امکان‌سنجی، طراحی و تحلیل پایداری پایه‌ها و راهروهای معدنکاری به روش تخریب بلوکی (مورد مطالعاتی: کانسار مس واقع در شرق اصفهان)

نوع مقاله: گزارش فنی

نویسندگان

دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود

10.29252/anm.2019.1241

چکیده

در این مقاله با تمرکز بر پتانسیل معدنی واقع در شرق اصفهان به عنوان مطالعه موردی، در ابتدا به انتخاب مناسب‌ترین روش استخراج با استفاده از تکنیک نیکولاس و منطق فازی پرداخته شده است. نتایج نشان داد که با توجه به ویژگی­های کانسار، روش تخریب بلوکی اقتصادی‌ترین روش برای کانسار موردنظر است. سپس بر اساس روش آنالیز مقطع موثر، محدوده معدنی موردنظر انتخاب شده است. در ادامه، طراحی زیربرش، پایه‌های اصلی و قیف‌های تخلیه انجام شده است. از آنجا که در روش تخریب بلوکی، لازم است پایه‌ها و راهروهای باربری برای مدت زمان زیادی و تا پایان عمر معدن پایدار بمانند، لذا تعیین تنش‌های القا شده و بررسی وضعیت پایداری و میزان جابجایی آنها و در نهایت ارایه یک سیستم نگهداری به منظور فراهم آوردن پایداری پایه‌ها و راهروهای باربری، بسیار ضروری و حایز اهمیت است. در این مقاله، روش عددی تفاضل محدود برای تعیین مقدار تنش‌های القا شده بر روی پایه‌ها و راهروها که به علت ایجاد زیربرش و چرخه‌های معدنکاری پس از ایجاد زیربرش به وجود می‌آید، مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج تحلیل‌های عددی نشان داد که باید از ترکیب قاب‌های فولادی و شاتکریت برای پایداری پایه‌ها و راهروهای باربری استفاده شود که در نهایت قاب فولادی IPE120 و شاتکریت با ضخامت 20 سانتی‌متر به عنوان سیستم نگهداری مناسب برای مورد مطالعاتی انتخاب شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Feasibility, design and stability analysis of the major apexes and haulage roads in the block caving method (Case Study: copper deposit in east of Isfahan)

نویسندگان [English]

  • Ramin Rafiee
  • Mehdi Noroozi
  • Mohammad Reza Pirhooshiyran
Dept. of Mining, Petroleum & Geophysics, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده [English]

Summary
In this paper, by focusing on the deposit which is located in the in eastern of Isfahan as a case study, in the first step, by using fuzzy Nicolas method the appropriate extraction method is selected. The results showed that according to the characteristics of ore deposit, the block caving method is the most suitable method. Then, based on the effective cross-section analysis, the desired range of block caving mine was selected. In the following, the undercut plan, major apex and the draw-bell were designed. Determination of induced stresses and displacement and stability analysis of a suitable support system design is vital, since in the block caving method the major apexes and haulage roads must be stable for a long time. In this paper, the finite difference method is used to determine the induced stresses on the major apex and haulage road when undercutting and draw-bell extraction. The results of the numerical analysis showed that the combination of IP steel and shotcrete support system should be used for the stability of the apexes and the haulage loads. Finally, the IP 120 steel frame and 20 cm thick shotcrete is selected as the proper support system.
 
Introduction
Block caving is a method that is completely based on the principles of caving. This method is based on the assumption that ore fractures and breaks by itself, due to the presence of internal stresses and forces caused by the weight of the ore body and also the downward movement of the broken rocks. The deposit is divided into large blocks, usually square in shape. Each block is undercut completely by a horizontal slot. Gravity forces due to the presence of millions of tons of ore and waste, being in the block and above and around the block, act on the rock masses, and successive fracturing occurs in this way, affecting the entire block in a gradual manner. In the block caving method, the major apexes and haulage roads remain stable for a long time. Therefore, determination of induced stresses and study of their stability and displacement for suitable support system design is vital.
 
Methodology and Approaches
In this paper, firstly, the appropriate extraction method is selected by using fuzzy Nicolas method. Then, based on the effective cross section analysis, the desired range of block caving mine is selected. Finally, by using numerical molding method the appropriate support system is selected for major apexes and haulage road.
 
Results and Conclusions
The results of numerical analysis showed that the combination of steel IP and shotcrete should be used for the stability of the apexes and the haulage loads. Finally, the IP 120 steel frame and 20 cm thick shotcrete is selected as the proper support system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Block caving
  • Design
  • apex stability
  • induced stresses
  • proper supporting system
  • finite difference method

تخریب بلوکی واژه­ای عمومی است و به روش معدنکاری توده­ای عمیق اشاره دارد که در آن استخراج ماده معدنی تا حد زیادی به عمل گرانش بستگی دارد[1]. روش تخریب بلوکی به دلیل هزینه پایین و ظرفیت تولید بالا، اکثرا در مورد توده­های معدنی بزرگ به کار می­رود. در این روش به وسیله زیربرش، ناحیه­ای با ابعاد کافی برداشته می­شود، به گونه­ای که توده بالایی به طور طبیعی تخریب شود. تخلیه مواد معدنی خرد شده از قسمت پایینی ستون معدنی سبب می­شود که عمل تخریب به سمت بالا و تا زمانی که تمام توده بالای افق زیربرش خرد شود، ادامه یابد[2]. شکل 1 نمایی از این روش را نشان می­دهد.

تخریب بلوکی کم هزینه­ترین روش استخراجی، به استثنای معدنکاری روباز یا بازیابی درجا، است. در این روش نرخ تولید به بیش از 72000 تن در روز می­رسد[1].

روش معدنکاری تخریب بلوکی شامل چندین افق مختلف است. در حین آماده­سازی اولیه باید افق­های ترابری، تولید و زیربرش و همچنین نقاط تخلیه احداث شوند. پس از آماده‌سازی اولیه، تضعیف مرزها و عملیات آتشباری زیربرش انجام می­شود. نگهداری سنگ نیز با توجه به آنکه وزن زیادی را متحمل می­شود، در روش تخریب بلوکی از اهمیت بالایی برخوردار است[1].

پایداری افق استخراج یکی از موضوعات اصلی مورد توجه در معدنکاری به روش تخریب بلوکی است. فاصله نسبتاً زیاد نقاط تخلیه از یکدیگر (10 تا 15 متر)، وجود واحدهای باربری LHD[i] (این واحدها برای انجام عملیات نیازمند تونل­های بزرگ هستند) و ایجاد سقف قوسی شکل[ii] ماده معدنی در نقاط تخلیه، موجب اعمال بار و تنش زیاد بر پایه‌های استخراج و راهروهای باربری می­شود[4]. از طرفی، به دلیل اینکه این پایه­ها و راهروهای باربری باید تا انتهای عمر معدن و پایان عملیات معدنکاری پایدار بمانند، بررسی پایداری و تعیین تنش­های القا شده در آنها امری ضروری است.

استرهایزن[4] با استفاده از روش المان مرزی (BEM) مطالعه­ای را با هدف بررسی تاثیر پایه­های فرعی[iii] بر پایداری افق استخراجی و تعیین امکان انتقال تنش­های افقی از طریق این پایه­ها، انجام داد. مدلسازی­های وی نشان داد که تنش‌های موجود در اطراف یک توده تخریبی کمتر از تنش‌های ناحیه­ای است. هم­چنین وی نشان داد پایه­های فرعی تاثیر زیادی بر پایداری دارند.

در مطالعه­ای دیگر، ترومن و همکاران[5] مقدار تنش‌های القا شده در مرزهای افق تولید و تونل­های افق زیربرش را برای شرایط مختلف تنش­های برجا و الگوهای متفاوت زیربرش با استفاده از مدلسازی عددی با نرم‌افزار FLAC3Dمورد بررسی قرار دادند. مطالعه آنها شامل یک تحلیل پارامتری به منظور بررسی تاثیر توالی زیربرش‌ها، رژیم تنش‌های برجا، فاصله جدایش بین افق‌های زیربرش و تولید، شعاع هیدرولیکی و عمق زیر سطح زمین بر تنش‌های افق تولید بود.



[i] Load Haul Dump

[ii] Hangup

[iii] Minor Apex

[1]           Hartman, Howard L. (1996), SME mining engineering handbook. Ed. Scott G. Britton. Vol. 1. Colorado: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration.

[2]           Hustrulid, William A. (1982), "Underground mining methods handbook." (1982).

[3]           Brady, Barry HG, and Edwin T. Brown. (2004), Rock mechanics: for underground mining. Springer Science & Business Media.

[4]           ESTERHUIZEN, GS. (1987), "Three-dimensional Stress Analysis of Block Caving Mining Layouts." APCOM 87: Mining 1: 43.

[5]           Trueman, R., M. Pierce, and R. Wattimena. (2002), "Quantifying stresses and support requirements in the undercut and production level drifts of block and panel caving mines." International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 39.5, 617-632.

[6]           Rech, W., and Lorig, L., 1992, Predictive numerical stress analysis of panel caving at the Henderson Mine: MASSMIN, v. 92, p. 55-62.

[7]           Palma, R., and Agarwal, R., 1973, A Study of the Caveability of Primary Ore at the El Teniente Mine.

[8]           Rocscience, 2004, Phase 2version 5.0, Rocscience Inc., Toronto, Canada

[9]           Karzulovic, A., and Flores, H., 2003, Geotechnical guidelines for a transition from open pit to under-ground mining.

[10]         Lorig, L., 2000, The Role of Numerical Modelling in Assessing Caveability, Itasca Consulting Group, Inc., Report to the International Caving Study: ICG00-099-3-16, October.

[11]         Gilbride, Leo J., J. F. T. Agapito, and Robert Kehrman, (2004),"Ground support design using three-dimensional numerical modeling at Molycorp, Inc.’s, block caving Questa Mine." MassMin 2004—Proceedings, 22-25.

[12]         Brown, E. T. (2007). Block Caving Geomechanics: International Caving Study 1997-2004. Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre, the University of Queensland.

[13]         Laubscher, D. H. (1994), "Cave mining-the state of the art." Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy 94.10, 279-293.

[14]         Laubscher, D. H. (2000), "A practical manual on block caving." Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre, Brisbane.

[15]         Ferguson, G. A. (1979), "Optimization of block caving with a complex environment." Mining MagazineI 140, 126-139.

[16]         Sakurai, S. (1981), "Direct strain evaluation technique in construction of underground opening." The 22nd US Symposium on Rock Mechanics (USRMS). American Rock Mechanics Association