التعدين السطحي: من الحفر والتفجير إلى التحكم في المياه وإعادة تأهيل المناجم
يبدو التعدين السطحي بسيطاً من بعيد: حفر الصخور، تكسيرها، تحميلها، ونقلها بعيداً.
عملياً، يعتمد منجم الحفر المكشوف الآمن والمنتج على عدة أنظمة مترابطة. يؤثر شكل المصطبة على عمليات الحفر، وتؤثر جودة الحفر على عمليات التفجير، وتؤثر عمليات التفجير بدورها على التحميل والنقل والتكسير واستقرار المنحدرات والغبار والصرف، وفي النهاية على تكلفة إعادة التأهيل.
إن فهم سير العمل الكامل أكثر فائدة من النظر إلى أي جهاز منفرد بمعزل عن غيره.
1. النوعان الأساسيان للمناجم المكشوفة
"الخط المحيطي المغلق" هو الخط الأفقي المغلق الذي تشكله حدود التعدين في الحفرة المفتوحة على سطح الأرض.
استنادًا إلى التضاريس وموقع الرواسب بالنسبة لهذا الخط الكنتور، تُقسم المناجم المكشوفة عادةً إلى نوعين:
مناجم مكشوفة على سفوح التلالتقع هذه المناطق فوق خط الكنتور المغلق للسطح. ويتطور الحفر على طول منحدر، وقد تساعد الجاذبية في بعض عمليات الصرف.
مناجم الحفر المكشوفة في منطقة الكسادتمتد هذه الحفر أسفل سطح الأرض في محيط مغلق. وغالبًا ما تتطلب هذه الحفر تحكمًا أكثر تعقيدًا في المياه، وتخطيطًا لطرق النقل، وإدارة للمنحدرات كلما ازداد عمق الحفر.
يؤثر هذا التمييز على تخطيط المنجم، وطرق الوصول، ونظام الصرف، وتصميم المنحدر النهائي.
2. العناصر الأساسية الثلاثة للمقعد
يتم بناء منجم الحفرة المفتوحة على مستويات عمل أفقية تسمى المصاطب.
مقعد:طبقة أفقية تُقسّم إليها كتلة الخام والصخور. المسافة الرأسية بين مستويات العمل هي ارتفاع المصطبة.
مواجهة المقعد:السطح المائل للمنصة المواجه للمنطقة المستخرجة. الزاوية بين هذا السطح والمستوى الأفقي هي زاوية سطح المنصة.
المنصة أو الحاجز الترابي:المساحة الأفقية بين طرفي سطح المقعد. عرضها هو عرض المنصة.
تخدم المنصات المختلفة أغراضًا مختلفة:
تدعم منصة العمل عمليات الحفر والتفجير والتحميل والنقل.
يساعد الحاجز الترابي أو حاجز الأمان على اعتراض الصخور المتساقطة.
يوفر حاجز التنظيف مساحة لإزالة المواد السائبة.
يجب أن يكون عرض العمل كافياً لكل من حركة المعدات والفصل الآمن.
لا يقتصر تصميم المقاعد على كونه مسألة إنتاجية فحسب، بل هو أيضاً مسألة تتعلق باستقرار المنحدرات والتحكم في الوصول.
3. التسلسل الرئيسي لإنتاج المناجم المكشوفة
تتضمن عملية سير العمل الأساسية للإنتاج عادةً ما يلي:
حفر
التفجير أو تكسير الصخور
التحميل والنقل
إزالة الصخور النفايات
تؤثر كل مرحلة على المرحلة التي تليها. فالحفر الرديء قد يؤدي إلى انفجار ضعيف. كما أن التفتيت غير الجيد قد يُحمّل الحفارات والكسارات فوق طاقتها. وقد يؤدي تصميم الطرق غير المناسب إلى تقليل إنتاجية معدات التحميل ذات الكفاءة العالية.
حفر
يُعد الحفر أول عملية رئيسية في إنتاج المناجم المكشوفة. وعادة ما يمثل حوالي 10% إلى 15% من إجمالي تكلفة الإنتاج.
تُستخدم ثلاث فئات من المعدات على نطاق واسع.
حفارات DTHتوفر هذه التقنية زوايا حفر مرنة، وسهولة في الحركة، ووزنًا منخفضًا نسبيًا للمعدات واستثمارًا بسيطًا. وهي مفيدة للمناجم الصغيرة والمتوسطة الحجم، وخاصة في الصخور متوسطة الصلابة. يساعد الحفر المائل على التحكم في جودة الخام، والحد من تكوّن الصخور عند قاعدة المنجم، وتقليل حجم الكتل الكبيرة.
حفارات ثقوب التفجير الدوارةتوفر هذه الآلات إنتاجية عالية ومستوى عالٍ من الميكنة. وهي تُستخدم على نطاق واسع في المناجم المكشوفة الكبيرة، ويمكنها حفر التكوينات عبر نطاق واسع من الصلابة.
حفارات صخور جامبو أو مجنزرةاستخدم مثقابًا صخريًا واحدًا أو أكثر مزودًا بوحدات تغذية آلية مثبتة على ذراع أو إطار. إن سهولة حركتها وتشغيلها الميكانيكي يجعلها مناسبة لأعمال الحفر المتخصصة أو المتغيرة.
في عملية الحفر بتقنية DTH، يجب أن تتكامل المطرقة، والمثقاب، والقضيب، والضاغط، ونظام التنظيف، وتكوين الصخور كنظام واحد. ويؤثر قطر الثقب، وعمقه، وميله، ودقته جميعها على نتيجة التفجير أو تكسير الصخور النهائية.
التفجير والتكسير الصخري المتحكم به
يهدف التفجير إلى إنتاج شظايا بحجم مناسب للحفارات وشاحنات النقل والكسارات الأولية. وفي العديد من عمليات التعدين السطحي، يمثل التفجير ما يقارب 15% إلى 20% من إجمالي تكلفة الإنتاج.
تشمل الطرق الشائعة ما يلي:
التفجير في الثقوب الضحلة:يستخدم عادة ثقوبًا أصغر، غالبًا ما يتراوح قطرها بين 30 و75 ملم، مع أعماق ثقوب تقل عمومًا عن 5 أمتار. ويستخدم في المحاجر الصغيرة والأنفاق وقطع الطرق والتكسير الثانوي وأعمال الحفر الخاصة.
التفجير العميق باستخدام منصة الحفر:يستخدم هذا النظام ثقوبًا أعمق يتم حفرها بواسطة معدات الحفر الدوراني أو معدات الحفر العمودي. ويمكن استخدام الثقوب الرأسية والمائلة حسب تصميم المصطبة ومتطلبات التفتيت.
تفجير الغرف:يضع كمية أكبر من المتفجرات في حجرة أو فتحة تحت الأرض. ويقتصر استخدامه عموماً على ظروف بناء محددة أو محاجر ذات حجم كبير.
إطلاق النار متعدد الصفوف في أجزاء من الثانية:يُستخدم هذا الأسلوب عند الحاجة إلى كميات إنتاج أكبر. يمكن للتوقيت المُتحكم به تحسين عملية التفتيت والتحكم في الاهتزاز بشكل أكثر فعالية من البدء المتزامن.
عند الاقتراب من المنحدرات النهائية، قد يستخدم المهندسون أساليب تفجير مضبوطة مثل التأخيرات الزمنية القصيرة، والتفجير المسبق، والتفجير السلس، والتفجير المعزز. والهدف هو حماية الكتلة الصخرية المتبقية بدلاً من مجرد زيادة التكسير إلى أقصى حد.
بالنسبة للمواقع القريبة من المباني أو السكك الحديدية أو الطرق السريعة أو خطوط الكهرباء أو غيرها من المنشآت الحساسة، قد يكون استخدام طريقة غير متفجرة أكثر ملاءمة. يستخدم نظام تكسير الصخور بالطاقة الغازية O2 من شركة Gaea Rock الأكسجين السائل ومادة ماصة قابلة للاحتراق داخل أنبوب التكسير. وهي عملية تغيير طور مضبوطة، وليست نظامًا متفجرًا تقليديًا.
يمكن النظر في استخدام نظام الأكسجين عندما تكون شدة الموجة الصدمية المنخفضة، والاهتزازات المخففة، وسهولة تصنيف النقل، والتحكم في تكسير الصخور أمورًا بالغة الأهمية. يجب تصميم إجراءات الحفر، والتثبيت، والشحن، والإشعال، والعزل، والطوارئ، والإشراف عليها من قبل كوادر مؤهلة.
4. التحميل والنقل
تُعدّ عملية التحميل الحلقة المركزية في دورة إنتاج المناجم المكشوفة. تقوم الحفارات بإزالة الخام أو الصخور المتفجرة وتحميلها في معدات النقل أو نقلها إلى موقع مخصص.
تشمل معدات التحميل الشائعة ما يلي:
الحفارات الهيدروليكية
مجارف الكابلات
المجارف الهيدروليكية
اللوادر ذات العجلات
لا يمكن تحسين عمليتي التحميل والنقل بشكل منفصل. فالحفارة الكبيرة لا تُجدي نفعاً إذا اصطفت الشاحنات في موقع العمل أو كانت طرق النقل سيئة الصيانة.
يمكن أن تمثل البنية التحتية للنقل حصة كبيرة من استثمارات التعدين، ويمكن أن يمثل النقل أكثر من نصف إجمالي تكلفة الخام والعمالة في بعض العمليات.
تشمل أنظمة النقل الشائعة ما يلي:
نقل البضائع بالشاحنات
النقل بالسكك الحديدية
أنظمة النقل
رفع الحاويات المائلة
أنظمة النقل المشتركة
لا يزال النقل بالشاحنات هو الأكثر شيوعاً لأنه مرن، لكن المناجم الأكبر حجماً تقوم بشكل متزايد بدمج السيور الناقلة المستمرة وبرامج الإرسال والمعدات الآلية.
5. التخلص من الصخور النفايات
يجب نقل الصخور النفايات والتربة السطحية المجردة إلى مناطق التخلص المخصصة.
قد تستخدم عمليات مناولة الصخور النفايات النقل البري أو النقل بالسكك الحديدية أو السيور الناقلة. ويمكن تصميم مناطق التخلص منها على شكل مكبات أحادية المنصة، أو مكبات متعددة المنصات مغطاة، أو مكبات متعددة المنصات مدعومة من الأسفل.
يجب تصميم مكب النفايات بحيث يراعي سعته، وتصريف المياه، واستقرار المنحدرات، وفصل حركة المرور، وإعادة تأهيله على المدى الطويل. فسوء إدارة مواقع النفايات قد يؤدي إلى عدم الاستقرار، والجريان السطحي، والغبار، ومشاكل مستقبلية في إعادة التأهيل.
6. الحماية من المياه والصرف الصحي
يُعد التحكم في المياه أحد أهم أنظمة الهندسة في المناجم المكشوفة.
تشمل أساليب الصرف الشائعة ما يلي:
نظام تصريف المياه بالجاذبية لمناجم سفوح التلال
تجميع المياه من قاع الحفر الضحلة ذات التدفق المحدود
نظام تصريف اعتراضي مُتدرج للحفر العميقة ذات التدفق المائي الأعلى
أنفاق تحت الأرض وممرات تصريف للمياه ذات التدفق العالي جدًا
قد يتم دمج عدة أنظمة اعتمادًا على التضاريس والجيولوجيا.
كما تتطلب عملية العزل المائي فحصاً دورياً. ينبغي فحص قنوات التصريف والحواجز والمضخات والبطانات وغيرها من الهياكل الواقية قبل موسم الأمطار وبعد الظروف الجوية القاسية.
7. مشاكل ما بعد التعدين
قد تنشأ مخاطر جسيمة في مواقع الحفر المكشوفة غير المُدارة:
تراكم المياه في الحفرة
منحدرات عالية وغير مستقرة
الانهيارات الأرضية
تأثيرات الضغط على الأنفاق القريبة
انهيار سد مخلفات التعدين
تدفقات طينية تؤثر على المجتمعات الواقعة في اتجاه مجرى النهر
الأضرار البيئية طويلة الأجل الناجمة عن تصريف مخلفات التعدين
ينبغي معالجة هذه المخاطر أثناء تخطيط المناجم، وليس فقط بعد انتهاء الإنتاج.
8. إعادة تأهيل المنجم
تركز عمليات إعادة تأهيل المناجم الحديثة عادةً على أربعة مجالات.
معالجة المنحدرات:إزالة الصخور غير المستقرة، وتقليل زوايا المنحدرات المفرطة، وتشكيل مصاطب مستقرة، وإعادة تشجير المناطق المعالجة.
إدارة مخلفات التعدين:استخدم مخلفات التعدين المناسبة كحشو تحت الأرض حيثما كان ذلك مناسباً من الناحية الفنية والقانونية. استرجع المعادن القيّمة من خلال إعادة المعالجة، واستكشف استخداماتها الآمنة كمواد بناء.
معالجة التربة:استبدال التربة المتضررة أو تحسينها، وإنشاء حواجز تحد من انتقال الملوثات، وإضافة مواد محسّنة لاستعادة الخصوبة.
استعادة الغطاء النباتي:اختر نباتات متأقلمة مع المناخ المحلي، والتربة الفقيرة، وعند الضرورة، مع التعرض للمعادن الثقيلة. يُعد الغطاء النباتي المباشر بسيطًا واقتصاديًا؛ وغالبًا ما يُحسّن وضع التربة السطحية من سرعة نمو النباتات وتعافيها.
إن أكثر مناجم الحفر المكشوف كفاءة ليس فقط ذلك الذي ينقل أكبر كمية من الصخور، بل هو ذلك الذي ينسق عمليات الحفر، وتكسير الصخور، والتحميل، والنقل، والصرف، والتحكم في المنحدرات، وإعادة التأهيل منذ البداية.
