Grundsätze und Methoden zur Gestaltung von Grenzen im Tagebau
Merkmale des Tagebaus: Im Tagebau wird Erz unter freiem Himmel mithilfe spezieller Aushub- und Fördergeräte abgebaut. Charakteristisch ist, dass zur Erzgewinnung das umgebende Gestein und der Abraum abgetragen und das Erz bzw. Gestein über oberirdische Förderwege oder unterirdische Gruben an die Oberfläche transportiert werden muss. Diese Methode wird häufig zur Gewinnung von Metallerzen, metallurgischen Rohstoffen, Baumaterialien, chemischen Rohstoffen und Kohle eingesetzt.
Im Vergleich zum Untertagebau weist der Tagebau – da er in einem exponierten Bereich betrieben wird – folgende Merkmale auf:
(1) Der Arbeitsraum ist relativ frei, was den Einsatz großer mechanisierter Geräte erleichtert. Ein hoher Mechanisierungsgrad und Automatisierungsgrad können die Abbauintensität und die Erzproduktion steigern.
(2) Hohe Arbeitsproduktivität.
(3) Niedrigere Bergbaukosten, wodurch die großflächige Ausbeutung minderwertiger Erze möglich wird.
(4) Geringerer Erzverlust und -verdünnung, was für die Gewinnung mineralischer Ressourcen von Vorteil ist.
(5) Kürzere Entwicklungszeit; die Investitionsausgaben pro Tonne Erz pro Jahr sind geringer als beim Untertagebau.
(6) Bei heißen oder brennbaren Erzvorkommen kann der Tagebau sicherer sein als der Untertagebau.
(7) Bessere Arbeitsbedingungen und allgemein sicherere Abläufe.
(8) Im Tagebau entstehen erhebliche Staub- und Fahrzeugemissionen; das gesprengte Gestein mit schädlichen Bestandteilen kann die Luft, das Wasser und den Boden in gewissem Maße verschmutzen.
(9) Große Mengen Abraum werden auf Mülldeponien abgelagert; Abfallentsorgungsanlagen nehmen beträchtliche Flächen in Anspruch (Berge, landwirtschaftliche Nutzflächen) und können die Umwelt lokal schädigen.
(10) Witterungsbedingungen wie Schnee, Eis und starker Regen können den Tagebaubetrieb negativ beeinflussen.
Die Festlegung der Abbaugrenzen (Grubengrenzen) ist die Grundlage der Tagebauplanung und Voraussetzung für einen wirtschaftlich effizienten und sicheren Abbau. Forscher und Praktiker weltweit untersuchen seit langem die Optimierung von Grubengrenzen und haben dabei beachtliche Ergebnisse erzielt. Da Tagebaue jedoch mit komplexen, variablen geologischen Körpern, unregelmäßigen Gehaltsverteilungen und sich ändernden wirtschaftlichen Parametern – nichtlinearen und dynamischen Faktoren – konfrontiert sind, bleibt die Festlegung der optimalen Grubengrenzen schwierig. Dieses Dokument befasst sich mit den wichtigsten Fragen der Grubengrenzenoptimierung: Es gibt einen Überblick über frühere Arbeiten, analysiert die dynamischen Eigenschaften von Grubengrenzen, untersucht die wichtigsten Faktoren, die den endgültigen stabilen Böschungswinkel beeinflussen, schlägt Methoden zur Vorhersage einer angemessenen endgültigen Böschung vor und untersucht schnelle Methoden zur Generierung von Grubengrenzenreihen und zur Festlegung der endgültigen Grubengrenze. Basierend auf der Ingenieurpraxis und aktuellen Entwicklungen und unter Verwendung multidisziplinärer Theorien und Methoden bietet die Studie systematische, gründliche Forschung mit erheblichem theoretischen und praktischen Wert.
Gestaltungsprinzipien für Tagebaugrenzen Die Größe der Tagebaugrenzen bestimmt die zu entfernenden Erz- und Abraummengen. Mit zunehmender Tiefe und Ausdehnung der Tagebaugrenzen steigt die Erzmenge, aber auch der Abraum nimmt erheblich zu, wodurch die Abraumrate steigt. Daher geht es bei der Festlegung der Tagebaugrenzen im Wesentlichen darum, die Abraumrate so zu steuern, dass sie die wirtschaftlich akzeptable Abraumrate nicht überschreitet.
Verschiedene Abraumverhältnisse hängen mit der Grubengrenze zusammen. Welches Abraumverhältnis zu kontrollieren ist, wird diskutiert. Der Artikel stellt drei historisch frühe und repräsentative akademische Standpunkte und die entsprechenden Entwurfskriterien vor:
(1) Abraumverhältnis an der Grubengrenze darf nicht größer sein als das wirtschaftliche Abraumverhältnis. Dieses Kriterium besagt, dass das Abraumverhältnis an der Grubengrenze das wirtschaftlich angemessene Abraumverhältnis nicht überschreiten darf. Sein Kern besteht darin, sicherzustellen, dass bei Vertiefung der Grube der marginale wirtschaftliche Nutzen des Tagebaus nicht schlechter ist als der des Untertagebaus. Bei zusammenhängenden Erzkörpern mit geringer Deckschicht maximiert dieses Prinzip tendenziell den Gesamtgewinn der Lagerstätte. Da es auf die Optimierung des wirtschaftlichen Gesamtergebnisses abzielt und einfach zu berechnen und anzuwenden ist, wird das ≤-Kriterium bei der manuellen Planung von Grubengrenzen im In- und Ausland häufig verwendet. Für Lagerstätten mit mächtiger oder diskontinuierlicher Deckschicht ist dieses Kriterium jedoch möglicherweise nicht geeignet. Es ist somit eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für eine optimale Grubengrenze.
(2) Durchschnittliches Abraumverhältnis nicht größer als das wirtschaftliche Abraumverhältnis. Dieses Kriterium zielt darauf ab, die allgemeine wirtschaftliche Leistung des Tagebaus zu steuern, damit dieser nicht schlechter ist als der Untertagebau. Ziel ist es, die gewinnbare Erzmenge innerhalb der Grubengrenze zu maximieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Gesamtwirtschaftlichkeit des Tagebaus nicht hinter der des Untertagebaus zurückbleibt. Da ein arithmetischer Durchschnitt verwendet wird, kann es sein, dass einige lokale Gebiete im Vergleich zu unterirdischen Methoden wirtschaftlich schlechter abschneiden. Das Kriterium ≤ Durchschnitt kann in Verbindung mit dem Kriterium ≤ Grubengrenze verwendet werden: Nach der Abgrenzung der Grube durch das Grubengrenze-Kriterium sollte das durchschnittliche Abraumverhältnis innerhalb dieser Grenze überprüft werden. Dieses Kriterium wird oft bei hochwertigen, seltenen Mineralien oder kleinen Lagerstätten angewendet, wenn eine Maximierung der Tagebauförderung (zur Minimierung von Verdünnung und Erzverlust) erwünscht ist. Es wird auch häufig für Naturstein- und Kalksteinbrüche verwendet.
(3) Die Produktionsabraumquote ist nicht größer als die wirtschaftliche Abraumquote. Die Produktionsabraumquote spiegelt das tatsächliche Abraum-Erz-Verhältnis während des Minenproduktionszyklus wider. Durch Anwendung des Kriteriums ≤ Produktion wird sichergestellt, dass das wirtschaftliche Ergebnis im Tagebau in keiner Produktionsphase schlechter ist als im Untertagebau. Die Produktionsabraumquote kann eine Gleichgewichtsproduktionsquote oder eine unausgeglichene (zeitabhängige) Abraumquote sein. Die aus dem Produktionskriterium abgeleiteten Grubengrenzen sind kleiner als die aus dem Grubengrenzenkriterium, aber größer als die aus dem Durchschnittskriterium und führen daher zu höheren anfänglichen Abraum- und Entwicklungsinvestitionen. Da die Produktionsabraumquote schwer genau zu definieren ist und ihr Zusammenhang mit der Tiefe komplex ist, ist dieses Kriterium weniger praktikabel und wird selten verwendet.
Elemente der Grenzen des Tagebaus 3.1 Endgültiger Böschungswinkel und Böschungsstruktur Der endgültige Böschungswinkel der Grube hat großen Einfluss auf die Produktionssicherheit und die wirtschaftliche Leistung. Aus wirtschaftlicher Sicht ist ein steilerer Böschungswinkel (größerer Winkel) vorzuziehen, da ein kleinerer Böschungswinkel den Abraumabtransport und die Abraumrate verbessert. Zu große Böschungswinkel können jedoch Instabilität verursachen und die Sicherheit gefährden. Daher muss der endgültige Böschungswinkel sowohl den Stabilitäts- (Sicherheits-) als auch den Betriebsanforderungen (Bergbau) entsprechen.
Die Stabilitätsanforderung besteht darin, dass der endgültige Böschungswinkel basierend auf den Gebirgseigenschaften und der Stabilitätsanalyse die Böschungsstabilität gewährleisten muss. Während der Planungsphase der Grubengrenze werden die endgültigen Böschungswinkel in der Regel anhand ähnlicher Bergwerke ausgewählt und anschließend einer vorläufigen Stabilitätsanalyse und vereinfachten Berechnungen mit verfügbaren Daten unterzogen.
3.2 Sohlenbreite und Lage (1) Mindestsohlenbreite und Mindestwerte Die Mindestsohle muss den sicheren Betrieb und die sichere Durchführung von Bergbau- und Fördergeräten gewährleisten. Sie sollte im Allgemeinen nicht schmaler sein als die Breite des Startgrabens (Anfangsschnitts); der Mindestwert wird durch die Gerätespezifikationen und die Berechnungen zur Förderwegführung bestimmt.
(2) Lage der Sohle und geometrisch ähnliche (selbstähnliche) Grubengrenzen Das grundlegende Kriterium für die Lage der Grubensohle ist die Minimierung des durchschnittlichen Abraumanteils innerhalb der Grube. Manchmal wird die Grubensohle relativ zu gesteinsmechanischen oder strukturellen Zonen angepasst, sodass die endgültigen Böschungen gebrochene oder strukturell schwache Zonen vermeiden, was die Stabilität verbessert und die Sprengung vereinfacht.
Abhängig von der horizontalen Mächtigkeit des Erzvorkommens gibt es drei mögliche Positionen für die Grubensohle:
Wenn die horizontale Dicke des Erzvorkommens geringer ist als die Mindestbreite des Bodens, zeichnen Sie die Grubenbodenebene auf die Mindestbreite.
Wenn die horizontale Dicke der Mindestbodenbreite entspricht oder diese geringfügig überschreitet, legen Sie die Grubenbodenbreite auf die Dicke des Erzkörpers fest.
Wenn die horizontale Dicke des Erzkörpers die Mindestbodenbreite deutlich überschreitet, verwenden Sie die Mindestbodenbreite.
Die gewählte Position sollte die gewinnbare Erzmenge maximieren, den Abfall minimieren und die beste Erzqualität produzieren – d. h. den wirtschaftlichen Nutzen maximieren.
Da die tatsächlichen Grubenböden Breiten ungleich Null aufweisen, sind geometrisch ähnliche Grubengrenzen nicht uneingeschränkt anwendbar. Bestimmen Sie bei der Planung die Lage des Grubenbodens anhand der folgenden Fälle: (i) Auf ebenem Gelände können sowohl dicke als auch dünne Erzkörper geometrisch ähnliche Grubengrenzen bilden; (ii) Auf geneigtem Gelände weist die Grube eine ähnliche Form auf, wenn die horizontale Dicke größer als die Mindestbreite ist, während dünne Erzkörper mit einer horizontalen Dicke kleiner als die Mindestbreite zusätzliche Einschränkungen erfüllen müssen.
(3) Entwurfsmethode für geometrisch ähnliche Grubengrenzen Eine geometrisch ähnliche Grubengrenze ist die theoretisch optimale Bodenposition, die das durchschnittliche Abtragungsverhältnis minimiert – praktisch die optimale Bodenposition, wenn die Bodenbreite gegen Null geht.
3.3 Grubentiefe Die Kriterien für die Grubenbegrenzung bestimmen im Wesentlichen die wirtschaftlich gerechtfertigte Grubentiefe. Je nach Kontinuität des Erzkörpers und Streichlänge werden Gruben als lange oder kurze Gruben klassifiziert. Wenn das Längen-Breiten-Verhältnis 4:1 übersteigt, ist die Grube "long" und das Endwanderzvolumen ist relativ gering; bei manueller Planung ist der Endwandbeitrag oft vernachlässigbar. Wenn das Verhältnis kleiner als 4:1 ist, ist die Grube "short" und das Endwanderz kann 15–20 % oder mehr des Gesamtvolumens ausmachen und muss berücksichtigt werden.
(1) Vorläufige Bestimmung der Grubentiefe in geologischen Querschnitten. Es gibt drei Methoden zur Bestimmung der Grubentiefe in geologischen Querschnitten: (a) die analytische Methode, (b) die grafische Methode und (c) die Plananalyse (Schemaanalyse). Die Plananalyse wird am häufigsten verwendet. Ihre Schritte sind: 1) Vorschlag mehrerer möglicher Grubentiefen; 2) Berechnung der Grubengrenzen-Abraumverhältnisse für jede Tiefe; 3) Aufzeichnen der Analysekurven und Auswählen einer Anfangstiefe.
(2) Bodenhöhe der Querschnitte anpassen Passen Sie die Bodenhöhe der Grube in den Querschnitten an. Die angepasste Höhe entspricht der geplanten Grubentiefe.
(3) Abgrenzung der Tagebaugrenzen (manuelle Methode) Die manuelle Abgrenzung der Tagebaugrenzen umfasst drei Hauptschritte:
Zeichnen Sie den theoretischen Umfang des Grubenbodens in der Entwurfstiefe: Zeichnen Sie in jedem Querschnitt, Längsschnitt und Hilfsschnitt die Grubengrenze in der Entwurfstiefe ein; zeichnen Sie anschließend einen Plan des stratigraphischen Horizonts in dieser Höhe. Projizieren Sie die Endpunkte des Grubenbodens aus den Schnittansichten auf den Plan und verbinden Sie sie, um den theoretischen Bodenumfang zu erhalten. Glätten Sie die Polylinie zu einer Kurve, um den Entwurfsumfang des Grubenbodens zu bilden. Stellen Sie sicher, dass die Bodenabmessungen den Anforderungen an Transportlayout und Gerätebetrieb entsprechen – Geradheit, Krümmungsradien und Bodenlänge müssen den technischen Standards entsprechen.
Zeichnen Sie die Grubengrenze: Zeichnen Sie auf dem topographisch-geologischen Plan den Entwurfsumfang der Sohle ein und zeichnen Sie dann von innen nach außen Bankfuß- und Scheitellinien für jede Bank (d. h. Bank und Hang) entsprechend den ausgewählten Hangelementen ein. Abgesenkte Teile der Grube bilden im Plan geschlossene Bankfußlinien; Hangbereiche können Bankfußlinien aufweisen, die an Höhenlinien gleicher Höhe anknüpfen.
Zeichnen Sie den endgültigen Grubenplan: Verlegen Sie auf dem Grubengrenzplan die Transport- und Erschließungswege (Linienführung) und zeichnen Sie anschließend von unten nach außen die Strebflächen und Plattformen für die endgültige Konfiguration ein. Planen Sie bei Bedarf auch Rampenplattformen zwischen den Strebflächen ein. Überprüfen und passen Sie den ursprünglichen Grubengrenzplan an, da Straßenführungs- und Erschließungsbeschränkungen die Böschungswinkel verringern und den Abtrag erhöhen können.
(4) Zeichnen Sie die Querschnitte der Grubengrenzen. Zeichnen Sie anhand des endgültigen Grubenplans drei repräsentative Querschnitte im entsprechenden Maßstab. Die Längsschnittlinie wird durch die wichtigsten Punkte der Sohlenbreite des Plans gezogen. Verwenden Sie die Bankbreiten, um die Querschnitte schrittweise nach oben zu vervollständigen.
Bestimmung und Optimierung der Grenzen von Tagebaugruben Unter Verwendung der oben beschriebenen, allgemein angewandten Konstruktionsprinzipien lauten die Methode und die Schritte zur Bestimmung und Optimierung der Grenzen von Tagebaugruben wie folgt:
(1) Bestimmen Sie die Grubentiefe. Bei langgestreckten Gruben ist zunächst die Tiefe jedes geologischen Querschnitts zu bestimmen und anschließend die Sohlenhöhe anhand von Längsschnitten anzupassen. Bei kurzen Gruben mit großem Tiefen-Breiten-Verhältnis sind die Auswirkungen der Stirnwandausdehnung zu berücksichtigen. Kann die Tiefe nicht direkt anhand der Schnitte bestimmt werden, sind die Grubengrenzabtragungsquoten anhand von Draufsichten für mehrere mögliche Tiefen zu berechnen und diejenige Tiefe auszuwählen, bei der die Grubengrenzabtragungsquote der wirtschaftlich sinnvollen Abtragungsquote entspricht.
(2) Bestimmen Sie den Umfang der Grubensohle anhand des Plans. Die Breite der Grubensohle kann größer oder kleiner als die horizontale Dicke des Erzvorkommens sein, muss aber die Mindestbreite einhalten. Das Prinzip besteht darin, die Erzausbeute zu maximieren und gleichzeitig den Abraum zu minimieren. Die Mindestsohle sollte eine sichere Produktion und den normalen Betrieb von Bergbau- und Fördergeräten gewährleisten. In der Praxis entspricht sie der Breite des Startgrabens und hängt von Methode und Ausrüstung ab – aus Sicherheitsgründen beträgt sie in der Regel nicht weniger als 20–30 m.
Nachdem Sie die untere Höhe und die Endpositionen festgelegt haben, zeichnen Sie den theoretischen Bodenumfang, indem Sie die Endpunkte der Querschnitte auf den stratigraphischen Plan in der Entwurfshöhe projizieren und verbinden. Für einen einfachen Transport sollte der Bodenumfang möglichst gerade sein; gekrümmte Teile müssen die Mindestkrümmungsradien für die Ausrüstung einhalten.
(3) Bestimmen Sie Böschungsstruktur und Böschungswinkel. Die Böschungsstabilität ist für eine sichere Produktion unerlässlich. Die Wahl des richtigen Böschungswinkels ist entscheidend für die Stabilität. Wählen Sie im Rahmen der technischen und stabilitätstechnischen Anforderungen den steilsten Böschungswinkel, um den Abraumbedarf zu minimieren. Berücksichtigen Sie bei der Festlegung der Böschungswinkel die Gesteinseigenschaften, die geologische Struktur, die Hydrogeologie, die Abbaumethode und -ausrüstung, die geplante Lebensdauer der Mine sowie das Klima. Führen Sie nach Möglichkeit gesteinsmechanische Tests durch und berechnen Sie die Böschungsstabilität. Da bestehende Berechnungsmethoden nicht immer perfekt sind, werden die endgültigen Böschungswinkel in der Praxis häufig anhand ähnlicher Minen und empirischer Daten gewählt.
(4) Zeichnen Sie die endgültige Draufsicht. Die Schritte umfassen:
Den ermittelten Grubensohlenumfang auf Transparentpapier übertragen und auf die topographisch-geologische Karte legen; von innen nach außen Strebfüße entsprechend den Hangelementen einzeichnen.
Legen Sie Transportwege an.
Überprüfen und überarbeiten Sie den vorläufigen endgültigen Grubenplan.
Projizieren Sie den finalen Plan auf Querschnitte, sodass die Abschnittsgrenzen mit dem Plan übereinstimmen. Da Böschungswinkel, Sohlenbreite und -tiefe die endgültigen Grubengrenzen stark beeinflussen, kann ein dynamisches Bewertungsindexsystem zur Modellierung und Optimierung der Tagebaugrenzen entwickelt werden. Verbesserte BP-Neuralnetzwerkalgorithmen ermöglichen die Erstellung von Vorhersagemodellen für stabile endgültige Böschungswinkel. Dreidimensionale Computersimulationen unterstützen eine effiziente, visuelle Produktionsplanung. Computersimulationsmethoden ermöglichen eine weitere Optimierung der Grubengrenzen.
Fazit: Im Tagebau kommen spezielle Abbau- und Transportgeräte in einem exponierten Abbaugebiet zum Einsatz. Der endgültige Böschungswinkel, die Breite und Lage der Grubensohle sowie die Grubentiefe beeinflussen maßgeblich die Produktionssicherheit und Wirtschaftlichkeit. Die Festlegung von Grubengrenzen ist eine komplexe Aufgabe, die die Einhaltung grundlegender Prinzipien erfordert und gleichzeitig flexibel an standortspezifische Bedingungen angepasst werden muss, um eine sinnvolle Planung zu erreichen. In diesem Artikel werden zentrale Aspekte der Grubengrenzenoptimierung untersucht, die Eigenschaften von Tagebaugrenzen analysiert, die wichtigsten Indikatoren für den stabilen endgültigen Böschungswinkel sowie Methoden zur Vorhersage einer sinnvollen endgültigen Böschung untersucht und Ansätze zur Optimierung von Grubengrenzen diskutiert.
