Nguyên tắc và phương pháp thiết kế giới hạn khai thác lộ thiên
Đặc điểm của khai thác lộ thiên Khai thác lộ thiên là việc khai thác quặng ở môi trường lộ thiên (bề mặt) bằng thiết bị đào và vận chuyển chuyên dụng. Đặc điểm nổi bật của khai thác lộ thiên là để thu hồi quặng, đá và lớp phủ xung quanh phải được bóc tách và quặng hoặc đá được vận chuyển lên bề mặt bằng các tuyến đường vận chuyển trên mặt đất hoặc các công trình ngầm. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để khai thác quặng kim loại, nguyên liệu luyện kim, vật liệu xây dựng, nguyên liệu hóa chất và than.
So với khai thác ngầm, khai thác lộ thiên - vì hoạt động ở không gian lộ thiên - có những đặc điểm sau:
(1) Không gian làm việc tương đối thông thoáng, thuận lợi cho việc sử dụng thiết bị cơ giới hóa cỡ lớn. Mức độ cơ giới hóa và tự động hóa cao có thể làm tăng cường độ khai thác và sản lượng quặng.
(2) Năng suất lao động cao.
(3) Chi phí khai thác thấp hơn, giúp khai thác quặng chất lượng thấp trên quy mô lớn trở nên khả thi.
(4) Giảm thất thoát và pha loãng quặng, thuận lợi cho việc thu hồi tài nguyên khoáng sản.
(5) Thời gian phát triển ngắn hơn; chi phí vốn cho mỗi tấn quặng hàng năm thấp hơn so với khai thác ngầm.
(6) Đối với các khối quặng nóng hoặc dễ cháy, khai thác lộ thiên có thể an toàn hơn khai thác ngầm.
(7) Điều kiện làm việc tốt hơn và hoạt động an toàn hơn nói chung.
(8) Hoạt động khai thác lộ thiên tạo ra lượng bụi và khí thải đáng kể từ xe cộ; đá nổ chứa các thành phần có hại có thể gây ô nhiễm không khí, nước và đất xung quanh ở một mức độ nào đó.
(9) Khối lượng lớn đất thừa được đổ vào các bãi chôn lấp chất thải; các cơ sở xử lý chất thải chiếm diện tích đất đáng kể (núi, đất nông nghiệp) và có thể làm suy thoái môi trường cục bộ.
(10) Các điều kiện thời tiết như tuyết, băng và mưa lớn có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động khai thác lộ thiên.
Việc xác định giới hạn khai thác (giới hạn hố đào) là nền tảng của thiết kế mỏ lộ thiên và là điều kiện tiên quyết để khai thác an toàn và hiệu quả về mặt kinh tế. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia trên toàn thế giới đã nghiên cứu lâu dài về việc tối ưu hóa giới hạn hố đào và đạt được những kết quả đáng kể. Tuy nhiên, do các mỏ lộ thiên phải đối mặt với các khối địa chất phức tạp, biến đổi, phân bố độ dốc không đều và các thông số kinh tế thay đổi—các yếu tố phi tuyến tính và động—nên việc xác định giới hạn hố đào tối ưu vẫn còn khó khăn. Bài báo này đề cập đến các vấn đề chính trong tối ưu hóa giới hạn hố đào: bài báo xem xét các công trình trước đây, phân tích các đặc điểm động của giới hạn hố đào, kiểm tra các yếu tố chính ảnh hưởng đến góc dốc ổn định cuối cùng, đề xuất các phương pháp dự đoán độ dốc cuối cùng hợp lý và nghiên cứu các phương pháp nhanh để tạo chuỗi giới hạn hố đào và xác định giới hạn hố đào cuối cùng. Dựa trên thực tiễn kỹ thuật và các phát triển hiện tại và sử dụng lý thuyết và phương pháp đa ngành, nghiên cứu này cung cấp một nghiên cứu chuyên sâu, có hệ thống với giá trị lý thuyết và thực tiễn đáng kể.
Nguyên tắc Thiết kế Giới hạn Mỏ Lộ thiên Kích thước giới hạn mỏ lộ thiên quyết định lượng quặng và đất đá thải cần loại bỏ. Khi giới hạn mỏ sâu hơn và mở rộng, khối lượng quặng tăng lên nhưng đất đá thải cũng tăng đáng kể, khiến tỷ lệ bóc tách tăng lên. Do đó, việc xác định giới hạn mỏ về cơ bản bao gồm việc kiểm soát tỷ lệ bóc tách sao cho không vượt quá tỷ lệ bóc tách chấp nhận được về mặt kinh tế.
Một số loại tỷ lệ bóc tách liên quan đến kích thước giới hạn hố. Tỷ lệ bóc tách nào cần kiểm soát vẫn đang được tranh luận; bài báo trình bày ba quan điểm học thuật tiêu biểu và sớm nhất trong lịch sử cùng các tiêu chí thiết kế tương ứng của chúng:
(1) Tỷ lệ bóc giới hạn hố không lớn hơn tỷ lệ bóc kinh tế Tiêu chí này yêu cầu tỷ lệ bóc tại giới hạn hố không vượt quá tỷ lệ bóc hợp lý về mặt kinh tế. Bản chất của nó là đảm bảo rằng, khi hố sâu hơn, lợi ích kinh tế cận biên của khai thác lộ thiên không tệ hơn so với khai thác hầm lò. Đối với các thân quặng liên tục có lớp phủ mỏng, nguyên tắc này có xu hướng tối đa hóa tổng lợi nhuận từ mỏ. Vì nó nhằm mục đích tối ưu hóa tổng kết quả kinh tế và dễ tính toán và áp dụng, tiêu chí ≤ được sử dụng rộng rãi trong thiết kế giới hạn hố thủ công cả trong nước và quốc tế. Tuy nhiên, đối với các mỏ có lớp phủ dày hoặc không liên tục, tiêu chí này có thể không phù hợp; do đó, nó là điều kiện cần nhưng không đủ để có giới hạn hố tối ưu.
(2) Tỷ lệ bóc tách trung bình không lớn hơn tỷ lệ bóc tách kinh tế Tiêu chí này nhằm kiểm soát hiệu suất kinh tế chung của khai thác lộ thiên để không tệ hơn khai thác hầm lò. Mục tiêu là tối đa hóa quặng có thể thu hồi trong phạm vi giới hạn hố trong khi đảm bảo hiệu quả kinh tế chung của khai thác lộ thiên không thấp hơn khai thác hầm lò. Do sử dụng phương pháp trung bình số học nên một số khu vực địa phương có thể kém hiệu quả kinh tế hơn so với các phương pháp khai thác hầm lò. Tiêu chí ≤ trung bình có thể được sử dụng kết hợp với tiêu chí ≤ giới hạn hố: sau khi phác thảo hố theo tiêu chí giới hạn hố, cần kiểm tra tỷ lệ bóc tách trung bình trong giới hạn đó. Tiêu chí này thường được áp dụng cho các khoáng sản có giá trị cao, hiếm hoặc các mỏ nhỏ khi mong muốn tối đa hóa việc khai thác lộ thiên (để giảm thiểu sự pha loãng và thất thoát quặng). Tiêu chí này cũng thường được sử dụng cho các mỏ đá kích thước và đá vôi.
(3) Tỷ lệ bóc tách sản lượng không lớn hơn tỷ lệ bóc tách kinh tế Tỷ lệ bóc tách sản lượng phản ánh tỷ lệ bóc tách thực tế so với quặng trải qua trong suốt chu kỳ sản xuất của mỏ. Áp dụng tiêu chí ≤ sản lượng đảm bảo rằng ở bất kỳ giai đoạn sản xuất nào, kết quả kinh tế của khai thác lộ thiên không tệ hơn khai thác hầm lò. Tỷ lệ bóc tách sản lượng có thể là tỷ lệ sản xuất cân bằng hoặc tỷ lệ bóc tách không cân bằng (phụ thuộc vào thời gian). Giới hạn hố thu được từ tiêu chí sản xuất nhỏ hơn giới hạn hố nhưng lớn hơn giới hạn từ tiêu chí trung bình và do đó dẫn đến đầu tư phát triển và bóc tách ban đầu cao hơn. Vì tỷ lệ bóc tách sản lượng khó xác định chính xác và mối quan hệ của nó với độ sâu rất phức tạp nên tiêu chí này ít thực tế hơn và ít được sử dụng.
Các yếu tố giới hạn khai thác lộ thiên 3.1 Góc dốc cuối cùng và cấu trúc dốc Góc dốc cuối cùng (cuối cùng) của mỏ ảnh hưởng rất lớn đến an toàn sản xuất và hiệu quả kinh tế. Về mặt kinh tế, độ dốc lớn hơn (góc lớn hơn) được ưu tiên vì góc dốc nhỏ hơn sẽ làm tăng khả năng loại bỏ chất thải và tỷ lệ bóc tách. Tuy nhiên, góc dốc quá lớn có thể gây mất ổn định và nguy hiểm cho an toàn. Do đó, góc dốc cuối cùng phải đáp ứng cả yêu cầu về độ ổn định (an toàn) và vận hành (khai thác).
Yêu cầu về độ ổn định là, dựa trên các đặc tính của khối đá và phân tích độ ổn định, góc dốc cuối cùng phải đảm bảo độ ổn định của mái dốc. Trong giai đoạn thiết kế giới hạn hố đào, góc dốc cuối cùng thường được lựa chọn dựa trên tham chiếu đến các mỏ tương tự, sau đó được phân tích độ ổn định sơ bộ và tính toán đơn giản hóa dựa trên dữ liệu sẵn có.
3.2 Chiều rộng và vị trí đáy (sàn hố) (1) Chiều rộng và giá trị đáy tối thiểu Chiều rộng đáy hố tối thiểu phải cho phép thiết bị khai thác và vận chuyển hoạt động và thực hiện công việc an toàn. Nhìn chung, chiều rộng đáy hố không được hẹp hơn chiều rộng rãnh đào ban đầu (đào ban đầu); giá trị tối thiểu được xác định dựa trên thông số kỹ thuật của thiết bị và tính toán bố trí vận chuyển.
(2) Vị trí đáy hố và giới hạn hố tương tự về mặt hình học (tự tương tự) Tiêu chí cơ bản để xác định vị trí đáy hố là giảm thiểu tỷ lệ bóc tách trung bình trong hố. Đôi khi, đáy hố được điều chỉnh so với các vùng đá-cơ học hoặc kết cấu để các mái dốc cuối cùng tránh các vùng nứt nẻ hoặc kết cấu yếu, cải thiện độ ổn định và đơn giản hóa việc nổ mìn.
Tùy thuộc vào độ dày theo chiều ngang của quặng, có ba vị trí có thể có của đáy hố:
Nếu độ dày theo chiều ngang của thân quặng nhỏ hơn chiều rộng đáy tối thiểu, hãy vẽ mặt phẳng đáy hố theo chiều rộng tối thiểu.
Nếu độ dày theo chiều ngang bằng hoặc lớn hơn một chút so với chiều rộng đáy tối thiểu, hãy đặt chiều rộng đáy hố bằng với độ dày của thân quặng.
Nếu độ dày theo chiều ngang của thân quặng vượt quá nhiều so với chiều rộng đáy tối thiểu, hãy sử dụng chiều rộng đáy tối thiểu.
Vị trí được chọn phải tối đa hóa lượng quặng có thể thu hồi, giảm thiểu chất thải và tạo ra chất lượng quặng tốt nhất—tức là tối đa hóa lợi ích kinh tế.
Do đáy hố thực tế có chiều rộng khác không, nên các giới hạn hố tương tự về mặt hình học không hoàn toàn áp dụng được. Trong thiết kế, hãy xác định vị trí đáy hố theo các trường hợp sau: (i) trên địa hình bằng phẳng, cả các thân quặng dày và mỏng đều có thể tạo thành các giới hạn hố tương tự về mặt hình học; (ii) trên địa hình nghiêng, nếu độ dày theo phương ngang lớn hơn chiều rộng tối thiểu thì hố có hình dạng tương tự, trong khi các thân quặng mỏng có chiều dày theo phương ngang nhỏ hơn chiều rộng tối thiểu phải đáp ứng các điều kiện bổ sung.
(3) Phương pháp thiết kế cho giới hạn hố tương tự về mặt hình học Giới hạn hố tương tự về mặt hình học là vị trí đáy tối ưu về mặt lý thuyết giúp giảm thiểu tỷ lệ tước trung bình—trên thực tế là vị trí đáy tối ưu khi chiều rộng đáy tiến tới 0.
3.3 Độ sâu hố đào. Tiêu chuẩn thiết kế giới hạn hố đào về cơ bản xác định độ sâu hố đào hợp lý về mặt kinh tế. Tùy thuộc vào tính liên tục của thân quặng và chiều dài đường phân cách, hố đào có thể được phân loại thành hố đào dài hoặc hố đào ngắn. Nếu tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng vượt quá 4:1, hố đào có chiều dài "longd" và thể tích quặng ở thành cuối tương đối nhỏ; trong thiết kế thủ công, sự đóng góp của thành cuối thường không đáng kể. Nếu tỷ lệ này nhỏ hơn 4:1, hố đào có chiều dài "shortd" và quặng ở thành cuối có thể chiếm 15–20% hoặc hơn tổng thể tích và cần được xem xét.
(1) Xác định sơ bộ độ sâu hố đào trên mặt cắt địa chất. Có ba phương pháp để xác định độ sâu hố đào trên mặt cắt địa chất: (a) phương pháp phân tích, (b) phương pháp đồ họa, và (c) phương pháp phân tích mặt bằng (phân tích sơ đồ). Phương pháp phân tích mặt bằng được sử dụng rộng rãi nhất. Các bước của phương pháp này là: 1) đề xuất một số độ sâu hố đào tiềm năng; 2) tính toán tỷ lệ bóc tách giới hạn hố đào cho mỗi độ sâu; 3) vẽ đường cong phân tích và chọn độ sâu ban đầu.
(2) Điều chỉnh cao độ đáy hố trên mặt cắt ngang Điều chỉnh cao độ đáy hố trên mặt cắt ngang; cao độ điều chỉnh là độ sâu hố thiết kế.
(3) Vạch ranh giới hố lộ thiên (phương pháp thủ công) Vạch ranh giới hố lộ thiên thủ công bao gồm ba bước chính:
Vẽ chu vi lý thuyết của sàn hố đào tại độ sâu thiết kế: trên mỗi mặt cắt ngang, mặt cắt dọc và mặt cắt phụ, vẽ giới hạn sàn hố đào tại độ sâu thiết kế; sau đó vẽ mặt bằng tầng địa tầng tại cao độ đó. Chiếu các điểm cuối của sàn hố đào từ góc nhìn mặt cắt lên mặt bằng và nối chúng lại để có được chu vi sàn lý thuyết. Làm nhẵn đường đa giác thành một đường cong để tạo thành chu vi sàn hố đào thiết kế. Kiểm tra xem kích thước sàn có đáp ứng các yêu cầu về bố trí vận chuyển và vận hành thiết bị hay không—độ thẳng, bán kính cong và chiều dài sàn phải đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật.
Vẽ giới hạn hố đào: Trên mặt bằng địa hình-địa chất, vẽ chu vi sàn thiết kế, sau đó, từ trong ra ngoài, vẽ chân móng và đường đỉnh cho từng móng (tức là móng và sườn dốc) theo các yếu tố mái dốc đã chọn. Các phần trũng của hố đào tạo thành các chân móng khép kín trên mặt bằng; các phần sườn đồi có thể có các đường chân móng nối với các đường đồng mức có cùng độ cao.
Vẽ sơ đồ hố ga cuối cùng: trên sơ đồ giới hạn hố ga, bố trí đường vận chuyển và đường phát triển (tuyến đường), sau đó từ dưới lên vẽ mặt băng ghế và sàn ga để có cấu hình cuối cùng. Cũng thiết kế các sàn ga liên băng ghế nếu cần. Kiểm tra và điều chỉnh sơ đồ giới hạn hố ga ban đầu vì các hạn chế về tuyến đường và phát triển có thể làm giảm góc dốc và tăng độ dốc.
(4) Vẽ mặt cắt giới hạn hố đào. Sử dụng bản vẽ hố đào cuối cùng, vẽ ba mặt cắt đại diện theo tỷ lệ thích hợp. Đường cắt dọc được vẽ qua các điểm chính của chiều rộng đáy hố đào; sử dụng chiều rộng của bệ đào, lần lượt nhô lên trên để hoàn thành các mặt cắt.
Xác định và tối ưu hóa giới hạn hố lộ thiên Sử dụng các nguyên tắc thiết kế thường được áp dụng được mô tả ở trên, phương pháp và các bước để xác định và tối ưu hóa giới hạn hố như sau:
(1) Xác định độ sâu hố đào. Đối với hố đào dài, trước tiên hãy xác định độ sâu trên mỗi mặt cắt địa chất, sau đó điều chỉnh cao độ đáy bằng các mặt cắt dọc. Đối với hố đào ngắn có tỷ lệ chiều sâu/chiều rộng lớn, hãy xem xét ảnh hưởng của sự giãn nở thành hố. Nếu không thể xác định độ sâu trực tiếp từ mặt cắt, hãy tính toán tỷ lệ bóc giới hạn hố đào trên hình chiếu bằng cho một số độ sâu ứng viên và chọn độ sâu mà tỷ lệ bóc giới hạn hố đào bằng với tỷ lệ bóc hợp lý về mặt kinh tế.
(2) Xác định chu vi đáy hố theo bản vẽ. Chiều rộng đáy hố có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn chiều dày ngang của thân quặng, nhưng phải đáp ứng yêu cầu về chiều rộng tối thiểu. Nguyên tắc là tối đa hóa khả năng thu hồi quặng đồng thời giảm thiểu chất thải. Chiều rộng đáy hố tối thiểu phải đảm bảo sản xuất an toàn và vận hành bình thường của thiết bị khai thác và vận chuyển; trên thực tế, chiều rộng này tương ứng với chiều rộng rãnh khởi động và phụ thuộc vào phương pháp và thiết bị - thường không nhỏ hơn 20–30 m để đảm bảo an toàn.
Sau khi xác định cao độ đáy và vị trí cuối, vẽ chu vi sàn lý thuyết bằng cách chiếu các điểm cuối từ mặt cắt ngang lên mặt bằng địa tầng tại cao độ thiết kế và nối chúng lại. Để thuận tiện cho việc vận chuyển, chu vi sàn phải càng thẳng càng tốt; các phần cong phải đáp ứng bán kính cong tối thiểu cho thiết bị.
(3) Xác định cấu trúc mái dốc và góc dốc. Độ ổn định của mái dốc là yếu tố thiết yếu cho sản xuất an toàn. Lựa chọn góc dốc chính xác là biện pháp chủ yếu để đảm bảo độ ổn định. Trong giới hạn yêu cầu kỹ thuật và độ ổn định, hãy chọn góc dốc cuối cùng dốc nhất có thể để giảm thiểu lượng chất thải thải ra. Khi thiết lập góc dốc, hãy xem xét các đặc tính của khối đá, cấu trúc địa chất, thủy văn địa chất, phương pháp và thiết bị khai thác, tuổi thọ dự kiến của mỏ và khí hậu. Nếu có thể, hãy tiến hành các thử nghiệm cơ học đá và tính toán độ ổn định của mái dốc. Do các phương pháp tính toán hiện có không phải lúc nào cũng hoàn hảo, trên thực tế, góc dốc cuối cùng thường được lựa chọn dựa trên các mỏ tương tự và dữ liệu thực nghiệm.
(4) Vẽ hình chiếu mặt bằng cuối cùng. Các bước bao gồm:
Chuyển chu vi đáy hố đã xác định lên giấy trong suốt và phủ lên bản đồ địa hình - địa chất; vẽ các chân bệ theo các yếu tố độ dốc từ trong ra ngoài.
Bố trí đường vận chuyển.
Xem xét và sửa đổi kế hoạch cuối cùng sơ bộ.
Chiếu bản vẽ hoàn thiện lên mặt cắt ngang sao cho giới hạn mặt cắt trùng khớp với bản vẽ. Do góc dốc, chiều rộng và chiều sâu sàn ảnh hưởng mạnh đến giới hạn cuối cùng của hố đào, nên có thể thiết lập một hệ thống chỉ số đánh giá động để mô hình hóa và tối ưu hóa giới hạn hố đào lộ thiên. Các thuật toán mạng nơ-ron BP cải tiến có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình dự đoán cho góc dốc cuối cùng ổn định. Mô phỏng máy tính ba chiều có thể hỗ trợ lập lịch trình sản xuất hiệu quả và trực quan. Các phương pháp mô phỏng máy tính cho phép tối ưu hóa hơn nữa giới hạn hố đào.
Kết luận Khai thác lộ thiên sử dụng thiết bị đào và vận chuyển chuyên dụng trong không gian làm việc lộ thiên. Góc dốc cuối cùng của hố, chiều rộng và vị trí đáy hố, cũng như độ sâu của hố ảnh hưởng đáng kể đến an toàn và kinh tế sản xuất. Việc xác định giới hạn hố là một nhiệm vụ phức tạp, đòi hỏi phải tuân thủ các nguyên tắc cơ bản, đồng thời linh hoạt điều chỉnh theo điều kiện cụ thể của địa điểm để đạt được thiết kế hợp lý. Bài báo này đã xem xét các vấn đề chính trong tối ưu hóa giới hạn hố, phân tích các đặc điểm của giới hạn hố, xem xét các chỉ số chính ảnh hưởng đến góc dốc cuối cùng ổn định và các phương pháp dự đoán độ dốc cuối cùng hợp lý, đồng thời thảo luận về các phương pháp tối ưu hóa giới hạn hố.
