La motivazione per la selezione di un metodo per l'estrazione del carbone dipende da fattori quali la topografia, la geometria del giacimento di carbone, la geologia delle rocce sovrastanti e requisiti o vincoli ambientali. A prevalere su questi, tuttavia, sono i fattori economici. Includono: disponibilità, qualità e costi della forza lavoro richiesta (compresa la disponibilità di supervisori e dirigenti formati); adeguatezza delle strutture abitative, alimentari e ricreative per i lavoratori (soprattutto quando la miniera si trova a distanza da una comunità locale); disponibilità delle attrezzature e dei macchinari necessari e di lavoratori formati per farli funzionare; disponibilità e costi di trasporto per i lavoratori, forniture necessarie e per portare il carbone all'utente o all'acquirente; disponibilità e costo del capitale necessario per finanziare l'operazione (in valuta locale); e il mercato per il particolare tipo di carbone da estrarre (vale a dire il prezzo al quale può essere venduto). Un fattore importante è il rapporto di spogliatura, cioè la quantità di materiale di copertura da rimuovere in proporzione alla quantità di carbone che può essere estratto; all'aumentare di questo, il costo del mining diventa meno attraente. Un fattore importante, soprattutto nell'estrazione di superficie, che purtroppo viene spesso trascurato nell'equazione, è il costo del ripristino del terreno e dell'ambiente quando l'attività mineraria viene chiusa.

Salute e Sicurezza

Un altro fattore critico è il costo per proteggere la salute e la sicurezza dei minatori. Sfortunatamente, in particolare nelle operazioni su piccola scala, invece di essere soppesate nel decidere se o come il carbone debba essere estratto, le misure protettive necessarie vengono spesso ignorate o trascurate.

In realtà, anche se ci sono sempre pericoli insospettati - possono provenire dagli elementi piuttosto che dalle operazioni minerarie - qualsiasi operazione mineraria può essere sicura a condizione che ci sia un impegno da parte di tutte le parti a un'operazione sicura.

Miniere di carbone di superficie

L'estrazione superficiale del carbone viene eseguita con una varietà di metodi a seconda della topografia, dell'area in cui viene intrapresa l'estrazione e di fattori ambientali. Tutti i metodi comportano la rimozione del materiale di copertura per consentire l'estrazione del carbone. Sebbene generalmente più sicure dell'estrazione sotterranea, le operazioni di superficie presentano alcuni rischi specifici che devono essere affrontati. Tra questi spicca l'utilizzo di attrezzature pesanti che, oltre agli incidenti, possono comportare esposizione a fumi di scarico, rumore e contatto con carburanti, lubrificanti e solventi. Le condizioni climatiche, come forti piogge, neve e ghiaccio, scarsa visibilità e caldo o freddo eccessivo possono aggravare questi pericoli. Quando è necessaria la sabbiatura per rompere le formazioni rocciose, sono richieste speciali precauzioni nello stoccaggio, nella manipolazione e nell'uso degli esplosivi.

Le operazioni in superficie richiedono l'utilizzo di enormi discariche per lo stoccaggio dei prodotti di copertura. Devono essere implementati controlli adeguati per prevenire il fallimento della discarica e per proteggere i dipendenti, il pubblico in generale e l'ambiente.

Estrazione sotterranea

Esiste anche una varietà di metodi per l'estrazione sotterranea. Il loro denominatore comune è la creazione di tunnel dalla superficie al giacimento di carbone e l'uso di macchine e/o esplosivi per estrarre il carbone. Oltre all'elevata frequenza di incidenti (l'estrazione del carbone è ai primi posti nell'elenco dei luoghi di lavoro pericolosi ovunque vengano mantenute le statistiche), il potenziale per un incidente grave che comporta la perdita di più vite umane è sempre presente nelle operazioni sotterranee. Due cause principali di tali catastrofi sono i crolli dovuti a un'errata progettazione dei tunnel e l'esplosione e l'incendio dovuti all'accumulo di metano e/o livelli infiammabili di polvere di carbone nell'aria.

Metano

Il metano è altamente esplosivo in concentrazioni dal 5 al 15% ed è stato la causa di numerosi disastri minerari. È controllato al meglio fornendo un flusso d'aria adeguato per diluire il gas a un livello inferiore al suo raggio esplosivo e per esaurirlo rapidamente dai meccanismi. I livelli di metano devono essere continuamente monitorati e devono essere stabilite regole per chiudere le operazioni quando la sua concentrazione raggiunge l'1-1.5% e per evacuare prontamente la miniera se raggiunge livelli dal 2 al 2.5%.

Polvere di carbone

Oltre a causare la malattia del polmone nero (antracosi) se inalata dai minatori, la polvere di carbone è esplosiva quando la polvere fine viene mescolata con l'aria e incendiata. La polvere di carbone nell'aria può essere controllata da spruzzi d'acqua e ventilazione di scarico. Può essere raccolto filtrando l'aria di ricircolo oppure può essere neutralizzato mediante l'aggiunta di polvere di pietra in quantità sufficiente a rendere inerte la miscela polvere di carbone/aria.

Di ritorno

Ci sono miniere sotterranee in tutto il mondo che presentano un caleidoscopio di metodi e attrezzature. Esistono circa 650 miniere sotterranee, ciascuna con una produzione annua che supera le 150,000 tonnellate, che rappresentano il 90% della produzione di minerale del mondo occidentale. Inoltre, si stima che esistano 6,000 miniere più piccole che producono ciascuna meno di 150,000 tonnellate. Ogni miniera è unica con luoghi di lavoro, installazioni e lavorazioni sotterranee dettate dai tipi di minerali ricercati e dalla posizione e dalle formazioni geologiche, nonché da considerazioni economiche come il mercato per il particolare minerale e la disponibilità di fondi per gli investimenti. Alcune miniere sono in funzione ininterrottamente da più di un secolo mentre altre sono appena agli inizi.

Le miniere sono luoghi pericolosi in cui la maggior parte dei posti di lavoro comporta un lavoro arduo. I pericoli affrontati dai lavoratori vanno da catastrofi come crolli, esplosioni e incendi a incidenti, esposizione alla polvere, rumore, calore e altro ancora. La protezione della salute e della sicurezza dei lavoratori è una considerazione importante nelle operazioni minerarie correttamente condotte e, nella maggior parte dei paesi, è richiesta da leggi e regolamenti.

La miniera sotterranea

La miniera sotterranea è una fabbrica situata nel substrato roccioso all'interno della terra in cui i minatori lavorano per recuperare i minerali nascosti nella massa rocciosa. Perforano, caricano e fanno esplodere per accedere e recuperare il minerale, cioè la roccia contenente una miscela di minerali di cui almeno uno può essere trasformato in un prodotto che può essere venduto con profitto. Il minerale viene portato in superficie per essere raffinato in un concentrato di alta qualità.

Lavorare all'interno dell'ammasso roccioso in profondità sotto la superficie richiede infrastrutture speciali: una rete di pozzi, tunnel e camere che si collegano con la superficie e consentono il movimento di lavoratori, macchine e roccia all'interno della miniera. Il pozzo è l'accesso al sottosuolo dove le derive laterali collegano la stazione del pozzo con le fermate di produzione. La rampa interna è una deriva inclinata che collega livelli sotterranei a diverse quote (cioè profondità). Tutte le aperture sotterranee necessitano di servizi quali ventilazione di scarico e aria fresca, energia elettrica, acqua e aria compressa, scarichi e pompe per la raccolta delle acque sotterranee di infiltrazione e un sistema di comunicazione.

Impianti e sistemi di sollevamento

Il headframe è un edificio alto che identifica la miniera in superficie. Si trova direttamente sopra il pozzo, l'arteria principale della miniera attraverso la quale i minatori entrano ed escono dal loro posto di lavoro e attraverso la quale vengono calati rifornimenti e attrezzature e vengono portati in superficie minerali e materiali di scarto. Le installazioni del vano e del paranco variano a seconda delle necessità di portata, profondità e così via. Ogni miniera deve avere almeno due pozzi per fornire un percorso alternativo per la fuga in caso di emergenza.

Il sollevamento e la traslazione del vano sono regolati da norme rigorose. Le attrezzature di sollevamento (ad es. avvolgitore, freni e fune) sono progettate con ampi margini di sicurezza e vengono controllate a intervalli regolari. L'interno del pozzo viene regolarmente ispezionato da persone in piedi sopra la gabbia e i pulsanti di arresto in tutte le stazioni attivano il freno di emergenza.

I cancelli davanti al pozzo barricano le aperture quando la gabbia non è alla stazione. Quando la gabbia arriva e si ferma completamente, un segnale autorizza l'apertura del cancello. Dopo che i minatori sono entrati nella gabbia e hanno chiuso il cancello, un altro segnale autorizza la gabbia a salire o scendere dal pozzo. La pratica varia: i comandi di segnalazione possono essere impartiti da un tender in gabbia oppure, seguendo le istruzioni affisse in ciascuna stazione del pozzo, i minatori possono segnalare autonomamente le destinazioni del pozzo. I minatori sono generalmente abbastanza consapevoli dei potenziali pericoli durante la guida e il sollevamento dell'albero e gli incidenti sono rari.

Perforazione diamantata

Un deposito minerale all'interno della roccia deve essere mappato prima dell'inizio dell'estrazione. È necessario sapere dove si trova il giacimento e definirne larghezza, lunghezza e profondità per ottenere una visione tridimensionale del giacimento.

La perforazione a diamante viene utilizzata per esplorare un ammasso roccioso. La perforazione può essere effettuata dalla superficie o dalla deriva nella miniera sotterranea. Una punta da trapano tempestata di piccoli diamanti taglia un'anima cilindrica che viene catturata nella serie di tubi che segue la punta. Il nucleo viene recuperato e analizzato per scoprire cosa c'è nella roccia. I campioni di carote vengono ispezionati e le porzioni mineralizzate vengono divise e analizzate per il contenuto di metallo. Sono necessari programmi di perforazione estesi per localizzare i depositi di minerali; i fori vengono praticati a intervalli sia orizzontali che verticali per identificare le dimensioni del giacimento (vedi figura 1).

Figura 1. Schema di perforazione, Garpenberg Mine, una miniera di piombo-zinco, Svezia

Il mio sviluppo

Lo sviluppo della miniera comporta gli scavi necessari per stabilire le infrastrutture necessarie per fermare la produzione e per preparare la futura continuità delle operazioni. Gli elementi di routine, tutti prodotti con la tecnica del trapano-esplosione-scavo, includono cumuli orizzontali, rampe inclinate e rilievi verticali o inclinati.

Affondamento dell'albero

L'affondamento del pozzo comporta lo scavo della roccia che avanza verso il basso e di solito è assegnato agli appaltatori piuttosto che essere eseguito dal personale della miniera. Richiede lavoratori esperti e attrezzature speciali, come un telaio per l'affondamento dell'albero, un paranco speciale con un grande secchio appeso alla fune e un dispositivo per lo smarino dell'albero a presa di cactus.

L'equipaggio che affonda il pozzo è esposto a una varietà di pericoli. Lavorano sul fondo di uno scavo profondo e verticale. Persone, materiale e roccia esplosa devono condividere tutti il ​​grande secchio. Le persone sul fondo del pozzo non hanno un posto dove nascondersi dalla caduta di oggetti. Chiaramente, l'affondamento dell'albero non è un lavoro per gli inesperti.

Alla deriva e in rampa

Una deriva è un tunnel di accesso orizzontale utilizzato per il trasporto di roccia e minerale. Lo scavo alla deriva è un'attività di routine nello sviluppo della miniera. Nelle miniere meccanizzate, per la perforazione frontale vengono utilizzati jumbo di perforazione elettroidraulici a due bracci. I tipici profili di deriva sono 16.0 m² in sezione e il fronte è perforato per una profondità di 4.0 m. I fori vengono caricati pneumaticamente con un esplosivo, solitamente olio combustibile a base di nitrato di ammonio (ANFO), da uno speciale camion di ricarica. Vengono utilizzati detonatori non elettrici (Nonel) a breve ritardo.

Lo sterramento viene effettuato con veicoli con guida a sinistra (carico-trasporto-scarico) (vedi figura 2) con una capacità della benna di circa 3.0 m³. Il letame viene trasportato direttamente al sistema di passaggio del minerale e trasferito su camion per tragitti più lunghi. Le rampe sono passaggi che collegano uno o più livelli con pendenze comprese tra 1:7 e 1:10 (una pendenza molto ripida rispetto alle strade normali) che forniscono una trazione adeguata per mezzi semoventi pesanti. Le rampe sono spesso guidate in una spirale verso l'alto o verso il basso, simile a una scala a chiocciola. Lo scavo della rampa è una routine nel programma di sviluppo della miniera e utilizza la stessa attrezzatura della deriva.

Figura 2. Caricatore con guida a sinistra

Atlas Copco

Raccolta

Un rialzo è un'apertura verticale o fortemente inclinata che collega diversi livelli della miniera. Può servire come scala di accesso alle fermate, come passaggio per il minerale o come via aerea nel sistema di ventilazione della miniera. L'allevamento è un lavoro difficile e pericoloso, ma necessario. I metodi di sollevamento variano dalla semplice perforazione manuale con esplosivo allo scavo meccanico della roccia con macchine di perforazione in rimonta (RBM) (vedere la figura 3).

Figura 3. Metodi di sollevamento

Sollevamento manuale

L'allevamento manuale è un lavoro difficile, pericoloso e fisicamente impegnativo che sfida l'agilità, la forza e la resistenza del minatore. È un lavoro da affidare solo a minatori esperti e in buone condizioni fisiche. Di norma la sezione rialzata è divisa in due comparti da una parete in legno. Uno è tenuto aperto per la scala utilizzata per salire in parete, tubi dell'aria, ecc. L'altro si riempie di roccia esplosiva che il minatore utilizza come piattaforma durante la perforazione del round. La divisione in legno viene estesa dopo ogni round. Il lavoro prevede l'arrampicata su scale, il legname, la perforazione della roccia e l'esplosivo, il tutto svolto in uno spazio angusto e scarsamente ventilato. È tutto eseguito da un singolo minatore, poiché non c'è spazio per un aiutante. Le miniere cercano alternative ai pericolosi e laboriosi metodi di sollevamento manuale.

L'arrampicatore

Il raise climber è un veicolo che evita l'arrampicata su scala e gran parte della difficoltà del metodo manuale. Questo veicolo si arrampica sull'altura su un binario di guida imbullonato alla roccia e fornisce una robusta piattaforma di lavoro quando il minatore sta perforando il round sopra. Rialzi molto alti possono essere scavati con il raise climber con una sicurezza molto migliorata rispetto al metodo manuale. Lo scavo in elevazione, tuttavia, rimane un lavoro molto pericoloso.

La macchina in rilancio

L'RBM è una macchina potente che rompe meccanicamente la roccia (vedi figura 4). Viene eretto in cima al rialzo pianificato e viene praticato un foro pilota di circa 300 mm di diametro per sfondare un obiettivo di livello inferiore. La punta pilota viene sostituita da una testa di alesaggio con il diametro del rilancio previsto e l'RBM viene invertito, ruotando e tirando la testa di alesaggio verso l'alto per creare un rilancio circolare a grandezza naturale.

Figura 4. Alesatrice in sollevamento

Atlas Copco

Controllo a terra

Il controllo a terra è un concetto importante per le persone che lavorano all'interno di un ammasso roccioso. È particolarmente importante nelle miniere meccanizzate che utilizzano attrezzature con pneumatici in gomma dove le aperture di deriva sono 25.0 m² in sezione, a differenza delle miniere con cumuli di rotaia dove sono solitamente solo 10.0 m². Il tetto a 5.0 m è troppo alto perché un minatore possa utilizzare una barra graduata per controllare potenziali cadute di massi.

Diverse misure vengono utilizzate per fissare il tetto nelle aperture sotterranee. Nella sabbiatura liscia, i fori del contorno vengono praticati uno vicino all'altro e caricati con un esplosivo a bassa potenza. L'esplosione produce un contorno liscio senza fratturare la roccia esterna.

Tuttavia, poiché spesso ci sono crepe nell'ammasso roccioso che non si vedono in superficie, le cadute di massi sono un pericolo sempre presente. Il rischio è ridotto dalla bullonatura da roccia, cioè dall'inserimento di barre d'acciaio nei fori e dal loro fissaggio. Il bullone da roccia tiene insieme l'ammasso roccioso, impedisce la propagazione delle crepe, aiuta a stabilizzare l'ammasso roccioso e rende più sicuro l'ambiente sotterraneo.

Metodi per l'estrazione mineraria sotterranea

La scelta del metodo di estrazione è influenzata dalla forma e dalle dimensioni del giacimento, dal valore dei minerali contenuti, dalla composizione, stabilità e robustezza dell'ammasso roccioso e dalle esigenze di produttività e condizioni di lavoro sicure (che a volte sono in conflitto ). Sebbene i metodi di estrazione mineraria si siano evoluti dall'antichità, questo articolo si concentra su quelli utilizzati nelle miniere semi-meccanizzate durante la fine del ventesimo secolo. Ogni miniera è unica, ma tutte condividono gli obiettivi di un posto di lavoro sicuro e di un'attività commerciale redditizia.

Estrazione mineraria a stanze piatte e pilastri

L'estrazione in camera e pilastro è applicabile alla mineralizzazione tabulare con inclinazione da orizzontale a moderata con un angolo non superiore a 20° (vedi figura 5). I depositi sono spesso di origine sedimentaria e la roccia è spesso sia in parete sospesa che in mineralizzazione competente (un concetto relativo qui poiché i minatori hanno la possibilità di installare bulloni da roccia per rinforzare il tetto dove la sua stabilità è in dubbio). La stanza e il pilastro è uno dei principali metodi di estrazione del carbone sotterraneo.

Figura 5. Estrazione a camera e pilastri di un giacimento piatto

Stanza e pilastro estrae un giacimento minerario mediante perforazione orizzontale che avanza lungo un fronte a più facce, formando stanze vuote dietro il fronte di produzione. I pilastri, sezioni di roccia, sono lasciati tra le stanze per evitare che il tetto crolli. Il risultato usuale è uno schema regolare di stanze e pilastri, la cui dimensione relativa rappresenta un compromesso tra il mantenimento della stabilità dell'ammasso roccioso e l'estrazione della maggior quantità possibile di minerale. Ciò comporta un'attenta analisi della resistenza dei pilastri, della portata degli strati del tetto e di altri fattori. I bulloni da roccia sono comunemente usati per aumentare la resistenza della roccia nei pilastri. Le fermate scavate fungono da carreggiata per i camion che trasportano il minerale al silo di stoccaggio della miniera.

La facciata della camera e del pilastro è forata e fatta saltare come in un drifting. La larghezza e l'altezza dello stope corrispondono alla dimensione della deriva, che può essere piuttosto grande. I grandi jumbo di perforazione produttivi vengono utilizzati nelle miniere di altezza normale; gli impianti compatti vengono utilizzati dove il minerale ha uno spessore inferiore a 3.0 m. Lo spesso giacimento minerario viene estratto a gradini partendo dall'alto in modo che il tetto possa essere fissato a un'altezza conveniente per i minatori. La sezione sottostante viene recuperata in fette orizzontali, praticando fori piatti e sabbiatura contro lo spazio soprastante. Il minerale viene caricato sui camion in faccia. Normalmente vengono utilizzati normali caricatori frontali e autocarri con cassone ribaltabile. Per la miniera ad altezza ridotta sono disponibili autocarri da miniera speciali e veicoli con guida a sinistra.

Room-and-pillar è un metodo di mining efficiente. La sicurezza dipende dall'altezza delle stanze aperte e dagli standard di controllo a terra. I rischi principali sono gli incidenti causati dalla caduta di massi e dalle attrezzature in movimento.

Estrazione mineraria inclinata di stanze e pilastri

La stanza e il pilastro inclinati si applicano alla mineralizzazione tabulare con un angolo o inclinazione da 15 ° e 30 ° rispetto all'orizzontale. Questo è un angolo troppo ripido per i veicoli gommati da salire e troppo piatto per un flusso roccioso assistito dalla gravità.

L'approccio tradizionale al giacimento inclinato si basa sul lavoro manuale. I minatori praticano fori esplosivi nelle fermate con perforatrici da roccia manuali. La stoppa viene pulita con raschiatori per fanghiglia.

La fermata inclinata è un luogo difficile in cui lavorare. I minatori devono arrampicarsi sui ripidi cumuli di roccia esplosa portando con sé le loro perforatrici, la puleggia del fanghiglia e i fili d'acciaio. Oltre alle cadute di massi e agli incidenti, ci sono i pericoli del rumore, della polvere, della ventilazione e del calore inadeguati.

Laddove i depositi minerari inclinati sono adattabili alla meccanizzazione, viene utilizzato il "step-room mining". Questo si basa sulla conversione della pedana "difficile immersione" in una "scala" con gradini ad angolo conveniente per le macchine senza cingoli. I gradini sono prodotti da uno schema a rombi di fermate e vie di trasporto all'angolo selezionato attraverso il giacimento.

L'estrazione del minerale inizia con unità di arresto orizzontali, che si diramano da una deriva combinata di trasporto di accesso. La stoppa iniziale è orizzontale e segue il muro pensile. La fermata successiva inizia poco più in basso e segue lo stesso percorso. Questa procedura viene ripetuta spostandosi verso il basso per creare una serie di passaggi per estrarre il giacimento.

Sezioni della mineralizzazione sono lasciate a sostenere il muro pensile. Questo viene fatto estraendo due o tre stope drive adiacenti per l'intera lunghezza e quindi avviando il successivo stope drive un gradino più in basso, lasciando un pilastro allungato tra di loro. Sezioni di questo pilastro possono essere successivamente recuperate come ritagli che vengono perforati e fatti saltare dalla fermata sottostante.

Le moderne attrezzature senza binari si adattano bene all'estrazione in step-room. L'arresto può essere completamente meccanizzato, utilizzando attrezzature mobili standard. Il minerale esploso viene raccolto nelle fermate dai veicoli con guida a sinistra e trasferito al camion della miniera per il trasporto al pozzo/passo del minerale. Se la fermata non è abbastanza alta per il carico dei camion, i camion possono essere riempiti in apposite baie di carico scavate nel viale di trasporto.

Arresto del restringimento

L'arresto del ritiro può essere definito un metodo di estrazione "classico", essendo stato forse il metodo di estrazione più popolare per la maggior parte del secolo scorso. È stato in gran parte sostituito da metodi meccanizzati, ma è ancora utilizzato in molte piccole miniere in tutto il mondo. È applicabile a depositi minerari con confini regolari e avvallamento ripido ospitati in un ammasso roccioso competente. Inoltre, il minerale esploso non deve essere influenzato dallo stoccaggio nei pendii (ad esempio, i minerali di solfuro hanno la tendenza ad ossidarsi e decomporsi se esposti all'aria).

La sua caratteristica più importante è l'uso del flusso per gravità per la movimentazione del minerale: il minerale proveniente dalle fermate cade direttamente nei vagoni ferroviari tramite scivoli evitando il caricamento manuale, tradizionalmente il lavoro più comune e meno apprezzato nell'estrazione mineraria. Fino alla comparsa della pala pneumatica a bilanciere negli anni '1950, non esisteva una macchina adatta al caricamento della roccia nelle miniere sotterranee.

L'arresto del restringimento estrae il minerale in fette orizzontali, partendo dal fondo dello stope e avanzando verso l'alto. La maggior parte della roccia esplosa rimane nello stope fornendo una piattaforma di lavoro per i minatori che praticano i fori nel tetto e servono a mantenere stabili le pareti dello stope. Poiché l'esplosivo aumenta il volume della roccia di circa il 60%, circa il 40% del minerale viene prelevato sul fondo durante l'arresto per mantenere uno spazio di lavoro tra la sommità del mucchio di letame e il tetto. Il minerale rimanente viene prelevato dopo che la sabbiatura ha raggiunto il limite superiore della fermata.

La necessità di lavorare dall'alto del cumulo di letame e l'accesso con scala rialzata impedisce l'uso di attrezzature meccanizzate in sosta. Possono essere utilizzate solo attrezzature sufficientemente leggere da consentire al minatore di maneggiarle da solo. L'air-leg e la perforatrice da roccia, con un peso combinato di 45 kg, è lo strumento abituale per la perforazione della barriera di restringimento. In piedi in cima al cumulo di letame, il minatore raccoglie la trivella/l'alimentazione, ancora la gamba, sostiene la perforatrice da roccia/l'acciaio della trivella contro il tetto e inizia a perforare; non è un lavoro facile.

Estrazione mineraria taglia e riempi

L'estrazione mineraria cut-and-fill è adatta per un deposito minerale a forte immersione contenuto in un ammasso roccioso con stabilità da buona a moderata. Rimuove il minerale in fette orizzontali partendo da un taglio inferiore e avanza verso l'alto, consentendo di regolare i confini dello stope per seguire la mineralizzazione irregolare. Ciò consente di estrarre selettivamente sezioni di alta qualità, lasciando sul posto il minerale di bassa qualità.

Dopo che lo stope è stato ripulito, lo spazio estratto viene riempito per formare una piattaforma di lavoro quando viene estratta la fetta successiva e per aggiungere stabilità alle pareti dello stope.

Lo sviluppo per l'estrazione mineraria in cut-and-fill in un ambiente privo di binari comprende un azionamento di trasporto a terra lungo il giacimento al livello principale, sottosquadro della fermata dotato di scarichi per il rinterro idraulico, una rampa a spirale scavata nel muro con deviazioni di accesso a le fermate e un rialzo dalla fermata al livello superiore per la ventilazione e il trasporto del riempimento.

Arresto overhand viene utilizzato con lo scavo e il riporto, sia con roccia asciutta che con sabbia idraulica come materiale di riempimento. Overhand significa che il minerale viene perforato dal basso facendo saltare una fetta da 3.0 ma 4.0 m di spessore. Ciò consente di perforare l'intera area di stope e di eseguire la sabbiatura dell'intero stope senza interruzioni. I fori “superiori” vengono praticati con semplici trapani a carro.

La perforazione e l'esplosione del foro lasciano una superficie rocciosa ruvida per il tetto; dopo il letame, la sua altezza sarà di circa 7.0 m. Prima che i minatori possano entrare nell'area, il tetto deve essere messo in sicurezza tagliando i contorni del tetto con sabbiatura liscia e successiva scalatura della roccia sciolta. Questo viene fatto dai minatori che utilizzano perforatrici da roccia manuali che lavorano dal muckpile.

In arresto anteriore, attrezzature senza cingoli vengono utilizzate per la produzione di minerali. I residui di sabbia vengono utilizzati per il rinterro e distribuiti nelle fermate sotterranee tramite tubi di plastica. Le fermate sono riempite quasi completamente, creando una superficie sufficientemente dura per essere attraversata da attrezzature gommate. La produzione della fermata è completamente meccanizzata con drifting jumbo e veicoli con guida a sinistra. La facciata dello stope è una parete verticale di 5.0 m che attraversa lo stope con una fessura aperta di 0.5 m al di sotto di essa. Fori orizzontali lunghi cinque metri vengono perforati in faccia e il minerale viene fatto saltare contro la fessura inferiore aperta.

Il tonnellaggio prodotto da una singola esplosione dipende dall'area del fronte e non è paragonabile a quello prodotto dall'esplosione di stope overhand. Tuttavia, l'output dell'attrezzatura senza binari è di gran lunga superiore al metodo manuale, mentre il controllo del tetto può essere ottenuto dal trapano jumbo che pratica fori a getto liscio insieme allo stope blast. Dotato di una benna sovradimensionata e di pneumatici di grandi dimensioni, il veicolo con guida a sinistra, uno strumento versatile per lo sfangamento e il trasporto, si sposta agevolmente sulla superficie di riempimento. In un arresto a doppia faccia, il trapano jumbo lo innesta su un lato mentre l'LHD gestisce il cumulo di letame all'altra estremità, fornendo un uso efficiente dell'attrezzatura e migliorando la produttività.

Arresto sottolivello rimuove il minerale nelle fermate aperte. Il rinterro degli stop con riempimento consolidato dopo l'estrazione consente ai minatori di tornare in un secondo momento per recuperare i pilastri tra gli stop, consentendo un tasso di recupero molto elevato del giacimento minerario.

Lo sviluppo per l'arresto di livello inferiore è ampio e complesso. Il giacimento è suddiviso in sezioni con un'altezza verticale di circa 100 m in cui vengono predisposti sottolivelli e collegati tramite una rampa inclinata. Le sezioni del giacimento sono ulteriormente suddivise lateralmente in fermate e pilastri alternati e nella pedana, in basso, viene creato un azionamento per il trasporto della posta con ritagli per il caricamento del punto di prelievo.

Una volta estratta, la fermata del sottolivello sarà un'apertura rettangolare attraverso il giacimento. Il fondo dello stope è a forma di V per incanalare il materiale sabbiato nei punti di prelievo. Sui sottolivelli superiori vengono preparati i cumuli di perforazione per l'impianto a foro lungo (vedi figura 6).

Figura 6. Arresto sottolivello mediante perforazione ad anello e carico trasversale

La sabbiatura richiede spazio affinché la roccia si espanda di volume. Ciò richiede che venga preparata una fessura larga pochi metri prima dell'inizio del brillamento a foro lungo. Ciò si ottiene allargando un rilancio dal basso verso l'alto dello stope fino a una fessura completa.

Dopo aver aperto lo slot, l'impianto a foro lungo (vedi figura 7) inizia la perforazione di produzione in cumuli di sottolivello seguendo esattamente un piano dettagliato progettato da esperti di sabbiatura che specifica tutti i fori di esplosione, la posizione del collaring, la profondità e la direzione dei fori. L'impianto di perforazione continua a perforare fino al completamento di tutti gli anelli su un livello. Viene quindi trasferito al sottolivello successivo per continuare la perforazione. Nel frattempo i fori vengono caricati e un modello di esplosione che copre un'ampia area all'interno dello stope rompe un grande volume di minerale in un'unica esplosione. Il minerale esploso cade sul fondo dello stope per essere recuperato dai veicoli con guida a sinistra che si depositano nel punto di pescaggio sotto lo stope. Normalmente, la perforazione di fori lunghi anticipa la carica e la sabbiatura fornendo una riserva di minerale pronto per l'esplosione, creando così un programma di produzione efficiente.

Figura 7. Perforatrice per fori lunghi

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L'arresto di sottolivello è un metodo di mining produttivo. L'efficienza è migliorata dalla possibilità di utilizzare impianti produttivi completamente meccanizzati per la perforazione di fori lunghi oltre al fatto che l'impianto può essere utilizzato continuamente. È anche relativamente sicuro perché la perforazione all'interno di cumuli di sottolivello e il letame attraverso i punti di prelievo elimina l'esposizione a potenziali cadute di massi.

Estrazione mineraria a cratere verticale

Come l'arresto del sottolivello e l'arresto del restringimento, l'estrazione del ritiro del cratere verticale (VCR) è applicabile alla mineralizzazione in strati a forte immersione. Utilizza però una tecnica di brillamento diversa, rompendo la roccia con cariche pesanti e concentrate poste in fori (“crateri”) di diametro molto grande (circa 165 mm) a circa 3 m di distanza da una superficie rocciosa libera. L'esplosivo rompe un'apertura a forma di cono nell'ammasso roccioso attorno al foro e consente al materiale esploso di rimanere nello stope durante la fase di produzione in modo che il materiale di riempimento possa aiutare a sostenere le pareti dello stope. La necessità di stabilità della roccia è inferiore rispetto all'arresto sotto il livello.

Lo sviluppo per l'estrazione di VCR è simile a quello per l'arresto di sottolivello, tranne per la necessità di scavi sia sopra che sotto scavo. L'overcut è necessario nella prima fase per accogliere il rig che perfora i fori di esplosione di grande diametro e per l'accesso durante il caricamento dei fori e l'esplosione. Lo scavo sottosquadro ha fornito la superficie libera necessaria per la sabbiatura VCR. Può anche fornire l'accesso a un veicolo con guida a sinistra (azionato da telecomando con l'operatore che rimane fuori dalla fermata) per recuperare il minerale esploso dai punti di prelievo sotto la fermata.

La solita esplosione del videoregistratore utilizza fori in uno schema di 4.0 × 4.0 m diretti verticalmente o fortemente inclinati con cariche posizionate con cura a distanze calcolate per liberare la superficie sottostante. Le cariche cooperano per rompere una fetta di minerale orizzontale di circa 3.0 m di spessore. La roccia esplosa cade nella stoppa sottostante. Controllando la velocità di escrezione, lo stope rimane parzialmente riempito in modo che il rock fill aiuti a stabilizzare le pareti dello stope durante la fase di produzione. L'ultima esplosione rompe il sovrataglio nello stope, dopodiché lo stope viene ripulito e preparato per il riempimento posteriore.

Le miniere VCR utilizzano spesso un sistema di fermate primarie e secondarie al giacimento. Le fermate primarie vengono estratte nella prima fase, quindi riempite con materiale di riempimento cementato. La stoppa viene lasciata in modo che il riempimento si consolidi. I minatori poi tornano e recuperano il minerale nei pilastri tra le fermate primarie, le fermate secondarie. Questo sistema, in combinazione con il rinterro cementato, si traduce in un recupero vicino al 100% delle riserve di minerale.

Speleologia di sottolivello

La speleologia di sottolivello è applicabile a depositi minerali con avvallamento da ripido a moderato e grande estensione in profondità. Il minerale deve rompersi in un blocco gestibile con l'esplosione. Il muro sospeso crollerà in seguito all'estrazione del minerale e il terreno sulla superficie sopra il giacimento del minerale si abbasserà. (Deve essere barricato per impedire a qualsiasi persona di entrare nell'area.)

La speleologia del sottolivello si basa sul flusso gravitazionale all'interno di una massa rocciosa frantumata contenente sia minerale che roccia. L'ammasso roccioso viene prima fratturato mediante trivellazione ed esplosioni e poi espulso attraverso le intestazioni di deriva sotto la grotta dell'ammasso roccioso. Si qualifica come un metodo di mining sicuro perché i minatori lavorano sempre all'interno di aperture di dimensioni di deriva.

La speleologia di sottolivello dipende da sottolivelli con modelli regolari di cumuli preparati all'interno del giacimento minerario a spaziature verticali piuttosto ravvicinate (da 10.0 m a 20 0 m). La disposizione dei cumuli è la stessa su ciascun sottolivello (ovvero, trasmissioni parallele attraverso il giacimento minerario dall'unità di trasporto della parete inferiore al muro sospeso) ma i modelli su ciascun sottolivello sono leggermente sfalsati in modo che i cumuli su un livello inferiore si trovino tra il va alla deriva nel sottolivello sopra di esso. Una sezione trasversale mostrerà un motivo a rombi con derive a spaziatura verticale e orizzontale regolare. Pertanto, lo sviluppo per la speleologia di livello inferiore è ampio. Lo scavo alla deriva, tuttavia, è un compito semplice che può essere facilmente meccanizzato. Lavorare su più intestazioni di deriva su più sottolivelli favorisce un elevato utilizzo dell'attrezzatura.

Quando lo sviluppo del sottolivello è completato, l'impianto di perforazione a foro lungo si sposta per praticare fori di esplosione secondo uno schema a ventaglio nella roccia sovrastante. Quando tutti i fori di esplosione sono pronti, il carro di perforazione a foro lungo viene spostato al livello inferiore sottostante.

L'esplosione del lungo foro frattura la massa rocciosa sopra la deriva del sottolivello, dando inizio a una caverna che inizia al contatto con la parete sospesa e si ritira verso la parete inferiore seguendo un fronte rettilineo attraverso il giacimento del minerale nel sottolivello. Una sezione verticale mostrerebbe una scala in cui ogni sottolivello superiore è un gradino avanti rispetto al sottolivello sottostante.

L'esplosione riempie il fronte del sottolivello con un misto di minerali e rifiuti. Quando arriva il veicolo con guida a sinistra, la grotta contiene il 100% di minerale. Man mano che il carico continua, la proporzione di roccia di scarto aumenterà gradualmente fino a quando l'operatore decide che la diluizione dei rifiuti è troppo alta e interrompe il caricamento. Mentre il caricatore si sposta verso il deposito successivo per continuare a contaminare, il blaster entra per preparare il successivo anello di fori per l'esplosione.

Mucking su sottolivelli è un'applicazione ideale per il veicolo con guida a sinistra. Disponibile in diverse dimensioni per soddisfare situazioni particolari, riempie la benna, percorre circa 200 m, svuota la benna nel passaggio del minerale e ritorna per un altro carico.

La speleologia del sottolivello presenta un layout schematico con procedure di lavoro ripetitive (sviluppo alla deriva, perforazione di fori lunghi, caricamento e brillamento, caricamento e trasporto) che vengono eseguite in modo indipendente. Ciò consente alle procedure di spostarsi continuamente da un sottolivello all'altro, consentendo l'uso più efficiente delle squadre di lavoro e delle attrezzature. In effetti la miniera è analoga a una fabbrica dipartimentalizzata. Il sublevel mining, tuttavia, essendo meno selettivo rispetto ad altri metodi, non produce tassi di estrazione particolarmente efficienti. La grotta comprende dal 20 al 40% di rifiuti con una perdita di minerale che varia dal 15 al 25%.

Block-speleologia

Il block-caving è un metodo su larga scala applicabile alla mineralizzazione dell'ordine di 100 milioni di tonnellate in tutte le direzioni contenute in ammassi rocciosi suscettibili di speleologia (cioè con sollecitazioni interne che, dopo la rimozione degli elementi di supporto nell'ammasso roccioso, favoriscono la fratturazione del blocco minato). Una produzione annua compresa tra 10 e 30 milioni di tonnellate è la resa prevista. Questi requisiti limitano lo scavo di blocchi a pochi depositi minerali specifici. In tutto il mondo esistono miniere scavatrici di blocchi che sfruttano giacimenti contenenti rame, ferro, molibdeno e diamanti.

Bloccare si riferisce al layout minerario. Il giacimento è suddiviso in grandi sezioni, blocchi, ciascuno contenente un tonnellaggio sufficiente per molti anni di produzione. Lo spacco viene indotto rimuovendo la forza portante dell'ammasso roccioso direttamente sotto il blocco mediante un sottosquadro, una sezione di roccia alta 15 m fratturata mediante perforazione a foro lungo e brillamento. Sollecitazioni create da forze tettoniche naturali di notevole entità, simili a quelle che causano movimenti continentali, creano fessure nell'ammasso roccioso, rompendo i blocchi, nella speranza di superare le aperture dei punti di pescaggio nella miniera. La natura, tuttavia, ha spesso bisogno dell'assistenza dei minatori per maneggiare massi di grandi dimensioni.

La preparazione per lo scavo del blocco richiede una pianificazione a lungo termine e un ampio sviluppo iniziale che coinvolge un complesso sistema di scavi sotto il blocco. Questi variano con il sito; generalmente includono sottosquadri, drawbells, grizzlies per il controllo di passaggi di roccia e minerale di grandi dimensioni che incanalano il minerale nel carico del treno.

I drawbell sono aperture coniche scavate sotto il sottosquadro che raccolgono il minerale da una vasta area e lo convogliano nel punto di prelievo al livello di produzione sottostante. Qui il minerale viene recuperato in veicoli con guida a sinistra e trasferito ai passaggi del minerale. I massi troppo grandi per il secchio vengono fatti esplodere nei punti di pescaggio, mentre quelli più piccoli vengono affrontati dal grizzly. I grizzly, serie di barre parallele per la vagliatura di materiale grossolano, sono comunemente usati nelle miniere di speleologia di blocchi sebbene, sempre più spesso, si preferiscano i demolitori idraulici.

Le aperture in una miniera di speleologia di blocchi sono soggette a un'elevata pressione della roccia. I cumuli e le altre aperture, quindi, vengono scavati con la minore sezione possibile. Tuttavia, per mantenere intatte le aperture sono necessarie ampie chiodature da roccia e rivestimento in cemento.

Applicato correttamente, il block-caving è un metodo di estrazione di massa produttivo a basso costo. Tuttavia, la suscettibilità di un ammasso roccioso alla speleologia non è sempre prevedibile. Inoltre, lo sviluppo globale richiesto si traduce in un lungo lead time prima che la miniera inizi a produrre: il ritardo nei guadagni può avere un'influenza negativa sulle proiezioni finanziarie utilizzate per giustificare l'investimento.

Miniere a parete lunga

L'estrazione a parete lunga è applicabile a depositi stratificati di forma uniforme, spessore limitato e grande estensione orizzontale (ad esempio, un giacimento di carbone, uno strato di potassa o la barriera corallina, il letto di ciottoli di quarzo sfruttato dalle miniere d'oro in Sud Africa). È uno dei metodi principali per estrarre il carbone. Recupera il minerale a fette lungo una linea retta che si ripetono per recuperare materiali su un'area più ampia. Lo spazio più vicino alla parete rimane aperto mentre il muro sospeso può crollare a distanza di sicurezza dietro i minatori e le loro attrezzature.

La preparazione per l'estrazione a parete lunga coinvolge la rete di cumuli necessari per l'accesso all'area mineraria e il trasporto del prodotto estratto al pozzo. Poiché la mineralizzazione è sotto forma di un foglio che si estende su una vasta area, le derive possono essere solitamente disposte in uno schema reticolare schematico. Le derive di trasporto sono preparate nella cucitura stessa. La distanza tra due derive di trasporto adiacenti determina la lunghezza della parete lunga.

riempimento

Il rinterro delle miniere impedisce il crollo della roccia. Preserva la stabilità intrinseca dell'ammasso roccioso che promuove la sicurezza e consente un'estrazione più completa del minerale desiderato. Il riempimento è tradizionalmente utilizzato con il taglio e il riempimento, ma è comune anche con l'arresto di sottolivello e il mining VCR.

Tradizionalmente, i minatori hanno scaricato la roccia di scarto dallo sviluppo in fermate vuote invece di trasportarla in superficie. Ad esempio, in scavo e riporto, la roccia di scarto viene distribuita sulla fermata vuota da raschiatori o bulldozer.

Riempimento idraulico utilizza gli scarti dell'impianto di ravvivatura della miniera che vengono distribuiti nel sottosuolo attraverso fori e tubi di plastica. Gli sterili vengono prima sgrassati, solo la frazione grossolana viene utilizzata per il riempimento. Il riempimento è una miscela di sabbia e acqua, di cui circa il 65% è materia solida. Mescolando il cemento nell'ultimo getto, la superficie del riempimento si indurirà in un fondo stradale liscio per attrezzature gommate.

Il riempimento viene utilizzato anche con l'arresto di sottolivello e l'estrazione di VCR, con la roccia frantumata introdotta come complemento al riempimento con sabbia. La roccia frantumata e vagliata, prodotta in una vicina cava, viene consegnata nel sottosuolo attraverso apposite sponde dove viene caricata su autocarri e consegnata alle stazioni dove viene scaricata in apposite sponde. Gli stop primari vengono riempiti con materiale di riempimento in roccia cementata prodotto spruzzando un impasto di cenere volante di cemento sul materiale di riempimento prima che venga distribuito agli stop. Il rockfill cementato si indurisce in una massa solida formando un pilastro artificiale per l'estrazione dello stop secondario. L'impasto cementizio generalmente non è necessario quando si riempiono gli arresti secondari, ad eccezione degli ultimi getti per stabilire un solido pavimento di letame.

Attrezzature per miniere sotterranee

L'estrazione sotterranea sta diventando sempre più meccanizzata ovunque le circostanze lo consentano. Il carro sterzante articolato con pneumatici in gomma, motore diesel, trazione integrale è comune a tutte le macchine mobili interrate (vedere figura 8).

Figura 8. Face rig di piccole dimensioni

Atlas Copco

Fresa frontale jumbo per foratura di sviluppo

Questo è un cavallo di battaglia indispensabile nelle miniere che viene utilizzato per tutti i lavori di scavo nella roccia. Trasporta uno o due bracci con perforatrici da roccia idrauliche. Con un operaio al pannello di controllo, in poche ore completerà uno schema di 60 fori di esplosione profondi 4.0 m.

Carro di perforazione per la produzione di fori lunghi

Questo impianto (vedi figura 7) pratica fori di esplosione in una zona radiale attorno al cumulo che copre un'ampia area di roccia e rompe grandi volumi di minerale. potente perforatrice da roccia idraulica e magazzino a carosello per aste di prolunga, l'operatore utilizza i telecomandi per eseguire perforazioni da roccia da una posizione sicura.

Camion di ricarica

Il camion di ricarica è un complemento necessario al jumbo alla deriva. Il vettore monta una piattaforma di servizio idraulica, un contenitore esplosivo ANFO pressurizzato e un tubo di ricarica che consentono all'operatore di riempire fori di esplosione su tutto il viso in brevissimo tempo. Allo stesso tempo, possono essere inseriti detonatori Nonel per la corretta tempistica delle singole esplosioni.

Veicolo con guida a sinistra

Il versatile veicolo di carico-trasporto-ribaltabile (vedi figura 10) viene utilizzato per una varietà di servizi tra cui la produzione di minerali e la movimentazione dei materiali. È disponibile in una scelta di dimensioni che consente ai minatori di selezionare il modello più appropriato per ogni attività e ogni situazione. A differenza degli altri veicoli diesel utilizzati nelle miniere, il motore del veicolo con guida a sinistra funziona generalmente ininterrottamente a piena potenza per lunghi periodi di tempo generando grandi volumi di fumo e gas di scarico. Un sistema di ventilazione in grado di diluire ed esaurire questi fumi è essenziale per il rispetto di standard di respirazione accettabili nell'area di carico.

Trasporto sotterraneo

Il minerale recuperato in soste sparse lungo un giacimento viene trasportato in una discarica situata in prossimità del pozzo di sollevamento. Livelli di trasporto speciali sono predisposti per trasferimenti laterali più lunghi; comunemente presentano installazioni di binari ferroviari con treni per il trasporto del minerale. La ferrovia ha dimostrato di essere un sistema di trasporto efficiente che trasporta volumi maggiori per distanze maggiori con locomotive elettriche che non contaminano l'atmosfera sotterranea come i camion diesel utilizzati nelle miniere senza binari.

Manipolazione del minerale

Nel suo percorso dalle fermate al pozzo di sollevamento, il minerale passa diverse stazioni con una varietà di tecniche di movimentazione dei materiali.

I Slusher utilizza un secchio raschietto per estrarre il minerale dalla fermata al passaggio del minerale. È dotato di tamburi rotanti, fili e pulegge, predisposti per produrre un percorso raschiante avanti e indietro. Il fanghiglia non ha bisogno di preparazione del pavimento stope e può estrarre il minerale da un cumulo di fango ruvido.

I Veicolo con guida a sinistra, alimentato a diesel e che viaggia su pneumatici in gomma, porta il volume contenuto nella sua benna (le dimensioni variano) dal mucchio di letame al passaggio del minerale.

I passaggio del minerale è un'apertura verticale o fortemente inclinata attraverso la quale la roccia scorre per gravità dai livelli superiori a quelli inferiori. I passaggi del minerale sono talvolta disposti in sequenza verticale per raccogliere il minerale dai livelli superiori a un punto di consegna comune a livello di trasporto.

I Scivolo è il cancello situato in fondo al passo del minerale. I passaggi di minerale normalmente finiscono nella roccia vicino al cumulo di trasporto in modo che, quando lo scivolo viene aperto, il minerale può scorrere per riempire le auto sul binario sottostante.

Vicino al pozzo, i treni del minerale passano a stazione di scarico dove il carico può essere lasciato cadere in a contenitore, Un grizzly alla stazione di scarico impedisce che le rocce di grandi dimensioni cadano nel bidone. Questi massi vengono spaccati mediante esplosioni o martelli idraulici; un frantoio grossolano può essere installato sotto il grizzly per un ulteriore controllo delle dimensioni. Sotto il cestino c'è un misura tasca che verifica automaticamente che il volume ed il peso del carico non superino le portate del cassone e del paranco. Quando un vuoto Salta, un contenitore per il viaggio verticale, arriva al stazione di rifornimento, uno scivolo si apre sul fondo della tasca di misura riempiendo la benna con un carico adeguato. Dopo il sollevamento solleva in superficie il cassone carico fino al telaio della testata, si apre uno scivolo per scaricare il carico nel cassone di stoccaggio in superficie. Il sollevamento con cassone ribaltabile può essere azionato automaticamente utilizzando la televisione a circuito chiuso per monitorare il processo.

Di ritorno

La produzione sotterranea di carbone iniziò per la prima volta con i tunnel di accesso, o cunicoli, che venivano estratti nelle giunture dai loro affioramenti superficiali. Tuttavia, i problemi causati da mezzi di trasporto inadeguati per portare il carbone in superficie e dal crescente rischio di accendere sacche di metano da candele e altre luci a fiamma libera limitavano la profondità a cui si potevano lavorare le prime miniere sotterranee.

La crescente domanda di carbone durante la rivoluzione industriale ha dato l'incentivo per l'affondamento di pozzi per accedere a riserve di carbone più profonde, e verso la metà del ventesimo secolo la percentuale di gran lunga maggiore della produzione mondiale di carbone proveniva da operazioni sotterranee. Durante gli anni '1970 e '1980 c'è stato un diffuso sviluppo di nuove capacità di miniere di carbone di superficie, in particolare in paesi come Stati Uniti, Sud Africa, Australia e India. Negli anni '1990, tuttavia, il rinnovato interesse per l'estrazione mineraria sotterranea ha portato allo sviluppo di nuove miniere (nel Queensland, in Australia, ad esempio) dai punti più profondi delle ex miniere di superficie. A metà degli anni '1990, l'estrazione sotterranea rappresentava forse il 45% di tutto il carbon fossile estratto in tutto il mondo. La percentuale effettiva variava ampiamente, da meno del 30% in Australia e India a circa il 95% in Cina. Per motivi economici, la lignite e la lignite vengono raramente estratte nel sottosuolo.

Una miniera di carbone sotterranea è costituita essenzialmente da tre componenti: un'area di produzione; trasporto di carbone al piede di un pozzo o declino; e sollevare o trasportare il carbone in superficie. La produzione include anche i lavori preparatori necessari per consentire l'accesso alle future aree produttive di una miniera e, di conseguenza, rappresenta il livello più elevato di rischio personale.

Sviluppo minerario

Il mezzo più semplice per accedere a un giacimento di carbone è seguirlo dal suo affioramento superficiale, una tecnica ancora ampiamente praticata nelle aree in cui la topografia sovrastante è ripida e i giacimenti sono relativamente piatti. Un esempio è il bacino carbonifero degli Appalachi nel sud del West Virginia negli Stati Uniti. L'effettivo metodo di estrazione utilizzato nella cucitura è irrilevante a questo punto; il fattore importante è che l'accesso può essere ottenuto a buon mercato e con il minimo sforzo di costruzione. Gli annunci sono anche comunemente usati nelle aree di estrazione del carbone a bassa tecnologia, dove il carbone prodotto durante l'estrazione dell'annuncio può essere utilizzato per compensare i suoi costi di sviluppo.

Altri mezzi di accesso includono discese (o rampe) e pozzi verticali. La scelta dipende solitamente dalla profondità del giacimento di carbone in lavorazione: più profondo è il giacimento, più costoso è sviluppare una rampa graduata lungo la quale possono operare veicoli o nastri trasportatori.

L'affondamento del pozzo, in cui un pozzo viene estratto verticalmente verso il basso dalla superficie, è sia costoso che dispendioso in termini di tempo e richiede un tempo di consegna più lungo tra l'inizio della costruzione e l'estrazione del primo carbone. Nei casi in cui i giacimenti sono profondi, come nella maggior parte dei paesi europei e in Cina, spesso i pozzi devono essere scavati attraverso rocce portatrici d'acqua sovrastanti i giacimenti di carbone. In questo caso, è necessario utilizzare tecniche specialistiche, come il congelamento del terreno o l'iniezione di malta, per impedire all'acqua di fluire nel pozzo, che viene quindi rivestito con anelli di acciaio o cemento gettato per fornire una tenuta a lungo termine.

I declini vengono generalmente utilizzati per accedere a giacimenti troppo profondi per l'estrazione a cielo aperto, ma che sono ancora relativamente vicini alla superficie. Nel bacino carbonifero del Mpumalanga (Transvaal orientale) in Sud Africa, ad esempio, i giacimenti minerari si trovano a una profondità non superiore a 150 m; in alcune zone vengono estratte a cielo aperto, in altre è necessaria l'estrazione sotterranea, nel qual caso vengono spesso utilizzati i cali per fornire l'accesso alle attrezzature minerarie e per installare i nastri trasportatori utilizzati per trasportare il carbone tagliato fuori dalla miniera.

I cali differiscono dagli ingressi in quanto di solito sono scavati nella roccia, non nel carbone (a meno che il giacimento non si abbassi a una velocità costante) e vengono estratti a una pendenza costante per ottimizzare l'accesso di veicoli e nastri trasportatori. Un'innovazione dagli anni '1970 è stata l'uso di nastri trasportatori che corrono in discesa per trasportare la produzione in miniera profonda, un sistema che presenta vantaggi rispetto al tradizionale sollevamento dell'albero in termini di capacità e affidabilità.

Metodi di estrazione

L'estrazione sotterranea del carbone comprende due metodi principali, di cui molte varianti si sono evolute per affrontare le condizioni minerarie nelle singole operazioni. L'estrazione di stanze e pilastri comporta l'estrazione di tunnel (o strade) su una griglia regolare, lasciando spesso pilastri sostanziali per il supporto a lungo termine del tetto. L'estrazione di Longwall raggiunge l'estrazione totale di gran parte di un giacimento di carbone, provocando il crollo delle rocce del tetto nell'area minata.

Estrazione di stanze e pilastri

L'estrazione di stanze e pilastri è il più antico sistema di estrazione del carbone sotterraneo e il primo a utilizzare il concetto di supporto regolare del tetto per proteggere i minatori. Il nome mining room-and-pillar deriva dai pilastri di carbone che vengono lasciati su una griglia regolare per fornire on-site sostegno al tetto. È stato sviluppato in un metodo meccanizzato ad alta produzione che, in alcuni paesi, rappresenta una parte sostanziale della produzione sotterranea totale. Ad esempio, il 60% della produzione sotterranea di carbone negli Stati Uniti proviene da miniere a camera e pilastri. In termini di scala, alcune miniere in Sud Africa hanno capacità installate superiori a 10 milioni di tonnellate all'anno da operazioni di sezione multi-produzione in giacimenti fino a 6 m di spessore. Al contrario, molte miniere a camera e a pilastri negli Stati Uniti sono piccole, operano con spessori di giunzione di appena 1 m, con la possibilità di interrompere e riavviare la produzione rapidamente in base alle condizioni del mercato.

L'estrazione di stanze e pilastri viene tipicamente utilizzata in giacimenti meno profondi, dove la pressione applicata dalle rocce sovrastanti sui pilastri di supporto non è eccessiva. Il sistema presenta due vantaggi chiave rispetto all'estrazione a parete lunga: la flessibilità e la sicurezza intrinseca. Il suo principale svantaggio è che il recupero della risorsa di carbone è solo parziale, la quantità precisa dipende da fattori quali la profondità del giacimento sotto la superficie e il suo spessore. Sono possibili recuperi fino al 60%. Il recupero del XNUMX% è possibile se i pilastri vengono estratti come seconda fase del processo di estrazione.

Il sistema è anche capace di vari livelli di sofisticazione tecnica, che vanno da tecniche ad alta intensità di manodopera (come il "basket mining" in cui la maggior parte delle fasi dell'estrazione, compreso il trasporto del carbone, sono manuali), a tecniche altamente meccanizzate. Il carbone può essere scavato dal fronte del tunnel utilizzando esplosivi o macchine per l'estrazione continua. Veicoli o nastri trasportatori mobili forniscono il trasporto meccanizzato del carbone. Per sostenere la copertura della carreggiata e le intersezioni tra le carreggiate dove la luce aperta è maggiore, vengono utilizzati bulloni del tetto e reggette metalliche o in legno.

Un miner continuo, che incorpora una testa di taglio e un sistema di caricamento del carbone montato su cingoli, pesa tipicamente da 50 a 100 tonnellate, a seconda dell'altezza operativa a cui è progettato per lavorare, della potenza installata e della larghezza di taglio richiesta. Alcuni sono dotati di macchine per l'installazione di rockbolt a bordo che forniscono supporto al tetto contemporaneamente al taglio del carbone; in altri casi, vengono utilizzate in sequenza macchine separate per l'estrazione continua e per il roofbolter.

I trasportatori di carbone possono essere alimentati con energia elettrica da un cavo ombelicale o possono essere alimentati a batteria o con motore diesel. Quest'ultimo offre una maggiore flessibilità. Il carbone viene caricato dalla parte posteriore del minatore continuo nel veicolo, che quindi trasporta un carico utile, tipicamente compreso tra 5 e 20 tonnellate, a breve distanza da una tramoggia di alimentazione per il sistema di trasporto a nastro principale. Un frantoio può essere incluso nell'alimentatore della tramoggia per rompere il carbone o la roccia di grandi dimensioni che potrebbero bloccare gli scivoli o danneggiare i nastri trasportatori più avanti lungo il sistema di trasporto.

Un'alternativa al trasporto veicolare è il sistema di trasporto continuo, un trasportatore sezionale flessibile su cingoli che trasporta il carbone tagliato direttamente dal minatore continuo alla tramoggia. Questi offrono vantaggi in termini di sicurezza del personale e capacità produttiva, e il loro uso si sta estendendo ai sistemi di sviluppo di gateroad a parete lunga per gli stessi motivi.

Le carreggiate vengono estratte fino a una larghezza di 6.0 m, normalmente l'intera altezza della linea di giunzione. Le dimensioni dei pilastri dipendono dalla profondità sotto la superficie; Pilastri quadrati di 15.0 m su centri di 21.0 m sarebbero rappresentativi del progetto di pilastri per una miniera poco profonda e con giunzioni basse.

Miniere a parete lunga

L'estrazione mineraria di Longwall è ampiamente percepita come uno sviluppo del ventesimo secolo; tuttavia, si ritiene in realtà che il concetto sia stato sviluppato oltre 200 anni prima. Il progresso principale è che le operazioni precedenti erano principalmente manuali, mentre, dagli anni '1950, il livello di meccanizzazione è aumentato al punto che una parete lunga è ora un'unità ad alta produttività che può essere gestita da una squadra molto piccola di lavoratori.

Il longwalling ha un vantaggio fondamentale rispetto all'estrazione di stanze e pilastri: può ottenere la completa estrazione del pannello in un solo passaggio e recuperare una percentuale complessiva più elevata della risorsa totale di carbone. Tuttavia, il metodo è relativamente poco flessibile e richiede sia una grande risorsa estraibile che vendite garantite per essere praticabili, a causa degli elevati costi di capitale coinvolti nello sviluppo e nell'equipaggiamento di una moderna parete lunga (oltre 20 milioni di dollari in alcuni casi).

Mentre in passato le singole miniere spesso gestivano contemporaneamente più fronti a parete lunga (in paesi come la Polonia, in un certo numero di casi, più di dieci per miniera), la tendenza attuale è verso il consolidamento della capacità mineraria in un numero inferiore di unità pesanti. I vantaggi di ciò sono la riduzione del fabbisogno di manodopera e la necessità di sviluppo e manutenzione di infrastrutture sotterranee meno estese.

Nell'estrazione mineraria a pareti lunghe il tetto viene deliberatamente crollato mentre la giuntura viene estratta; solo le principali vie di accesso sotterranee sono protette da pilastri di sostegno. Il controllo del tetto è fornito su una parete lunga da supporti idraulici a due o quattro gambe che sopportano il carico immediato del tetto sovrastante, consentendone la parziale distribuzione al fronte non minato e ai pilastri su entrambi i lati del pannello, e proteggono l'attrezzatura del fronte e personale dal tetto crollato dietro la linea di supporti. Il carbone viene tagliato da una cesoia elettrica, solitamente dotata di due tamburi di taglio del carbone, che ad ogni passaggio estrae una striscia di carbone spessa fino a 1.1 m dal fronte. La tosatrice scorre e carica il carbone tagliato su un trasportatore corazzato che avanza serpeggiando dopo ogni taglio grazie al movimento sequenziale dei supporti frontali.

All'estremità anteriore, il carbone tagliato viene trasferito a un nastro trasportatore per il trasporto in superficie. In una parete in avanzamento, la cintura deve essere allungata regolarmente all'aumentare della distanza dal punto di partenza della parete, mentre in ritirata a parete lunga vale il contrario.

Negli ultimi 40 anni, ci sono stati sostanziali aumenti sia della lunghezza del fronte a parete lunga estratto sia della lunghezza del singolo pannello a parete lunga (il blocco di carbone attraverso il quale avanza il fronte). A titolo esemplificativo, negli Stati Uniti la lunghezza media della parete lunga è passata da 150 m nel 1980 a 227 m nel 1993. In Germania la media della metà degli anni '1990 era di 270 m e sono in programma lunghezze della parete superiori a 300 m. Sia nel Regno Unito che in Polonia, vengono estratte pareti lunghe fino a 300 m. Le lunghezze dei pannelli sono in gran parte determinate dalle condizioni geologiche, come le faglie, o dai confini della miniera, ma ora superano costantemente i 2.5 km in buone condizioni. Negli Stati Uniti si sta discutendo la possibilità di pannelli lunghi fino a 6.7 ​​km.

L'estrazione mineraria in ritiro sta diventando lo standard del settore, sebbene comporti una spesa in conto capitale iniziale più elevata nello sviluppo della carreggiata fino all'estensione massima di ciascun pannello prima che possa iniziare la costruzione di pareti lunghe. Ove possibile, le carreggiate vengono ora estratte in cucitura, utilizzando minatori continui, con supporto rockbolt che sostituisce gli archi e le capriate in acciaio utilizzati in precedenza per fornire un supporto positivo alle rocce sovrastanti, piuttosto che una reazione passiva ai movimenti delle rocce. L'applicabilità è limitata, tuttavia, a rocce per tetti competenti.

Misure di sicurezza

Le statistiche dell'ILO (1994) indicano un'ampia variazione geografica nel tasso di decessi che si verificano nell'estrazione del carbone, sebbene questi dati debbano tenere conto del livello di sofisticazione mineraria e del numero di lavoratori impiegati su base nazionale. Le condizioni sono migliorate in molti paesi industrializzati.

I principali incidenti minerari sono ora relativamente rari, poiché gli standard ingegneristici sono migliorati e la resistenza al fuoco è stata incorporata in materiali come i nastri trasportatori e i fluidi idraulici utilizzati nel sottosuolo. Tuttavia, permane la possibilità di incidenti in grado di causare danni sia personali che strutturali. Le esplosioni di gas metano e polvere di carbone si verificano ancora, nonostante le pratiche di ventilazione notevolmente migliorate, e le cadute dei tetti rappresentano la maggior parte degli incidenti gravi a livello mondiale. Gli incendi, sia sulle apparecchiature che per autocombustione, rappresentano un pericolo particolare.

Considerando i due estremi, l'attività mineraria ad alta intensità di manodopera e quella altamente meccanizzata, vi sono anche ampie differenze sia nei tassi di incidenti che nei tipi di incidenti coinvolti. I lavoratori impiegati in una miniera manuale su piccola scala hanno maggiori probabilità di subire lesioni a causa della caduta di rocce o carbone dal tetto della carreggiata o dai muri laterali. Rischiano anche una maggiore esposizione a polvere e gas infiammabili se i sistemi di ventilazione sono inadeguati.

Sia l'estrazione di stanze e pilastri che lo sviluppo di strade per fornire l'accesso a pannelli a parete lunga richiedono il supporto del tetto e delle rocce della parete laterale. Il tipo e la densità del supporto variano a seconda dello spessore del cordone, della competenza delle rocce sovrastanti e della profondità del cordone, tra gli altri fattori. Il luogo più pericoloso in qualsiasi miniera è sotto un tetto non supportato e la maggior parte dei paesi impone rigidi vincoli legislativi sulla lunghezza della carreggiata che può essere sviluppata prima dell'installazione del supporto. Il recupero del pilastro nelle operazioni di stanza e pilastro presenta rischi specifici attraverso il potenziale di crollo improvviso del tetto e deve essere programmato attentamente per prevenire un aumento del rischio per i lavoratori.

Le moderne pareti lunghe ad alta produttività richiedono una squadra da sei a otto operatori, quindi il numero di persone esposte a potenziali pericoli è notevolmente ridotto. La polvere generata dalla cesoia a parete lunga è una delle principali preoccupazioni. Il taglio del carbone è quindi talvolta limitato a una direzione lungo la faccia per sfruttare il flusso di ventilazione per allontanare la polvere dagli operatori della tosatrice. Il calore generato da macchine elettriche sempre più potenti nei confini della faccia ha anche effetti potenzialmente deleteri sui lavoratori della faccia, specialmente quando le miniere diventano più profonde.

Aumenta anche la velocità con cui i tosatori lavorano lungo il fronte. Velocità di taglio fino a 45 m/minuto sono prese in considerazione alla fine degli anni '1990. La capacità fisica dei lavoratori di stare al passo con la tagliatrice di carbone che si muove ripetutamente su un fronte lungo 300 m per un intero turno di lavoro è dubbia, e l'aumento della velocità della cesoia è quindi un incentivo importante per la più ampia introduzione di sistemi di automazione per i quali i minatori agirebbero come monitor piuttosto che come operatori pratici.

Il recupero dell'attrezzatura per il viso e il suo trasferimento in un nuovo cantiere offre rischi unici per i lavoratori. Sono stati sviluppati metodi innovativi per la messa in sicurezza del tetto a parete lunga e del rivestimento in carbone al fine di ridurre al minimo il rischio di caduta massi durante l'operazione di trasferimento. Tuttavia, i singoli elementi del macchinario sono estremamente pesanti (oltre 20 tonnellate per un supporto frontale di grandi dimensioni e molto di più per una cesoia) e, nonostante l'uso di trasportatori progettati su misura, permane il rischio di lesioni personali da schiacciamento o sollevamento durante il recupero di pareti lunghe .

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Sviluppo minerario

Progettazione e disposizione delle fosse

L'obiettivo economico generale nell'estrazione di superficie è rimuovere la minor quantità di materiale ottenendo il massimo ritorno sull'investimento elaborando il prodotto minerale più commerciabile. Maggiore è il grado del deposito minerale, maggiore è il valore. Per ridurre al minimo l'investimento di capitale durante l'accesso al materiale di maggior valore all'interno di un giacimento minerario, viene sviluppato un piano minerario che dettaglia con precisione il modo in cui il giacimento di minerale verrà estratto e lavorato. Poiché molti giacimenti di minerale non hanno una forma uniforme, il piano della miniera è preceduto da estese trivellazioni esplorative per profilare la geologia e la posizione del giacimento di minerale. La dimensione del deposito minerario determina la dimensione e il layout della miniera. La disposizione di una miniera a superficie è dettata dalla mineralogia e dalla geologia dell'area. La forma della maggior parte delle miniere a cielo aperto si avvicina a un cono ma riflette sempre la forma del deposito minerale in fase di sviluppo. Le miniere a cielo aperto sono costituite da una serie di sporgenze o panchine concentriche che sono divise in due dall'accesso alla miniera e dalle strade di trasporto che scendono dal bordo della fossa verso il fondo con un orientamento a spirale oa zigzag. Indipendentemente dalle dimensioni, il piano minerario include disposizioni per lo sviluppo delle fosse, le infrastrutture, (ad es. stoccaggio, uffici e manutenzione), i trasporti, le attrezzature, i rapporti e le tariffe minerarie. I tassi e i rapporti di estrazione influenzano la vita della miniera che è definita dall'esaurimento del giacimento o dalla realizzazione di un limite economico.

Le miniere a cielo aperto contemporanee variano in scala da piccole imprese private che lavorano poche centinaia di tonnellate di minerale al giorno a complessi industriali espansi gestiti da governi e multinazionali che estraggono più di un milione di tonnellate di materiale al giorno. Le operazioni più grandi possono coinvolgere molti chilometri quadrati nell'area.

Spogliatura del sovraccarico

Il sovraccarico è roccia di scarto costituita da materiale consolidato e non consolidato che deve essere rimosso per esporre il corpo minerario sottostante. È auspicabile rimuovere il minor strato di copertura possibile per accedere al minerale di interesse, ma viene scavato un volume maggiore di roccia di scarto quando il deposito minerale è profondo. La maggior parte delle tecniche di rimozione sono cicliche con interruzione nelle fasi di estrazione (perforazione, brillamento e caricamento) e di rimozione (trasporto). Ciò è particolarmente vero per il rivestimento in roccia dura che deve essere prima perforato e sabbiato. Un'eccezione a questo effetto ciclico sono le draghe utilizzate nell'estrazione idraulica di superficie e alcuni tipi di estrazione di materiale sfuso con escavatori gommati a tazze. La frazione di roccia di scarto rispetto al minerale scavato è definita come il rapporto di stripping. I rapporti di stripping da 2:1 fino a 4:1 non sono rari nelle grandi operazioni minerarie. Rapporti superiori a 6:1 tendono ad essere economicamente meno sostenibili, a seconda della merce. Una volta rimosso, il sovraccarico può essere utilizzato per la costruzione di strade e sterili o può avere un valore commerciale non minerario come terra di riempimento.

Selezione delle attrezzature minerarie

La selezione delle attrezzature minerarie è una funzione del piano minerario. Alcuni dei fattori considerati nella selezione delle attrezzature minerarie includono la topografia del pozzo e dell'area circostante, la quantità di minerale da estrarre, la velocità e la distanza che il minerale deve essere trasportato per la lavorazione e la durata stimata della miniera, tra gli altri. In generale, la maggior parte delle operazioni minerarie di superficie contemporanee si affidano a carri di perforazione mobili, pale idrauliche, caricatori frontali, raschiatori e autocarri per estrarre il minerale e avviare la lavorazione del minerale. Maggiore è l'operazione mineraria, maggiore è la capacità delle attrezzature necessarie per mantenere il piano minerario.

L'attrezzatura è generalmente la più grande disponibile per abbinare l'economia di scala delle miniere di superficie con considerazione per abbinare le capacità delle attrezzature. Ad esempio, un piccolo caricatore frontale può riempire un grande camion da trasporto, ma la partita non è efficiente. Allo stesso modo, una grande pala può caricare autocarri più piccoli ma richiede che gli autocarri riducano i tempi di ciclo e non ottimizza l'utilizzo della pala poiché una benna può contenere abbastanza minerale per più di un autocarro. La sicurezza può essere compromessa dal tentativo di caricare solo metà di una benna o se un camion è sovraccarico. Inoltre, la scala delle apparecchiature selezionate deve corrispondere alle strutture di manutenzione disponibili. Le attrezzature di grandi dimensioni vengono spesso sottoposte a manutenzione dove non funzionano correttamente a causa delle difficoltà logistiche associate al trasporto verso strutture di manutenzione stabilite. Quando possibile, le strutture di manutenzione della miniera sono progettate per adattarsi alle dimensioni e alla quantità delle attrezzature della miniera. Pertanto, man mano che nel piano minerario vengono introdotte nuove attrezzature più grandi, è necessario affrontare anche l'infrastruttura di supporto, comprese le dimensioni e la qualità delle strade di trasporto, gli strumenti e le strutture di manutenzione.

Metodi convenzionali di Surface Mining

Le miniere a cielo aperto e le miniere a cielo aperto sono le due principali categorie di miniere di superficie che rappresentano oltre il 90% della produzione mondiale di miniere di superficie. Le principali differenze tra questi metodi di estrazione sono la posizione del corpo del minerale e la modalità di estrazione meccanica. Per l'estrazione di roccia sciolta, il processo è essenzialmente continuo con le fasi di estrazione e trasporto che si svolgono in serie. L'estrazione di roccia solida richiede un processo discontinuo di perforazione e brillamento prima delle fasi di carico e trasporto. Estrazione mineraria (o miniere a cielo aperto) si riferiscono all'estrazione di giacimenti minerari che si trovano in prossimità della superficie e di natura relativamente piatta o tabulare e giacimenti minerali. Utilizza una varietà di diversi tipi di attrezzature tra cui pale, camion, linee di traino, escavatori gommati a tazze e raschiatori. La maggior parte delle miniere a cielo aperto elabora depositi di roccia non dura. Il carbone è la merce più comune che viene estratta dai giacimenti superficiali. In contrasto, miniere a cielo aperto viene impiegato per rimuovere il minerale di roccia dura che viene disseminato e/o situato in giacimenti profondi ed è tipicamente limitato all'estrazione con pale e attrezzature per camion. Molti metalli vengono estratti con la tecnica a cielo aperto: oro, argento e rame, solo per citarne alcuni.

Estrazione è un termine usato per descrivere una tecnica mineraria a cielo aperto specializzata in cui la roccia solida con un alto grado di consolidamento e densità viene estratta da depositi localizzati. I materiali di cava vengono frantumati e rotti per produrre aggregati o pietre da costruzione, come dolomite e calcare, o combinati con altri prodotti chimici per produrre cemento e calce. I materiali da costruzione sono prodotti da cave situate in prossimità del sito di utilizzo del materiale per ridurre i costi di trasporto. Pietra dimensionale come lastricato, granito, calcare, marmo, arenaria e ardesia rappresentano una seconda classe di materiali estratti. Le cave di pietre dimensionali si trovano in aree con le caratteristiche minerali desiderate che possono o meno essere geograficamente remote e richiedere il trasporto verso i mercati degli utenti.

Molti giacimenti minerari sono troppo diffusi e irregolari, o troppo piccoli o profondi per essere estratti con metodi a striscia oa cielo aperto e devono essere estratti con l'approccio più chirurgico dell'estrazione sotterranea. Per determinare quando è applicabile l'attività mineraria a cielo aperto, è necessario considerare una serie di fattori, tra cui il terreno e l'elevazione del sito e della regione, la sua lontananza, il clima, infrastrutture come strade, alimentazione elettrica e idrica, requisiti normativi e ambientali, pendenza stabilità, smaltimento del sovraccarico e trasporto del prodotto, tra gli altri.

Terreno ed elevazione: Anche la topografia e l'elevazione svolgono un ruolo importante nella definizione della fattibilità e della portata di un progetto minerario. In generale, maggiore è l'altitudine e più accidentato è il terreno, più difficile sarà lo sviluppo e la produzione della miniera. Un minerale di qualità superiore in un luogo montuoso inaccessibile può essere estratto in modo meno efficiente rispetto a un minerale di grado inferiore in una posizione pianeggiante. Le miniere situate ad altitudini inferiori generalmente presentano problemi meteorologici meno inclementi per l'esplorazione, lo sviluppo e la produzione di miniere. Pertanto, la topografia e la posizione influiscono sul metodo di estrazione e sulla fattibilità economica.

La decisione di sviluppare una miniera avviene dopo che l'esplorazione ha caratterizzato il giacimento e gli studi di fattibilità hanno definito le opzioni per l'estrazione e la lavorazione del minerale. Le informazioni necessarie per stabilire un piano di sviluppo possono includere la forma, le dimensioni e il grado dei minerali nel giacimento minerario, il volume totale o il tonnellaggio del materiale compreso lo strato di copertura e altri fattori, come l'idrologia e l'accesso a una fonte di acqua di processo, la disponibilità e fonte di energia, siti di stoccaggio delle rocce di scarto, requisiti di trasporto e caratteristiche dell'infrastruttura, compresa l'ubicazione dei centri abitati per sostenere la forza lavoro o la necessità di sviluppare un sito cittadino.

I requisiti di trasporto possono includere strade, autostrade, oleodotti, aeroporti, ferrovie, corsi d'acqua e porti. Per le miniere di superficie, sono generalmente necessarie grandi aree di terra che potrebbero non avere infrastrutture esistenti. In tali casi le strade, i servizi pubblici e le sistemazioni abitative devono essere prima stabilite. La fossa si svilupperebbe in connessione con altri elementi di lavorazione quali aree di stoccaggio delle rocce di scarto, frantoi, concentratori, fonderie e raffinerie, a seconda del grado di integrazione richiesto. A causa della grande quantità di capitale necessario per finanziare queste operazioni, lo sviluppo può essere condotto in fasi per sfruttare il primo minerale vendibile o affittabile possibile per aiutare a finanziare il resto dello sviluppo.

Produzione e attrezzature

Foratura e sabbiatura

La perforazione meccanica e l'esplosivo sono i primi passi nell'estrazione del minerale dalle miniere a cielo aperto più sviluppate e sono il metodo più comune utilizzato per rimuovere lo strato di roccia dura. Sebbene esistano molti dispositivi meccanici in grado di smuovere la roccia dura, gli esplosivi sono il metodo preferito in quanto nessun dispositivo meccanico può attualmente eguagliare la capacità di frattura dell'energia contenuta nelle cariche esplosive. Un esplosivo hard rock comunemente usato è il nitrato di ammonio. L'attrezzatura di perforazione viene selezionata in base alla natura del minerale e alla velocità e profondità dei fori necessari per fratturare un determinato tonnellaggio di minerale al giorno. Ad esempio, nell'estrazione di un banco di minerale di 15 m, verranno generalmente praticati 60 o più fori 15 m indietro rispetto all'attuale fronte di fango, a seconda della lunghezza del banco da estrarre. Ciò deve avvenire con tempi di consegna sufficienti per consentire la preparazione del sito per le successive attività di carico e trasporto.

Caricamento in corso

L'estrazione di superficie è ora tipicamente condotta utilizzando pale da tavolo, caricatori frontali o pale idrauliche. Nelle miniere a cielo aperto le attrezzature di carico sono abbinate a camion da traino che possono essere caricati in tre o cinque cicli o passaggi della pala; tuttavia, vari fattori determinano la preferenza dell'attrezzatura di carico. Con roccia affilata e/o scavi duri e/o climi umidi, sono preferibili le pale cingolate. Al contrario, i caricatori con pneumatici in gomma hanno un costo di capitale molto inferiore e sono preferiti per caricare materiale di volume ridotto e facile da scavare. Inoltre, i caricatori sono molto mobili e adatti per scenari minerari che richiedono spostamenti rapidi da un'area all'altra o per requisiti di miscelazione del minerale. I caricatori vengono spesso utilizzati anche per caricare, trasportare e scaricare materiale nei frantoi da mucchi di materiali di miscelazione depositati vicino ai frantoi da camion di trasporto.

Le pale idrauliche e le pale a cavo presentano vantaggi e limitazioni simili. Le pale idrauliche non sono preferite per scavare roccia dura e le pale a cavo sono generalmente disponibili in dimensioni maggiori. Pertanto, le grandi pale per cavi con carichi utili di circa 50 metri cubi e superiori sono l'attrezzatura preferita nelle miniere dove la produzione supera le 200,000 tonnellate al giorno. Le pale idrauliche sono più versatili sul fronte della miniera e consentono un maggiore controllo dell'operatore per caricare in modo selettivo dalla metà inferiore o superiore del fronte della miniera. Questo vantaggio è utile quando è possibile ottenere la separazione dei rifiuti dal minerale nella zona di carico, massimizzando così la qualità del minerale che viene trasportato e lavorato.

Hauling

Il trasporto nelle miniere a cielo aperto e nelle miniere a cielo aperto è più comunemente effettuato da autocarri. Il ruolo dei camion da trasporto in molte miniere a cielo aperto è limitato al passaggio in bicicletta tra la zona di carico e il punto di trasferimento, come una stazione di frantumazione in fossa o un sistema di trasporto. I camion da trasporto sono preferiti in base alla loro flessibilità operativa rispetto alle ferrovie, che erano il metodo di trasporto preferito fino agli anni '1960. Tuttavia, il costo del trasporto dei materiali nelle fosse superficiali metalliche e non metalliche è generalmente superiore al 50% del costo operativo totale della miniera. La frantumazione in fossa e il trasporto attraverso i sistemi di trasporto a nastro è stato un fattore primario nella riduzione dei costi di trasporto. Gli sviluppi tecnici nei camion da trasporto come i motori diesel e gli azionamenti elettrici hanno portato a veicoli di capacità molto maggiore. Diversi produttori attualmente producono autocarri con capacità di 240 tonnellate con l'aspettativa di autocarri con capacità superiore a 310 tonnellate nel prossimo futuro. Inoltre, l'uso di sistemi di spedizione computerizzati e la tecnologia di posizionamento satellitare globale consentono di monitorare e programmare i veicoli con maggiore efficienza e produttività.

I sistemi stradali di trasporto possono utilizzare il traffico a senso unico o doppio. Il traffico può essere a sinistra oa destra. Il traffico sulla corsia di sinistra è spesso preferito per migliorare la visibilità dell'operatore sulla posizione dei pneumatici su autocarri molto grandi. La sicurezza è migliorata anche con la guida a sinistra, riducendo il rischio di collisione lato conducente al centro della strada. Le pendenze stradali di trasporto sono generalmente limitate a un valore compreso tra l'8 e il 15% per i trasporti sostenuti e, in modo ottimale, sono comprese tra il 7 e l'8% circa. La sicurezza e il drenaggio dell'acqua richiedono lunghe pendenze che prevedano tratti di almeno 45 m con una pendenza massima del 2% per ogni 460 m di forte pendenza. Le banchine stradali (bordi sterrati sopraelevati) situate tra le strade e gli scavi adiacenti sono caratteristiche di sicurezza standard nelle miniere a cielo aperto. Possono anche essere posizionati al centro della strada per separare il traffico opposto. Laddove esistono strade di traino a tornanti, possono essere installate corsie di fuga in elevazione crescente alla fine di pendenze lunghe e ripide. Le barriere ai bordi della strada, come i terrapieni, sono standard e dovrebbero essere posizionate tra tutte le strade e gli scavi adiacenti. Strade di alta qualità migliorano la massima produttività massimizzando le velocità sicure dei camion, riducendo i tempi di fermo per la manutenzione e riducendo l'affaticamento del conducente. La manutenzione stradale degli autocarri da trasporto contribuisce a ridurre i costi operativi grazie alla riduzione del consumo di carburante, alla maggiore durata degli pneumatici e alla riduzione dei costi di riparazione.

Il trasporto ferroviario, nelle migliori condizioni, è superiore ad altri metodi di trasporto per il trasporto del minerale su lunghe distanze al di fuori della miniera. Tuttavia, in pratica, il trasporto su rotaia non è più ampiamente utilizzato nelle miniere a cielo aperto dall'avvento dei camion elettrici e diesel. Il trasporto su rotaia è stato sostituito per sfruttare la maggiore versatilità e flessibilità dei camion di trasporto e dei sistemi di trasporto in fossa. Le ferrovie richiedono pendenze molto dolci dallo 0.5 a un massimo del 3% per i trasporti in salita. L'investimento di capitale per i motori ferroviari e i requisiti dei binari è molto elevato e richiede una lunga durata della miniera e grandi produzioni per giustificare il ritorno sull'investimento.

Movimentazione del minerale (trasporto)

La frantumazione e il trasporto in fossa è una metodologia che è cresciuta in popolarità da quando è stata implementata per la prima volta a metà degli anni '1950. La collocazione di un frantoio semimobile nella fossa della miniera con il successivo trasporto fuori dalla fossa mediante un sistema di nastri trasportatori ha comportato notevoli vantaggi produttivi e risparmi sui costi rispetto al tradizionale trasporto di veicoli. La costruzione e la manutenzione di strade di trasporto ad alto costo è ridotta e i costi di manodopera associati al funzionamento del camion di trasporto e alla manutenzione del camion e del carburante sono ridotti al minimo.

Lo scopo del sistema di frantumazione in fossa è principalmente quello di consentire il trasporto del minerale tramite nastro trasportatore. I sistemi di frantumazione in fossa possono variare da strutture permanenti a unità completamente mobili. Tuttavia, più comunemente, i frantoi sono costruiti in forma modulare per consentire una certa portabilità all'interno della miniera. I frantoi potrebbero essere trasferiti ogni uno o dieci anni; potrebbero essere necessarie ore, giorni o mesi per completare il trasloco a seconda delle dimensioni e della complessità dell'unità e della distanza del trasloco.

I vantaggi dei nastri trasportatori rispetto ai carrelli da trasporto includono l'avvio istantaneo, il funzionamento automatico e continuo e un elevato grado di affidabilità con una disponibilità fino al 90-95%. Generalmente non sono compromessi dal tempo inclemente. I nastri trasportatori hanno anche requisiti di manodopera molto inferiori rispetto ai camion da trasporto; il funzionamento e la manutenzione di una flotta di camion può richiedere un numero di membri dell'equipaggio dieci volte superiore rispetto a un sistema di trasporto di capacità equivalente. Inoltre, i nastri trasportatori possono operare a pendenze fino al 30%, mentre le pendenze massime per i camion sono generalmente del 10%. L'uso di pendenze più ripide riduce la necessità di rimuovere il materiale di copertura di bassa qualità e può ridurre la necessità di creare strade di trasporto ad alto costo. I sistemi di trasportatori sono anche integrati nelle pale gommate a tazze in molte operazioni di superficie del carbone, il che elimina la necessità di camion per il trasporto.

Metodi di estrazione di soluzioni

L'estrazione di soluzioni, il più comune dei due tipi di estrazione acquosa, viene impiegata per estrarre minerali solubili dove i metodi di estrazione convenzionali sono meno efficienti e/o meno economici. Conosciuta anche come lisciviazione o lisciviazione superficiale, questa tecnica può essere un metodo di estrazione primaria, come con l'estrazione di lisciviazione di oro e argento, oppure può integrare le fasi pirometallurgiche convenzionali di fusione e raffinazione, come nel caso della lisciviazione di minerali di ossido di rame di bassa qualità .

Aspetti ambientali dell'estrazione di superficie

I significativi effetti ambientali delle miniere di superficie attirano l'attenzione ovunque si trovino le miniere. L'alterazione del terreno, la distruzione della vita vegetale e gli effetti negativi sugli animali indigeni sono conseguenze inevitabili dell'estrazione di superficie. La contaminazione delle acque superficiali e sotterranee presenta spesso problemi, in particolare con l'uso di lixiviants nell'estrazione in soluzione e il dilavamento dall'estrazione idraulica.

Grazie alla crescente attenzione da parte degli ambientalisti di tutto il mondo e all'uso di aerei e fotografie aeree, le imprese minerarie non sono più libere di "scavare e correre" quando l'estrazione del minerale desiderato è stata completata. Leggi e regolamenti sono stati promulgati nella maggior parte dei paesi sviluppati e, attraverso l'attività delle organizzazioni internazionali, vengono sollecitati dove ancora non esistono. Stabiliscono un programma di gestione ambientale come elemento integrante in ogni progetto minerario e stabiliscono requisiti come le valutazioni preliminari dell'impatto ambientale; programmi progressivi di riabilitazione, compreso il ripristino dei contorni del terreno, il rimboschimento, il reimpianto della fauna indigena, il ripopolamento della fauna selvatica indigena e così via; nonché audit di conformità simultanei ea lungo termine (UNEP 1991, UN 1992, Environmental Protection Agency (Australia) 1996, ICME 1996). È essenziale che queste siano più delle dichiarazioni nella documentazione richiesta per le necessarie licenze governative. I principi di base devono essere accettati e praticati dai dirigenti sul campo e comunicati ai lavoratori a tutti i livelli.

Indipendentemente dalla necessità o dal vantaggio economico, tutti i metodi di soluzione superficiale condividono due caratteristiche comuni: (1) il minerale viene estratto nel solito modo e quindi stoccato; e, (2) una soluzione acquosa viene applicata alla sommità dello stock di minerale che reagisce chimicamente con il metallo di interesse da cui la risultante soluzione di sale metallico viene incanalata attraverso il cumulo di stoccaggio per la raccolta e la lavorazione. L'applicazione dell'estrazione di soluzioni superficiali dipende dal volume, dalla metallurgia del minerale o dei minerali di interesse e dalla relativa roccia ospite, nonché dall'area e dal drenaggio disponibili per sviluppare discariche di lisciviazione sufficientemente grandi da rendere l'operazione economicamente sostenibile.

Lo sviluppo di discariche di lisciviazione in una miniera a cielo aperto in cui l'estrazione di soluzioni è il metodo di produzione principale è lo stesso di tutte le operazioni a cielo aperto con l'eccezione che il minerale è destinato esclusivamente alla discarica e non a un mulino. Nelle miniere con entrambi i metodi di macinazione e soluzione, il minerale viene segregato in porzioni macinate e lisciviate. Ad esempio, la maggior parte del minerale di solfuro di rame viene macinato e purificato per ottenere rame di qualità commerciale mediante fusione e raffinazione. Il minerale di ossido di rame, che generalmente non è suscettibile di lavorazione pirometallurgica, viene indirizzato alle operazioni di lisciviazione. Una volta sviluppata la discarica, la soluzione rilascia il metallo solubile dalla roccia circostante a una velocità prevedibile che è controllata dai parametri di progettazione della discarica, dalla natura e dal volume della soluzione applicata e dalla concentrazione e mineralogia del metallo nella discarica minerale. La soluzione utilizzata per estrarre il metallo solubile è indicata come a lixiviante. I lixiviants più comuni utilizzati in questo settore minerario sono soluzioni diluite di cianuro di sodio alcalino per l'oro, acido solforico acido per il rame, anidride solforosa acquosa per il manganese e acido solforico-solfato ferrico per i minerali di uranio; tuttavia, la maggior parte dell'uranio lisciviato e dei sali solubili vengono raccolti da sul posto estrazione mineraria in cui il lixiviant viene iniettato direttamente nel giacimento del minerale senza previa estrazione meccanica. Quest'ultima tecnica consente di lavorare minerali di bassa qualità senza estrarre il minerale dal giacimento minerario.

Aspetti di salute e sicurezza

I rischi per la salute e la sicurezza sul lavoro associati all'estrazione meccanica del minerale nell'estrazione in soluzione sono essenzialmente simili a quelli delle operazioni convenzionali in miniera di superficie. Un'eccezione a questa generalizzazione è la necessità che il minerale non lisciviabile subisca la frantumazione primaria nella miniera a cielo aperto prima di essere trasportato a un mulino per la lavorazione convenzionale, mentre il minerale viene generalmente trasportato con camion direttamente dal sito di estrazione alla discarica di lisciviazione in estrazione di soluzioni. I lavoratori delle miniere di soluzioni sarebbero quindi meno esposti ai principali rischi di frantumazione come polvere, rumore e pericoli fisici.

Le principali cause di lesioni negli ambienti minerari a cielo aperto includono la movimentazione di materiali, scivolamenti e cadute, macchinari, uso di utensili manuali, trasporto di energia e contatto con fonti elettriche. Tuttavia, l'esclusiva del solution mining è la potenziale esposizione ai liscivianti chimici durante il trasporto, le attività sul campo di lisciviazione e la lavorazione chimica ed elettrolitica. L'esposizione alla nebbia acida può verificarsi nelle cisterne di estrazione elettrica dei metalli. I pericoli delle radiazioni ionizzanti, che aumentano proporzionalmente dall'estrazione alla concentrazione, devono essere affrontati nell'estrazione dell'uranio.

Metodi di estrazione idraulica

Nell'estrazione idraulica, o "idraulica", l'acqua nebulizzata ad alta pressione viene utilizzata per scavare materiale sciolto o non consolidato in un liquame per la lavorazione. I metodi idraulici vengono applicati principalmente ai depositi di metallo e pietra aggregata, sebbene anche gli sterili di carbone, arenaria e metallo siano adatti a questo metodo. L'applicazione più comune e più conosciuta è estrazione mineraria in cui concentrazioni di metalli come oro, titanio, argento, stagno e tungsteno vengono lavate dall'interno di un deposito alluvionale (placer). Approvvigionamento idrico e pressione, pendenza del terreno per il deflusso, distanza dal fronte della miniera agli impianti di lavorazione, grado di consolidamento del materiale estraibile e disponibilità di aree di smaltimento dei rifiuti sono tutte considerazioni primarie nello sviluppo di un'operazione di estrazione idraulica. Come con altre miniere di superficie, l'applicabilità è specifica della posizione. I vantaggi intrinseci di questo metodo di mining includono costi operativi relativamente bassi e flessibilità derivanti dall'uso di apparecchiature semplici, robuste e mobili. Di conseguenza, molte operazioni idrauliche si sviluppano in aree minerarie remote dove i requisiti infrastrutturali non sono un limite.

A differenza di altri tipi di estrazione di superficie, le tecniche idrauliche si basano sull'acqua come mezzo sia per l'estrazione che per il trasporto del materiale estratto ("sluicing"). Gli spruzzi d'acqua ad alta pressione vengono erogati da monitor o cannoni ad acqua a una banca di placer o a un deposito di minerali. Disintegrano la ghiaia e il materiale non consolidato, che si riversa negli impianti di raccolta e lavorazione. Le pressioni dell'acqua possono variare da un normale flusso di gravità per materiali fini molto sciolti a migliaia di chilogrammi per centimetro quadrato per depositi non consolidati. Talvolta vengono impiegati bulldozer e livellatrici o altre attrezzature di scavo mobili per facilitare l'estrazione di materiali più compattati. Storicamente, e nelle moderne operazioni su piccola scala, la raccolta del liquame o del ruscellamento è gestita con cassonetti e catture di piccolo volume. Le operazioni su scala commerciale si basano su pompe, bacini di contenimento e decantazione e apparecchiature di separazione in grado di trattare volumi molto elevati di liquame all'ora. A seconda delle dimensioni del giacimento da estrarre, il funzionamento dei monitor dell'acqua può essere manuale, controllato a distanza o controllato da un computer.

Quando l'estrazione idraulica avviene sott'acqua, si parla di dragaggio. In questo metodo una stazione di lavorazione galleggiante estrae depositi sciolti come argilla, limo, sabbia, ghiaia e qualsiasi minerale associato utilizzando una linea a secchio, una linea a trascinamento e/o getti d'acqua sommersi. Il materiale estratto viene trasportato idraulicamente o meccanicamente ad una stazione di lavaggio che può essere parte dell'impianto di dragaggio o fisicamente separata con successive fasi di lavorazione per segregare e completare la lavorazione. Mentre il dragaggio viene utilizzato per estrarre minerali commerciali e pietra aggregata, è meglio conosciuto come una tecnica utilizzata per pulire e approfondire canali d'acqua e pianure alluvionali.

Salute e sicurezza

I pericoli fisici nell'estrazione idraulica differiscono da quelli nei metodi di estrazione in superficie. A causa dell'applicazione minima di attività di trivellazione, esplosivi, trasporto e riduzione, i rischi per la sicurezza tendono ad essere associati per lo più spesso a sistemi idrici ad alta pressione, movimento manuale di attrezzature mobili, problemi di prossimità che coinvolgono alimentatori e acqua, problemi di prossimità associati al crollo del miniera e attività di manutenzione. I rischi per la salute riguardano principalmente l'esposizione al rumore e alle polveri e i rischi ergonomici legati alla manipolazione delle apparecchiature. L'esposizione alla polvere è generalmente un problema minore rispetto all'estrazione di superficie tradizionale a causa dell'uso dell'acqua come mezzo di estrazione. Anche le attività di manutenzione come la saldatura incontrollata possono contribuire all'esposizione dei lavoratori.

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