Υπόγειες εκμεταλλεύσεις ελληνικών βωξιτικών κοιτασμάτων

Οι υπόγειες μέθοδοι εκμετάλλευσης που χρησιμοποιούνται στα βωξιτικά κοιτάσματα του Ελλαδικού χώρου είναι κατά κύριο λόγο η μέθοδος των «θαλάμων και στύλων» (room-and-pillar mining) με διάφορες παραλλαγές, καθώς και η μέθοδος «κατακρήμνισης της οροφής με διαδοχικούς υποορόφους» (sublevel caving).

1. Μέθοδος των θαλάμων και στύλων

Η μέθοδος θαλάμων και στύλων (room and pillar) ανήκει στην κατηγορία των μεθόδων εκμετάλλευσης με κενά μέτωπα (open stopes), δηλαδή χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι ο κενός χώρος που δημιουργείται από τις εργασίες εκσκαφής, διατηρείται ανοικτός με τη βοήθεια της φυσικής υποστήριξης που παρέχεται από το πέτρωμα. Το πεδίο εφαρμογής της μεθόδου είναι τα οριζόντια ως μέτριας κλίσης στρωσιγενή κοιτάσματα ικανοποιητικής αντοχής, μικρού ή μεγάλου πάχους, τα οποία εντοπίζονται σε μικρό ως μέσο βάθος τα οποία έχουν ανθεκτική οροφή. Συγκεκριμένα, η κλίση των στρωμάτων πρέπει να είναι μικρότερη των 30ο, το δε πάχος φθάνει συνήθως τα 10 m περίπου. Σε περίπτωση που το πάχος του βωξίτη είναι μεγαλύτερο των 10 m τότε χρησιμοποιείται η μέθοδος θαλάμων και στύλων σε συνδυασμό με ξηρή λιθογόμωση.

Η προσπέλαση των κοιτασμάτων γίνεται μέσω δύο τουλάχιστον στοών ή φρεάτων ή οποιουδήποτε συνδυασμού αυτών με σκοπό τόσο την εξυπηρέτηση της μεταφοράς του μεταλλεύματος όσο και την δημιουργία κατάλληλου κυκλώματος αερισμού. Στα περισσότερα βωξιτικά κοιτάσματα του Ελλαδικού χώρου συνήθως οι προσπελάσεις γίνονται με δύο στοές. Η πρώτη από αυτές βρίσκεται στο χαμηλότερο υψομετρικό επίπεδο ανάπτυξης του κοιτάσματος και από αυτή γίνεται και η αποκομιδή του μεταλλεύματος προς την επιφάνεια (στοά βάσης). Η δεύτερη τοποθετείται σε υψηλότερο υψομετρικό επίπεδο και συνήθως χρησιμοποιείται για την τοποθέτηση των εγκαταστάσεων αερισμού του μεταλλείου.

Για την περιχάραξη και την ανάπτυξη της εκμετάλλευσης, αρχικά ορύσσονται ορισμένες στοές για την επικοινωνία του τμήματος εκμετάλλευσης με τις στοές βάσης με σκοπό την εξυπηρέτηση στην μεταφορά του μεταλλεύματος, αλλά στην συνέχεια το ρόλο αυτό εξυπηρετούν οι θάλαμοι που ορύσσονται κατά την εκμετάλλευση.

Στη γενική εφαρμογή της μεθόδου θαλάμων και στύλων, το πέτρωμα εξορύσσεται μέσω ενός συστήματος παράλληλων στοών που οι άξονές τους ισαπέχουν. Στη συνέχεια ορύσσονται νέες στοές κάθετα ή με κάποια κλίση ως προς τις πρώτες. Με αυτό τον τρόπο δημιουργούνται στύλοι πετρώματος που στηρίζουν την οροφή (Σχήμα 1). Η ευστάθεια δηλαδή των θαλάμων επιτυγχάνεται χάρη στους στύλους και συγκεκριμένα χάρη στην εκμετάλλευση της φέρουσας ικανότητας αυτών.

Σχήμα 1. Σχηματική απεικόνιση της μεθόδου θαλάμων και στύλων (πηγή: Atlas Copco).

Στην μέθοδο των θαλάμων και στύλων το μετάλλευμα εξορύσσεται αφήνοντας συγχρόνως τμήματα υπό μορφή στύλων για την υποστήριξη της οροφής. Οι διαστάσεις των ανοιγμάτων και των στύλων εξαρτώνται από τις εξής παραμέτρους:

• Το πάχος του κοιτάσματος (και ύψος του χώρου).
• Τις μηχανικές ιδιότητες του υπερκειμένου σχηματισμού (οροφής).
• Τις μηχανικές ιδιότητες του μεταλλεύματος.
• Το εντατικό πεδίο της ευρύτερης περιοχής.

Τόσο η διάταξη των στύλων στο χώρο, όσο και η διατομή τους μπορεί να είναι κανονική (τετραγωνική ή ορθογωνική) ή ακανόνιστη ή μπορούν σε ειδικές περιπτώσεις να εκτείνονται πλευρικά σε μεγάλη έκταση υπό την μορφή τοιχείων (στύλοι φράχτες – barrier pillars), οι οποίοι συνήθως χρησιμοποιούνται για τον διαχωρισμό και προστασία τμημάτων της εκμετάλλευσης. Συνηθέστερα, η μορφή των στύλων αλλά κυριότερα η θέση τους δεν είναι ομοιόμορφη, επιδιώκοντας την τοποθέτησή τους κατά το δυνατόν σε θέσεις όπου υπάρχουν τα πιο «φτωχά» σε περιεκτικότητα μεταλλεύματος σημεία του κοιτάσματος.

Η ύπαρξη στύλων από το ίδιο το κοίτασμα αποτελεί απώλεια χρήσιμου υλικού. Για το λόγο αυτό, συχνά γίνεται η μείωση των διαστάσεων των στύλων στην τελική φάση της εκμετάλλευσης (φάση εξόφλησης), με σκοπό τη μεγιστοποίηση του συντελεστή απόληψης.

Για την υλοποίηση της μεθόδου των θαλάμων και στύλων στα βωξιτικά κοιτάσματα διακρίνονται τρία διαφορετικά συστήματα ανάπτυξης:

1. Εκμετάλλευση σε οριζόντιο ή σχεδόν οριζόντιο κοίτασμα.
2. Εκμετάλλευση σε κεκλιμένα κοιτάσματα (20ο- 30ο).
3. Εκμετάλλευση κοιτάσματος μεγάλου πάχους

 

Εκμετάλλευση σε οριζόντια ή σχεδόν οριζόντια κοιτάσματα

Στην εκμετάλλευση οριζόντιων ή παραοριζόντιων κοιτασμάτων δεν απαιτούνται πολλά προπαρασκευαστικά έργα. Συνήθως αυτά γίνονται εντός του κοιτάσματος, ακολουθώντας την επαφή του βωξίτη με την οροφή των υπερκειμένων ασβεστολίθων, παράλληλα με την προχώρηση των εργασιών για την δημιουργία των θαλάμων.

Η εκμετάλλευση γίνεται με την όρυξη αρχικά στύλων μεγάλων διαστάσεων, οι οποίοι στη συνέχεια μειώνονται σε πάχος μέχρι να λάβουν τις τελικές διαστάσεις τους. Πολλές φορές οι άξονες των στοών μπορεί να σχηματίζει γωνία 45ο με την κύρια στοά μεταφοράς για την βελτίωση των συνθηκών μεταφοράς και διευκόλυνσης του εξοπλισμού. Κατά το πέρας της εκμετάλλευσης, υπάρχει η δυνατότητα περαιτέρω μείωσης της διατομής τους και αντίστοιχα αύξησης της απόληψης βωξιτικού υλικού.

Αρχικά γίνεται η όρυξη (οριζοντίων και κάθετων) στοών πλάτους 4-5m, σε απόσταση 12-13m μεταξύ τους αφήνοντας στύλους πετρώματος πλάτους 8m. Στη συνέχεια γίνεται η μείωση της διατομής των στύλων στην τελική τους μορφή (πλάτος 5m) και αυξάνονται οι διαστάσεις των θαλάμων σε 7-8m. Στο Σχήμα 2 δίνεται μια χαρακτηριστική άποψη της εκμετάλλευσης με τη μέθοδο θαλάμων και στύλων.

Σχήμα 2. Στάδια εκμετάλλευσης βωξιτικού κοιτάσματος με τη μέθοδο θαλάμων και στύλων.

Σε κοιτάσματα μέτριου πάχους (5m - 10m), εφαρμόζεται πολύ συχνά η μέθοδος θαλάμων και στύλων με βαθμίδες (Βλ. Σχήμα 4). Δηλαδή γίνεται πρώτα η όρυξη του ανώτερου τμήματος του βωξιτικού θαλάμου και στη συνέχεια πραγματοποιείται η εκμετάλλευση του κατώτερου τμήματος είτε με τη μέθοδο των ορθών βαθμίδων είτε με οριζόντια διάτρηση (διάτρηση στρώσεων). Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται σε περιπτώσεις όπου η οροφή είναι ανθεκτικότερη από το κοίτασμα.

Στην περίπτωση όπου το μετάλλευμα είναι ανθεκτικότερο από την οροφή τότε εφαρμόζεται η μέθοδος των ανεστραμμένων βαθμίδων. Στην περίπτωση αυτή γίνεται πρώτα η όρυξη του κατώτερου τμήματος του κοιτάσματος και εν συνεχεία η όρυξη του ανώτερου τμήματος γίνεται με διατρήματα που τοποθετούνται από κάτω προς τα πάνω (ανιούσα διάτρηση).

Υπάρχει ακόμα η περίπτωση σε τμήματα κοιτάσματος μεγάλου πάχους να απαιτείται η δημιουργία προσωρινής ράμπας που διαμορφώνεται από σωρό θραυσμένο μετάλλευμα.

 

Εκμετάλλευση σε κεκλιμένα κοιτάσματα

Σχήμα 3. Εφαρμογή μεθόδου θαλάμων και στύλων σε κεκλιμένο επίπεδο με βαθμίδες. (πηγή: Atlas Copco).

Στην περίπτωση κεκλιμένων κοιτασμάτων εφαρμόζεται η μέθοδος εκμετάλλευσης, πάνω όμως στο κεκλιμένο επίπεδο, το οποίο επιτρέπει την λειτουργία αυτοκινούμενου εξοπλισμού στα μέτωπα εργασίας.

Για τον σκοπό αυτό, από τη βάση ορύσσονται ανωφερικές «διαγώνιες» στοές μέχρι το ανώτατο σημείο του τμήματος εκμετάλλευσης.

Στη συνέχεια, με σημεία εκκίνησης θέσεις της κεντρικής στοάς γίνεται η όρυξη διευθυντικών στοών (παράλληλα με την διεύθυνση του κοιτάσματος) από όπου και γίνεται η σταδιακή δημιουργία των στύλων, μέχρι τελικά να φτάσουν στις τελικές τους διαστάσεις (Σχήμα 3).

Η εκμετάλλευση προχωρεί από το ανώτερο στο κατώτερο σημείο του τμήματος όπου βρίσκεται η κύρια στοά μεταφοράς και γίνεται η αποκομιδή του προϊόντος.

 

 

Εκμετάλλευση κοιτασμάτων μεγάλου πάχους

Αυτή η παραλλαγή της μεθόδου των θαλάμων και στύλων εφαρμόζεται σε περιπτώσεις όπου το βωξιτικό κοίτασμα έχει πάχος που ξεπερνά τα 10m. Στις περιπτώσεις αυτές η εκμετάλλευση αρχίζει από τα βαθύτερα σημεία του κοιτάσματος (πάτωμα) και συνεχίζει σταδιακά προς τα πάνω μέχρι τη συνάντηση της ασβεστολιθικής οροφής. Πραγματοποιείται η αρχική διαμόρφωση των στύλων, ενώ στη συνέχεια γεμίζεται ο χώρος (λιθογόμωση) με στείρο υλικό δημιουργώντας ένα νέο πάτωμα εργασίας με μεγαλύτερο υψομετρικό επίπεδο (Σχήμα 4). Η φάση της λιθογόμωσης γίνεται είτε παράλληλα με την διεύρυνση του θαλάμου είτε μετά την ολοκλήρωση της διεύρυνσης.

Σχήμα 4. Εκμετάλλευση κοιτάσματος μεγάλου πάχους με την μέθοδο θαλάμων και στύλων. Διακρίνονται στα κατώτερα τμήματα οι περιοχές λιθογόμωσης (διακεκομμένες γραμμές). (πηγή: Atlas Copco).

Πιο αναλυτικά, ορύσσονται οι θάλαμοι με ύψος περίπου 6m, ακολουθεί η πλευρική διεύρυνσή τους – και η αντίστοιχη μείωση των διαστάσεών των στύλων – και τέλος γίνεται μερική λιθογόμωση σε τέτοιο ύψος ώστε να μπορούν να κινηθούν άνετα τα μηχανήματα εξόρυξης. Έπειτα με όρυξη διατρημάτων στην οροφή επιτυγχάνεται η άνοδος της εκμετάλλευσης καθώς χρησιμοποιείται ως πάτωμα η λιθογόμωση. Το μήκος της εκμετάλλευσης και το πάχος του βωξίτη που λαμβάνεται κάθε φορά είναι περίπου 2m - 2,5m.

Η διαδικασία αυτή συνεχίζεται μέχρι να συναντηθεί η επαφή του βωξίτη με τον υπερκείμενο ασβεστόλιθο, οπότε είτε εφαρμόζεται η μέθοδος στην τυπική της μορφή αφήνοντας δηλαδή τους στύλους ελεύθερους είτε συνεχίζεται η λιθογόμωση μέχρι την οροφή για καλύτερη προστασία της.

Η λιθογόμωση γίνεται συνήθως με τους συνήθεις φορτωτές υπογείων που διαθέτει το μεταλλείο. Στα πλαίσια όμως της περαιτέρω μηχανοποίησης των εργασιών μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ειδικό μηχάνημα μεταφοράς και εκτόξευσης του υλικού λιθογόμωσης. Τέλος ως υλικό λιθογόμωσης στα ελληνικά βωξιτικά κοιτάσματα χρησιμοποιείται το στείρο προϊόν της εξόρυξης (ασβεστόλιθος). Μπορεί να χρησιμοποιηθούν ακόμα βέβαια και υλικά από το εργοστάσιο εμπλουτισμού.

2. Μέθοδος διαδοχικών υποορόφων με κατακρήμνιση οροφής

Για τα κοιτάσματα βωξίτη των οποίων η κλίση υπερβαίνει τις 60^ο, εφαρμόζεται η μέθοδος των διαδοχικών υποορόφων με κατακρήμνιση της οροφής, που αφορά όμως πολύ μικρό αριθμό εκμεταλλεύσεων.

Κατά τη συγκεκριμένη μέθοδο η εξόρυξη πραγματοποιείται μέσα σε διαδοχικούς ορόφους, με το κατώτερο τμήμα να αποσπάται με χρήση εκρηκτικών υλών, ενώ το ανώτερο να κατακρημνίζεται (Σχήμα 5). Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής είναι κυρίως το χαμηλό κόστος παραγωγής και η ελαχιστοποίηση των έργων προπαρασκευής που απαιτούνται. Ο βαθμός απολήψεως με την μέθοδο των διαδοχικών ορόφων είναι της τάξεως του 70-75%, όμως η εφαρμογή αυτής της μεθόδου έχει το πρόβλημα της αραίωσης του βωξίτη (μόλυνση μεταλλεύματος από στείρα ασβεστολιθικά υλικά που κατακρημνίζονται) κατά την φάση της εξόφλησης.

Η προσπέλαση γίνεται με οριζόντιες ή κεκλιμένες στοές ανάλογα με την μορφολογία της περιοχής όπου βρίσκεται το κοίτασμα. Από τις στοές προσπελάσεως ορύσσονται οι στοές παραγωγής τραπεζοειδούς μορφής με εμβαδόν 14m² (4m περίπου πλάτος και 3-3,5m ύψος) στην διεύθυνση της παρατάξεως (διευθύνσεως) του κοιτάσματος και συνήθως στην επαφή με τους ασβεστόλιθους της οροφής. Οι στοές αυτές υποστηρίζονται με ξυλεία, όπου αυτό απαιτείται. Σxηματίζονται έτσι σταδιακά οι υποόροφοι, οι οποίοι απέχουν μεταξύ τους περί τα 10-12 m.

Σχήμα 6. Ανάπτυξη της μεθόδου εκμετάλλευσης διαδοχικών ορόφων με κατακρήμνιση οροφής σε βωξιτικά κοιτάσματα.

Η εξόφληση των ορόφων αρχίζει από τα άκρα και οπισθοχωρεί προς το σημείο της κεντρικής προσπέλασης. Γίνεται η όρυξη διατρημάτων στην οροφή των στοών παραγωγής, υπό μορφή “βεντάλιας”, και εν συνεχεία γίνεται η γόμωση (πλήρωση με εκρηκτικά) και ανατίναξή τους, με σκοπό την κατακρήμνιση της οροφής.

Τα διατρήματα που γίνονται στην οροφή έχουν κλίσεις 75^ο-85^ο και ορύσσονται μέχρι αποστάσεως 1-1,5m από από το δάπεδο του ανώτερου ορόφου έτσι ώστε να διατηρηθεί προσωρινά ένα μικρό πάχος οροφής από βωξίτη για να μειωθεί η αραίωση (μόλυνση) του μεταλλεύματος με στείρα υλικά της κατακρήμνισης.