روش استخراج اتاق و پایه – Room and Pillar که خاص کانسارهای مسطح و لایهای نسبتا نازک میباشد، یکی از روشهای استخراجی با فضاهای باز میباشد. روش اتاق و پایه معمولا برای استخراج مواد معدنی زغال، بوراکس، فلدسپات، آهن، سرب، سنگ آهک، پتاس، نمک، اورانیوم،… مورد استفاده قرار میگیرد. این روش بدون نگهداری بوده و نیازی به سیستمهای نگهداری مصنوعی ندارد.
روش اتاق و پایه در میان روشهای زیرزمینی دارای جایگاه ویژهای است. علت آن میزان بالای تولید، هزینه تمام شده نسبتا پایین و سادگی اجرا میباشد. عمومیترین روش استخراج زیرزمینی سرب و روی روش اتاق و پایه است. این روش معمولاً برای استخراج کانسارهای لایهای بزرگ و هموار، عدسی شکل و استراناباند بکار برده میشود.
این روش اولین بار در آمریکا بکار گرفته شد و بیش از 85% زغالسنگ استخراجی زیرزمینی و 62% از کل مواد معدنی به این روش استخراج میشوند. این روش جزء روشهای بزرگ مقیاس (Large Scale) است. در ایران نیز معادنی همچون سنگ مرمریت دهبید، ﻣﻌﺪن ﮐﺮوﻣﯿﺖ ﻓﺎرﯾﺎب، معدن کوشک، معدن زغالسنگ پرورده طبس و… نیز به روش اتاق و پایه استخراج میگردد.
در این روش کارهای معدنی بصورت عمود بر هم و با فواصل منظم در داخل کانسار ایجاد میشود به نحوی که تشکیل یکسری لنگههای مستطیلی و یا مربعی شکل جهت نگهداری طبیعی سقف ایجاد شود. با استخراج یکنواخت، کانسار در صفحه پلان به یک صفحه شطرنج مشابه خواهد بود.
در این روش بازکنندههای آمادهسازی به انتریها (Entries) و بازکنندههای استخراجی به اتاقها (Rooms) معروف هستند. انتریها و اتاقها مشابه و موازی هستند و وقتی توسط میان برها (Cross cuts) قطع میشوند لنگهها (Pillars) شکل میگیرند. هر چه کارهای معدنی زیادتر باشند تهویه و حمل و نقل بهتر انجام میگیرد.
شرایط اجرایی و مشخصات روش استخراج اتاق و پایه
- مقاومت کانسنگ: ضعیف تا متوسط
- مقاومت سنگ: متوسط تا مقاوم، در زمینهای سست و ضعیف نیز میتوان با زیاد کردن تعداد پایهها، این روش را به کار برد که در این حالت مقدار بیشتری از مادهمعدنی باقی خواهد ماند که ممکن است اقتصادی بودن عملیات معدنکاری را زیر سؤال ببرد.
- شکل کانسار: ورقهای یا لایهای
- شیب کانسار: مسطح، این روش استخراج بیشتر در جایی که مادهمعدنی به صورت کمتر از 15 درجه، ترجیحاً لایههای افقی باشد، مورد استفاده قرار میگیرد.
- اندازه کانسار: گسترش منطقهای زیاد، ضخامت کم (زیر 5/4 متر)، اندازه کانسار در انتخاب این روش مهم است ولی کوچک بودن کانسار دلیل بر نادرست بودن انتخاب روش نیست.
- عیار کانسنگ: متوسط، عیار یکنواخت
- یکنواختی کانسنگ: یکنواخت، کانسار باید دارای ضخامت یکنواختی باشد. تغییرات در ضخامت کانسار ممکن است نسبتاً باعث محدودیت در قابلیت مکانیزاسیون شود.
- عمق: بسیار کم عمق تا متوسط (کمتر از 450 متر برای زغال و کمتر از 600 متر برای مواد غیر زغالی)
- هزینه استخراج: به طور نسبی 20 % درصد درآمد
- توان تولید: بالا
- میزان سرمایه گذاری: اولیه بالا
- آماده سازی معدن: سریع
- قابلیت استخراج انتخابی: کم
- بازیابی: (نسبت استخراج) متوسط (با بازیابی پایهها 70 تا 90 درصد و بدون بازیابی پایهها 40 تا 60 درصد)
- نشست زمین: اتفاق نمیافتد در صورتی که قسمتهایی از پایهها یا تمامی آنها استخراج شود، نشست معمولاً تخریب و نشست زمین اتفاق میافتد.
- ایمنی و بهداشت: خوب
- امکان مکانیزاسیون: به شدت مکانیزه
- نیاز به نگهداری: خود نگهدار، در صورتی که پایهها بازیابی شوند به روش تخریبی تبدیل خواهد شد.
عمق کانسار
هرچه عمق کانسار بیشتر باشد، فشار مؤثر بر کارگاه بیشتر است لذا بایستی پایههای محکمتری برجای بماند.
مشخصات مقاومتی سنگ معدن و سنگهای درونگیر
هرچه سقف کارگاه مقاومتر باشد، ابعاد اتاقها را میتوان بزرگتر انتخاب کرد. جنس موادمعدنی نیز در ابعاد پایهها مؤثر است، زیرا هرچه ماده معدنی مقاومتر باشد، با پایههای کوچکتری میتوان کارگاه را نگهداری نمود. مقطع پایهها معمولاً یک شکل هندسی منظم (مستطیل، مربع یا دایرهای) دارد.
یکی از مهمترین عملیاتهای معدنکاری در این مورد کندن مواد معدنی است که عموماً به کمک انفجار انجام میشود. نکته مهم در اینجا انتخاب مختصات چالها و میزان مواد ناریه است و بایستی این مشخصات را به نحوی انتخاب کرد که لرزش حاصله حداقل بوده، و در پایهها و سقف ایجاد شکاف ننماید.
میزان بازیابی با استخراج پایهها یا بدون استخراج پایهها در حالتهای مختلف تغییر میکند.
بدون استخراج پایه ـ تجهیزات غیر پیوسته 50-40 %
بدون استخراج پایه ـ با تجهیزات غیر پیوسته 60-50 %
با استخراج پایه 90-70 %
امروزه روشهای زیادی جهت استخراج لنگهها به کار برده میشود. به طور کلی میتوان گفت که سنگ سقف و خود ماده معدنی تعیین کننده روش بازیابی لنگهها میباشد.
در انتهای عملیات معدنکاری، درصورت امکان، از طریق استخراج پایههای به جا گذاشته شده بازیابی را افزایش میدهند. در این صورت یک خط تخریب (با استفاده از جکهای هیدرولیکی و…) ایجاد شده پایههای ردیفی که بین فضاهای مجاور ایجاد شدهاند، استخراج میگردند، ولی پایههای حصاری بایستی باقی بمانند.
روش کار
در روش اتاق و پایه ماده معدنی را به شکل اتاقهایی استخراج کرده و برای نگهداری سقف قسمتی از ماده معدنی را به صورت پایه جا میگذارند. در این روش فضاهای استخراجی به صورتی راست گوشه و به فواصل منظم از یکدیگر و پایهها به صورت مستطیلی یا مربعی به منظور نگهداری طبیعی ایجاد میگردند. در صورتی که کانسار و روش کاملاً منطبق و یکنواخت باشند، تصویر افقی معدن مشابه یک صفحه شطرنج یا خیابانهای مستطیل شکل در یک شهر خواهد بود.
در این روش مقدار قابل توجهی از مادهمعدنی برجای میماند که اندازه آن ممکن است به بیش از نصف ذخیره نیز برسد. لذا زمانی از آن استفاده میشود که عیار ماده معدنی پایین و یا قیمت آن کم و ذخیرهای زیاد باشد.
در روش اتاق و پایه بلوک معدنی ابتدا توسط راهروهایی به چند بخش استخراجی به طول 750 تا 1500 متر تقسیم میشود. هر راهرو مخصوص عملی جداگانه است و جهت باربری، رفت و آمد، تهویه و… مورد استفاده قرار میگیرد.
استخراج اتاقها از راهروها شروع شده و پهنای جبهه کار یا عرض اتاقها در حدود 7 تا 12 متر خواهد بود. در فاصله بین اتاقها دیوارههایی از ماده معدنی به همان عرض اتاق یا بزرگتر (و گاهی کوچکتر) باقی میماند. طول اتاقها بستگی به فاصله راهروهای هر بلوک داشته و به حدود 70 تا 100 متر میرسد که اخیراً با استفاده از ماشینهای حفار مداوم به 300 متر هم رسیده است. به منظور تهویه مناسب و مطلوب، اتاقها توسط میانبرهایی در فواصل معین به هم مرتبط میشوند.
معمولاً ماده معدنی به جا گذاشته شده به عنوان پایه 20 تا 30 درصد ذخیره میباشد که مقدار آن به استحکام پایه مربوط است.
به طور کلی روند استخراجی اتاق و پایه به شرح زیر است:
الف- عملیات اولیه
با تشکیل اتاقها عملیات استخراج صورت گرفته پیشروی ادامه مییابد.
ب- عملیات ثانویه یا بازیابی پایهها
پس از استخراج اتاقها، در برگشت بازیابی پایهها شروع میشود و برخی از پایهها و یا قسمتهایی از بیشتر پایهها استخراج میشوند.
چرخه عملیات
چرخه عملیات در این روش به دو صورت میگیرد.
- سنتی (Classical) در لایههای سخت و شرایط گازخیزی بالا و ضخامت متغیر
- پیوسته (Continuous)
در روش غیر پیوسته، تجهیزات متحرک و ماشین برای به جریان انداختن چرخه تولید عملیات به کار برده میشود و چرخه عملیات به صورت زیر است:
چرخه تولید= زیر برش – چالزنی – خرجگذاری و انفجار – تهویه – بارگیری و حمل موارد – نگهداری
برش بیشتر در استخراج مواد نرم مثال زغال، پتاس، نمک، ترونا توسط ماشین هاواژ (Havage) یا زغال بر (Coal cutter) انجام میگیرد.
مزایای برش:
- ایجاد سطح آزاد اضافی
- کاهش فشار طبقات
- کاهش مواد ناریه
- زغال در قطعات درشتتری شکسته میشود بنابراین گرد و غبار کاهش مییابد.
عملیات در روش اتاق و پایه سنتی
- زیربری توسط زغالبر برای زغال – در سنگهای سخت زیربری نیاز نیست.
- چالزنی توسط دستگاههای چرخشی متحرک در زغال و ضربهای در سنگهای سخت
- آتشکاری: هوای فشرده (Air dox) یا گاز دی اکسید کربن (Car dox) و یا نیتروگلیسرین و نیترات آمونیوم در زغال، آنفو و اسلاری برای سنگهای سخت- خرج گذاری توسط دست یا ماشین-آتشکاری توسط برق
- بارگیری توسط دستگاه متحرک به نام Mobile Gathering arm و LHD و لودر و اسلاشر (برای سنگ سخت)
- حمل و نقل توسط شاتل کارهای برقی یا دیزلی، نوار نقاله ریل برای زغال و کامیون، ریل و نوار نقاله برای سنگ سخت
در روش سنتی حداقل به 5 جبهه کار برای تولید متوسط نیاز است و به 8 تا 12 جبهه کار هم میرسد.
در روش پیوسته، عملیات توسط یک ماشین استخراج پیوسته (کانتینیوس ماینر) با قابلیت تولید بالا انجام میشود. چرخه تولید در استخراج به صورت زیر است:
چرخه تولید = استخراج (خرد کردن و بارگیری) + باربری
برای استخراج معمولاً از ماشین استخراج پیوسته و برای باربری معمولاً از شاتل یا نوارنقاله استفاده میشود. هر چند روش پیوسته است ولی مطالعات نشان میدهد که فقط 20 درصد از زمان صرف استخراج میشود مابقی زمان صرف تعمیرات، جابجایی و برنامهریزی میشود.
ماشینهای پیوسته معمولاً برای مواد نرم غیر فلزی بکار میرود در مواد سخت (Hard rock) معمولاً از ماشینهای حفر تونل (TBM) استفاده میشود
یکی از پارامترهای اصلی در طراحی معادن به روش اتاق و پایه، طراحی صحیح ابعاد پایه میباشد به گونهای که اهمیت طراحی صحیح و بهینه ابعاد پایه تا آنجاست که تقریبا اقتصادی بودن طرح، حفظ ایمنی کارگاهها و عملیات معدنکاری و بازیابی لنگهها به این فاکتور بستگی دارد.
از آنجا که در روش اتاق و پایه بخشی از ماده معدنی به عنوان لنگه جاگذاری میشود، تحلیل پایداری کارگاه استخراج اتاق و پایه در معادن جهت طراحی و تعیین ابعاد بهینه اتاقها و پایهها از اهمیت بالایی برخوردار است، که این مسئله لزوم تحلیل پایداری کارگاه استخراج را در معدن آشکار میسازد. به منظور تحلیل پایداری کارگاه استخراج، میتوان از نرمافزار تحلیل عددی Phase2 استفاده نمود و با توجه به مشخصات فیزیکی و مکانیکی مواد، که با نمونهگیری، تستهای آزمایشگاهی و برداشتهای صحرایی به دست میآید، و سپس ابعاد بهینه اتاقها و پایههای استخراجی محاسبه میگردد.
مهمترین پارامترها تعیین کننده شکل و اندازه و فواصل لنگهها
- عمق کانسار: با افزایش عمق، فشار بر لنگه افزایش مییابد.
- مقاومت ماده معدنی و سنگهای دربرگیرنده
- وجود عوارض زمینشناسی
- شیب و ضخامت لایه
- عیار ماده معدنی
- تنشهای اعمالی و وزن طبقات
- معیارهای ایمنی
روش استخراج پایه
اگر سقف آنقدر سست است که بلافاصله پس از استخراج پایه فرو ریزد آنگاه پایه استخراج و سقف تخریب میشود.
اگر سقف پایدار باشد دو کار ممکن است انجام شود:
- ماده معدنی کم ارزش: قسمتی از ماده معدنی بعنوان پایه بجا گذاشته میشود تا سقف کاملاً پایدار بماند.
- ماده معدنی گران قیمت: پایه استخراج میشود ولی کارگاه استخراج با مواد پر کننده پر میشود.
مواد پر کننده میتواند ترکیبی مشابه این ترکیب داشته باشد: 55% گراول رودخانهای زیر 2 اینچ، 40% ماسه بادی و 5% سیمان. همچنین ممکن است از باطله کارخانه فرآوری نیز در ترکیب مواد پر کننده استفاده شود.
در روش سوم میبایست هزینه پر کردن شامل هزینه مواد اولیه و هزینههای عملیاتی محاسبه شده باشند. گاهی حتی ممکن است به سیمان دسترسی نداشته باشیم.
برای استخراج پایه نمیتوان تمام پایه را یکجا استخراج کرد. برای استخراج پایهها یکی از چهار روش نشان داده شده در شکل زیر استفاده میشود:
برای اطمینان بیشتر از ماشین مخصوص MRS برای حفاظت در برابر تخریب سقف استفاده میشود. یک نمونه از این دستگاه در شکل زیر نشان داده شده است.
بازیابی پایهها
یکی از محدودیتهای روش اتاق و پایه آن است که بخش قابل توجهی از ذخیره ممکن است به صورت پایه باقی بماند. در بیشتر موارد سعی میشود که پایهها را با روشهای خاصی در مراحل بعدی، بازیابی کنند. بدین منظور یک خط تخریب ایجاد میشود و پایههای زنجیروار [Chain pillar]که بین فضاهای مجاور ایجاد میشود، استخراج میکنند ولی پایههای حایل [Barrier pillar] باید باقی بمانند. استخراج با این روش شامل دو مرحله به شرح زیر است:
– استخراج اولیه: در مرحله مقدماتی ماده معدنی را از اتاقها استخراج میکنند و کانسار باز میشود.
– استخراج ثانویه یا بازیابی پایهها: در مرحله بعد بازیابی پایهها شروع شده و تمام یا تعدادی از پایهها بازیابی میشوند و استخراج پایهها به روش پسرو انجام میگیرد. با استخراج پایه ها، افت ماده معدنی برجا مانده به 15 تا 20 درصد میرسد.
متداول ترین روشهای بازیابی پایهها عبارت از انتهاباز [Open ending]، شکاف و حفاظ [Split and fender] ، برداشت به سمت بیرون [Out side lifts] و حایل و بال [Pocket and wing] است. استفاده از پر کردن، مخاطرات ناشی از بازیابی پایهها را کاهش میدهد.
روشهای بازیابی پایهها
- روش شکاف و حفاظ (split & fender):
شیوه کار بدین گونه است که ابتدا یک شکاف در مرکز بزرگترین وجه پایه که همان جهت معدنکاری میباشد، ایجاد میگردد. در این حالت دیوارههای باقی مانده در دو طرف شکاف حکم حفاظ برای انجام عملیات استخراج باقیمانده پایه را دارند. پس از ایجاد شکاف سرتاسری، حفاظها نیز به ترتیب با زاویه نسبت به جبهه کار قبلی استخراج میشوند.
لازم به تذکر است که برداشت حفاظها از سمت منطقه تخریب شده به سمت سایر پایهها صورت میگیرد. با این روش دو یا تعداد بیشتری پایه را همزمان استخراج میکنند. حداقل عرض حفاظها 2.5 متر و حداکثر آن 4 متر بوده و عرض شکافها 3 تا 6 و حداکثر 8 تا 14 متر است.به دلیل سهولت کار روش مناسبی است اما برای پایههای بزرگ و سقف ترد و شکننده مناسب نیست.
- روش حائل و بال (pocket & wing):
این روش برای پایههای با عرض زیاد مناسبتر است. طبق این روش ابتدا دو شکاف در پایه ایجاد میشود. این شکافها بال نامیده میشود. پس از حفر بالها، سقف را بولتگذاری میکنند، سپس استخراج ستونهای حائل انجام میگیرد. این روش در شرایطی که عمق معدن زیاد و کنترل سقف نیازمند پایههای بزرگ باشد و همچنین در شرایطی که آماس سنگ سقف و زغالسنگ پایه زیاد باشد مناسب است.
- روش ته باز (open ending):
این روش تقریبا شبیه روش حائل و بال است اما بالها در کنارههای پایه که به سمت منطقه تخریب قرار دارند ایجاد میشود. از شرایط این روش برخورداری از سقف قابل اطمینان در سرتاسر منطقه میباشد که در زغال سنگ به ندرت دیده میشود.
- روش برداشت به سمت بیرون (outside lifts):
این روش برای پایههایی با ابعاد کوچکتر مناسب است و در معادن کم عمق استفاده میشود یا اینکه استخراج جزئی پایهها مد نظر باشد. طبق این روش پایهها را با زاویه مناسب استخراج میکنند و شکافی ایجاد نمی شود.
امروزه به دلیل محدودیتهای موجود در این روشها، روشهای عددی به طور وسیعی برای طراحی و مدلسازی مراحل بازیابی به کار میروند. در روشهای بازیابی پایهها در روش استخراج اتاق و پایه با در نظر گرفتن ترتیب مراحل استخراج میتوان با استفاده از مدلسازی عددی در نرمافزار FLAC3D این محاسبات و انتخاب روش را انجام داد و برای هر قسمت بازیابی بهینه و حتی روش شخصیسازی شده یا اصلاح شده مناسب را انتخاب نمود.
تهویه
تهویه روش اتاق و پایه بسیار دشوار است و علت اصلی آن هم پیچیده بودن شبکه تهویه است. به طور کلی تهویه اتاق و پایه در دو بعد بررسی میشود: تهویه موضعی و تهویه معدن.
تهویه موضعی:
در بحث تهویه موضعی، تهویه صحیح جبههکارها مطرح است. به هر بخش استخراجی زغال حداقل میبایست 25/4 متر مکعب بر ثانیه هوا رسانده شود. این هوا ممکن است از میانبر به بخش رسانده شود.
به هر جبهه کار استخراجی حداقل میبایست 42/1 مترمکعب بر ثانیه هوا رسانده شود.
هوای تهویه میبایست حداقل 5/19 درصد اکسیژن و حداکثر 5/0 درصد دی اکسید کربن داشته باشد.
هوای مورد نیاز تهویه فرعی معمولاً با استفاده از بادبزن فرعی تامین میشود. این بادبزنها در خارج از دهانه اتاق و در داخل راهروی اصلی حمل و نقل قرار دارد.
بادبزنهای تهویه فرعی ممکن است از نوع دهشی یا از نوع مکشی باشند که هر یک از ویژگیهای خاص خود برخوردارند. دهشی بهتر هوا را به جبههکار میرساند ولی مکشی هوای آلوده را بطور کامل جمع آورد میکند و از انتشار آن در داخل تونل جلوگیری میکند.
تهویه معدن:
یک شریان هوا در تونلهای هوا و یا در تونلهای تهویه برقرار است و هوای مورد نیاز اطاقها و همچنین جبههکارهای استخراجی از این شریان تامین میشود. در انجام عملیات تهویه تعداد زیادی درب تهویه در شبکه نصب میشود.
یکی از روشهای تقسیم هوا در شبکه معدن به شرح زیر میباشد:
ورود هوا از اتاقهای مرکزی تا آخرین اتاق موازی جهت عمومی جبههکارهای پیشروی ادامه دارد. در این محل هوا به دو بخش تقسیم و به جبههکارهای چپ و راست هدایت میشود. هوا به ترتیب تمام جبههکارها را تمیز کرده و سپس از دو اتاق انتهایی طرفین به خارج هدایت میشود. برای جلوگیری از مخلوط شدن هوای تمیز و آلوده، دربهای تهویه در امتداد کارگاه نصب میشود.
مزایای روش استخراج اتاق و پایه
- راندمان تولید بالا
- هزینه استخراج متوسط (به طور نسبی 30 درصد)
- به طور متوسط میزان تولید بالا
- درصورت بازیابی پایهها، میزان بازیابی متوسط تا خوب
- مناسب برای مكانیزه كردن و نیاز كمتر به نیروی انسانی
- تمركز عملیات
- انطباقپذیر برای شرایط مختلف سقف
- تهویة خوب با فضاهای متعدد
- سیكل عملیات تكرار میشود. بنابراین آموزش و یادگیری آن آسان است
- معدنكاری انتخابی امكانپذیر است
- در افقهای چندگانه به طور همزمان قابل اجراست
- درحین آمادهسازی مقدار قابل توجهی ماده معدنی تولید میشود
- تعویض و جابجایی وسایل و تجهیزات آسان است
معایب روش استخراج اتاق و پایه
- تخریب و نشست در سطح زمین در صورت استخراج قابل توجه پایهها
- روش نسبتاً غیرقابل انعطاف است
- اگر پایههای استخراج نشوند، بازیابی ضعیف خواهد بود (40 تا 60 درصد)
- افزایش تنشهای زمین و همچنین افزایش فشار وارد برنگهدارها با افزایش عمق
- میزان سرمایهگذاری جهت مكانیزاسیون بالا میباشد
- به علت نیاز به فضاهای متعدد، نیاز به آمادهسازی گسترده دارد
- تعمیر و نگهداری قسمتهای فعال سقف در دراز مدت مشكل و پرهزینه است.
- در شرایط بد كمر بالا قابل اجرا نیست
- با افزایش عمق به علت نیاز به پایههای بزرگتر درصد استخراج کاهش مییابد.
عالی دستان درد نکنه.مختصر مفید وفنی
با سلام و احترام، سپاس از توجه شما و حسن نظرتون