CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH BIÊN GIỚI MỎ LỘ THIÊN
4.3. Khoanh vùng biên giới khai thác lộ thiên cho khoáng sàng sa khoáng
Đối với các khống sàng sa khống, quặng khơng nằm thành từng vỉa mà tập trung thành từng ổ, từng khối,… ở dạng thấu kính, dạng đáy chảo hay dạng dải tùy theo phương thức hình thành là tàng tích, sườn tích hay bồi tích. Mặt khác, các khoáng sàng sa khống thường chứa quặng có hàm lượng thành phần có ích (TPCI) khơng đều nhau theo diện tích hoặc chiều sâu phân bố và đới chứa quặng thường lộ ra ngoài mặt đất hoặc bị vùi lấp không sâu. Do vậy, việc xác định biên giới khai thác lộ thiên cho các khoáng sàng sa khoáng thường được dựa trên cơ sở hàm lượng của TPCI chứa trong quặng.
Để xác định biên giới khai thác lộ thiên cho khoáng sàng sa khoáng, trước hết cần tiến hành xác định hàm lượng công nghiệp nhỏ nhất trên cơ sở các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật sau : 2 v 1 K 2 v t b tb k cn 100 " C C . 100 P r 100 ' C C C K C , % (4.1)
Trong đó: Ck - giá thành khai thác quặng, chưa kể đất bóc, đ/t; Ktb - hệ số bóc trung bình, m3/t; Cb - giá thành bóc 1 m3 đất đá, đ/m3; C’v - giá thành vận tải quặng nguyên khai từ mỏ về nhà máy tuyển, đ/t; Ct - giá thành tuyển 1 tấn quặng nguyên khai thành quặng tinh, đ/t; r - hệ số làm nghèo quặng, %; - tỷ lệ thu hồi chung kim loại từ quặng nguyên khai vào sản phẩm cuối cùng, %; - hàm lượng kim loại trong sản phẩm cuối cùng, %; - hàm lượng kim loại trong quặng tinh, %; P - giá trị 1 tấn sản phẩm cuối cùng, đ/t; k - tỉ lệ thu hồi kim loại từ quặng nguyên khai vào quặng tinh, %; Ct - giá thành luyện quặng tinh, đ/t.
Sau đó, tiến hành tính tốn hàm lượng trung bình các TPCI trong khoáng sàng. Căn cứ vào tài liệu địa chất, tiến hành phân chia khống sàng thành từng khu vực có hàm lượng TPCI gần giống nhau. Tính hàm lượng trung bình TPCI cho từng khu vực theo phương pháp bình quân gia quyền.
i i i tb l I , % (4.2)
Trong đó: i - hàm lượng TPCI trong mẫu quặng, %; li - chiều dài mẫu hay phạm vi ảnh hưởng của mẫu, m (m2).
Hàm lượng kim loại nhỏ nhất của mẫu quặng hay của một khu vực nào đó được đưa vào tính trữ lượng cân đối thì gọi là hàm lượng biên.
Để khoanh vùng biên giới mỏ theo chất lượng quặng, lần lượt tiến hành các bước sau:
1. Chọn một số phương án hàm lượng biên tương ứng với hàm lượng trung bình của các khu vực chứa quặng nghèo nhất. Tính hàm lượng trung bình cho tồn khống sàng theo các phương án hàm lượng biên đó.
Phương án : I II III IV, ……… n
tb , % : tb1 tb2 tb3 tb4 ……… tbn 2. Vẽ đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa hàm lượng TPCI với diện tích khống sàng và xác định vị trí gần đúng của biên giới mỏ theo điều kiện chất lượng quặng (Hình 4.1).
Hàm lượng trung bình của khu vực có biên giới mỏ cắt qua đó là hàm lượng biên để xác định trữ lượng cân đối (trữ lượng cơng nghiệp) của khống sàng.
Nếu chất lượng quặng giảm dần từ trung tâm khoáng sàng ra ngồi biên thì có thể xây dựng hệ thống đường đồng đẳng hàm lượng, để trên cơ sở đó tính tốn hàm lượng trung bình tồn khống sàng cho các phương án hàm lượng biên, rồi từ đó nội suy biên giới mỏ trên nguyên tắc :
cn i 1 tbi tbi i S 2 S (4.3)
Trong đó: Si - diện tích bao giữa hai đường đồng đẳng có hàm lượng trung bình là tbi1 và tbi , m2.
Phương pháp đồ thị như trình bày trên cũng áp dụng được cho trường hợp các khu vực chứa quặng có chất lượng gần giống nhau sắp xếp không quy luật hoặc rời rạc. Sk S1 S1+S2 SSi CN ... ... ... , %
3. Kiểm tra lại biên giới mỏ theo điều kiện giá thành khai thác. Với các khoáng sàng sa khoáng hoặc dạng ổ, dạng thấu kính, biên giới mỏ khơng chỉ bị ảnh hưởng bởi điều kiện chất lượng quặng thương phẩm mà còn bởi điều kiện giá thành khai thác. Giá thành khai thác một tấn quặng nguyên khai không được vượt quá giá thành cho phép Co:
C = a + Kbg.b Co (4.4)
Trong đó: a - giá thành khai thác thuần túy 1 tấn quặng, đ/t; b - giá thành bóc đất đá, đ/m3; Kbg - hệ số bóc biên giới của khống sàng, m3/t.
Do sự thay đổi của chiều dày lớp đất bóc và chiều dày thân quặng nên Kbg cũng thay đổi theo vị trí khơng gian của mỏ. Dùng phương pháp đồ thị dễ dàng xác định được vị trí cuối cùng của bờ mỏ mà tại đó giá thành khai thác lộ thiên không vượt quá giá thành cho phép của quặng.
Khi đất đá phủ có chứa một loại quặng khác ít có giá trị hơn hoặc quặng nghèo có hàm lượng nhỏ hơn hàm lượng tiêu chuẩn, nhưng có thể bán hoặc tận dụng vào mục đích kinh tế khác thì nhờ thế mà giá thành của sản phẩm chính (quặng tiêu chuẩn) giảm xuống, tạo điều kiện để mở rộng biên giới khai thác lộ thiên.
o p p bg C V G . V b K a (4.5)
Trong đó: Vp , V - khối lượng quặng phụ có thể thu hồi được và khối lượng đất bóc theo tính tốn, m3; Gp - giá trị của quặng phụ, đ/t.
Nếu quặng nghèo có hàm lượng thấp dưới hàm lượng tiêu chuẩn có khả năng sơ chế để làm giàu tới hàm lượng công nghiệp trước khi đưa vào nhà máy tuyển thì:
o t p t t bg C ' q q q b . K a (4.6)
Trong đó: q , qo - khối lượng quặng tiêu chuẩn và quặng nghèo dự kiến thu hồi được; t , ’t - hệ số thu hồi quặng tính từ quặng tiêu chuẩn và từ quặng nghèo tận dụng.
Có thể coi tiêu chuẩn chất lượng là điều kiện cần, còn giá thành quặng khai thác là điều kiện đủ để xác định biên giới mỏ lộ thiên cho khống sàng quặng có hàm lượng thay đổi. Có thể xảy ra ba trường hợp sau:
Trường hợp thứ nhất: khi thỏa mãn hai điều kiện cần và đủ (tb CN , C Co),
với biên giới xác định, mỏ lộ thiên hoạt động trong điều kiện vừa đảm bảo chất lượng sản phẩm, vừa đảm bảo giá thành khai thác không vượt quá giá thành cho phép.
Trường hợp thứ hai: khi biên giới mỏ xác định theo điều kiện cần (tb CN)
lớn hơn biên giới xác định theo điều kiện đủ (C Co), khi đó mỏ lộ thiên sẽ làm việc với biên giới nhỏ hơn để đảm bảo giá thành khai thác không vượt quá giá thành cho phép. Quặng khai thác theo biên giới này có chất lượng cao hơn, thuận lợi cho khâu gia công chế biến, giảm chi phí tuyển quặng, nâng cao hệ số thu hồi quặng tính từ quặng nguyên khai, nhưng xét về mặt sử dụng tài nguyên thì chưa tận thu hết tài nguyên lòng đất.
Trường hợp thứ ba: khi biên giới mỏ xác định theo điều kiện cần (tb CN) nhỏ hơn biên giới xác định theo điều kiện đủ (C Co). Để đảm bảo chất lượng quặng dựa vào xưởng tuyển, mỏ lộ thiên sử dụng biên giới, theo điều kiện thứ nhất. Khi đó giá thành khai thác của mỏ nhỏ hơn giá thành cho phép, khâu khai thác thu được hiệu quả kinh tế cao.
4.4. Các phương pháp xác định biên giới mỏ lộ thiên của các phần mềm ứng dụng trong khai thác mỏ
Trong sự bùng nổ thông tin hiện nay, công nghệ tin học đã xâm nhập vào hầu hết các lĩnh vực sản xuất và đời sống của con người và càng ngày càng khẳng định vai trị khơng thể thiếu được của nó đối với sự phát triển của các ngành khoa học nói chung và ngành mỏ nói riêng.
Ngày nay, trên thế giới, máy tính và các phần mềm ứng dụng đã thực sự trở thành một công cụ đắc lực giúp các kỹ sư mỏ thực hiện mọi ý đồ thiết kế và quản lý kinh tế mỏ đạt hiệu quả cao nhất thay vì các thao tác và tính tốn thủ cơng trước kia. Các phần mềm ứng dụng về mỏ được sử dụng nhiều hiện nay cho việc nghiên cứu khả thi, thiết kế quy hoạch mỏ như MICROMINE, GENCOM, DATAMINE, SURPAC, MINESIGHT, VULCAN, SURFER, WHITTLE-3D, 4D,…
Nói chung, về nội dung cơ bản, các phần mềm khơng khác nhau nhiều lắm, có chăng đó là cách thức giao diện giữa người và máy, tốc độ xử lý, môi trường chạy, mức độ hiện đại và bản quyền khác nhau. Mỗi phần mềm ứng dụng thường được tổ chức thành những modul chức năng để giải quyết một hoặc một số vấn đề có liên quan chặt chẽ với nhau. Nội dung chính theo tuần tự của các phần mềm ứng dụng trong khai thác mỏ bao gồm:
- Xây dựng cơ sở dữ liệu địa chất - Mơ hình hố địa chất thân khống - Tính tốn trữ lượng
- Tối ưu hố biên giới mỏ
- Quy hoạch ngắn hạn và dài hạn,…
Xây dựng cơ sở dữ liệu địa chất là một chức năng rất quan trọng trong các phần mềm ứng dụng, vì nó là cơ sở đầu tiên và có ảnh hưởng sâu sắc tới mức độ chính xác của các khâu sau đó. Các tài liệu để xây dựng cơ sở dữ liệu địa chất bao gồm từ việc sưu tập các thông tin từ các bản đồ, các thiết đồ lỗ khoan, các báo cáo, thuyết minh, băng đĩa từ,...hay các thiết bị số hố cập nhật ngay ngồi thực địa.
Sau khi đã xây dựng được cơ sở dữ liệu địa chất đầy đủ từ các thông tin thu thập được qua các thiết đồ lỗ khoan thăm dị, các thơng tin từ các tài liệu carota địa vật lý, các báo cáo địa chất, các tài liệu, bản đồ cập nhật vùng nghiên cứu,... bước tiếp theo là xây dựng mơ hình địa chất thân khống với mục đích mơ tả hình dáng và vị trí của nó trong khơng gian đất đá xung quanh.
Hình 4.2. Minh hoạ một mơ hình dạng vỉa
Có 2 kiểu mơ hình hố là mơ hình dạng vỉa và mơ hình dạng khối.
+ Mơ hình dạng vỉa (Hình 4.1): được dùng cho các khống sản như than, và các mạch quặng, ở đó thân quặng bán liên tục, uốn nếp và có thể được thể hiện như những mạng lưới vỉa. Các vỉa này được mơ hình bằng cách tạo ra các tệp dữ liệu quản lý các thông tin bề mặt cho từng vỉa sau đó liên kết các bề mặt này lại.
Mỗi ơ vng (cell) của mơ hình dạng vỉa có một cao độ nhất định để xác định vị trí của vỉa tại điểm đó. Vì vậy, các vỉa khống sản được mơ hình hóa chính là tập hợp của các lớp xác định cao độ bề mặt của các ô vuông.
+ Mơ hình dạng khối (Hình 4.3): là quá trình xác định một mạng lưới 3 chiều quy cách bao gồm các vi khối (blocks). Tùy theo hình dạng của thân quặng mà mơ hình khối có thể là hình lập phương hoặc hình hộp chữ nhật. Các vi khối của mơ hình khối phải có cùng kích thước và có một giá trị cao độ cố định đại diện cho tầng (mức) đó. Trong các vi khối này chứa các mẫu phân tích xác định giá trị tại trung tâm của chúng.
Các bước cơ bản để tạo ra một mơ hình khối như sau:
- Bước 1: Kết hợp các dữ liệu lỗ khoan để thành những tập mẫu có chiều dài
bằng nhau: Đây là q trình kết hợp thơng tin từ các lỗ khoan bằng các phương pháp:
kết hợp theo tầng (đối với lỗ khoan thăm dò thẳng đứng) và kết hợp theo miệng lỗ khoan (đối với lỗ khoan nằm nghiêng);
- Bước 2: Xác định vị trí, kích thước của mạng lưới mơ hình khối sẽ được thành
lập: Mọi thơng tin của các vi khối trong mơ hình khối sẽ được xác định chính xác nếu
biết: tọa độ gốc O(xo, yo, zo) của mơ hình khối; kích thước a, b, c của vi khối theo các trục x, y, z của mơ hình khối; số lượng các vi khối nx, ny, nz của mơ hình khối theo các trục x, y, z. Khi đó, kích thước Nx, Ny, Nz theo các trục x, y, z của mơ hình khối sẽ là: Nx = a.nx , Ny = b.ny , Nz = c.nz .
- Bước 3: Xác định cao độ bề mặt cho từng vi khối trong mạng lưới mơ hình
khối đó: Cao độ bề mặt tự nhiên thực tế của mơ hình khối sẽ được mơ hình thơng qua
việc xác định một tệp dữ liệu thể hiện cao độ của các vi khối nằm ở bề mặt đó. Những vi khối nằm bên trên bề mặt đó (nằm trong khơng khí) được mặc định một giá trị hàm lượng âm (<0), những vi khối còn lại sẽ mang một giá trị hàm lượng được nội suy ở Bước 4.
- Bước 4: Đánh giá hàm lượng quặng cho từng vi khối trong mơ hình khối bằng
các thuật tốn nội suy thích hợp: Trong mơ hình khối, chỉ những vi khối nào có các lỗ
khoan thăm dị đi qua thì mới có giá trị hàm lượng quặng xác định. Các vi khối còn lại cần được nội suy giá trị hàm lượng dựa vào những thông tin của các vi khối đã biết. Các thuật toán phổ biến được dùng để thực hiện nhiệm vụ này bao gồm: nghịch đảo khoảng cách, bình phương nghịch đảo khoảng cách và Kriging.
Mơ hình khối sau khi đã được thành lập có thể được dùng để đánh giá trữ lượng và giá trị kinh tế cho khống sàng đó (Hình 4.4). Điều này cho phép xác định được biên giới tối ưu trong các giai đoạn sản xuất cũng như của cả đời mỏ.
4.4.1. Xác định biên giới mỏ lộ thiên bằng thuật tốn hình nón động (Floating cone techniques)
Một trong những phương pháp được áp dụng sớm nhất trong các phần mềm ứng dụng về mỏ cho việc xác định biên giới mỏ là phương pháp hình nón động (Floating cone techniques) hay hình nón cụt (Frustum of a cone).
Nội dung của thuật tốn này là việc xác định hình nón đất đá phải bóc để thu hồi một vi khối hoặc một nhóm vi khối chứa quặng nằm gần nhau tại đáy của hình nón sao cho lợi nhuận của việc khai thác vi khối quặng nằm trong hình nón đất đá là không âm (không lỗ). Nếu giá trị này dương (có lãi) thì tiếp tục mở rộng hình nón lớn hơn để bao thêm các vi khối quặng khác cho tới khi giá trị lợi nhuận bằng 0. Vị trí hình nón tương ứng với giá trị lợi nhuận bằng 0 được coi là biên giới tối ưu của mỏ.
Các bước tiến hành của thuật tốn hình nón động được thực hiện trên lát cắt ngang đặc trưng và có thể được tóm tắt như sau:
+ Bước 1: Lấy tất cả các vi khối quặng của tầng trên cùng.
+ Bước 2: Tại tầng tiếp theo lấy một vi khối quặng làm đáy, dựng một hình nón
tương ứng với góc dốc của bờ mỏ, nếu giá trị thương mại của hình nón lớn hơn 0 thì cả hình nón được lấy đi và vi khối quặng đó được khai thác.
Giá trị thương mại của hình nón được tính theo cơng thức:
Tn = Tqi ; đ (4.7)
Trong đó: Tqi - giá trị thương mại của vi khối thứ i nằm trong hình nón, đồng. Làm tương tự đối với các vi khối quặng khác của tầng.
+ Bước 3: Nếu có các vi khối quặng nằm gần nhau, tính tốn giá trị thương mại
của hình nón có đáy là các vi khối quặng này, so sánh các phương án khác nhau và chọn phương án cho lợi nhuận cao nhất.
+ Bước 4: Thực hiện như bước 2 và tiến hành khảo sát lại tất cả các vi khối
quặng chưa khai thác được của các tầng trên theo tiêu chuẩn Tn> 0. Quá trình tiếp diễn như vậy cho đến tầng cuối cùng. Để hiểu rõ hơn thuật tốn này, có thể tham khảo sơ