مدلسازی و برنامه ریزی استخراج معدن

مدلسازی و برنامه ریزی استخراج معدن

سنگ تراورتن حاجی آباد محلات

نیما کریم ، مهدی پیروزی

مهندسین ارشد پروژه، شرکت مهندسین مشاور کاوشگران

karim.nima@gmail.com

چکیده

 مدلسازی و برنامه ریزی استخراج بلوک­های طراحی شده در معادن سنگ ساختمانی ،  با توجه به خواص فیزیکی سنگ شامل رنگ، مقاومت، جلا، قابلیت کوپ دهی و سایر فاکتورهای مشابه انجام می گیرد و برخلاف معادن روباز فلزی، عیار و بازیابی عیاری تعریف نمی شود. از سوی دیگر، با توجه به آسیب­های جدی معادن سنگ به محیط زیست و نقش آن­ها در تولید آلودگی­های مختلف، مدلسازی و طراحی صحیح بلوک­های استخراجی می تواند در افزایش بهره وری و کاهش افت ناشی از عدم شناخت ماده معدنی اهمیت فراوانی داشته باشد. با توجه به اهمیت میزان سنگ قابل استخراج و قابل درجه بندی در محدوده معدن تراورتن حاجی آباد محلات، محدوده نهایی بهره برداری هر کارگاه استخراج مطابق گزارش­ها و مطالعات زمین شناسی مهندسی و اکتشافی تهیه شده ،  مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس مطالعات انجام شده، معیار برآورد میزان ذخیره مدل بلوکی تعیین شده است. تخمین ذخیره بر اساس پارامتر کیفیت سنگ و معادل بازیابی سنگ استخراج شده انتخاب گردید. بر این اساس، 3 دسته بندی  (category )  شامل ( بازیابی­70 درصد)، (بازیابی­50 درصد) و (بازیابی­30 درصد) مطابق نتایج بدست آمده از مطالعات سنگ شناسی و زمین شناسی مهندسی تعریف شد. با توجه به اینکه عمده ذخیره باقیمانده در معدن حاجی آباد دارای کیفیت متوسط تا ضعیف می باشد، عملیات درجه بندی و فروش سنگ بر روی سنگ­های متوسط تا ضعیف انجام می گیرد و حجم باقیمانده سنگ­های با بازیابی 70 درصد کاهش یافته است و احتمال استخراج در بیشتر کارگاه­های استخراج کم می باشد. بر این اساس، میزان ذخیره سنگ قابل درجه بندی و قابل فروش در هر کارگاه محاسبه شده است و بر این اساس بیشترین میزان ذخیره قابل استخراج در کارگاه­های بترتیب 60 ، 14 و 1 وجود دارد. همچنین با اضافه شدن کارگاه شماره 15 و برنامه ریزی صورت گرفته جهت بهره برداری از این کارگاه، مدت زمان پیش بینی شده برای این کارگاه حدود 6 سال برآورد شده است. در نهایت، پیشنهاد می شود عملیات بهره برداری در معدن تراورتن حاجی آباد در کارگاه­های 60 ، 14 ، 1 و 15 بدلیل دارا بودن سنگ مطلوبتر با سرعت بیشتری انجام شود.

1-مقدمه

    معدن سنگ تراورتن حاجی آباد به وسعت 283 هکتار در 5 کیلومتری جنوب غرب شهر محلات، استان مرکزی واقع شده است. این معدن با نیم قرن عمر بهره برداری بعنوان یکی از بزرگترین و قدیمی­ترین معادن سنگ تزئینی و نمای ایران در عرصه سنگ تراورتن محسوب می شود.

    تراورتن یک کربنات قاره­ای (Continental Limestone) است که به طور شیمیایی در چشمه­ها، مسیر آبراهه­ها، رودخانه­ها و دریاچه­ها نهشته می­شود و از کانی­های کلسیت و آراگونیت تشکیل شده است. این سنگ­ها دارای تخلخل بین بلوری (Intercrystalline Prosity) کم تا متوسط و اغلب دارای تخلخل قالبی (Mouldic) یا شبکه­ای (Framework) زیاد، درون یک محیط وادوز (Vadose) یا فراتیک (Fratic) کم عمق هستند. فرآیند نهشت بطور کلی نتیجه انتقال دی اکسید کربن از، یا به یک آب زیرزمینی فوق اشباع کربنات کلسیم با رشد بلوری بر روی یک سطح  زیرآب رخ می­دهد.

براساس نقشه زمین­شناسی تهیه شده سه نوع واحد سنگی تراورتن قابل استخراج طی دو نسل نهشت تراورتن در محدوده معدن تفکیک شده است. نسل اول واحدهای سنگ تراورتن شامل واحدهای Q^tr_B و Q^tr_C می­باشند که عمدتاً در بخش جنوبی محدوده معدن برونزد یافته­اند. با توجه به شکستگی نسبتاً کم و عدم گستردگی لایه­های رسی در آن­ها، این واحدها به ترتیب دارای قابلیت کوپ دهی حدود 50 و 70 درصد در مرحله استخراج هستند. نسل دوم واحدهای تراورتن که با یک ناپیوستگی بر روی نسل اول تراورتن نهشته شده شامل واحد سنگی Q^tr_D می­باشد که بطور عمده در بخش شمالی محدوده معدنی برونزد یافته­اند و بدلیل وجود شکستگی­های زیاد و وجود لایه­های رسی ضخیم و گسترده، دارای کیفیت پایین­تری نسبت به واحدهای نسل اول تراورتن می­باشند. این واحد سنگی دارای قابلیت کوپ دهی در حدود 30 درصد می­باشد.

بررسی­های تکتونیکی و ژئوتکنیکی انجام گرفته در محدوده معدن نشانگر وجود دو سیستم شکستگی متقاطع و عمود بر هم است. شکستگی­های NE-SW با روند میانگین N25E و شیب میانگین 90 درجه از فراوانی بیشتری برخوردار است. میانگین فاصله­داری این شکستگی­ها صفر تا سه متر و طول آنها 8/4 متر است. شکستگی­های WNW-ESE از فراوانی کمتری برخوردار بوده و فاصله­داری آنها صفر تا سه متر است. میانگین طول این شکستگی­ها 6/3 متر بوده و با شکستگی ­های قبلی زاویه 87 درجه می­سازند. بر اساس این مطالعات ژئوتکنیکی، در حال حاضر توسعه پیشروی سینه­کار در راستای N25E و جهت طراحی پله­ها در راستای N115 می­تواند بهترین گزینه پیشنهادی در طراحی استخراج باشد.

پس از نقشه­برداری این واحدهای سنگی در محدوده معدن و با هدف سهولت در بهره­برداری، مدلسازی سه بعدی در محیط نرم­افزار Datamine صورت گرفت. این مدل از تلفیق رویه توپوگرافی و رخنمون­های برداشت شده از مرز تراورتن و باطله، تهیه گردید. بر این اساس ارزیابی و بلوک­بندی ذخیره واحدهای سنگی تراورتن در هر یک از کارگاه­های استخراج و در کل محدوده معدنی انجام پذیرفت. اهم ویژگی­های مدل سه بعدی ساخته شده به قرار زیر می باشد:

1. ارزش گذاری بلوک­های استخراجی بر اساس پارامترهای کمی و کیفی تعریف شده؛ (این پارامترها بر اساس استاندارد های موجود در طبقه­بندی کیفی سنگ ساختمانی قابل دسترسی می­باشد).
2. بررسی قابلیت اقتصادی هر بلوک از ماده معدنی با نوسانات قیمت بازار و یا درخواست مشتری بر اساس کیفیت‌های مختلف سنگ؛
3. کنترل دقیق‌تر روند کار استخراج بین کارفرما، ناظر و پیمانکار با توجه مدل پیشنهادی اولیه؛
4. قابلیت به روز رسانی اطلاعات با پیشرفت عملیات معدنکاری در جبهه کارها؛
5. امکان بررسی و ترسیم مقاطع عرضی در هر جهت دلخواه به منظور طراحی بهترین جبهه کار استخراجی.

2-تاریخچه معدن تراورتن حاجی آباد

اولین مجوز بهره برداری از معدن تراورتن حاجی آباد به شماره 34208 مورخ 30/10/1337 طی مدت 30 سال به خانم اقلیما کشاورز واگذار شد. در تاریخ 16/11/1356 شورای عالی معادن و پس از پایان دوره سی ساله این معدن با مجوز استخراج سالیانه 40 هزار تن به آقای حاج حسن هاشمی واگذار که پس از انقلاب اسلامی این معدن با استناد به نامه مورخ 23/11/1358 دادسرای شهر محلات و مصوبه قانونی 6696 مورخ 25/4/1359 دادستانی کل کشور اجازه بهره برداری مذکور لغو و معدن در اختیار جهاد سازندگی قرار گرفت.

از سال 1358 لغایت سال 1364 معدن تراورتن حاجی آباد در اختیار جهاد سازندگی بوده و پس از صورتجلسه مورخ 1/3/1364 بین وزارت معادن و فلزات و جهاد سازندگی در تاریخ 26/7/1365 پروانه بهره برداری به شماره 28446 به مدت 6 سال و با استخراج سالیانه 108 هزار تن به شرکت خدمات و توسعه معادن ایران (ایران کانه‌آرا) واگذار گردید. در مهرماه سال 1371 با پایان پروانه بهره برداری معدن حاجی آباد، مجوز بهره برداری طی پروانه بهره برداری شماره 3627 مورخ 13/7/1371 به مدت 6 سال با استخراج سالیانه 108,000 تن به مجتمع اقتصادی کمیته امداد امام خمینی (ره) واگذار شد. این پروانه طی یک دوره 6 ساله دیگر نیز بنام مجتمع اقتصادی کمیته امداد امام خمینی (ره) تمدید گردید.

در تاریخ 28/11/1383 پروانه بهره برداری معدن حاجی آباد به مدت 15 سال و با استخراج سالیانه 160 هزار تن به شرکت فرآورامداد از زیرمجموعه­های مجتمع اقتصادی کمیته امداد امام خمینی (ره) واگذار گردیده است. استخراج سالیانه ابتدا در سال 1383 به 240 هزار تن، در سال 1389 به 400 هزار تن و در سال 1391 به 600 هزار تن افزایش پیدا کرده است.

3-موقعیت جغرافیایی معدن

معدن تراورتن حاجی آباد در 5 کیلومتری جنوب غرب شهر محلات در استان مرکزی قرار گرفته است. راه دسترسی این محدوده معدنی از طریق جاده اصلی محلات به خمین است که پس از طی 5 کیلومتر از محلات در جنوب جاده اصلی، جاده­ای به طول 2 کیلومتر به سمت دفتر معدن منتهی می­شود. تصویر شماره 1 موقعیت محدوده را در اطلس راه­های ایران نشان می­دهد. جدول شماره 1 مختصات چهارگوش محدوده پروانه بهره­برداری معدن را نشان می­دهد.

                  جدول 1- مختصات چهارگوش محدوده پروانه بهره ­برداری محدوده معدن سنگ تراورتن حاجی آباد

4-مطالعات زمین شناسی

محدوده معدنی تراورتن حاجی آباد در زون ساختاری ایران مرکزی واقع شده است. از نظر موقعیت زمین­شناسی این محدوده معدنی در چهارگوش زمین­شناسی 1:250,000 گلپایگان و برگه زمین­شناسی 1:100,000 محلات قرار گرفته است.

 شناسایی واحدهای سنگی در یک محدوده معدنی از ضروریات بررسی یک طرح معدنی است. لذا تهیه نقشه زمین­شناسی بزرگ­ مقیاس می­تواند ما را به نتایج بسیار دقیق­تری جهت برنامه­ریزی استخراجی در یک محدوده معدنی رهنمون سازد. معدن تراورتن حاجی­آباد که عمدتاً از نهشته­های کربناته غیردریایی (چشمه­های آبگرم) تشکیل شده است ، نمی تواند در این زمینه مستثنی باشد. لذا بررسی­های زمین­شناسی و سنگ­چینه­ای بر روی این رسوبات انجام گردید.

     مورفولوژی و زمین­ریخت شناسی در ناحیه معدنی حاجی آباد به شکل تپه ماهور است. این تپه­ها که عمدتاً ارتفاع کم و سطح مسطحی دارند از ماسه­سنگ، مارن و شیل­های ائوسن تشکیل شده ­اندکه بر روی این ارتفاعات در ناحیه ، با ناپیوستگی دگرشیب واحدهای تراورتن کواترنر قدیم نهشته شده­اند. در برخی نواحی همچون حوالی رودخانه لعل بار ،  تراورتن هم اکنون نیز در حال تشکیل هستند. رخنمون واحدهای سنگی پالئوزوئیک در بخش شمالی و سنگ آهک­های ستیغ­ساز کرتاسه در بخش­های شمالی و جنوبی برگه محلات مرتفع­ترین ارتفاعات ناحیه را پدید آورده­اند.

براساس مطالعات و بررسی ­های زمین­شناسی انجام شده در محدوده معدنی سنگ تراورتن حاجی آباد، 6 نوع واحد سنگ چینه­ای تفکیک شده که شامل یک واحد ماسه­سنگ، شیل و مارن  ائوسن، دو واحد کنگلومرایی تحتانی و فوقانی کواترنر و سه واحد تراورتن دارای قابلیت معدنکاری که طی دو نسل نهشت تراورتن دربین دو واحد کنگلومرایی در محدوده معدنی نهشته شده­اند.

    قدیمی­ترین واحد سنگ چینه­ای در محدوده معدنی واحد ماسه­سنگ، شیل و مارن ائوسن است که با شیب لایه­بندی 20 درجه به سمت شمال مشاهده می­شود(تصویر2). کنگلومرای تحتانی کواترنر به صورت دگرشیب بر روی واحد سنگی ائوسن نهشته شده­اند. نسل اول تراورتن بر روی کنگلومرای تحتانی و به صورت عمده در جنوب محدوده معدنی نهشته شده­اند(تصویر3). این نسل تراورتن به علت تفاوت کیفیت سنگ و قابلیت کوپ دهی معدنکاری به دو واحد اصلی Q^tr_B و Q^tr_C تفکیک شده­اند. با استفاده از داده های معدنکاری سینه­کارها و تجارب بدست آمده از سینه­کارها به نظر می­رسد که واحد تراورتن Q^tr_B دارای قابلیت کوپ دهی 50 درصد و واحد تراورتن Q^tr_C که از کیفیت بالاتری برخوردار است دارای قابلیت کوپ دهی 70 درصد می­باشد.

نسل دوم تراورتن که با یک وقفه رسوب­گذاری در واحدهای سنگی مشخص است، بر روی تراورتن­های نسل اول و به صورت عمده در شمال محدوده معدنی نهشته شده­اند. این نسل از تراورتن به علت حفره های زیاد در تراورتن، درزه و شکستگی زیاد در سنگ، لایه­های ضخیم گلی در آن و بوقوع پیوستن فرآیندهای تکتونیکی در انتهای رسوبگذاری که باعث آشفتگی محیط رسوبگذاری تراورتن گردیده است دارای کیفیت پایین­تری نسبت به تراورتن­های نسل اول هستند. با استفاده از داده­های معدنکاری سینه­کارهای استخراجی و تجارب معدنکاران به نظر می­رسد این واحد سنگی دارای قابلیت کوپ دهی در حدود 30 درصد در محدوده معدنی باشند.

5-مطالعات ژئوتکنیکی  و درزه نگاری

درزه نگاری و بررسی­های ژئومکانیکی از مهمترین روشهای شناسایی و تحلیل مسائل تکتونیکی به خصوص در معادن سنگ ساختمانی به شمار می آید. مطالعه درزه­ها و مشخصات آن ها می­تواند راهگشای شناخت نوع، روش و جهت استخراج معادن سنگ ساختمانی باشد.

درزه نگاری یکی از روشهای شناخت درعلم تکتونیک است. درمعادن سنگ ساختمانی، دو عامل شکستگی و رنگ مهمترین پارامترهای کیفی محصول را مشخص می­کند. بنابراین مواردی چون عیار یا درصد مواد مضر که برای معادن فلزی و غیرفلزی به عنوان شاخص کیفیت شناخته میشوند دراین نوع معادن کاربردی ندارند. در یک معدن سنگ ساختمانی میزان قواره دهی سنگ وابستگی معکوس به تعداد و نوع شکستگی ها دارد.

همانطور که اشاره شد درسنگ­های ساختمانی  فاکتورهای  رنگ، عوارض تکتونیکی و ­زمین ساخت (Structural Features) ، پارامترهای اصلی جهت اکتشاف می­باشند. مهمترین تأثیر بررسی­های تکتونیکی در معادن سنگ ساختمانی تعیین جهت مناسب باز کردن کارگاه، روند مناسب استخراج و امتداد مطلوب برش وکوپ کردن می­باشد. این کار با اندازه­گیری و محاسبات درزه ها و تفسیر اطلاعات مذکور که در اصطلاح به آن درزه نگاری می­گویند، امکانپذیراست. برای انجام مطالعات درزه­نگاری، ویژگی­های ژئوتکنیکی درزه­ها مانند شیب، جهت شیب، فاصله داری، باز شدگی، طول درزه، ویژگی هندسی سطح درزه، نوع ماده پرکننده و مقاومت آن برای واحدهای مختلف زمین شناسی برداشت گردید.

تصویر شماره 4 توزیع ایستگاه­های برداشت درزه­ها را نشان می­دهد. همانگونه که مشاهده می شود، توزیع ایستگاه­ها به گونه­ای است که کل محدوده معدن و واحدهای مختلف زمین شناسی را در بر می­گیرد. تصویر شماره 5 نمودار گلسرخی و تصویر شماره 6 نمودار کانتوری قطب درزه­های برداشت شده در محدوده معدن را نشان می­دهند. همانگونه که در شکل­ها دیده می­شود، دو سیستم شکستگی با روند NE-SW و WNW-ESE در محدوده معدن حاکم است. سیستم شکستگی با روند NE-SW غالب شکستگی­های منطقه را شامل می­شود. روند میانگین این سیستم شکستگی N25E و شیب میانگین آنها 80 درجه به سمت SE یا NW می­باشد. شکستگی­های دارای روند WNW-ESE که از فراوانی کمتری برخوردارند، دارای روند میانگین N70W و شیب میانگین 85 درجه به سمت SW می­باشند.

بررسی­های انجام گرفته و تجزیه و تحلیل داده­های برداشت شده ، نشان­دهنده روند غالب NE-SW برای شکستگی­های موجود در واحد سنگی تراورتن در محدوده می­باشد. همچنین سیستم دیگری با روند تقریبی WNW-ESE دیده می­شود که فراوانی نسبی کمتری نسبت به سیستم NE-SW دارند. این دو دسته شکستگی­ها تقریبا بر همدیگر عمود بوده و زاویه 87 درجه می­سازند. روند میانگین شکستگی­های NE-SW بصورت N25E و روند میانگین شکستگی­های WNW-ESE بصورت N68W می­باشد. با توجه به وجود دو سیستم شکستگی متقاطع و تقریبا عمود بر هم، پیشروی سینه کار در دو راستای موازی با روند سیستم شکستگی­ها امکان­پذیر است. با توجه به اینکه سیستم شکستگی اصلی دارای روند میانگین N25E بوده و شیب آن قائم یا نزدیک به قائم است، می­توان عامل مهمی در برش سنگ قلمداد شود. لذا توسعه و پیشروی سینه کار در راستای N25E بهترین گزینه پیشنهادی می­باشد. جهت استخراج کنونی باید عمود بر جهت سیستم شکستگی اصلی انتخاب شود و طبعاّ جهت استخراج کوپ­ها در امتداد شکستگی­ها خواهد بود. لذا مناسبترین جهت طراحی پله­ها در راستای N115 می­باشد.

6-مدلسازی سه بعدی، ارزیابی و تخمین ذخیره

در معادن فلزی و غیر فلزی، مدل سازی سه بعدی و بلوک بندی منابع معدنی ، اولین قدم مهم در طراحی معدن به شمار می آید. مدل های سه بعدی نه تنها گسترش هندسی ماده معدنی را نشان می دهند بلکه هر چه پارامتر های تاثیر گذار در ارزش استخراج یک ماده معدنی بیشتر باشد اهمیت این مدل نیز بیشتر میشود.

در خصوص اهمیت مدل سازی سنگ های ساختمانی مراحل زیر مورد مطالعه قرار گرفت:

1. ارزش گذاری بلوک های استخراجی بر اساس پارامترهای کمی و کیفی تعریف شده؛

این پارامترها بر اساس استاندارد های موجود در طبقه بندی کیفی سنگ ساختمانی قابل دسترسی می باشد.

• بررسی قابلیت اقتصادی هر بلوک از ماده معدنی با نوسانات قیمت بازار و یا درخواست مشتری بر اساس کیفیت های مختلف سنگ؛
• کنترل دقیق تر روند کار استخراج بین کارفرما، ناظر و پیمانکار با توجه مدل پیشنهادی اولیه؛
• قابلیت به روز رسانی اطلاعات با پیشرفت کار در سینه کارها؛
• امکان بررسی و ترسیم مقاطع عرضی در هر جهت دلخواه به منظور طراحی بهترین سینه کار استخراجی مطابق با اهداف تعریف شده برای استخراج؛
• به منظور مدل سازی، نرم افزار­Datamine  مورد استفاده قرار گرفت؛
• از تلفیق اطلاعات زمین شناسی و مطالعات ساختاری انجام شده در معدن، واحد های زمین شناسی معدنی بر اساس کیفیت سنگ و میزان بازیابی مورد انتظار به واحد های جدول شماره 2، از قدیم به جدید تقسیم بندی شده است. نمایی از پلان واحد های زمین شناسی برداشت شده در تصویر شماره 7 نشان داده شده است.

جدول 2-  رخنمون های برداشت شده و ویژگی واحد های زمین شناسی

واحدها	شرح واحد	میزان بازیابی مورد انتظار زمین شناس
Esh,m,s	واحد رسوبی ولکانیکی ائوسن	باطله
QcA	واحد کنگلومرای قاعده­ای تراورتن	باطله
QtrB	واحد تراورتن نسل اول	حدود 50% بازیابی
QtrC	واحد تراورتن با کیفیت خوب نسل اول	حدود 70% بازیابی
QtrD	واحد تراورتن نسل دوم	حدود 30% بازیابی
QcE	واحد کنگلومرای بالای نسل دوم تراورتن که غیر قابل معدنکاری است	باطله
Dump	دپوی باطله موجود در محدوده	باطله

با توجه به رخنمون ها، برداشت­های سطحی از مرز باطله و تراورتن ها تهیه شد و حد فاصل این مرز و سطح توپوگرافی به عنوان فضای ماده معدنی سنگ تراورتن در نظر گرفته شد. به منظور پر کردن فضای تخمین، بلوک هایی با ابعاد مختلف بررسی شد. این بلوک ها مطابق با ابعاد بلوک های اقتصادی و قابلیت اجرایی باید طبق یک دستورالعمل تهیه و در مراحل بعدی مدل سازی،  در اختیار واحد مدل سازی قرار گیرد. ابعاد بسیار کوچک (5/0 متر) امکان تخمین زیادی ذخیره  و ابعاد بزرگتر (بطور مثال 8 متری) امکان از دست دادن بخشی از ذخیره قابل استخراج را میدهد. بنابراین حداقل و حداکثر ابعاد قابل استخراج از معدن باید از کارفرما و استاندارهای موجود در سه راستای ( x, y, z ) استعلام گردد.

در مرحله بعد، با توجه به میانگینی از ابعاد بلوک های استخراجی قبلی، این فضا توسط بلوک هایی باحداقل ابعاد  ( 5/0 ×3×3 ) متر پر می شود. حجم این مدل بالغ با 3000 متر مکعب است. پارامتر مهم دیگری که باید در مدل بلوکی منظور گردد، وزن مخصوص سنگ است. مطابق با برنامه ریزی های آتی در معدن تراورتن حاجی آباد تهیه نمونه وزن مخصوص از تیپ های مختلف سنگ در دستور کار قرار گرفت. در مدل اولیه ارائه شده در این گزارش این وزن مخصوص به استناد مطالعات جامعی که بر ویژگی های سنگ های ساختمانی ایران توسط دانشگاه انجام شده معادل 55/2 کیلوگرم بر تن در نظر گرفته شد. در تصویر شماره 8 و جدول شماره 3 بر اساس کیفیت سنگ و درصد بازیابی (کوپ دهی) زمین شناسی به 3 گروه b,c,d تفکیک شده است.

جدول3-  تناژ و میزان تولید پیش بینی شده از تراورتن با کیفیت سنگ های متفاوت

در تصویر شماره 9 این ذخیره بر اساس کارگاه های استخراجی موجود به 9 گروه 01,05,06,07,08,12,14,15,17 و ذخیره ای که به هیچ کارگاهی تعلق ندارد تفکیک شده است.

7-طراحی محدوده بلوک­های استخراجی

به منظور طراحی محدوده کارگاه های استخراجی در معدن تراورتن محلات مراحل زیر انجام شده است:

• تهیه نقشه زمین شناسی کل محدوده معدن بر اساس مطالعات سنگ شناسی و بررسی شرایط ساختاری زمین؛
• تهیه نقشه محدوده هر کارگاه بر اساس معیار کیفیت؛
• تهیه مدل بلوکی زمین شناسی به­عنوان اساس فرایند مدلسازی ذخیره؛
• محاسبه میزان ذخیره بر اساس بازیابی؛
• طبقه بندی مدل بلوکی ذخیره ارزیابی شده بر اساس میزان بازیابی؛
• مدلسازی کیفی سنگ در محدوده کل کارگاه­های استخراجی؛
• تهیه مرزهای هر کارگاه استخراج با توجه نقشه زمین شناسی و مدل بلوکی؛
• تعیین محدوده نهایی کارگاه ­ها و ارائه برنامه استخراجی.

با توجه به اطلاعات بدست آمده از مطالعات اکتشافی، مطالعات درزه نگاری و زمین شناسی ساختمانی، نحوه باز کردن هر کارگاه متناسب با شیب لایه در هر منطقه، ضخامت و طول لایه و سایر پارامترهای مشابه مشخص می شود. مطالعات اولیه و بازدید های میدانی از کلیه کارگاه های استخراج معدن نشان می دهد کیفیت سنگ باقیمانده در بیشتر کارگاه­ها ضعیف تا متوسط می باشد که این مساله باعث شده است حجم زیادی از سنگ با بازیابی کمتر از 50 درصد باقیمانده است. علاوه بر کیفیت متوسط در بیشتر کارگاه های استخراجی، محدودیت برداشت باطله های انباشت شده بر روی جبهه کارهای مناطق وجود دارد که این مساله در برنامه ریزی استخراج و باز کردن جبهه کارهای جدید مطرح می باشد. از میان 11 کارگاه استخراجی تعداد 9 کارگاه فعال و عملیات بهره برداری در حال انجام است. (تصویر10).

در فاز بعدی، به منظور ارزیابی کارگاه­های استخراجی، معیار بازیابی سنگ استخراج شده جهت تعیین کیفیت و کمیت سنگ در هر کارگاه انتخاب شده است. همانطور که در بخش­های ابتدایی گزارش اشاره شده است، 3 دسته بندی  (category )  جهت بازیابی شامل ( بازیابی 30 ، 50 و 70 درصد) در نظر گرفته شده است. بر این اساس، مدل بلوکی معدن به سه بخش طبقه بندی شده است که نتیجه تخمین، تعیین بلوک­ها و ریز بلوک­های استخراجی بر اساس شاخص کیفی سنگ شده است. در این مدل ابعاد بلوک­ها در جهات مختلف محورهای مختصات (X,Y,Z) بترتیب (3,3,6) انتخاب شده است (تصویر11).

نقطه مبدا مدل بلوکی و تعداد بلوک­های در جهات مختلف با توجه ابعاد Protom انتخاب شده عبارت است از:

(X=443750 , Y=3745000 , Z=1708)

(NX=138, NY=150, NZ=16)

همانطور که در شکل11 مشاهده می شود  تقسیم بندی بر اساس کیفیت سنگ و بازیابی تعریف شده­ در محیط طراحی نسخه جدید (V.4.24) نرم افزار DATAMINE Studio نشان داده شده است. بر این اساس کلیه کارگاه­ ها بر اساس نوع سنگ به تفکیک طبقه بندی می شود که مدل هر کارگاه در تصاویر12 تا 18 نشان داده شده است.

    همانطور که در شکل­های فوق نشان داده شده است راهنمای مدل بلوکی بر اساس 3 دسته بندی  (category )   بر اساس بازیابی به رنگ­های سبز (بازیابی 30)، آبی (بازیابی 50 درصد) و قرمز (بازیابی 70 درصد) تقسیم بندی شده است. همانطور که در مدل بلوکی کل محدوده معدن نشان داده، بخش­های باطله (بازیابی کمتر از 30 درصد) در شکل نشان داده نشده است.

    بر این اساس از مجموع 9 منطقه بهره برداری فعال و نیمه فعال در کل محدوده معدن تراورتن حاجی آباد، مناطق 12 و 60 از سنگ با کیفیت نسبتاً بهتری از نظر کیفی و کمی بر خوردار است. بررسی کیفی و کمی در مناطق 14، 17­، 70  و 80  نشان می دهد که کارگاه­های استخراج در این مناطق از سنگ نسبتاً ضعیف با میزان کم ذخیره قابل فروش برخوردار است که در بخش­های از این مناطق محدوده کانسار به حد نهایی رسیده است و به دلیل وجود سنگ بسیار ضعیف از نظر خصوصیات مکانیک سنگی، بهره برداری امکان پذیر نمی باشد. همچنین شایان ذکر است محدودیت استخراج انتخابی در کارگاه­های معدن بدلیل حجم باطله­های باقیمانده در بخش­های فوقانی دیوار­های معدن وجود دارد و استخراج بلوک­های سنگ با کیفیت مناسب نیاز به رعایت سکانس برداشت بلوک­ها دارد. از سوی دیگر، کیفیت نامطلوب سنگ بدلیل خصوصیات فیزیکی و مکانیکی سنگ در بخش­هایی از کارگاه­های استخراجی (بطور مثال کارگاه شماره 4 منطقه 60) موجب باقیماندن سنگ و عدم اجرای عملیات استخراج خواهد شد. مجموعه مطالعات انجام شده در مناطق مختلف معدن تراورتن حاجی آباد نشان می دهد حجم قابل توجهی از ذخیره باقیمانده به دلایل فوق الذکر دارای کیفیت ضعیف می باشد که این مساله باعث می شود بدلیل وجود احتمالی سنگ با کیفیت مناسب در افق­های پایین تر، برداشت پوشان سنگ و بلوک­های باطله در بیشتر مناطق بعنوان یک چالش پیش روی پیمانکاران باشد. 

8-برنامه ریزی استخراج

تابع هدف در برنامه ریزی تولید محصول قابل فروش بیشینه کردن سود و حداقل نمودن میزان افت سنگ می­باشد. مطابق مدل بلوکی بدست آمده از بیشتر کارگاه­های استخراج، تنوع سنگ­های برجا ترکیبی از سنگ های با بازیابی 50 و 30 است و درصد کمتری از بازیابی 70 درصد وجود دارد که بطور خاص در کارگاه­های شماره 1 و 60، حجم قابل توجهی از سنگ با بازیابی 70 درصد وجود دارد. بنابراین پیشنهاد می شود به منظور دسترسی به سود حداکثری، میزان افت حاصل از عملیات برش (کف بری، بغل بری و پشت بری)، قواره کردن و بارگیری سنگ به حداقل برسد.

محدودیت های برنامه ریزی تولید شامل محدودیت های استخراج انتخابی در معدن سنگ می باشد. بدین منظور لازم است عملیات اکتشافی و شناسایی سنگ­های با کیفیت در محدوده هر منطقه مورد ارزیابی قرار گیرد. همچنین لازم است عملیات روباره برداری از بخش­های فوقانی جبهه کار­های استخراجی به منظور دسترسی به افق­های پایین تر انجام شود. از سوی دیگر، به دلیل محدودیت استخراج بلوک­های بالاسری و استخراج بلوک­های با کیفیت پایین در سال­های پایانی عمر معدن، ضرورت برداشت و استخراج بلوک­های با بازیابی کم اجتناب ناپذیر خواهد بود. بر این اساس، پیشنهاد می شود با توجه به دپوی سنگ­های ضعیف در کل محدوده معدن، تمهیداتی در خصوص فروش این نوع سنگ انجام شود.

نرخ تولید ماهانه یا سالانه بعنوان یکی از مهمترین پارامترهای موثر در عملیات بهره برداری می باشد. نرخ تولید، به تعداد جبهه­کارهای قابل دسترس در هر کارگاه استخراج، تعداد، نوع و راندمان ماشین آلات شامل ماشین آلات اصلی (سیم برش، راسل، لودر و دامپ تراک) و ماشین آلات فرعی (­بولدوزر، چکش هیدرولیکی) و کیفیت سنگ شامل خصوصیات فیزیکی و مکانیکی سنگ و وجود لایه بندی در جبهه کار وابسته است و مطابق نظر کارفرمای محترم، میزان تولید ماهانه در قرارداد پیمانکاران استخراج بین (1000 تا 9500 تن)  در نظر گرفته شده است.

بر اساس مطالعات صورت گرفته در بخش بهره برداری میزان برش سیم بر حدود 5 تا 7 متر در یکساعت پیش بینی شده است. همچنین نرخ حفاری توسط راسل حدود 15 دقیقه بر متر بطور متوسط بدست آمده است. میزان ساعات کاری مفید جهت محاسبه راندمان تولید در هر روز، ماه و سال مورد ارزیابی قرار گرفت که با فرض 10 ساعت کار در روز، میزان راندمان عملیاتی حدود 80 درصد (بطور میانگین 8 ساعت مفید در روز) تعیین شده است. شایان ذکر است در صورتیکه عملیات قواره کردن به سیکل عملیات اضافه شود میزان ساعات کار مفید به 6 ساعت کاهش می یابد. تعداد اپراتور و کمک اپراتور در هر کارگاه مورد بررسی قرار گرفت که بطور میانگین برای هر واحد دستگاه سیم برش، نصف نفر و برای هر واحد ماشین حفاری راسل 7/0 نفر مورد نیاز می باشد.

ارتفاع پله مهمترین پارامتر در تعیین نرخ تولید است که با توجه به دستورالعمل نظام مهندسی معدن، حداکثر 10 متر پیش بینی شده است. با توجه به تجارب بدست آمده در معدن تراورتن حاجی آباد ارتفاع 8 متر بعنوان ارتفاع مناسب جهت دسترسی به میزان تولید و بهره وری مطلوب انتخاب شده است. شایان ذکر است با توجه به شرایط هندسی هر کارگاه این ارتفاع متغیر می باشد. ابعاد بلوک های استخراجی بطور میانگین در کل مناطق عبارت است از: (12*8/1*8) متر مکعب. شایان ذکر است 8 متر ارتفاع بلوک، 8/1 متر عرض و 12 متر طول هر بلوک می باشد که با توجه به نحوه باز کردن معدن، شیب و ضخامت سنگ قابل استخراج ممکن تغییر نماید (تصویر19). با توجه به تجربه برش ابعاد بهینه کوپ عبارت است از: (3*8/1*2) متر مکعب که با فرض وزن مخصوص 6/2 گرم بر سانتی متر مکعب حدوداً 28 تن وزن سنگ کوپ جهت حمل محاسبه می شود.

در نهایت جهت طراحی، تعداد راسل، سیم برش، میزان جابجایی و تراز کردن ماشین آلات، تعداد پله­ها و فاصله بین هر کارگاه در نظر گرفته می شود. لازم است برای دستگاه سیم برش (میزان بغل بری) نیز در نظر گرفته شود. معمولا به ازاء هر 4 سیم برش، یک دستگاه به منظور قواره کردن در نظر گرفته می شود. همچنین لازم است در محاسبات تعداد 1 دستگاه جهت رزرو در نظر گرفته شود. میزان برش از مجموع کف بری، پشت بری و بغل بری بدست می آید همچنین میزان حفاری نیز در جهات مختلف (Z،Y،X) مشخص می شود. با فرض ابعاد بلوک (12*2*6) متر، میزان حفاری توسط راسل حدود 20 متر بدست خواهد آمد (تصویر20). همچنین میزان برش توسط ماشین سیم برش، حدود 108 متر مربع بدست خواهد آمد. با محاسبه میزان تولید و باطله برداری و نیز محاسبه وزن یک بلوک، می توان تعداد بلوک استخراج شده در هر سال را محاسبه کرد.

• 

• 

9-نتیجه گیری

مطالعات طراحی و برنامه ریزی استخراج معادن سنگ ساختمانی با توجه به ویژگی­های منحصربفرد این دسته از مواد معدنی، متفاوت از معادن فلزی و حتی سایر مواد غیرفلزی است. بطور کلی در معادن سنگ ساختمانی تمرکز بر روی خواص فیزیکی است و معیار سنجش کیفی سنگ، رنگ، جلا، کوپ دهی، مقاومت، درزه و شکاف سنگ و سایر موارد فیزیکی مشابه است. بطور کلی طراحی بلوک­های استخراجی در معدن تراورتن حاجی آباد بدون انجام مطالعات دقیق زمین شناسی، تکتونیکی، ژئوتکنیکی و درزه نگاری غیر ممکن و نتیجه مطلوب را نخواهد داشت. با توجه به بهره وری پایین در معادن سنگ ساختمانی، شناسایی نواحی با کیفیت برای بازکردن کارگاه استخراج باعث کاهش اتلاف انرژی، عدم آسیب به محیط زیست و رونق بازار معادن سنگ در آینده خواهد داشت. از سوی دیگر، بکارگیری تکنولوژی روز دنیا در راستای افزایش راندمان تولید محصول قابل فروش، می تواند قیمت تمام شده تولید را کاهش دهد.

در این مقاله سعی شد، اهمیت شناسایی و زون بندی کارگاه­های استخراج سنگ بر اساس اطلاعات بدست آمده از مطالعات زمین شناسی عمومی، ساختمانی، اکتشافی و همچنین مطالعات جامع درزه نگاری و ژئومکانیکی در معدن سنگ تراورتن حاجی آباد نشان داده شود. با توجه به ماهیت روش استخراج در اینگونه معادن، طراحی و برنامه ریزی استخراج بر مبنای کیفیت سنگ، محدودیت­های بلوک ­های استخراجی و نیاز مشتری تعریف می شود. با توجه به پایین بودن هزینه­های تولید یک تن سنگ ساختمانی و فروش محصول خام در معدن، توجه به استخراج بلوک­ها با بازیابی زیاد مورد توجه معدنکاران قرار می گیرد تا از این طریق، میزان افت سنگ به حداقل و از آسیب­های جدی به محیط زیست جلوگیری شود.

مراجع:

1. اصانلو، مرتضی، (1384)، “­روشهای استخراج معادن سطحی­”، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر
2. عطائی پور، مجید، (1393)، ” مبانی مدلسازی دو بعدی ذخائر معدنی”، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر
3. مهندسین مشاور کاوشگران، (1395)، “گزارش طراحی محدوده نهایی بهره برداری معدن تراورتن حاجی آباد محلات”.