مبادئ وطرق تصميم حدود التعدين المفتوح
خصائص التعدين المفتوح: التعدين المفتوح هو استخراج الخام من بيئة سطحية مكشوفة باستخدام معدات حفر ونقل مخصصة. وتتمثل ميزته الرئيسية في أنه لاستخلاص الخام، يجب تجريد الصخور المحيطة والطبقة الصخرية المحيطة، ثم نقل الخام أو الصخور إلى السطح عبر طرق النقل السطحية أو أعمال الحفر تحت الأرض. وتُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع لاستخراج خامات المعادن، والمواد الخام المعدنية، ومواد البناء، والمواد الخام الكيميائية، والفحم.
بالمقارنة مع التعدين تحت الأرض، فإن التعدين المفتوح - لأنه يعمل في مساحة مكشوفة - يتمتع بالخصائص التالية:
(1) مساحة العمل غير محدودة نسبيًا، مما يُسهّل استخدام المعدات الميكانيكية الكبيرة. ويمكن للمستويات العالية من الميكنة والأتمتة أن تزيد من كثافة التعدين وإنتاج الخام.
(2) ارتفاع إنتاجية العمل.
(3) انخفاض تكاليف التعدين، مما يجعل الاستغلال واسع النطاق للخامات منخفضة الجودة ممكنا.
(4) انخفاض فقدان الخام والتخفيف، مما يساعد على استعادة الموارد المعدنية.
(5) وقت تطوير أقصر؛ حيث تكون النفقات الرأسمالية لكل طن سنوي من الخام أقل من تلك الخاصة بالتعدين تحت الأرض.
(6) بالنسبة للأجسام الخام الساخنة أو القابلة للاشتعال، يمكن أن يكون التعدين المفتوح أكثر أمانًا من التعدين تحت الأرض.
(7) ظروف عمل أفضل وعمليات أكثر أمانًا بشكل عام.
(8) تنتج عمليات الحفر المفتوحة كميات كبيرة من الغبار وانبعاثات المركبات؛ وقد تؤدي الصخور المتفجرة التي تحتوي على مكونات ضارة إلى تلويث الهواء المحيط والمياه والتربة إلى حد ما.
(9) تترسب كميات كبيرة من العبء الزائد في مكبات النفايات؛ وتحتل مرافق النفايات مساحات كبيرة من الأراضي (الجبال والأراضي الزراعية) ويمكن أن تؤدي إلى تدهور البيئة محليًا.
(10) يمكن أن تؤثر الظروف الجوية مثل الثلج والجليد والأمطار الغزيرة سلبًا على عمليات الحفر المفتوحة.
يُعد تحديد حدود التعدين (حدود الحفر) أساس تصميم مناجم الحفر المفتوحة، وشرطًا أساسيًا للاستغلال الآمن والفعال اقتصاديًا. وقد درس الباحثون والممارسون حول العالم منذ فترة طويلة تحسين حدود الحفر، وتوصلوا إلى نتائج مهمة. ومع ذلك، نظرًا لأن مناجم الحفر المفتوحة تواجه أجسامًا جيولوجية معقدة ومتغيرة، وتوزيعات غير منتظمة للدرجات، ومعايير اقتصادية متغيرة - عوامل غير خطية وديناميكية - فإن تحديد حدود الحفر المثلى لا يزال صعبًا. تتناول هذه الورقة البحثية القضايا الرئيسية في تحسين حدود الحفر: فهي تستعرض الأعمال السابقة، وتحلل الخصائص الديناميكية لحدود الحفر، وتدرس العوامل الرئيسية المؤثرة على زاوية الميل النهائية المستقرة، وتقترح أساليب للتنبؤ بميل نهائي معقول، وتدرس أساليب سريعة لتوليد سلسلة حدود الحفر وتحديد الحد النهائي. تستند هذه الدراسة إلى الممارسات الهندسية والتطورات الحالية، وتستخدم نظريات وأساليب متعددة التخصصات، وتوفر بحثًا منهجيًا ومعمقًا ذا قيمة نظرية وعملية كبيرة.
مبادئ تصميم حدود المنجم المفتوح: يُحدد حجم حدود المنجم المفتوح كميات الخام والطبقة العازلة المراد إزالتها. مع تعمق حدود المنجم واتساعها، تزداد كمية الخام، ويرتفع أيضًا مستوى الطبقة العازلة بشكل كبير، مما يؤدي إلى زيادة نسبة التجريد. لذلك، فإن تحديد حدود المنجم يتطلب أساسًا التحكم في نسبة التجريد بحيث لا تتجاوز النسبة المقبولة اقتصاديًا.
ترتبط عدة أنواع من نسب التجريد بحجم حد الحفرة. ويبقى تحديد نسبة التجريد للتحكم محل جدل؛ إذ تعرض الورقة ثلاث وجهات نظر أكاديمية تاريخية مبكرة وممثلة، ومعايير التصميم المقابلة لها:
(1) نسبة التجريد عند حد الحفرة لا تزيد عن نسبة التجريد الاقتصادية. يتطلب هذا المعيار ألا تتجاوز نسبة التجريد عند حد الحفرة نسبة التجريد المعقولة اقتصاديًا. وجوهره هو ضمان أنه مع تعمق الحفرة، لا تكون الفائدة الاقتصادية الهامشية للتعدين في الحفر المفتوحة أسوأ من تلك الخاصة بالتعدين تحت الأرض. بالنسبة للخامات المتصلة ذات العبء الزائد الرقيق، يميل هذا المبدأ إلى تعظيم الربح الإجمالي من الوديعة. ونظرًا لأنه يهدف إلى تحسين النتيجة الاقتصادية الإجمالية وسهولة حسابه وتطبيقه، فإن معيار ≤ يُستخدم على نطاق واسع في تصميم حد الحفرة اليدوي محليًا ودوليًا. ومع ذلك، بالنسبة للرواسب ذات العبء الزائد السميك أو المتقطع، قد لا يكون هذا المعيار مناسبًا؛ وبالتالي فهو شرط ضروري ولكنه غير كافٍ لحد الحفرة الأمثل.
(2) متوسط نسبة التجريد لا يزيد عن نسبة التجريد الاقتصادية يهدف هذا المعيار إلى التحكم في الأداء الاقتصادي العام للتعدين المفتوح بحيث لا يكون أسوأ من التعدين تحت الأرض. الهدف هو تعظيم الخام القابل للاستخراج داخل منطقة حد الحفرة مع ضمان عدم انخفاض اقتصاديات الحفرة المفتوحة الإجمالية عن تلك الخاصة بالتعدين تحت الأرض. نظرًا لأنه يستخدم متوسطًا حسابيًا، فقد يكون أداء بعض المناطق المحلية أقل من المتوسط الاقتصادي مقارنةً بالطرق تحت الأرض. يمكن استخدام معيار المتوسط ≤ بالتزامن مع معيار حد الحفرة ≤: بعد تحديد الحفرة بواسطة معيار حد الحفرة، يجب التحقق من متوسط نسبة التجريد داخل هذا الحد. غالبًا ما يتم تطبيق هذا المعيار على المعادن النادرة عالية القيمة أو الرواسب الصغيرة عندما يكون تعظيم استخراج الحفرة المفتوحة (لتقليل التخفيف وفقدان الخام) أمرًا مرغوبًا فيه. كما أنه يستخدم بشكل شائع لمحاجر الحجر الجيري والحجر الجيري.
(3) نسبة تجريد الإنتاج لا تزيد عن نسبة التجريد الاقتصادية. تعكس نسبة تجريد الإنتاج نسبة التجريد الفعلية إلى الخام التي تم اختبارها خلال دورة إنتاج المنجم. يضمن تطبيق معيار الإنتاج ≤ أن تكون النتيجة الاقتصادية للتعدين المفتوح في أي مرحلة إنتاج ليست أسوأ من التعدين تحت الأرض. قد تكون نسبة تجريد الإنتاج نسبة إنتاج متوازنة أو نسبة تجريد غير متوازنة (تعتمد على الوقت). تكون حدود الحفرة المستمدة من معيار الإنتاج أصغر من تلك الموجودة في معيار حد الحفرة ولكنها أكبر من تلك الموجودة في معيار المتوسط، وبالتالي تؤدي إلى تجريد أولي أعلى واستثمار تطوير. نظرًا لصعوبة تحديد نسبة تجريد الإنتاج بدقة وعلاقتها بالعمق معقدة، فإن هذا المعيار أقل عملية ونادر الاستخدام.
عناصر حدود التعدين المكشوف 3.1 زاوية الميل النهائي وهيكل الميل: تؤثر زاوية الميل النهائي (النهائي) للحفرة بشكل كبير على سلامة الإنتاج والأداء الاقتصادي. من منظور اقتصادي، يُفضل استخدام انحدار أكثر انحدارًا (زاوية أكبر) لأن زاوية الميل الأصغر تزيد من إزالة النفايات ونسبة التجريد. مع ذلك، قد تؤدي زوايا الميل المفرطة إلى عدم الاستقرار وتهدد السلامة. لذلك، يجب أن تلبي زاوية الميل النهائي متطلبات الاستقرار (السلامة) والتشغيل (التعدين).
يتطلب الاستقرار أن تضمن زاوية الميل النهائية، بناءً على خصائص كتلة الصخور وتحليل الاستقرار، استقرار المنحدر. خلال مرحلة تصميم حدود الحفرة، تُختار زوايا الميل النهائية عادةً بالرجوع إلى مناجم مماثلة، ثم تُجرى عليها تحليلات استقرار أولية وحسابات مبسطة باستخدام البيانات المتاحة.
٣.٢ عرض وموقع قاع الحفرة (١) الحد الأدنى لعرض قاع الحفرة وقيمه. يجب أن يسمح الحد الأدنى لعرض قاع الحفرة بتشغيل معدات التعدين والنقل وأداء أعمالها بأمان. يجب ألا يكون أضيق عمومًا من عرض خندق الانطلاق (القطع الأولي)؛ وتُحدد القيمة الدنيا بناءً على مواصفات المعدات وحسابات تصميم النقل.
(٢) موقع القاع وحدود الحفرة المتشابهة هندسيًا (ذاتيًا): المعيار الأساسي لتحديد موقع أرضية الحفرة هو تقليل متوسط نسبة التجريد داخلها. في بعض الأحيان، يتم تعديل أرضية الحفرة بما يتناسب مع المناطق الصخرية الميكانيكية أو الإنشائية، بحيث تتجنب المنحدرات النهائية المناطق المتشققة أو الضعيفة هيكليًا، مما يُحسّن الاستقرار ويُسهّل عملية التفجير.
اعتمادًا على السُمك الأفقي للجسم الخام، هناك ثلاثة مواضع محتملة لأرضية الحفرة:
إذا كان السمك الأفقي للجسم الخام أقل من الحد الأدنى لعرض القاع، ارسم مستوى أرضية الحفرة إلى الحد الأدنى للعرض.
إذا كان السمك الأفقي يساوي أو يزيد قليلاً عن الحد الأدنى لعرض القاع، فاضبط عرض أرضية الحفرة بحيث يساوي سمك جسم الخام.
إذا كان السمك الأفقي للجسم الخام يتجاوز الحد الأدنى لعرض القاع بشكل كبير، فاستخدم الحد الأدنى لعرض القاع.
يجب أن يعمل الموضع المختار على تعظيم استخراج الخام، وتقليل النفايات، وإنتاج أفضل جودة للخام - أي تعظيم الفائدة الاقتصادية.
لأن قيعان الحفر الفعلية لا تساوي الصفر، فإن حدود الحفر المتشابهة هندسيًا غير قابلة للتطبيق بشكل كامل. في التصميم، يُحدد موقع قاع الحفرة في الحالات التالية: (أ) على الأراضي المستوية، قد تُشكل أجسام الخام السميكة والرقيقة حدود حفر متشابهة هندسيًا؛ (ب) على الأراضي المائلة، إذا كان السُمك الأفقي أكبر من الحد الأدنى للعرض، تكون الحفرة متشابهة الشكل، بينما يجب أن تستوفي أجسام الخام الرقيقة ذات السُمك الأفقي الأقل من الحد الأدنى للعرض قيودًا إضافية.
(3) طريقة التصميم لحدود الحفر المتشابهة هندسيًا: حد الحفرة المتشابهة هندسيًا هو الموقع السفلي الأمثل نظريًا والذي يقلل من متوسط نسبة التجريد - في الواقع هو الموضع السفلي الأمثل عندما يقترب عرض القاع من الصفر.
٣.٣ عمق الحفرة: تُحدد معايير تصميم حد الحفرة أساسًا عمق الحفرة المُبرر اقتصاديًا. بناءً على استمرارية خامة الخام وطول الثقب، يُمكن تصنيف الحفر إلى حفر طويلة أو حفر قصيرة. إذا تجاوزت نسبة الطول إلى العرض ٤:١، تكون الحفرة طويلة جدًا، ويكون حجم خام الجدار الطرفي صغيرًا نسبيًا؛ في التصميم اليدوي، غالبًا ما تكون مساهمة الجدار الطرفي ضئيلة. إذا كانت النسبة أقل من ٤:١، تكون الحفرة قصيرة جدًا، وقد يُمثل خام الجدار الطرفي ١٥-٢٠٪ أو أكثر من الإجمالي، ويجب أخذها في الاعتبار.
(١) التحديد الأولي لعمق الحفرة في المقاطع الجيولوجية العرضية. توجد ثلاث طرق لتحديد عمق الحفرة في المقاطع الجيولوجية العرضية: (أ) الطريقة التحليلية، (ب) الطريقة البيانية، و(ج) طريقة تحليل المخططات. وتُعدّ طريقة تحليل المخططات الأكثر استخدامًا. وتتمثل خطواتها في: ١) اقتراح عدة أعماق محتملة للحفر؛ ٢) حساب نسب تجريد حدود الحفرة لكل عمق؛ ٣) رسم منحنيات التحليل واختيار العمق الأولي.
(2) ضبط ارتفاع القاع على المقاطع العرضية اضبط ارتفاع قاع الحفرة على المقاطع العرضية؛ الارتفاع المعدل هو عمق الحفرة التصميمي.
(3) تحديد حدود الحفر المفتوحة (الطريقة اليدوية) تتضمن عملية تحديد حدود الحفرة يدويًا ثلاث خطوات رئيسية:
ارسم المحيط النظري لأرضية الحفرة عند العمق التصميمي: على كل مقطع عرضي، مقطع طولي، ومقطع مساعد، ارسم حد الحفرة عند العمق التصميمي؛ ثم ارسم مخططًا للأفق الطبقي عند هذا الارتفاع. أسقط نهايات أرضية الحفرة من مناظير المقطع على المخطط، واربطها للحصول على المحيط النظري للأرضية. قم بتنعيم الخط المتعدد على شكل منحنى لتشكيل محيط أرضية الحفرة التصميمي. تأكد من أن أبعاد الأرضية تلبي متطلبات تصميم النقل وتشغيل المعدات - يجب أن تتوافق الاستقامة، وأنصاف أقطار الانحناء، وطول الأرضية مع المعايير الفنية.
ارسم حدود الحفرة: على المخطط الطبوغرافي الجيولوجي، ارسم محيط أرضية التصميم، ثم ارسم من الداخل إلى الخارج خطوط أطراف وذروة كل منضدة (أي المقاعد والمنحدرات) وفقًا لعناصر المنحدر المختارة. تُشكل الأجزاء المنخفضة من الحفرة أطرافًا مغلقة للمقاعد على المخطط؛ وقد تحتوي أجزاء التلال على خطوط أطراف متصلة بخطوط الكنتور بنفس الارتفاع.
ارسم مخطط الحفرة النهائي: في مخطط حدود الحفرة، حدد طرق النقل والتطوير (مسارات الخطوط)، ثم ارسم من الأسفل إلى الخارج أسطح ومنصات العمل للتكوين النهائي. صمم أيضًا منصات منحدرات بين المنضدات عند الحاجة. راجع وعدّل مخطط حدود الحفرة الأولي، لأن مسارات الطرق وقيود التطوير قد تُخفف زوايا الميلان وتزيد من إزالة الركام.
(٤) ارسم مقاطع عرضية لحدود الحفرة. باستخدام مخطط الحفرة النهائي، ارسم ثلاثة مقاطع عرضية تمثيلية بالمقاييس المناسبة. يُرسم خط المقطع الطولي عبر نقاط العرض السفلي الرئيسية للمخطط؛ باستخدام عرض المنضدة، يُرسم بشكل متتالي باتجاه الأعلى لإكمال المقاطع العرضية.
تحديد وتحسين حدود الحفر المفتوحة باستخدام مبادئ التصميم المطبقة بشكل شائع والموضحة أعلاه، تكون الطريقة والخطوات لتحديد وتحسين حدود الحفرة كما يلي:
(1) تحديد عمق الحفرة. بالنسبة للحفر الطويلة، حدد أولاً عمق كل مقطع عرضي جيولوجي، ثم اضبط ارتفاع القاع باستخدام المقاطع الطولية. بالنسبة للحفر القصيرة ذات نسب العمق إلى العرض الكبيرة، ضع في اعتبارك آثار تمدد الجدار النهائي. إذا تعذر تحديد العمق مباشرةً من المقاطع، فاحسب نسب تجريد حد الحفرة على مخططات لعدة أعماق مرشحة، واختر العمق الذي تساوي فيه نسبة تجريد حد الحفرة نسبة التجريد المعقولة اقتصاديًا.
(2) تحديد محيط قاع الحفرة على المخطط. قد يكون عرض قاع الحفرة أكبر أو أقل من السُمك الأفقي لجسم الخام، ولكن يجب أن يستوفي الحد الأدنى لمتطلبات العرض. يتمثل المبدأ في تعظيم استخلاص الخام مع تقليل النفايات إلى أدنى حد. يجب أن يضمن الحد الأدنى لعرض القاع إنتاجًا آمنًا وتشغيلًا طبيعيًا لمعدات التعدين والنقل؛ عمليًا، يتوافق هذا العرض مع عرض خندق الانطلاق ويعتمد على الطريقة والمعدات - وعادةً ما لا يقل عن 20-30 مترًا لضمان السلامة.
بعد تحديد ارتفاع القاعدة ومواضع النهاية، ارسم محيط الأرضية النظري بإسقاط نقاط النهاية من المقاطع العرضية على المخطط الطبقي عند الارتفاع التصميمي وربطها. لتسهيل النقل، يجب أن يكون محيط الأرضية مستقيمًا قدر الإمكان؛ ويجب أن تُلبي الأجزاء المنحنية الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء للمعدات.
(3) تحديد بنية المنحدر وزواياه. يُعدّ استقرار المنحدر أمرًا أساسيًا لضمان سلامة الإنتاج. ويُعدّ الاختيار الصحيح لزاوية المنحدر الوسيلة الأساسية لضمان الاستقرار. في حدود المتطلبات الفنية ومتطلبات الاستقرار، يُفضّل اختيار أقصى زاوية انحدار نهائية ممكنة لتقليل إزالة النفايات. عند تحديد زوايا المنحدر، يُراعى خصائص الكتلة الصخرية، والبنية الجيولوجية، والهيدروجيولوجيا، وطريقة التعدين ومعداته، والعمر الافتراضي المُخطط له للمنجم، والمناخ. وحيثما أمكن، يُنصح بإجراء اختبارات ميكانيكية للصخور وحسابات استقرار المنحدر. ونظرًا لأن طرق الحساب الحالية ليست مثالية دائمًا، فغالبًا ما تُختار زوايا المنحدر النهائية عمليًا بناءً على مناجم مماثلة وبيانات تجريبية.
(4) ارسم المخطط النهائي. تتضمن الخطوات ما يلي:
انقل محيط قاع الحفرة المحدد إلى ورق شفاف وقم بتطبيقه على الخريطة الطبوغرافية الجيولوجية؛ من الداخل إلى الخارج ارسم أصابع المقعد وفقًا لعناصر المنحدر.
تخطيط طرق النقل.
مراجعة وتعديل الخطة الأولية للحفرة النهائية.
قم بإسقاط المخطط النهائي على المقاطع العرضية بحيث تتوافق حدود المقاطع مع المخطط. ونظرًا لتأثير زاوية الميل وعرض الأرضية والعمق بشكل كبير على حدود الحفرة النهائية، يمكن إنشاء نظام مؤشر تقييم ديناميكي لنمذجة حدود الحفر المفتوحة وتحسينها. ويمكن استخدام خوارزميات الشبكة العصبية بي بي المُحسّنة لبناء نماذج تنبؤ لزوايا ميل نهائية مستقرة. ويمكن للمحاكاة الحاسوبية ثلاثية الأبعاد دعم جدولة إنتاجية فعالة ومرئية. كما تُمكّن أساليب المحاكاة الحاسوبية من تحسين حدود الحفرة بشكل أكبر.
الخلاصة: يستخدم التعدين المفتوح معدات حفر ونقل محددة في مساحة عمل مكشوفة. تؤثر زاوية ميل الحفرة النهائية، وعرض أرضية الحفرة وموقعها، وعمقها بشكل كبير على سلامة الإنتاج واقتصاده. يُعد تحديد حدود الحفرة مهمة معقدة تتطلب الالتزام بالمبادئ الأساسية مع التكيف بمرونة مع ظروف الموقع لتحقيق تصميم معقول. استعرضت هذه الورقة القضايا الرئيسية في تحسين حدود الحفرة، وحللت خصائص حدود الحفر المفتوحة، ودرست المؤشرات الرئيسية التي تؤثر على استقرار زاوية الميل النهائي، وطرق التنبؤ بميل نهائي معقول، وناقشت مناهج تحسين حدود الحفرة.
