نقش ایمنی در صنعت

طراحی معادن روباز(پیت)open pit mining
نویسنده : محمد میلاد ناظران - ساعت ۳:٤٠ ‎ق.ظ روز چهارشنبه ٢۱ اسفند ۱۳۸٧
 

طراحی معادن روباز(پیت)open pit mining


طراحی پیت:
کار اصلی طراحی مهندسی در آماده سازی معادن سطحی ،طراحی کاواک معدن روباز می باشد.
سه دسته عامل زیر در طراحی کاواک دخیل هستند:
۱-عوامل طبیعی و زمین شناسی: شرایط زمین شناسی ، نوع کانسنگ ، شرایط آب شناسی ، توپوگرافی و مشخصات متالورژیکی
٢-عوامل اقتصادی: عیار کانسنگ ، تناژ کانسنگ ، نسبت باطله برداری ، عیار حد ، هزینه عملیاتی ، هزینه سرمایه گذاری ، سود مورد نظر یا مطلوب ، نرخ تولید و شرایط بازار
٣-عوامل فنی و اقتصادی: تجهیزات ، دیواره کاواک ، ارتفاع پله ، شیب راهها ، حدود مالکیت ، محدوده کاواک
احتمالا تعیین آخرین عامل یعنی محدوده کاواک ، مهمترین و سخت ترین کار در میان کلیه عوامل مذکور است.
متیسون (۱۹۸٢) علیرغم این که بیشترین اهمیت را برای تعیین حدود نهایی معدن در پایان استخراج قائل است ، اظهار داشته است که آماده کردن و تعیین مراحل استخراج بهینه و برنامه تولید در طول عمر معدن از اهمیت و اولویتی مشابه برخوردار می باشد. دلیل وی این است که در جریان نقدینگی اولیه ایجاد شده در طی ۵ تا ۱۰ سال اول بهره برداری ، رونق یا ورشکستگی معدن را بهتر از پیش بینی وضعیت اقتصادی محدوده نهایی معدن در ٢۰ سال آینده ، نشان می دهد. در این رابطه ، وی فهرستی از اهداف طراحی کاواک را از نقطه نظر امکان پذیری به شرح زیر ، ارائه داده است:
۱-استخراج ماده معدنی به نحوی که قیمت تمام شده در تولید هر پوند(کیلوگرم) فلز در حداقل ممکن باشد.(به عبارت دیگر ، استخراج "بهترین کانسنگ بعدی" در مراحل تولید)
٢-حفظ شرایط و قابلیت اجرایی یا عملیاتی (مناسب بودن عرض پله و حاضر و آماده بودن راههای باربری برای تجهیزات)
٣-باز کردن روی ماده معدنی (آشکارسازی یا در معرض دید گذاشتن ماده معدنی) در حد کافی به منظور جبران یا مقابله با اطلاعات غلط یا غیر مکفی حاصل از اکتشافات
۴-به تعویق انداختن باطله برداری بدون در تنگنا قرار دادن نیروی انسانی ، تجهیزات یا برنامه تولید تا زمانی که امکان دارد
تبعیت از یک برنامه زمانی منطقی و عملی یا قابل اجرا برای شروع به کار (برای آموزش ، تهیه یا تدارک و به کارگیری تجهیزات ، تامین تدارکات ، غیره)
بیشینه سازی زاویه شیب دیواره ، در حین کمینه سازی احتمال ریزش آن (ایجاد پله ها یا دیواره های ایمنی ، به کارگیری مکانیک سنگ و غیره)
بررسی شرایط اقتصادی و سودآوری درحالت های مختلف یا گزینه های منطقی عیار حد و نرخ تولید
در پایان ، مطالعه روش ، تجهیزات و برنامه انتخاب شده به منظور ارزیابی تحقق پذیری کامل طرح ، قبل از شروع آماده سازی
متیسون علیرغم پذیرش نقش تکنیک های کامپیوتری در تجزیه و تحلیل و بهینه سازی ، در طراحی کاواک به جای استفاده از کامپیوتر ، استفاده از روش های دستی را به منظور درک اجرایی از مدل حاصله ،پیشنهاد می کند.
اولین گام در طراحی معدن سطحی ، تهیه طرح بلند مدت استخراج یا طراحی کاواک نهایی می باشد. در تهیه طرح ، موقعیت خطوط مرزی انواع مختلف کانسنگ و مرزهای کانسار براساس اطلاعات پردازش شده اکتشافی ، به منظور تعیین محدوده نهایی کاواک ، مشخص می شود. در حقیقت طرح های بلند مدت معمولا در طول زمان متناسب با تغییرات اقتصادی ، افزایش اطلاعات در مورد پیکره ماده معدنی و بهبود فناوری معدنکاری تغییر می کنند. طر های بلند مدت استخراج باید در فواصل منظم زمانی با استفاده از کامپیوتر به منظور مقایسه گزینه های مختلف محدوده کاواک ، مانند آنچه در شکل زیر نشان داده شده است ، طرح و تعدیل و روزآمد شوند.
مقطع قائم یک معدن روباز سنگ آهن شامل مرزهای مختلف کانسنگ آهن مختلف محدوده کاواک.
نسبت باطله برداری مجاز حداکثر در یک معدن سطحی یک نسبت سربه سری است که صرفا بر مبنای مسائل اقتصادی محاسبه می شود. وقتی حدود کاواک مشخص و ترسیم شد ، این نسبت به عنوان نسبت باطله به ماده معدنی در محدوده نهایی کاواک در نظر گرفته می شود که در این حالت سود حاصل از عملیات صفر است. از جنبه ریاضی این نسبت طبق رابطه زیر محاسبه می گردد:




ارزش یا درآمد کانسنگ برحسبST/$ (T/$) ، درآمد قابل بازیافت و هزینه تولید بر حسبST/$ (T/$) ، مجموع کل هزینه ها تا مرحله فرآوری نهایی یا تصفیه به استثنای هزینه باطله برداری می باشد. هزینه باطله برداری ، هزینه کندن و جابجایی واحد باطله یا روباره استاندارد است. از آنجا که درآمد منهای هزینه به طور کلی برابر با سود است و حد نهایی کاواک ، سود برابر صفر در نظر گرفته شده است ، حاصل صورت کسر فوق پولی است که می توان در این شرایط (سود برابر صفر) صرف روباره یا باطله برداری نمود و سهم یا فوق العاده باطله برداری نامگذاری شده است.
ار آنجا که عیار کانسنگ در سرتاسر کاواک تغییر می کند و قیمت کانسنگ نیز نوسان دارد ، نسبت باطله برداری مجاز حداکثر می تواند با زمان تغییر نماید. بنابراین تهیه یک جدول یا نمودار که در آن تغییرات حداکثر نسبت باطله برداری برحسب عیار و قیمت برای هر کانسار مشخص شده باشد ، بسیار مفید خواهد بود.
نسبت باطله برداری مجاز حداکثر یک ماهیت و مشخصه فیزیکی نیز دارد. این نسبت امکان تعیین محل حدود یا مرزهای نهایی کاواک را به منظور تامین شرایط اقتصادی و شرایط هندسی و فیزیکی موجود کاواک (یعنی شیب دیواره معدن و شیب و عمق سازند) میسر می سازد.
با استفاده از ترسیم یا نگاره سازی کامپیوتری و روش متیسون گزینه های مختلفی را حتی برای شکل های هندسی پیچیده و به صورت سه بعدی به سهولت می توان رسم کرد.

شبیه سازی سه بعدی کامپیوتری از مرزهای کاواک یک معدن سطحی
پس از رسیدن به مقدار حداکثر نسبت باطله برداری و از عمقی که هزینه های استخراج سطحی نسبت به هزینه های استخراج زیرزمینی شروع به افزایش می کنند ، ماده معدنی واقع در زیر آن عمق یا خارج از حد را باید به روش زیرزمینی استخراج کرد. در تصویر زیر یک معدن مس دارای عیارهای مختلف و حداکثر نسبت باطله برداری برابر ٣ تن کوچک بر متر مکعب
(۲.۵تن کوچک بر متر مکعب ) که بدین طریق طراحی شده ، ارائه گردیده است. مواد معدنی واقع در زیر یا خارج از مرز نسبت باطله برداری حداکثر همانطور که نشان داده شده است یا باید استخراج نشده باقی گذاشته شوند یا به روش زیرزمینی استخراج گردند.
موقعیت محدوده کاواک برای یک کانسار مس. عیارهای مختلف کانسنگ و نسبت های باطله برداری مجاز حداکثر برای چهار ربع کاواک نشان داده شده است.
نسبت باطله برداری و حدود نهایی کاواک
نسبت باطله برداری نهایی و حداکثر: این دو نسبت براساس نسبت های باطله برداری محاسبه می شود که بر مبنای آن می توان موقعیت محدوده نهایی کاواک را تعیین نمود و حجم روباره یا باطله ای که باید به ازای واحد وزن کانسنگ ، زغال سنگ یا سنگ های تزئینی و نما برداشته شود را بیان می دارد. بین این دو نسبت باطله برداری باید تفکیک قائل شد
نسبت باطله برداری مجاز حداکثر()=حجم روباره یا باطله به وزن ماده معدنی در محدوده اقتصادی کاواک=


نسبت باطله برداری نهایی یا کل ()=حجم روباره یا باطله به وزن کل ماده معدنی واقع در داخل کاواک یا مقطع قائم عرضی=


حداکثر نسبت باطله برداری در عین حالی که یک کمیت فیزیکی است ، دارای ماهیتی اقتصادی می باشد و تنها بر مبنای پارامترهای اقتصادی تعیین می گردد. ولی نسبت باطله برداری نهایی اصولا یک ماهیت و مفهوم فیزیکی دارد. به دلیل ماهیت اقتصادی حداکثر نسبت باطله برداری است که می توان آن را برای تعیین محدوده نهایی کاواک در کانسارهایی با ضخامت و شیب های مختلف واقع در زمین های افقی یا شیب دار به کار گرفت.
در ایجاد و برقراری یک رابطه و روش برای تعیین محدوده نهایی کاواک هر کانسار کانسنگ یا زغال سنگ ، واحدی به نام حجم معادل به کار گرفته می شود. حجم معادل میزان پولی است که می تواند برای جابجا کردن واحد حجم روباره یا باطله پرداخت یا هزینه شود و به عنوان استانداردی برای معدن یا حوزه ای که باید خاکبرداری در آن صورت گیرد ، پذیرفته شده است. حجم معادل پارامتری بدون بعد است.
برخی از استانداردها و هزینه های کوردی در ادامه آورده شده است:
معادن آهن (superior Lake) (بارگیری و باربری)
آبرفت های یخچالی:


منطقهزغالی آمریکای شرقی (روش نواری)
خاک یا سنگ غیر متراکم:


ناحیه مس پرفیری امریکای غربی ( آتشباری ، بارگیری و باربری)
کوارتز مونزونیت پرفیری:


حجم معادل نسبی بر مبنای استاندارهای فوق محاسبه می شود. بدین ترتیب که ارزش واحد (۱=e) تعیین و حجم معادل سایر مواد نسبت به آن سنجیده می شود. برای مثال در یک معدن زغال سنگ سطحی در امریکای شرقی ، در صورتی که هزینه های برداشت هر یارد مکعب سنگ خوب آتشباری شده ۴/۰ دلار باشد( ٢۵/۰) ، حجم معادل نسبی آن برابر با ٢ (٢=e) خواهد شد که بر مبنای ۱=e یعنی ٢/۰تعیین شده است و این رقم ٢۶/۰ یا ٢/۰ استاندارد متوسط مصالحی می باشد که به روش نواری در آن ناحیه برداشت می شوند. فهرستی از حجم های معادل نسبی در ادامه آورده شده است:

از حجم معادل در محاسبه نسبت باطله برداری مجاز حداکثر و محدوده های کاواک ، وقتی که با مواد مصالح مختلف در باطله برداری یا روباره برداری مواجه هستیم استفاده می شود.

ارتباط بین نسبت باطله برداری حداکثر و محدوده نهایی کاواک
در شکل زیر حالت ساده ای از یک کانسار شیب دار واقع در زمینی افقی به صورت مقطع قائم عرضی همراه با پارامترهای کلیدی نشان داده است. ضخامت ، شیب و ضریب تناژ کانسار به ترتیب t ، α وFT و طول مایل حد نهایی کاواک m ، زاویه شیب دیواره کاواک (در باطله) β ، طول مایل آن l ، ارتفاع قائم یا عمق کاواک h و فاصله افقی از رخنمون تا حد کاواک d می باشد. d از لبه پله و m از پاشنه پله اندازگیری شده است. حجم روباره در مقاطع قائم V و وزن ماده معدنی W است. معمولا α و β برحسب درجه بیان می شوند ولی ممکن است β به صورت درصد (یعنی tan زاویه شیب دیواره) نیز بیان شود که در محاسبات باید تبدیل به درجه گردد.
با در نظر گرفتن بعد واحد برای مقطع قائم (ft١ یا m١) در حد نهایی را بیان می کند که مستلزم برداشت روباره ای با عرض b است. در نتیجه در حد نهایی کاواک برداشتن منشوری از روباره با حجم v ، منشوری از ماده معدنی با وزن w را باز یا آشکار می سازد. برای روباره می توان رابطه زیر را نوشت:

که b و l بر حسب ft(m) و v برحسب 3yd (و در صورتی که ضریب تبدیل ٢٧ حذف شود برحسب 3m می باشد) و برای کانسنگ می توان نوشت:
که t برحسب ft(m) و TF برحسب ST /3ft (T /3m) و w برحسب ST(T) می باشد. نسبت باطله برداری مجاز حداکثر برابر خواهد بود با:
( در سیستم بین المللی واحدها ، 27 حذف می شود) به کار بردن حجم معادل نسبی e ، امکان استفاده از رابطه را وقتی مواد مختلف روباره (یا باطله) وجود دارد ، میسر می سازد. در پایان یک رابطه هندسی برای b باید بدست آورد. با توجه به شکل زیر مجموع زوایا برابر است با:

و بنابراین :
ارتباط هندسی پارامتهای کاواک و نسبت باطله برداری حداکثر در حدود نهایی کاواک (الف) مقطع عرضی ماده معدنی و روباره ، (ب) نمای تفضیلی از برش نهایی کاواک ، (ج) مقطع قائم تفضیلی از محل برخورد ماده معدنی و روباره ، (د) تاثیر پله ایمنی در حدود نهایی کاواک ((بعد واحد با یک اینچ نشان داده شده است))
بنابراین با محاسبه نسبت باطله برداری حداکثر و قرار دادن در رابطه:

طول مایل دیواره کاواک را در حد نهایی اقتصادی کاواک بدست آورد:

با استفاده از مثلثات ارتفاع یا عمق کاواک h برحسب ft(m) برابر خواهد بود با:

فاصله افقی کاواک از رخنمون یعنی d برحسب ft(m) که پله ای با عرض a به عنوان پله ایمنی را نیز در بر می گیرد:

و در نهایت طول مایل کانسنگ از رخنمون یعنی m برحسب ft(m) برابر خواهد بود با:

حالت های مختلف و متععدی در شکل هندسی کانسار روباره وجود دارد که بر تعیین نسبت باطله برداری حداکثر و حدود نهایی کاواک تاثیر می گذارد و دو نمونه آن در شکل زیر نشان داده شده است. در قسمت الف شکل سطح زمین افقی و کانسار شیب دار است ولی در قسمت ب از شکل سطح زمین شیب دار و کانسار افقی می باشد.
با اصلاح رابطه:

رابطه ای برای تعیین نسبت باطله برداری حداکثر بدست خواهد آمد:

در صورتی که زاویه شیب دیواره های معدن در روباره های مختلف ثابت باشد ، در نتیجه
٢b= ١b . پس از محاسبه مقدار عددی ٢l با استفاده از توابع مثلثاتی ، مقدار ١l یعنی تنها پارامتر مجهول از رابطه زیر بدست می آید:

سپس طول مایل دیواره ٢ll=l و مقادیر h ، d و m با استفاده از روابط

اصلاح شده بدست می آید. در صورتی که با توجه به شیب دار بودن سطح زمین نیاز به اصلاح داشته باشد ، تعیین خواهد شد. در محاسبه مقدار b با استفاده از رابطه


دقت شود که زوایای α و β همیشه نسبت به افق اندازگیری شود. اگر α و β نسبت به افق اندازگیری نشوند (وقتی سطح زمین شیب دار باشد) خطایی در مقدار b به وجود خواهد آمد.
در صورتی که دو متغیر در هندسه کانسار وجود داشته باشد (هم t و هم l تغییر کند) رابطه:


را باید به صورت سعی و خطا حل کرد. راه حل گرافیکی سریعتر از راه حل جبری است مگر این که بتوان تکرارها را با کامپیوتر انجام داد.
گوناگونی ها در ترکیب هندسه کانسار و روباره. (الف) کانسار لایه ای غیر زغالی شیب دار همراه روباره هایی با دو سازند متفاوت دارای حجم معادل ١e و ٢e. (ب) کانسار لایه ای زغالی افقی با روباره هایی از دو سازند مختلف و حجم معادل نسبی ١e و ٢e.