Υπαίθριες - Επιφανειακές εκμεταλλεύσεις

Υπαίθρια εκμετάλλευση ονομάζεται οποιαδήποτε εκμετάλλευση στερών πρώτων υλών, η οποία πραγματοποιείται επιφανειακά με οικονομικά συμφέροντες όρους.

Οι επιφανειακές εκμεταλλεύσεις μπορούν να διακριθούν σε τρεις βασικούς τύπους:

• Επιφανειακή εκμετάλλευση κοιτασμάτων κατά λωρίδες (Strip mining).
• Επιφανειακή εκμετάλλευση με βαθμίδες για κοιτάσματα μεγάλης οριζόντιας εξάπλωσης (Terrace mining), η οποία κυρίως χρησιμοποιείται στις εκμεταλλεύσεις λιγνιτικών κοιτασμάτων.
• Επιφανειακή εκμετάλλευση με κλειστές βαθμίδες (χοανοειδής εκμετάλλευση ‐ Conical pit), η οποία χρησιμοποιείται κυρίως σε περιπτώσεις μεταλλικών κοιτασμάτων.
• Επιφανειακή εκμετάλλευση με ανοιχτές βαθμίδες, η οποία χρησιμοποιείται σε πολλές περιπτώσεις λατομείων αδρανών υλικών και μαρμάρων.

Η επιλογή του τύπου εκμετάλλευσης εξαρτάται από τη γεωμετρία και τα χαρακτηριστικά του κοιτάσματος.

Βασικές έννοιες

Άγονα και υπερκείμενα: Το χωρίς οικονομική σημασία πέτρωμα που περιβάλλει το κοίτασμα. Άγονα χαρακτηρίζονται και τα χαμηλής ποιότητας τμήματα του κοιτάσματος των οποίων η επεξεργασία μετά την εξόρυξη είναι ασύμφορη. Υπερκείμενα χαρακτηρίζονται τα άγονα που υπέρκεινται του κοιτάσματος και πρέπει να απομακρυνθούν για να πραγματοποιηθεί η εκμετάλλευση.

Σχέση αποκάλυψης: Ορίζεται ως ο αριθμός των μονάδων όγκου ή βάρους αγόνων που πρέπει να απομακρυνθούν για να αποκαλυφθεί μία μονάδα χρήσιμου προϊόντος και δίνεται από τη σχέση:

Κλίση πρανούς: Η γωνία ή η κλιτύς ενός πρανούς με το οριζόντιο επίπεδο.

Γωνία κατολίσθησης. Η κλίση του πρανούς, φυσικού ή τεχνητού, στην οποία ξεκινά η κατολίσθηση.

Γωνία φυσικού πρανούς. Η μέγιστη κλίση υπό την οποία σωρός χαλαρού ή θραυσμένου υλικού βρίσκεται σε ισορροπία.

Σχήμα 1. Γεωμετρικά χαρακτηριστικά βαθμίδας

Βαθμίδα. Είναι η συνήθης μορφή ενός μετώπου παραγωγής. Αποτελείται από δύο ελεύθερες επιφάνειες: μία οριζόντια και μία κατακόρυφη ή κεκλιμένη με μεγάλη κλίση.

Κάθε βαθμίδα αποτελεί μονάδα παραγωγής και χαρακτηρίζεται με βάση την κλίση, το πλάτος, το ύψος, το φρύδι και το πόδι (Σχήμα 1).

Το μήκος και η κατεύθυνση προς την οποία αναπτύσσεται η βαθμίδα εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του κοιτάσματος, τη μορφολογία της περιοχής και το βάθος.

Ανοικτές βαθμίδες
Αναπτύσσονται όταν η εκμετάλλευση πραγματοποιείται στην πλαγιά ενός λόφου.

Κλειστές βαθμίδες
Αναπτύσσονται σε βάθος δημιουργώντας μια χοανοειδή εκσκαφή.

Σχήμα 2. Πρανές εκμετάλλευσης

Κλίση πρανούς εκμετάλλευσης

Η κλίση που έχουν τα πρανή της εκμετάλλευσης προς το οριζόντιο επίπεδο οποιαδήποτε στιγμή κατά τη διάρκεια της εκμετάλλευσης. Μέγιστη, τελική ή οριακή κλίση είναι η κλίση στην οποία μπορεί να φθάσει με ασφάλεια η εκμετάλλευση κατά την τελική φάση. 

Επιλογή μεταξύ επιφανειακής και υπόγειας εκμετάλλευσης

Συνήθως δεν τίθεται θέμα επιλογής μεταξύ επιφανειακής και υπόγειας εκμετάλλευσης
(Σχήμα 3). Όταν οι υπαίθριες εκμεταλλεύσεις καθίστανται οικονομικά ασύμφορες τότε υιοθετούνται μέθοδοι υπόγειας εκμετάλλευσης.

 

Σχήμα 3. Επιλογή μεταξύ επιφανειακής και υπόγειας εκμετάλλευσης

Οι κύριοι παράγοντες που καθορίζουν την επιλογή μεταξύ υπαίθριας και υπόγειας εκμετάλλευσης είναι:

• η σχέση αποκάλυψης (ΣΑ),
• η τελική γωνία των πρανών (φ).

Σε ένα οριζόντιο κοίτασμα με επίπεδο τοπογραφικό ανάγλυφο, η τιμή της ΣΑ παραμένει σταθερή. Σε κεκλιμένα κοιτάσματα όμως, η ΣΑ αυξάνει συνεχώς με την πρόοδο της εκμετάλλευσης και συνεπώς πέρα από μια κρίσιμη τιμή, η εκμετάλλευση γίνεται οικονομικά ασύμφορη. Τότε ο μηχανικός μεταλλείων πρέπει να αποφασίσει εάν είναι πιο συμφέρουσα μια υπόγεια εκμετάλλευση.

Όταν η εκσκαφή φτάσει στα όρια της ιδιοκτησίας ή της άδειας εκμετάλλευσης, τότε το βάθος της εκσκαφής καθορίζεται από την τελική γωνία των πρανών (φ).

 

Τρόποι εξόρυξης

Οι επιφανειακές εκμεταλλεύσεις σε σκληρά πετρώματα γίνονται με την βοήθεια εκρηκτικών. Σε βαθμίδες ανοίγονται μικρά διατρήματα στα οποία τοποθετείται εκρηκτική ύλη. Ακολουθεί ανατίναξη. Το θρυμματισμένο μετάλλευμα φορτώνεται σε φορτηγά που το μεταφέρουν για περαιτέρω επεξεργασία (θραύση, λειοτρίβηση, εμπλουτισμό). Τα άγονα  μεταφέρονται σε σωρούς απορριμμάτων.

Παράδειγμα όρυξης διατρημάτων επιφανειακής εκμετάλλευσης (πηγή Thoroughtec)

Στιγμιότυπο ανατίναξης και θραύσης πετρώματος με χρήση εκρηκτικών υλών

Σε σχετικά μαλακά πετρώματα (π.χ. λιγνίτης), η εκμετάλλευση γίνεται με καδοφόρους εκσκαφείς και ταινιοδρόμους, ή με γιγαντιαίους εκσκαφείς τύπου dragline, μηχανικά πτύα και φορτηγά οχήματα off-road μεγάλου ωφέλιμου φορτίου.

Γενικά, η επιλογή του μηχανικού εξοπλισμού εξαρτάται κυρίως από την σκληρότητα των πετρωμάτων και του κοιτάσματος και από τον επιθυμητό ρυθμό παραγωγής.