Estrazione mineraria a cielo aperto: dalla perforazione e brillamento al controllo delle acque e al ripristino ambientale delle miniere.
Da lontano, l'estrazione a cielo aperto sembra semplice: si perfora la roccia, la si frantuma, la si carica e la si trasporta via.
In pratica, una miniera a cielo aperto sicura e produttiva dipende da diversi sistemi interconnessi. La geometria dei gradoni influenza la perforazione. La qualità della perforazione influenza le operazioni di brillamento. Le operazioni di brillamento influenzano il carico, il trasporto, la frantumazione, la stabilità dei pendii, la polvere, il drenaggio e, infine, il costo del ripristino ambientale.
Comprendere l'intero flusso di lavoro è più utile che esaminare una singola macchina isolatamente.
1. I due tipi fondamentali di miniera a cielo aperto
Il “contorno chiuso” è la linea orizzontale chiusa formata dal confine della miniera a cielo aperto sulla superficie del terreno.
In base alla conformazione del terreno e alla posizione del giacimento rispetto a questa curva di livello, le miniere a cielo aperto si dividono comunemente in due tipologie:
miniere a cielo aperto sui pendiisono situate al di sopra della superficie chiusa. Lo scavo si sviluppa lungo un pendio e la gravità può agevolare alcune operazioni di drenaggio.
miniere a cielo aperto della Grande DepressioneSi estendono al di sotto del contorno chiuso della superficie. Queste fosse spesso richiedono una gestione più complessa dell'acqua, della pianificazione delle strade di accesso e dei pendii, man mano che lo scavo diventa più profondo.
Questa distinzione influisce sulla disposizione della miniera, sulle strade di accesso, sul sistema di drenaggio e sulla progettazione finale del pendio.
2. I tre elementi base di una panchina
Una miniera a cielo aperto è costruita su livelli di lavoro orizzontali chiamati gradoni.
Panca:Uno strato orizzontale in cui è suddivisa la massa di minerale e roccia. La distanza verticale tra i livelli di lavoro è l'altezza del banco.
Panca piana:La superficie inclinata del banco di lavoro è rivolta verso l'area di scavo. L'angolo tra questa superficie e il piano orizzontale è l'angolo tra la superficie del banco e quella orizzontale.
Piattaforma o terrapieno:L'area orizzontale compresa tra la base e la sommità della panca. La sua larghezza corrisponde alla larghezza della piattaforma.
Le diverse piattaforme servono a scopi diversi:
La piattaforma di lavoro supporta le operazioni di perforazione, brillamento, carico e trasporto.
Un terrapieno di sicurezza o di protezione aiuta a intercettare le rocce in caduta.
Un terrapieno di pulizia fornisce lo spazio necessario per rimuovere il materiale sciolto.
La larghezza di lavoro deve essere sufficiente sia per il movimento delle attrezzature sia per garantire una distanza di sicurezza.
La progettazione delle panchine non è solo una questione di produzione. È anche una questione di stabilità dei pendii e di controllo degli accessi.
3. La principale sequenza di produzione a cielo aperto
Il flusso di lavoro di produzione principale normalmente include:
Perforazione
Esplosione o frantumazione di roccia
Carico e trasporto
Rimozione di rocce di scarto
Ogni fase influenza la successiva. Una perforazione inadeguata può produrre un'esplosione di scarsa qualità. Una frammentazione insufficiente può sovraccaricare escavatori e frantumatori. Una progettazione inadeguata della strada di trasporto può ridurre la produttività di attrezzature di carico altrimenti efficienti.
Perforazione
La perforazione è la prima operazione importante nella produzione a cielo aperto. In genere rappresenta circa il 10-15% del costo totale di produzione.
Vengono utilizzate principalmente tre categorie di apparecchiature.
Impianti di perforazione DTHOffrono angoli di perforazione flessibili, buona mobilità e peso e investimento relativamente bassi. Sono utili per miniere di piccole e medie dimensioni, soprattutto in rocce di media durezza. La perforazione inclinata può contribuire a controllare la qualità del minerale, ridurre la formazione di blocchi di roccia di grandi dimensioni e limitare la presenza di blocchi sovradimensionati.
Perforatori rotanti per fori di brillamentoOffrono un'elevata produttività e un alto livello di meccanizzazione. Sono ampiamente utilizzate nelle grandi miniere a cielo aperto e possono perforare formazioni con un'ampia gamma di durezze.
Perforatrici per roccia di grandi dimensioni o cingolateUtilizzare una o più perforatrici da roccia con avanzamento automatico montate su un braccio o un telaio. La loro mobilità e il funzionamento meccanico le rendono adatte a lavori di perforazione specializzati o di varia natura.
Nella perforazione DTH, martello, punta, asta, compressore, sistema di lavaggio e formazione rocciosa devono essere integrati in un unico sistema. Diametro del foro, profondità, inclinazione e precisione influenzano il risultato finale dell'esplosione o della frantumazione della roccia.
Esplosioni e frantumazione controllata della roccia
Lo scopo delle esplosioni è quello di creare frammenti di dimensioni gestibili per escavatori, autocarri e frantumatori primari. In molte miniere a cielo aperto, le esplosioni rappresentano circa il 15-20% del costo totale di produzione.
I metodi più comuni includono:
Esplosioni a bassa profondità:Solitamente si utilizzano fori di dimensioni ridotte, spesso di circa 30-75 mm di diametro, con profondità generalmente inferiori a 5 m. Si trova in cave di piccole dimensioni, gallerie, tagli stradali, demolizioni secondarie e lavori di scavo speciali.
Esplosione a foro profondo su banco:Utilizza fori più profondi praticati con attrezzature DTH o rotative. A seconda della configurazione del banco e dei requisiti di frammentazione, possono essere utilizzati fori verticali e inclinati.
Sabbiatura in camera:Consiste nel collocare una maggiore quantità di esplosivo in una camera o in un'apertura sotterranea. Il suo utilizzo è generalmente limitato a specifici progetti edilizi o a cave con elevati volumi di materiale esplosivo.
Esplosione multi-riga in millisecondi:Utilizzato quando sono richiesti volumi di produzione più elevati. La temporizzazione controllata può migliorare la frammentazione e gestire le vibrazioni in modo più efficace rispetto all'innesco simultaneo.
In prossimità delle pareti rocciose finali, gli ingegneri possono utilizzare metodi di brillamento controllato come ritardi di millisecondi, pre-frantumazione, brillamento uniforme e brillamento a tampone. L'obiettivo è proteggere la massa rocciosa rimanente piuttosto che massimizzare semplicemente la frantumazione.
Per i siti in prossimità di edifici, ferrovie, autostrade, linee elettriche o altre infrastrutture sensibili, un metodo non esplosivo potrebbe essere più appropriato. Il sistema di fratturazione idraulica a energia gassosa O2 di Gaea Rock utilizza ossigeno liquido e un assorbente combustibile all'interno di un tubo di fratturazione. Si tratta di un processo di cambiamento di fase controllato, non di un sistema esplosivo convenzionale.
Il sistema O2 può essere preso in considerazione laddove siano importanti una minore intensità dell'onda d'urto, vibrazioni ridotte, una classificazione del trasporto più semplice e una frantumazione controllata della roccia. Le procedure effettive di perforazione, sigillatura, caricamento, accensione, esclusione e di emergenza devono essere progettate e supervisionate da personale qualificato.
4. Carico e trasporto
Il carico è l'anello centrale del ciclo produttivo a cielo aperto. Gli escavatori rimuovono il minerale o la roccia frantumata e lo caricano sui mezzi di trasporto oppure lo trasferiscono in un luogo designato.
Le attrezzature di carico più comuni includono:
Escavatori idraulici
pale a cavo
pale idrauliche
Pale gommate
Le operazioni di carico e trasporto non possono essere ottimizzate separatamente. Un escavatore più grande è di scarsa utilità se si formano code di camion al fronte di scavo o se le strade di trasporto sono in cattive condizioni.
Le infrastrutture di trasporto possono rappresentare una quota importante degli investimenti minerari e, in alcune operazioni, il trasporto può incidere per oltre la metà sul costo totale del minerale e della manodopera.
I sistemi di trasporto più comuni includono:
Trasporto su camion
trasporto ferroviario
Sistemi di trasporto
Sollevamento con salto su inclinazione
sistemi di trasporto combinati
Il trasporto su camion rimane il metodo più comune grazie alla sua flessibilità, ma le miniere più grandi stanno integrando sempre più nastri trasportatori continui, software di gestione e attrezzature automatizzate.
5. Smaltimento delle rocce di scarto
Le rocce di scarto e il materiale di copertura rimosso devono essere trasportati nelle aree di smaltimento designate.
La movimentazione dei detriti rocciosi può avvenire tramite trasporto su strada, su rotaia o tramite nastri trasportatori. Le aree di smaltimento possono essere progettate come discariche a un solo livello, discariche coperte a più livelli o discariche a più livelli con basamento.
La discarica deve essere progettata tenendo conto della capacità, del drenaggio, della stabilità dei pendii, della separazione del traffico e del ripristino a lungo termine. Una gestione inadeguata dello smaltimento dei rifiuti può causare instabilità, deflusso superficiale, polvere e futuri problemi di bonifica.
6. Protezione dalle infiltrazioni d'acqua e drenaggio
Il controllo dell'acqua è uno dei sistemi di ingegneria più importanti nelle miniere a cielo aperto.
Le tecniche di drenaggio più comuni includono:
Drenaggio gravitazionale per miniere collinari
Raccolta dal fondo per pozzi poco profondi con afflusso limitato
Drenaggio di intercettazione a fasi per fosse più profonde con maggiore portata d'acqua
Gallerie sotterranee e tunnel di drenaggio per flussi in entrata molto elevati
A seconda del terreno e della geologia, è possibile combinare diversi sistemi.
L'impermeabilizzazione richiede anche ispezioni periodiche. Canali di drenaggio, barriere, pompe, rivestimenti e altre strutture di protezione devono essere controllati prima della stagione delle piogge e dopo eventi meteorologici estremi.
7. Problemi successivi all'estrazione mineraria
Le miniere a cielo aperto non gestite possono presentare gravi rischi:
Accumulo d'acqua nella fossa
Pendii alti e instabili
frane
Effetti della pressione sulle gallerie sotterranee vicine
Cedimento della diga di contenimento dei residui colturali
Colate di fango che colpiscono le comunità a valle
Danni ecologici a lungo termine derivanti dallo scarico di residui minerari.
Questi rischi dovrebbero essere affrontati durante la pianificazione mineraria, non solo dopo la fine della produzione.
8. Risanamento delle miniere
Il ripristino ambientale delle miniere moderne si concentra generalmente su quattro aree.
Trattamento del pendio:Rimuovere le rocce instabili, ridurre le pendenze eccessive, formare terrazzamenti stabili e riforestare le aree trattate.
Gestione dei residui di lavorazione:Utilizzare i residui di lavorazione idonei come materiale di riempimento sotterraneo laddove tecnicamente e legalmente possibile. Recuperare i minerali di valore attraverso il ritrattamento ed esplorare usi sicuri come materiali da costruzione.
Trattamento del suolo:Sostituire o migliorare i terreni danneggiati, creare barriere che limitino la migrazione di contaminanti e aggiungere ammendanti che ne ripristinino la fertilità.
Ripristino della vegetazione:Seleziona piante adatte al clima locale, ai terreni poveri e, se necessario, all'esposizione a metalli pesanti. La copertura vegetale diretta è semplice ed economica; l'aggiunta di terriccio spesso migliora la velocità di attecchimento e di recupero.
La miniera a cielo aperto più efficiente non è semplicemente quella che sposta la maggiore quantità di roccia. È quella che coordina fin dall'inizio le fasi di perforazione, frantumazione, carico, trasporto, drenaggio, controllo dei pendii e ripristino ambientale.
