για στρωματοειδές (ΙΙΙ) Κάτοψη κοιτάσματος - εκμετάλλευσης Κάτοψη κοιτάσματος - εκμετάλλευσης
Σχεδιασμός τελικών ορίων εκμετάλλευσης (Ι) Πρόσοψη εκμετάλλευσης Κάτοψη εκεμετάλλευσης στρωματοειδές κοίτασμα μεγάλης κλίσης και ορθογωνικής οριζόντιας διατομής
Σχεδιασμός τελικών ορίων Πρόσοψη κοιτάσματος εκμετάλλευσης (ΙΙ) Κάτοψη εκμετάλλευσης / κοιτλασματος στρωματοειδές κοίτασμα μεγάλης κλίσης και ορθογωνικής οριζόντιας διατομής
Σχεδιασμός τελικών ορίων εκμετάλλευσης (ΙΙΙ) Τριδιάστατη απεικόνιση υπαίθριας εκμετάλλευσης και αντίστοιχες τομές
Επιλογή υλικών και διαστασιολόγηση των παχών των διαδοχικών στρώσεων του οδοστρώματος Αντιολισθηρή επιφάνεια Αντι-ολισθηρό στρώμα, πρόσφηση ελαστικών (ασφαλτος ή τσιμέντο (στα λατομεία υλικό 3 α ) βάση υπόβαση Άπορρόφηση κραδασμών / αποστράγγιση/ μόνωση Πέτρωμα ή έδαφος Τομή εύκαμπτου οδοστρώματος (Seelye, 1945) Στρώση οικονομικώτερου υλικού (subbase), ανθίσταται στην συρρίκνωση/διαστολή του subgrade Δάπεδο οδοστρώματος (αντι-ολισθηρό)
Αντι-τριβική βαση υπόβαση Θεμέλιο (έδαφος ή πέτρωμα) Για το σχεδιασμό του δρόμου ξεκινάμε (1) με το φορτίο που θα εξασκηθεί στο δρόμο. Π.χ. 91 t συνολικό βάρος φορτηγού με απόβαρο 58 t. To φορτίο κατανέμεται 33% στα μπροστινά ελαστικά (33,000 lbs/ελαστικό) 67% στα πίσω ελαστικά (2 σετ διπλών ελαστικών ήτοι 15.2 t/ελαστικό) (2) Η επιφάνεια επαφής του ελαστικού στο οδόστρωμα εξαρτάται από την πίεση του αέρα και την ακαμψία του τοιχώματος του ελαστικού, αλλά για απλοποίηση θεωρούμε ότι η πίεση επί του εδάφους είναι η πίεση διαστολής του ελαστικού 90 psi (=6.2 bar = 620 kpa)
Υπολογισμός της επιφάνειας επαφής των ελαστικών με την παραδοχή ότι έχει τη μορφή κύκλου. A ( m A r rear 2 2 ) F P tire inf l, 15.2x10kN 0.2452 620kPa 0.2452 r 28 cm m 2, (3) Το συνολικό πάχος των στρώσεων της αντιτριβικής, βάσης, υπόβασης πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο για την εξάπλωση του φορτίου που εξασκείται πάνω στο θεμέλιο για μείωση των καθιζήσεων και της αποφυγής αστοχίας
56 cm 56 cm t t 2t+56 cm Κατανομή του φορτίου στο βάθος από ζεύγος ελαστικών. Για απλοποίηση θεωρούμε ότι η κατακόρυφη πίεση διαχέεται στο βάθος με γωνία 45 ο (βλ. επόμενη διαφάνεια)
Ισοτασικές γραμμές της σz
Φορτίο (Load) με αλληλοεπικάλυψη των «βολβών» κατανομής φορτίου εις βάθος από ζεύγος ελαστικών γι αυτό παίρνουμε ένα συντελ. ασφαλείας 1.2 L 58 t truck, L equiv E 1.20 L tire 1.20 15.2t 18.24t, 182.4kN Κaufman & Ault (1977) Το φορτίο εξαπλώνεται σε μια επιφάνεια πάνω στο έδαφος σε βάθος t=70 cm ιση με π(2t+56) 2 /4=3.0 m 2. Aρα η πίεση επί του εδάφους της θεμελίωσης θα είναι 182.4kN/3.0 m 2 = 60.5 kpa. To ερώτημα είναι αν αυτή η πίεση επί του υπεδάφους θεμελίωσης του δρόμου δεν προκαλεί την αστοχία του.
Τυπικές Φέρουσες ικανότητες γεωϋλικών Κaufman & Ault (1977)
Διαστασιολόγηση πλάτους δρόμων Δρόμος δύο λωρίδων Δρόμος μίας λωρίδας Αναβαθμός ασφαλείας
ΚΜΛΕ?
Περίπτωση 1 η : Ράμπα μέσα στο σύνορο της εκσκαφής (I) Σχέδιο με τις 4 βαθμίδες κλειστής εκμετάλλευσης
Περίπτωση 1 η : Ράμπα μέσα στο σύνορο της εκσκαφής (ΙI) Σχέδιο των 4 βαθμίδων κλειστής εκμετλαλλευσης όπου παρουσιάζονται το φρύδι (με συνεχή γραμμή) και το πόδι (με διακεκομμένη γραμμή) της κάθε βαθμίδας
Περίπτωση 1 η : Ράμπα μέσα στο σύνορο της εκσκαφής (ΙIΙ) Ο σχεδιασμός ενός τέτοιου δρόμου ξεκινά από την πιο χαμηλή βαθμίδα. Η επιλογή του σημείου Α όπου ο δρόμος ξεκινά, επιλέγεται κατάλληλα ώστε να είναι δυνατή η συνέχιση της εκμετάλλευσης σε μικρότερα υψόμετρα.
Περίπτωση 1 η : Ράμπα μέσα στο σύνορο της εκσκαφής (ΙV) Αν το ύψος H της βαθμίδας είναι 15m και η κλίση του δρόμου είναι G=10% η οριζόντια απόσταση D που διανοίει ένα φορτηγό για να ανέβει στην επόμενη βαθμιδα είναι: D = H/G = 15*100/10 = 150m Το σημείο Β στο φρύδι της επόμενης βαθμίδας βρίσκεται μετρώντας 150m από το σημείο Α με ένα χάρακα ή χρησιμοποιώντας ένα διαβήτη. Τα σημεία Γ και Δ υπολογίνονται επαναλαμβάνοντας την ίδια διαδικασία Εστω ότι το πλάτος της βαθμίδας είναι 30 m.
Περίπτωση 1 η : Ράμπα μέσα στο σύνορο της εκσκαφής (V) η γωνία που σχηματίζει ο δρόμος με το φρύδι της βαθμίδας είναι: θ = sin -1 (30/150) = 11.5 o το φαινόμενο πλάτος W a του δρόμου σχετίζεται με το πραγματικό W t με τη σχέση: W a = W t /cosθ = 1.02W t = 1.02*45 = 46 για πρακτικούς λόγους: W a = W t = W σχεδιάζονται κάθετες σε κάθε φρύδι γραμμές μήκους W στα σημεία Α, Β, Γ, Δ
Περίπτωση 1 η : Ράμπα μέσα στο σύνορο της εκσκαφής (VI) σχεδιασμός παράλληλων προς το φρύδι γραμμών που εκκινούν από το τέλος των κάθετων μήκους W στα σημεία Α, Β, Γ, Δ.
Περίπτωση 1 η : Ράμπα μέσα στο σύνορο της εκσκαφής (VIΙ) Η γραμμή α α επεκτίνεται δυτικά μέχρι να συναντήσει το φρύδι. Στην αρχή είναι παράλληλη με αυτό αλλά στο τέλος ακολουθεί καμπύλη τροχία ώστε να είναι πιο ομαλή η μετάβαση (εξαρτάται από το σχεδιαστή). Όλες οι υπόλοιπες γραμμές είναι παράλληλες με την α α.
Περίπτωση 1 η : Ράμπα μέσα στο σύνορο της εκσκαφής (VIΙΙ)
Περίπτωση 1 η : Ράμπα μέσα στο σύνορο της εκσκαφής (ΙΧ) Διαγράφονται όλες οι γραμμές που περισσεύουν
Περίπτωση 1 η : Ράμπα μέσα στο σύνορο της εκσκαφής (Χ) Τελικό στάδιο κατασκευής ράμπας
Rampura Agucha is a mine of zinc and lead in the Bhilwara district of Rajasthan state of India. It has world's largest deposits of zinc and lead https://en.wikipedia.org/wiki/rampura_agucha
Λατομείο ασβεστολίθου στη Lipica (Slovenia) Φορτηγό τύπου «σαύρας» (articulated)
Περίπτωση 2 η : Σχεδιασμός ράμπας έξω από το σύνορο της εκσκαφής (Ι) Βασικά χαρακτηριστικά: Ύψος βαθμίδας = 15m Πλάτος βαθμίδας = 30m Πλάτος δρόμου = 45m Κλίση δρόμου 10% Κλίση βαθμίδας 56 ο
Περίπτωση 2 η : Σχεδιασμός ράμπας έξω από το σύνορο της εκσκαφής (IΙ) Σ αυτήν την περίπτωση ο σχεδιασμός ξεκινά από το φρύδι της ανώτερης βαθμίδας (σημείο Α).
Περίπτωση 2 η : Σχεδιασμός ράμπας έξω από το σύνορο της εκσκαφής (IIΙ)
Περίπτωση 2 η : Σχεδιασμός ράμπας έξω από το σύνορο της εκσκαφής (IV)
Περίπτωση 2 η : Σχεδιασμός ράμπας έξω από το σύνορο της εκσκαφής (V)
Περίπτωση 2 η : Σχεδιασμός ράμπας έξω από το σύνορο της εκσκαφής (VI)
Περίπτωση 3 η : Ελικοειδής ράμπα (Ι) Βασικά χαρακτηριστικά: Ύψος βαθμίδας = 15m Πλάτος βαθμίδας = 30m Πλάτος δρόμου = 45m Κλίση δρόμου 10% Κλίση βαθμίδας 56 ο
Περίπτωση 3 η : Ελικοειδής ράμπα (ΙΙ)
Περίπτωση 3 η : Ελικοειδής ράμπα (ΙΙΙ) L 1 =0.5R=50 m & L 2 =30 m L 3 = 20 m Ξεκινάμε το σχεδιασμό από το κατώτερο σημείο Α, άρα η ράμπα θα γίνει εντός των προ-σχεδιασμένων ορίων της εκμετάλλευσης. C = κέντρο καμπυλότητας της ράμπας, και R = ακτίνα καμπυλότητας
Περίπτωση 3 η : Ελικοειδής ράμπα (ΙV)
Περίπτωση 3 η : Ελικοειδής ράμπα (V)
Περίπτωση 3 η : Ελικοειδής ράμπα (VΙ)
Περίπτωση 3 η : Ελικοειδής ράμπα (VΙΙ)
Ευστάθεια πρανών
Ράμπα (κεκλιμένος δρόμος) Βαθμίδα προστασίας από βραχοπτώσεις
1) Ελεγχος επίπεδων ολισθήσεων στα πρανή της εκμετάλλευσης Η αστοχία με τη μορφή της επίπεδης ολίσθησης κάτω από την επίδραση της βαρύτητας συμβαίνει όταν η βραχόμαζα επικάθεται σε κεκλιμένο επίπεδο ασυνέχειας που «ξετρυπά» (daylights) στο μέτωπο του πρανούς όπως φαίνεται στο Σχ. 4.14. Η κλίση του επιπέδου της ασυνέχειας πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη γωνία τριβής της ενώ θεωρείται ότι η ασυνέχεια δεν έχει συνοχή. Σχ. 4.14. Επίπεδη ολίσθηση επί προϋπάρχουσας ασυνέχειας (Goodman, R.E. 1980. Introduction to Rock Mechanics (Chapter 8), Toronto: John Wiley, pp 254-287.)
2) Ελεγχος σφηνοειδών ολισθήσεων στα πρανή της εκμετάλλευσης (Goodman, p. 297, 1980) Όπως φαίνεται στο Σχ. 4.17 διακρίνουμε 3 τρόπους αστοχίας (α) ολίσθηση πάνω στο επίπεδο 1, (β) ολίσθηση πάνω στο επίπεδο 2, και (γ) ολίσθηση πάνω στο ίχνος της τομής των δυο επιπέδων Ι12. Οι δύο πρώτες περιπτώσεις έχουν καλυφθεί από την πρώτη περίπτωση της ολίσθησης επί επιπέδου που προαναφέρθηκε. Η τρίτη περίπτωση βασίζεται στην έννοια τόυ ίχνους τομής επιπέδων που φαίνεται στα Σχ. 4.17 και 4.18. 1 2 Ι12 Σχ. 4.17. Ι12 = Ιntersection line of planes 1 & 2 (ιχνος τομής επιπέδων 1 και 2) (Goodman, 1980).
2) Ελεγχος σφηνοειδών ολισθήσεων στα πρανή της εκμετάλλευσης (Goodman, p. 297, 1980) Ασυνέχειες μεγάλης κλίσης που κλίνουν αντίρροπα προς το πρανές δημιουργούν συνήθως συνθήκες ανατροπής όπως φαίνεται στο Σχ. 4.20. Σχ. 4.20. Συνθήκες που μπορούν να ευνοούν την ανατροπή ογκοτεμαχίων πετρώματος
Gently dipping slope for Q=0.1 Case of Skouries open pit??? Steep slope for Q=10
Rock fall experimental results