Principi e metodi per la progettazione dei limiti dell'estrazione mineraria a cielo aperto
Caratteristiche dell'estrazione a cielo aperto L'estrazione a cielo aperto consiste nell'estrazione di minerali in un ambiente esposto (in superficie) utilizzando attrezzature di scavo e trasporto specifiche. La sua caratteristica distintiva è che per recuperare il minerale, la roccia circostante e lo strato di copertura devono essere rimossi e il minerale o la roccia trasportati in superficie tramite percorsi di trasporto di superficie o scavi sotterranei. Questo metodo è ampiamente utilizzato per l'estrazione di minerali metallici, materie prime metallurgiche, materiali da costruzione, materie prime chimiche e carbone.
Rispetto all'estrazione mineraria sotterranea, l'estrazione mineraria a cielo aperto, poiché avviene in uno spazio esposto, presenta le seguenti caratteristiche:
(1) Lo spazio di lavoro è relativamente libero, il che facilita l'uso di grandi attrezzature meccanizzate. Elevati livelli di meccanizzazione e automazione possono aumentare l'intensità di estrazione e la produzione di minerale.
(2) Elevata produttività del lavoro.
(3) Costi di estrazione più bassi, rendendo fattibile lo sfruttamento su larga scala di minerali di bassa qualità.
(4) Minore perdita e diluizione del minerale, il che è favorevole al recupero delle risorse minerarie.
(5) Tempi di sviluppo più brevi; la spesa in conto capitale per tonnellata annua di minerale è inferiore rispetto all'estrazione mineraria sotterranea.
(6) Per i giacimenti di minerali caldi o combustibili, l'estrazione a cielo aperto può essere più sicura dell'estrazione sotterranea.
(7) Migliori condizioni di lavoro e operazioni generalmente più sicure.
(8) Le operazioni a cielo aperto producono notevoli emissioni di polvere e di veicoli; la roccia esplosa contenente componenti nocivi può inquinare in una certa misura l'aria, l'acqua e il suolo.
(9) Grandi volumi di materiale di risulta vengono depositati nelle discariche; gli impianti di smaltimento dei rifiuti occupano vaste aree di terreno (montagne, terreni agricoli) e possono degradare localmente l'ambiente.
(10) Le condizioni meteorologiche quali neve, ghiaccio e forti piogge possono influire negativamente sulle operazioni a cielo aperto.
La definizione dei limiti di estrazione (limiti di cava) è il fondamento della progettazione delle miniere a cielo aperto e un prerequisito per uno sfruttamento economicamente efficiente e sicuro. Ricercatori e professionisti di tutto il mondo studiano da tempo l'ottimizzazione dei limiti di cava, producendo risultati sostanziali. Tuttavia, poiché le miniere a cielo aperto si trovano ad affrontare corpi geologici complessi e variabili, distribuzioni di pendenza irregolari e parametri economici variabili (fattori non lineari e dinamici), determinare i limiti di cava ottimali rimane difficile. Questo articolo affronta questioni chiave nell'ottimizzazione dei limiti di cava: esamina lavori precedenti, analizza le caratteristiche dinamiche dei limiti di cava, esamina i principali fattori che influenzano l'angolo di pendenza finale stabile, propone metodi per prevedere una pendenza finale ragionevole e studia metodi rapidi per generare serie di limiti di cava e determinare il limite di cava finale. Basato sulla pratica ingegneristica e sugli sviluppi attuali, e utilizzando teorie e metodi multidisciplinari, lo studio fornisce una ricerca sistematica e approfondita con un significativo valore teorico e pratico.
Principi di progettazione per i limiti delle miniere a cielo aperto La dimensione dei limiti delle miniere a cielo aperto determina le quantità di minerale e di materiale di copertura da rimuovere. Con l'approfondimento e l'espansione dei limiti delle miniere, il tonnellaggio del minerale aumenta, ma anche il materiale di copertura aumenta in modo sostanziale, determinando un aumento del rapporto di strippaggio. Pertanto, la determinazione dei limiti delle miniere implica essenzialmente il controllo del rapporto di strippaggio in modo che non superi il rapporto di strippaggio economicamente accettabile.
Diversi tipi di rapporti di stripping sono correlati alla dimensione del limite di pit. Quale rapporto di stripping sia quello più adatto al controllo è oggetto di dibattito; l'articolo presenta tre punti di vista accademici storicamente rappresentativi e i relativi criteri di progettazione:
(1) Rapporto di stripping al limite della cava non superiore al rapporto di stripping economico. Questo criterio richiede che il rapporto di stripping al limite della cava non superi il rapporto di stripping economicamente ragionevole. La sua essenza è garantire che, con l'approfondirsi della cava, il beneficio economico marginale dell'estrazione a cielo aperto non sia peggiore di quello dell'estrazione sotterranea. Per i giacimenti continui con strato di copertura sottile, questo principio tende a massimizzare il profitto totale del giacimento. Poiché mira a ottimizzare il risultato economico totale ed è semplice da calcolare e applicare, il criterio ≤ è ampiamente utilizzato nella progettazione manuale del limite della cava sia a livello nazionale che internazionale. Tuttavia, per i giacimenti con strato di copertura spesso o discontinuo, questo criterio potrebbe non essere appropriato; pertanto, è una condizione necessaria ma non sufficiente per un limite della cava ottimale.
(2) Rapporto di stripping medio non superiore al rapporto di stripping economico. Questo criterio mira a controllare la performance economica complessiva dell'estrazione a cielo aperto in modo che non sia peggiore dell'estrazione sotterranea. L'obiettivo è massimizzare il minerale recuperabile all'interno dell'area limite della miniera, garantendo al contempo che l'economia complessiva dell'estrazione a cielo aperto non scenda al di sotto di quella dell'estrazione sotterranea. Poiché utilizza una media aritmetica, alcune aree locali potrebbero avere performance economiche inferiori rispetto ai metodi di estrazione sotterranea. Il criterio ≤ media può essere utilizzato insieme al criterio ≤ limite della miniera: dopo aver delineato la miniera con il criterio del limite della miniera, è necessario verificare il rapporto di stripping medio entro tale limite. Questo criterio viene spesso applicato per minerali rari di alto valore o piccoli giacimenti quando è auspicabile massimizzare l'estrazione a cielo aperto (per ridurre al minimo la diluizione e la perdita di minerale). È anche comunemente utilizzato per cave di pietre ornamentali e calcare.
(3) Rapporto di stripping di produzione non superiore al rapporto di stripping economico Il rapporto di stripping di produzione riflette l'effettivo rapporto stripping/minerale riscontrato durante il ciclo di produzione della miniera. L'applicazione del criterio ≤ produzione garantisce che in qualsiasi fase di produzione il risultato economico dell'estrazione a cielo aperto non sia peggiore di quello dell'estrazione sotterranea. Il rapporto di stripping di produzione può essere un rapporto di produzione di equilibrio o un rapporto di stripping sbilanciato (dipendente dal tempo). I limiti di pozzo derivati dal criterio di produzione sono inferiori a quelli del criterio del limite di pozzo ma superiori a quelli del criterio medio, e quindi comportano maggiori investimenti iniziali di stripping e sviluppo. Poiché il rapporto di stripping di produzione è difficile da definire con precisione e la sua relazione con la profondità è complessa, questo criterio è meno pratico e raramente utilizzato.
Elementi dei limiti dell'attività estrattiva a cielo aperto 3.1 Angolo di pendenza finale e struttura del pendio L'angolo di pendenza finale (definitivo) della miniera influisce notevolmente sulla sicurezza della produzione e sulle prestazioni economiche. Da un punto di vista economico, è preferibile una pendenza più ripida (angolo maggiore) perché un angolo di pendenza minore aumenta la rimozione dei rifiuti e il rapporto di stripping. Tuttavia, angoli di pendenza eccessivi possono causare instabilità e mettere a repentaglio la sicurezza. Pertanto, l'angolo di pendenza finale deve soddisfare sia i requisiti di stabilità (sicurezza) che quelli operativi (attività estrattiva).
Il requisito di stabilità è che, in base alle proprietà dell'ammasso roccioso e all'analisi di stabilità, l'angolo di pendenza finale garantisca la stabilità del pendio. Durante la fase di progettazione del limite di scavo, gli angoli di pendenza finali vengono generalmente selezionati facendo riferimento a miniere simili e quindi sottoposti ad analisi di stabilità preliminare e calcoli semplificati con i dati disponibili.
3.2 Larghezza e posizione del fondo (fondo della fossa) (1) Larghezza minima del fondo e valori La larghezza minima del fondo della fossa deve consentire alle attrezzature per l'estrazione mineraria e il trasporto di funzionare e svolgere lavori in sicurezza. In genere non dovrebbe essere più stretta della larghezza della trincea di partenza (taglio iniziale); il valore minimo è determinato dalle specifiche delle attrezzature e dai calcoli del layout di trasporto.
(2) Posizione del fondo e limiti geometricamente simili (autosimili) della fossa Il criterio di base per la localizzazione del fondo della fossa è quello di minimizzare il rapporto di scavo medio all'interno della fossa. Talvolta il fondo della fossa viene regolato rispetto alle zone meccaniche o strutturali della roccia in modo che le pendenze finali evitino zone fratturate o strutturalmente deboli, migliorando la stabilità e semplificando le operazioni di brillamento.
A seconda dello spessore orizzontale del giacimento, il fondo della miniera può avere tre posizioni possibili:
Se lo spessore orizzontale del giacimento è inferiore alla larghezza minima del fondo, tracciare il piano del fondo della miniera fino alla larghezza minima.
Se lo spessore orizzontale è uguale o leggermente superiore alla larghezza minima del fondo, impostare la larghezza del fondo della fossa uguale allo spessore del giacimento.
Se lo spessore orizzontale del giacimento supera di gran lunga la larghezza minima del fondo, utilizzare la larghezza minima del fondo.
La posizione scelta dovrebbe massimizzare il minerale recuperabile, ridurre al minimo gli sprechi e produrre minerale della migliore qualità, ovvero massimizzare il beneficio economico.
Poiché i fondi dei pozzi reali hanno larghezze diverse da zero, i limiti geometrici simili non sono pienamente applicabili. Nella progettazione, determinare la posizione del fondo del pozzo per casi: (i) su terreno pianeggiante, sia i giacimenti spessi che quelli sottili possono formare limiti geometrici simili; (ii) su terreno inclinato, se lo spessore orizzontale è maggiore della larghezza minima, il pozzo ha una forma simile, mentre i giacimenti sottili con spessore orizzontale inferiore alla larghezza minima devono soddisfare vincoli aggiuntivi.
(3) Metodo di progettazione per limiti di fossa geometricamente simili Un limite di fossa geometricamente simile è la posizione ottimale teorica del fondo che riduce al minimo il rapporto di stripping medio, in effetti la posizione ottimale del fondo quando la larghezza del fondo si avvicina a zero.
3.3 Profondità della fossa I criteri di progettazione del limite di fossa determinano essenzialmente la profondità della fossa economicamente giustificata. A seconda della continuità del corpo minerario e della lunghezza della linea di estrazione, le fosse possono essere classificate come lunghe o corte. Se il rapporto lunghezza-larghezza supera 4:1, la fossa è "long" e il volume di minerale di fondo è relativamente piccolo; nella progettazione manuale, il contributo della parete di fondo è spesso trascurabile. Se il rapporto è inferiore a 4:1, la fossa è "short" e il minerale di fondo può rappresentare il 15-20% o più del totale e deve essere preso in considerazione.
(1) Determinazione preliminare della profondità della fossa su sezioni geologiche Esistono tre metodi per determinare la profondità della fossa su sezioni geologiche: (a) metodo analitico, (b) metodo grafico e (c) metodo di analisi planimetrica (analisi schematica). Il metodo di analisi planimetrica è il più ampiamente utilizzato. I suoi passaggi sono: 1) proporre diverse profondità di fossa candidate; 2) calcolare i rapporti di stripping limite della fossa per ciascuna profondità; 3) tracciare le curve di analisi e selezionare una profondità iniziale.
(2) Regolare l'elevazione del fondo sulle sezioni trasversali Regolare l'elevazione del fondo della fossa sulle sezioni trasversali; l'elevazione regolata è la profondità di progetto della fossa.
(3) Delineare i limiti della miniera a cielo aperto (metodo manuale) La delimitazione manuale dei limiti della miniera prevede tre passaggi principali:
Tracciare il perimetro teorico del fondo della fossa alla profondità di progetto: su ogni sezione trasversale, longitudinale e ausiliaria, tracciare il limite della fossa alla profondità di progetto; quindi tracciare una pianta dell'orizzonte stratigrafico a tale quota. Proiettare gli estremi del fondo della fossa dalle viste in sezione sulla pianta e unirli per ottenere il perimetro teorico del fondo. Smussare la polilinea in una curva per formare il perimetro di progetto del fondo della fossa. Verificare che le dimensioni del fondo soddisfino i requisiti di layout di trasporto e di funzionamento delle attrezzature: rettilineità, raggi di curvatura e lunghezza del fondo devono soddisfare gli standard tecnici.
Tracciare il limite della fossa: sulla planimetria topografica e geologica, tracciare il perimetro del piano di progetto e quindi, dall'interno verso l'esterno, tracciare i piedi delle panchine e le linee di cresta per ciascuna panchina (ovvero panchine e pendenze) in base agli elementi di pendenza selezionati. Le parti depresse della fossa formano piedi delle panchine chiusi sulla planimetria; le parti in pendenza possono avere linee di piedi delle panchine che si collegano alle curve di livello della stessa quota.
Disegnare il piano finale della fossa: sul piano dei limiti della fossa, tracciare le strade di trasporto e di sviluppo (percorso di linea), quindi, dal basso verso l'esterno, tracciare le superfici delle banchine e le piattaforme per la configurazione finale. Progettare anche le piattaforme di rampa tra le banchine, ove necessario. Verificare e modificare il piano iniziale dei limiti della fossa, poiché i vincoli di percorso stradale e di sviluppo potrebbero allentare gli angoli di pendenza e aumentare la rimozione.
(4) Disegnare le sezioni trasversali limite della fossa Utilizzando la planimetria finale della fossa, disegnare tre sezioni trasversali rappresentative alle scale appropriate. La linea di sezione longitudinale viene tracciata attraverso i punti chiave della larghezza inferiore della planimetria; utilizzando le larghezze delle panche, proiettare successivamente verso l'alto per completare le sezioni trasversali.
Determinazione e ottimizzazione dei limiti della miniera a cielo aperto Utilizzando i principi di progettazione comunemente applicati descritti sopra, il metodo e i passaggi per la determinazione e l'ottimizzazione dei limiti della miniera a cielo aperto sono i seguenti:
(1) Determinare la profondità della fossa. Per le fosse allungate, determinare prima la profondità su ciascuna sezione geologica e quindi correggere la quota del fondo utilizzando sezioni longitudinali. Per le fosse corte con elevati rapporti profondità/larghezza, considerare gli effetti dell'espansione della parete terminale. Se la profondità non può essere determinata direttamente dalle sezioni, calcolare i rapporti di scavo limite della fossa su viste in pianta per diverse profondità candidate e selezionare la profondità in cui il rapporto di scavo limite della fossa è uguale al rapporto di scavo economicamente ragionevole.
(2) Determinare il perimetro del fondo della fossa in pianta. La larghezza del fondo della fossa può essere maggiore o minore dello spessore orizzontale del giacimento, ma deve soddisfare il requisito di larghezza minima. Il principio è massimizzare il recupero del minerale riducendo al minimo gli sprechi. La larghezza minima del fondo dovrebbe garantire la sicurezza della produzione e il normale funzionamento delle attrezzature di estrazione e trasporto; in pratica corrisponde alla larghezza della trincea di partenza e dipende dal metodo e dalle attrezzature, in genere non inferiore a 20-30 m per motivi di sicurezza.
Dopo aver fissato la quota di base e le posizioni finali, tracciare il perimetro teorico del piano proiettando le estremità delle sezioni trasversali sulla planimetria stratigrafica alla quota di progetto e collegandole. Per agevolare il trasporto, il perimetro del piano deve essere il più rettilineo possibile; le parti curve devono rispettare i raggi di curvatura minimi previsti per le attrezzature.
(3) Determinare la struttura del pendio e gli angoli di inclinazione. La stabilità del pendio è essenziale per una produzione sicura. La corretta selezione dell'angolo di inclinazione è il mezzo principale per garantire la stabilità. Entro i limiti dei requisiti tecnici e di stabilità, adottare l'angolo di inclinazione finale più ripido possibile per ridurre al minimo la rimozione dei rifiuti. Quando si impostano gli angoli di inclinazione, considerare le proprietà dell'ammasso roccioso, la struttura geologica, l'idrogeologia, il metodo e le attrezzature di estrazione, la durata prevista della miniera e il clima. Ove possibile, condurre prove meccaniche sulle rocce ed eseguire calcoli di stabilità del pendio. Poiché i metodi di calcolo esistenti non sono sempre perfetti, nella pratica gli angoli di inclinazione finali vengono spesso scelti facendo riferimento a miniere analoghe e a dati empirici.
(4) Disegna la vista in pianta finale. I passaggi includono:
Riportare il perimetro del fondo della fossa determinato su carta trasparente e sovrapporlo alla carta topografica-geologica; disegnare, dall'interno verso l'esterno, le punte del banco in base agli elementi di pendenza.
Predisporre le strade di trasporto.
Rivedere e correggere il piano preliminare finale della fossa.
Proiettare il piano definitivo su sezioni trasversali in modo che i limiti della sezione coincidano con il piano. Poiché l'angolo di pendenza, la larghezza e la profondità del fondo influiscono notevolmente sui limiti finali della fossa, è possibile stabilire un sistema di indici di valutazione dinamica per modellare e ottimizzare i limiti della fossa a cielo aperto. Algoritmi di rete neurale BP migliorati possono essere utilizzati per costruire modelli di previsione per angoli di pendenza finali stabili. La simulazione tridimensionale al computer può supportare una pianificazione efficiente e visiva della produzione. I metodi di simulazione al computer consentono un'ulteriore ottimizzazione dei limiti della fossa.
Conclusione L'attività mineraria a cielo aperto utilizza attrezzature di scavo e trasporto specifiche in uno spazio di lavoro esposto. L'angolo di pendenza finale della miniera, la larghezza e la posizione del fondo della miniera e la profondità della miniera influenzano sostanzialmente la sicurezza e l'economia della produzione. Determinare i limiti della miniera è un compito complesso che richiede il rispetto di principi fondamentali, adattandosi al contempo in modo flessibile alle condizioni specifiche del sito per ottenere una progettazione ragionevole. Questo articolo ha esaminato le questioni chiave nell'ottimizzazione dei limiti della miniera, analizzato le caratteristiche dei limiti della miniera a cielo aperto, esaminato gli indicatori principali che influenzano l'angolo di pendenza finale stabile e i metodi per prevedere una pendenza finale ragionevole, e discusso gli approcci per l'ottimizzazione dei limiti della miniera.
