Ore Loss Mechanisms in Diamond Layout Sublevel Open Stoping for Moderately Dipping Medium-Thick Orebodies

Tief unter der Erdoberfläche liegen riesige Vorkommen von Gold, Eisen und anderen Metallen in Gesteinsschichten verborgen, die sich sanft neigen, anstatt senkrecht zu stehen. Dies sind moderat geneigte Erzkörper, und sie bergen einen bedeutenden Teil des weltweiten Mineralreichtums. Seit Jahrzehnten kämpfen Bergleute darum, diese Ressourcen effizient abzubauen. Traditionelle Methoden erfordern oft das Zurücklassen großer Gesteinspfeiler, um die Decke zu stützen, was wertvolles Erz verschwendet und Sicherheitsrisiken schafft. Andere Ansätze beinhalten das Auffüllen der ausgehobenen Räume mit Abraumgestein, ein Prozess, der langsam, teuer und schwierig zu kontrollieren ist. Eine neuere Technik namens „Diamond Layout Sublevel Open Stoping“ bietet eine vielversprechende Alternative. Sie nutzt die Schwerkraft, um zerkleinertes Gestein in Sammelpunkten nach unten zu ziehen, wodurch Bergleute sicher aus Tunneln arbeiten und mehr ihrer Ressourcen extrahieren können. Doch selbst mit dieser fortschrittlichen Methode bleibt ein hartnäckiges Problem bestehen: Eine beträchtliche Menge an Erz bleibt zurück, stecken geblieben in den Ecken und entlang der Wände der Ausgrabung.

Der Kern des Problems liegt darin, wie zerkleinertes Gestein fließt. Im Gegensatz zu Wasser, das glatt fließt, ist zerkleinertes Gestein ein chaotisches Gemisch aus gezackten Stücken, die verstopfen, sich verkeilen oder ungleichmäßig gleiten können. Wenn Bergleute versuchen, dieses Material abzuführen, weigert sich ein Teil davon zu fließen, haftet am Boden oder bleibt zwischen den Tunneln stecken, an denen die Sammlung stattfindet. Dieses verlorene Material stellt einen direkten finanziellen Verlust und eine Verschwendung der Ressourcen unseres Planeten dar. Genau zu verstehen, warum dies geschieht und wie man es verhindert, ist der Unterschied zwischen einer profitablen Mine und einer kämpfenden Mine. Forscher der Northeastern University in China machten es sich zur Aufgabe, dieses Rätsel zu lösen, indem sie die spezifische Mechanik untersuchten, wie Gestein in diesen geneigten Tunneln fließt, wobei sie sich auf drei Faktoren konzentrierten: den Winkel des Tunnelfloors, die Rauheit der Gesteinsoberfläche und den Abstand zwischen den Sammelpunkten.

Um dies zu untersuchen, baute das Team im Labor ein maßstabsgetreues Modell eines Bergwerks. Sie füllten eine transparente Box mit zerkleinertem Gestein, das in Größe und Form dem Erz einer echten Goldmine entsprach. Durch die Anpassung des Winkels des Bodens, die Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit (entweder glatt oder rau) und die Änderung des Abstands zwischen den Sammeltunneln konnten sie genau beobachten, wie sich das Gestein bewegte. Sie führten auch Computersimulationen durch, die die Bewegung von Millionen einzelner Gesteinspartikel verfolgten, was es ihnen ermöglichte, Kräfte und Interaktionen zu sehen, die dem bloßen Auge unsichtbar sind. Das Ziel war es, die spezifischen Formen des zurückbleibenden Gesteins zu identifizieren und zu bestimmen, welche Einstellungen die höchste Erzaufnahme ermöglichen würden.

Die Experimente zeigten, dass das verlorene Erz nicht zufällig verschwindet; es bildet drei unterschiedliche Muster. Das erste ist eine Gesteinsschicht, die am Boden des Tunnels klebt, da sie aufgrund von Reibung nicht nach unten gleiten kann. Das zweite ist ein dreieckiger Haufen aus Gestein, der sich am Ende eines Sammeltunnels festsetzt. Das dritte ist ein Gesteinsrücken, der im Raum zwischen zwei benachbarten Sammeltunneln verbleibt, schlichtweg weil die Bergbauausrüstung dort nicht hinkommt. Die Forscher fanden heraus, dass der Winkel des Tunnelfloors eine entscheidende Rolle spielt. Wenn der Winkel zu flach ist, bleibt das Gestein in einem großen, unebenen Haufen entlang des Bodens stecken. Wenn der Winkel zu steil ist, sinkt die Gesamtmenge des abführbaren Gesteins, da sich die Geometrie des Tunnels ändert. Es gibt einen optimalen Punkt („Sweet Spot“), an dem der Fluss optimiert ist.

Das Team stellte fest, dass die Rauheit der Bodenoberfläche genauso wichtig ist wie der Winkel. Als der Boden aus rauen, gezackten Gesteinsfragmenten bestand, bewegte sich das Material viel langsamer und hinterließ deutlich mehr Rückstände. Als der Boden geglättet wurde, floss das Gestein freier und es blieb weniger zurück. Dies deutet darauf an, dass in einer echten Mine das Glätten des Bodens oder der Einsatz von Wasser zur Reduzierung der Reibung die Ausbeute verbessern könnte. Auch der Abstand zwischen den Sammeltunneln war von Bedeutung. Wenn die Tunnel näher beieinander platziert wurden, blieb weniger Gestein in den Graten zwischen ihnen gefangen. Das Platzieren der Tunnel zu nah beieinander erhöht jedoch die Kosten für den Bau der Tunnel, sodass ein Gleichgewicht gefunden werden muss.

Durch ihre physischen Modelle und Computersimulationen ermittelten die Forscher die optimalen Bedingungen für die Gewinnung dieser Art von Erz. Sie fanden heraus, dass ein Tunnelfloor-Winkel von 4,0 Grad die höchste Ausbeute lieferte, wobei etwa 83,6 Prozent des verfügbaren Erzes erfasst wurden, wenn der Boden rau war. Wenn der Boden glatter war, konnte die Ausbeuterate fast 89 Prozent erreichen. Bei einem steileren Winkel von 50 Grad verschwindet das Gestein, das normalerweise am Boden klebt, vollständig, aber die insgesamt geförderte Erzmenge sinkt leicht, da sich die Form des Tunnels ändert. Die Simulationen bestätigten, dass das Gestein dazu neigt, bevorzugt entlang der oberen Wände des Tunnels zu fließen, während die Partikel nahe dem Boden komprimiert und feststecken bleiben. Dieses Verhalten erklärt, warum der Bodenwinkel und die Oberflächenbeschaffenheit so entscheidend sind.

Die Ergebnisse waren nicht nur theoretischer Natur. Die Forscher testeten ihre Erkenntnisse in einem aktiven Goldbergwerk in China im Feldversuch. Sie nutzten 3D-Scantechnologie, um die leeren Räume nach dem Abbau zu kartieren und verglichen die realen Ergebnisse mit ihren Labormodellen. Die Scans bestätigten, dass die drei Arten von zurückgebliebenem Gestein, die sie im Labor identifiziert hatten, tatsächlich in der Mine vorhanden waren. Die theoretische Verlustrate, die mit ihren Modellen berechnet wurde, lag bei etwa 34 Prozent, während der tatsächliche gemessene Verlust im Feld mit 38,2 Prozent etwas höher war. Der Unterschied ist wahrscheinlich auf die unvorhersehbare Natur der realen Sprengungen und das komplexe Verhalten von Gestein zurückzuführen, das in einem Modell nicht perfekt nachgebildet werden kann. Dennoch validiert die enge Übereinstimmung zwischen Modell und Realität den Ansatz.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass es keine einzelne Einstellung gibt, die das Problem des verlorenen Erzes löst. Stattdessen ist ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen dem Tunnelwinkel, der Glätte des Bodens und dem Abstand der Sammelpunkte erforderlich. Indem man auf einen Winkel von 40 bis 45 Grad abzielt und die Oberflächenreibung kontrolliert, können Bergbaubetriebe die Menge des wertvollen Metalls, das zurückgelassen wird, erheblich reduzieren. Diese Arbeit liefert einen klaren, datengestützten Leitfaden für Ingenieure, um ihre Bergbaupläne zu optimieren und sicherzustellen, dass mehr der Ressourcen der Erde sicher und effizient gewonnen werden. Die Forschung zeigt, dass selbst in der chaotischen Welt des zerkleinerten Gesteins vorhersagbare Muster existieren und dass das Verständnis dieser Muster zu besseren Ergebnissen für die Industrie führen kann.