به طور کلی معادن یا در زیر زمین و یا در سطح و نزدیک سطح زمین قرار دارند. روشهایی که برای استخراج آن گروه از معادن که در سطح و یا نزدیک سطح قرار دارند به کار برده میشوند را روشهای استخراج معادن سطحی مینامند. در این روشها معمولاً در سطح آن قدر باطله برداری صورت می پذیرد تا به ماده معدنی دسترسی حاصل شود و چون عملیات باطله برداری و استخراج ماده معدنی در فضای باز صورت میگیرد محدودیتی از نظر استفاده ماشین آلات بزرگ با قدرت و ظرفیت زیاد وجود ندارد. به همین دلیل تولید و ایمنی در این روش بالا و هزینه پایین خواهد بود چون هزینه استخراج پایین است امکان استخراج مواد معدنی با عیارهای پایین وجود دارد. در روش روباز استخراج با ایجاد پله صورت میگیرد و پله ها تا عمقی از معدن که استخراج مواد معدنی سودآور باشد طراحی و ایجاد میشوند در این روش باطله ها پس از برداشت به نقطه ای خارج از محل استخراج حمل و دپو میشوند .
ماشین آلات استخراجی در معادن روباز به طور کلی به سه گروه ماشین آلات حفاری، بارگیری و حمل تقسیم میشوند بین ماشین آلات اصلی استخراجی ارتباطی از لحاظ اندازه ظرفیت) وجود دارد که در شکل زیر این ارتباط نشان داده شده است.
توازن مثلثاتی بین ماشین آلات اصلی استخراجی
همان طور که از شکل مشخص میشود هرچه قطر سرمته دستگاه حفاری بیشتر باشد متناسب با آن ظرفیت باکت شاول و باکت کامیون معدنی نیز افزایش می یابد.
ماشین آلات حفر چال
در معادن روباز برای افزایش تولید و بالا بردن راندمان ماشین آلات بارگیری و حمل و جلوگیری از خسارات، عملیات انفجار صورت میگیرد تا مقاومت و ابعاد سنگها کاهش یابد بدین منظور چالهایی با عمق بین ۴ الی ۲۰ متر حفاری میشوند تا مواد منفجره داخل آنها قرار داده شود. حفاری اولین مرحله از عملیات استخراج در معادن روباز است.
مشخصات مهم چالها شامل ،قطر ،عمق امتداد و شیب چال میباشد هدف از حفر چال اندازه و مشخصات آن را تعیین می کند.
در معادن روباز بالاخص در سنگهای سخت و بسیار سخت اکثریت چالهای انفجاری به طور قائم حفر میشوند ، برای آن که حفر چالهای قائم در سنگهای سخت آسان تر راحت تر و ارزان تر است اما همیشه چالهای قائم بالاخص در رابطه با انفجار مطلوبترین روش حفاری نخواهد بود بدین جهت بعضاً علی رغم دشواری در حفر چالهای شیبدار چالها به طور زاویه دار حفر میشوند.
ماشین آلات حفر چال از لحاظ مکانیسم کار به دو گروه چالزنهای ضربه ای و چالزنهای دورانی تقسیم می گردند. با توجه به بزرگی معادن روباز انواع دستگاههای چالزنی با توانایی حفر چال با قطرهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.
ماشین آلات بارگیری و حمل در روش روباز
به طور کلی ماشین آلات بارگیری که در معادن سطحی به کار برده میشوند به سه گروه ذیل تقسیم میشوند
●ماشین آلات بارگیری محور گرد ماشین آلاتی که حول محور مرکزی خود میچرخند مانند شاول دراگلاین و بیل مکانیکی.
●گروه دوم ماشین آلاتی هستند که عملیات بارگیری و تخلیه در فواصل کوتاه را به طور همزمان انباکت میدهند که اصطلاحاً آنها را ماشین آلات پیوسته استخراج مینامند مانند بیل چرخشی.
● گروه سوم ماشین آلاتی هستند که بارگیری توام با حرکت انباکت میگیرد مانند لودر و اسکریپر از بین ماشین آلات فوق بالغ بر ۸۰ درصد معادنی که به روش روباز استخراج میشوند از شاول جهت بارگیری استفاده می کنند. روشهای حمل مواد در معادن روباز شامل حمل ریلی (قطار)، نقاله هوایی نوار نقاله و کامیون است که در بیش از ۸۰ درصد از معادن روباز از کامیون برای حمل مواد استفاده می کنند به دلیل آن که مهمترین ماشین آلات استخراجی در معادن روباز بزرگ شاول و دامپتراک است در اینجا فقط به معرفی آنها بسنده میشود.
شاول
شاولها در استخراجهای سطحی به روش نواری و کاواکی مورد استفاده قرار می گیرند. در روش نواری روباره برداشته شده و در یک بخش استخراج شده قبلی مجاور ریخته میشود و ماده معدنی زیر روباره به وسیله ماشین دیگری بارگیری شده و به قسمت دیگری برده میشود شاولها توانایی کندن و بارگیری مواد واقع در سطح ایستایی ماشین یا بالاتر از آن را دارند. ساختمان شاولها شامل شاسی اصلی، شاسی متحرک و تجهیزات بارگیری است.
شاولهای قدیمی مکانیکی و شاولهای جدید با نیروی هیدرولیکی کار می.کنند. برای تامین قدرت شاولها از موتورهای دیزلی الکتریکی و یا ترکیب این دو روش استفاده میشود موتورهای دیزلی قابلیت تحرک بیشتری را برای ماشین به وجود میآورند ولی عمر عملیاتی آنها نسبت به انواع الکتریکی کمتر است در عوض موتورهای الکتریکی نیاز به نگهداری و تعمیر کمتر ،داشته عمر عملیاتی آنها بیشتر است ولی فاقد تحرک کافی هستند ضمناً به دلیل وجود کابل در این نوع مشکلات نگهداری و تعمیرات (نت) و انتقال کابلها به مکان دیگر در هنگام تغییر محل شاول وجود دارد.
از لحاظ حفاری شاولها به دو نوع بیل باکت جلو و بیل باکت معکوس تقسیم بندی میشوند. بیل باکت جلو برای حفاری بالای سطح زمین و بارگیری کامیونها مورد استفاده قرار میگیرد. بیل باکت معکوس معمولاً برای حفاری در سطح پایین زمین طراحی شده است.
استفاده از شاولها
برای کمینه کردن هزینه بارگیری ظرفیت شاول باید با ظرفیت کامیونی که با آن کار میکند هماهنگ باشد. بعنوان یک قاعده تجربی کامیون باید با ۴ تا ۵ باکت شاول پر شود به عنوان مثال اگر ظرفیت کامیونی در حدود ۱۰۸ تن برای بارگیری سنگ با چگالی ۱۸۰۰ گیلوگرم بر متر مکعب را در نظر بگیریم شاولهایی با بیلهای ۱۲ تا ۱۵ متر مکعبی برای این چنین کامیونهایی مناسب هستند.
باید توجه داشت که ظرفیت واقعی باکت با ظرفیت اسمی آن یکسان نیست و معمولاً با ضرب کردن ظرفیت اسمی باکت در یک ضریب که به ضریب بیل(DF یا Deeper Factor) موسوم است ظرفیت واقعی بیل بدست
می آید. مقدار ضریب بیل بسته به نوع ماده و شرایط کاری میتواند از حدود ۴۰ درصد تا بیش از 100 درصد تغییر کند به طور تجربی این ضریب به شرح ذیل میباشد:
•برای مواد با قابلیت کنده شدن آسان ۸۵ تا ۱۲۰ درصد
•برای مواد با قابلیت کنده شدن متوسط ۸۰ تا ۹۰ درصد
•برای مواد با حفاری سخت ۷۰ تا ۸۰ درصد
•برای سنگ ۴۰ تا ۶۰ درصد
زمان چرخه شاول
عامل مهم در کارایی شاول زمان چرخه آن است. این زمان از زمانهای لازم برای عملیاتهای زیر تشکیل شده است:
۱-نفوذ در سینه کار و پر کردن باکت بالابری جام
۲-گردش به طرف باربر و گردش به طرف سینه کار
زمان چرخه به زاویه چرخش ، اندازه شاول و مهارت کاربر بستگی دارد و معمولاً از حدود ۲۵ ثانیه تا بیش از یک دقیقه متغیر است بیشترین زمان چرخه به گردش شاول به طرف باربر و بازگشت به طرف سینه کار اختصاص دارد حدود ۶۰ درصد و در نتیجه نحوه قرارگیری کامیون در کنار شاول از اهمیت بالایی برخوردار است. در آرایشهای معمولی کامیون در کنار شاول و در سمت چپ آن قرار میگیرد گاهی برای تسریع در کار وسیله باربر در صورت مناسب بودن شرایط در هر دو طرف شاول قرار میگیرد تا زمان مانور کاهش یابد زاویه گردش شاول در این حالتها حدود ۹۰ درجه میباشد . در جدول زیر زمان یک سیکل بارگیری شاول آمده است.
به طور متوسط اگر برای هر بار ریختن مواد داخل کامیون ۲ ثانیه اضافه شود و اگر هر کامیون با ۴ مرتبه تخلیه باکت شاول پر شود تنها ۸ ثانیه به سیکل بارگیری کامیون اضافه میشود.
مزایای شاول
۱- توانایی در تولید بالا
۲- توانایی در استخراج همه نوع سنگ صرف نظر از سختی آنها که این امر به دلیل قدرت بالا اسکلت بندی محکم ماشین کابلهای بالا و پایین ماشین میباشد.
۳- برخورداری از طول عمر بالا با میزان دسترسی زیاد
۴- علی رغم آنکه قیمت اولیه آن بالاست اما هزینه عملیات هزینه) به ازاء هر یک تن پایین بوده که برای پروژه های بلند مدت از اهمیت خاص برخوردار است. این امر از تولید بالا، استحکام و قدرت ماشین ناشی میشود.
۵- در همه شرایط جوی از کارآیی مناسب برخوردار است
6- برای پله های تا ارتفاع ۱۵ متر که غالب معادن روباز از این حد تبعیت میکنند کاملاً مناسب و از کارآیی بالا برخوردار میباشد.
۷- در قیاس با ماشین چرخشی شاول از تحرک مناسب برای انتقال و جابجایی برخوردار است.
معایب شاول
از معایب شاول میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
1- از انعطاف پذیری کم برخوردار است.
2- تحرک پذیری کم نسبت به لودر
3- قیمت اولیه ماشین بالاست.
عوامل موثر در اندازه و تعداد شاول
عواملی که در اندازه و تعداد شاول موثرند شامل موارد زیر است:
1- متوسط تولید روزانه
2- میزان کل ماده معدنی و باطله ای که باید استخراج شوند.
3- پروفیل و اندازه کامیون
۴- پهنای پله یا محدوده ای که در آن باید از شاول استفاده شود.
۵- حداکثر اندازه سنگهایی که باید شاول برداشت نماید.
6- میزان دسترسی مورد نیاز
7- نوع سنگی که باید استخراج شوند.
8- روشهای استخراج شاولی ( دوسمتی یا یک سمتی)
دامپ تراک
یکی از ماشین آلات اصلی ،معادن کامیونهای تخلیه از عقب هستند که برای سیستم حمل و نقل در بیش از ۸۰ درصد معادن روباز مورد استفاده قرار میگیرد. دامپ تراک نوعی کامیون معدنی است که بارگیری آن به کمک وسایل مکانیکی بزرگ ساده است و باربری با آن در شیب و مسیرهای سخت بدون زحمت بوده و باراندازی نیز سریع میباشد ظرفیت دامپتراکها از چند تن تا چند صد تن است.
دامپ تراکها از اواسط دهه ۱۹۳۰ میلادی وارد صنعت معدن کاری شدهاند و ظرفیت باکت آنها از ۱۳/۵ تن شروع شده تا امروز که به بیش از ۴۰۰ تن رسیده است. بخشهای عمده کامیون شامل موتور کامیون، انتقال دهنده های ،قدرت ترمز ،کامیون سیستمهای ،شناور باکت کامیونهای عقب بازشو و لاستیک های کامیون است.
عوامل افزایش بازدهی دامپ تراک ها
عوامل موثر در افزایش بازدهی دامپ تراکهاها شامل موارد زیر است:
۱- افزایش ظرفیت باربری
۲- افزایش اندازه لاستیک و کیفیت آن
۳- کاهش وزن موتور نسبت به وزن کل ماشین
۴- استفاده از سیستم ترمز دینامیکی
۵- به کارگیری موتورهای دیزلی
6- افزایش سرعت ماشین
7- افزایش قدرت ماشین
مزایای باربری با دامپ تراکها
۱- استقلال ترافیک و سازماندهی ساده تر به رفت و آمد
۲- امکان استفاده در شیب تا ۱۰ درصد و در قوسها تا شعاع ۱۰ تا ۳۰ متری
۳- قابلیت مانور بیشتر و هماهنگی ساده تر با شاول یا لودر
۴- سادگی تغییر محل بارگیری در سینه کار یا خاصیت مانور بیشتر
۵- امکان استفاده از دامپتراکها در سینه کارها یا معادن دیگر هنگام توقف بهره برداری اصلی
6- میتوانند ضربه های ناشی از رها شدن تکه سنگها از باکت شاول یا دیگر بار کننده ها را تحمل کنند، ضمن آن که در سالهای اخیر کف باکت کامیون به سمت دو انتها شیب دار طراحی شده اند تا فاصله رها شدن سنگهای باکت کم و از شدت ضربه کاسته شود.
عوامل موثر در انتخاب اندازه(ظرفیت) دامپ تراک
۱- ظرفیت سیستم بارگیری ظرفیت کامیون حداقل باید سه برابر ظرفیت باکت شاول و در شرایط نرمال پنج برابر آن باشد.
۲- میزان تولید مورد نیاز توسط کامیون برحسب تن در ساعت
۳- فاصله مسیر حمل: کامیونهای با ظرفیت زیادتر برای فواصل دورتر اقتصادی تر از کامیونهای با ظرفیت کمتر می باشد.
انتخاب تعداد کامیونهای مورد نیاز در یک معدن روباز از مشکل ترین بخشهای طراحی معدن محسوب می شود عمدتاً چهار عامل که در انتخاب تعداد کامیون موثرند را میتوان برشمرد:
الف) میزان تولید مورد نیاز معدن
ب) کارآیی کامیون برحسب تن در ساعت
ج) قابلیت مکانیکی کامیون
د) روش استخراجی
انتخاب ماشین آلات بارگیری و حمل معادن روباز
هزینه های حمل و نقل یکی از موثرترین عوامل در سوددهی پروژه های معدنی میباشند. یک انتخاب نادرست میتواند علاوه بر غیر اقتصادی کردن عملیات باعث ایجاد مشکلات غیر منتظره زیادی در مدیریت ناوگان ماشین آلات معدن می.شود هزینههای بارگیری طبق بررسی پایگاه اطلاعاتی مشاور مهندسی استرالیا بین ۱۵ تا ۲۰ درصد کل هزینههای معدن کاری برای معادن روباز بزرگ را شامل میشود. هم چنین هزینه های باربری ۴۰ درصد هزینه کل معدن کاری را تشکیل میدهد.
اعداد بر حسب درصد است
بنابراین میتوان گفت که هزینه های بارگیری و باربری حدوداً ۵۰ تا ۶۰ درصد هزینه های معدن کاری رادر بر میگیرد و در سودآوری پروژه های معدن کاری میتواند تاثیر بنیادی داشته باشد. جدول زیر مقایسه هزینه نسبی ماشین آلات در کانسنگهای مختلف را نشان میدهد.
اطلاعات مورد نیاز برای انتخاب ماشین آلات
ماشین آلاتی که در معادن روباز به کار میروند بسیار متنوع اند و به همین جهت باید معیارهایی را برای انتخاب مطرح نمود تا بر آن اساس مناسبترین ماشین از نظر نوع تعداد و ظرفیت، نحوه تعمیر و خدمات، دسترسی به قطعات یدکی و بالاخره اقتصادی برای معادن روباز انتخاب شوند به منظور انتخاب صحیح باید اطلاعات ذیل در دسترس باشند
الف- اطلاعاتی که باید در مورد ماده معدنی در دسترس باشند:
۱- میزان ماده معدنی که باید به عنوان خوراک کارخانه کانه آرایی ارسال شود.
۲- ظرفیت کارخانه
۳- نحوه آمیختن عیارهای مختلف ماده معدنی
۴- چگونگی جداسازی مواد معدنی ،مختلف در صورتی که مواد معدنی مختلف باید استخراج شوند.
۵- فاصله ای که ماده معدنی باید منتقل شوند.
۶- اختلاف ارتفاع بین جبهه یا جبهه های استخراج ماده معدنی با محل انبار کردن ماده معدنی
ب- اطلاعاتی که باید در مورد باطله ها در دسترس باشند:
۱- تناژ باطله ای که باید به ازای کل ماده معدنی برداشت شود.
۲- طبقه بندی باطله ها از نظر کیفیت خواص فیزیکی و مکانیکی و تفکیک سنگهایی که در شرایط فعلی به دلیل داشتن عیارهای کمتر از عیار حد جزء باطله محسوب میشوند.
۳- فاصله محل برداشت باطله ها و محل دامپ باطله ها
۴- خصوصیاتی از سنگ در محدوده معدن مثل سختی سایندگی سنگها میزان هوازدگی شکستگی، گسل زدگی
ایده آل ترین شرایط در شروع انتخاب عبارتند از:
• براساس خصوصیات باطله ها دریل ماشین بارگیری و حمل ویژه انتخاب شوند.
• بر اساس خصوصیات مواد معدنی دریل ماشین بارگیری و حمل خاص انتخاب شوند.
•به ازای هر سیستم بارگیری چهار الی پنج ماشین حمل انتخاب شود.
در انتخاب ماشین آلات معادن روباز چهار پارامتر باید مد نظر قرار گیرند که عبارتند از:
۱- تولید سالیانه
2- هزینه های سرمایه ای و عملیاتی
۳- مناسب بودن ماشین آلات از نظر تکنیکی
۴- نحوه تعمیر و تعویض قطعات یدکی و تعهد کارخانه سازنده در تامین قطعات یدکی نو و خدمات پس از فروش
عواملی دیگری نیز در انتخاب ماشین آلات در معادن روباز موثرند که شامل موارد زیر میباشند:
•اندازه و ارزش ذخیره معدنی
•روش معدنکاری
•ارسال ماده معدنی به سنگ شکن
•شیب مسیر ورود و خروج از معدن
•انعطاف پذیری ماشین آلات
•خدمات پس از فروش ماشین آلات
•نحوه تعمیر و نگهداری ماشین آلات
•پرسنل ماهر و آموزش دیده
•شرایط جوی
•شرایط استخراج و برداشت
•قیمت اولیه و هزینه عملیاتی
•قابلیت دسترسی ماشین آلات
•فن آوری به کار رفته در ماشین آلات
•شرایط فورس (تحریمها و غیره)
در انتهای قرن بیستم وقتی معادن با کاهش قیمت مواد معدنی مواجه شدند به کارگیری تجهیزات بزرگتر جهت کاهش هزینه های واحد متداول گردید. جدول بعدی سیر گسترش ماشین آلات معدنی در دهه های اخیر را نشان می دهد.
از آنجا که در طراحی معدن همواره کمینه سازی هزینه ها و بیشینه سازی بهره وری از مهمترین به شمار میرود رعایت مسایل زیر میتواند تاثیر به سزایی در افزایش سودآوری طرح داشته باشد:
۱- بهره وری هر واحد عملیاتی که بر حسب واحد تولید در واحد زمان تعریف میشود با بهره وری سایر واحدها که در یک چرخه با آنها مرتبط شده است، همخوانی داشته باشد.
۲- تعداد بهینه ماشین آلات انتخاب گردد.
۳- جانمایی به گونه ای باشد که جابه جایی های غیر تولیدی غیر ضروری تجهیزات به حداقل برسد. ۴- واحدهای عملیات به گونه ای با یکدیگر ارتباط داشته باشند که پیوستگی جریان مواد تا حد امکان حفظ شود.