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

Profondamente sotto la superficie terrestre, vasti depositi di oro, ferro e altri metalli giacciono intrappolati in strati rocciosi che si inclinano dolcemente invece di stare dritti. Questi sono corpi minerari a moderata inclinazione, e contengono una parte significativa della ricchezza mineraria mondiale. Per decenni, i minatori hanno lottato per estrarre queste risorse in modo efficiente. I metodi tradizionali spesso richiedono di lasciare grandi pilastri di roccia per sostenere il soffitto, il che spreca prezioso minerale e crea pericoli per la sicurezza. Altri approcci prevedono il riempimento degli spazi scavati con roccia di scarto, un processo che è lento, costoso e difficile da gestire. Una tecnica più recente chiamata "diamond layout sublevel open stoping" offre un'alternativa promettente. Essa utilizza la gravità per far cadere la roccia frantumata nei punti di raccolta, permettendo ai minatori di lavorare in sicurezza dai tunnel ed estrarre una maggiore quantità di risorse. Tuttavia, anche con questo metodo avanzato, rimane un problema ostinato: una quantità significativa di minerale viene lasciata indietro, incastrata negli angoli e lungo le pareti dello scavo.

Il problema centrale risiede nel modo in cui la roccia frantumata si comporta durante il flusso. A differenza dell'acqua, che scorre fluidamente, la roccia fratturata è un mix caotico di pezzi irregolari che possono incastrarsi, bloccarsi tra loro o scivolare in modo disomogeneo. Quando i minatori cercano di estrarre questo materiale, parte di esso si rifiuta di muoversi, aderendo al pavimento o rimanendo intrappolato tra i tunnel dove avviene la raccolta. Questo materiale perduto rappresenta una perdita finanziaria diretta e uno spreco delle risorse del pianeta. Capire esattamente perché ciò accade, e come fermarlo, è la differenza tra una miniera redditizia e una in difficoltà. Ricercatori della Northeastern University in Cina si sono posti l'obiettivo di risolvere questo enigma studiando la meccanica specifica di come la roccia fluisce in questi tunnel inclinati, concentrandosi su tre fattori: l'angolo del pavimento del tunnel, la rugosità della superficie rocciosa e la distanza tra i punti di raccolta.

Per investigare su questo, il team ha costruito un modello in scala ridotta di una miniera nel loro laboratorio. Hanno riempito una scatola trasparente con roccia frantumata che corrispondeva per dimensione e forma al minerale presente in una vera miniera d'oro. Modificando l'angolo del pavimento, cambiando la tessitura della superficie per renderla liscia o ruvida e alterando la distanza tra i tunnel di raccolta, potevano osservare esattamente come si muoveva la roccia. Hanno anche eseguito simulazioni al computer che tracciavano il movimento di milioni di singole particelle di roccia, permettendo loro di vedere forze e interazioni invisibili a occhio nudo. L'obiettivo era identificare le forme specifiche della roccia residua e determinare quali impostazioni permettessero di recuperare la maggior quantità di minerale.

Gli esperimenti hanno rivelato che il minerale perduto non scompare casualmente; forma tre modelli distinti. Il primo è uno strato di roccia che si attacca al pavimento del tunnel, incapace di scivolare verso il basso a causa dell'attrito. Il secondo è un cumulo triangolare di roccia che si incastra proprio alla fine di un tunnel di raccolta. Il terzo è una cresta di roccia che rimane nello spazio tra due tunnel di raccolta adiacenti, semplicemente perché l'attrezzatura mineraria non può raggiungere quella zona. I ricercatori hanno scoperto che l'angolo del pavimento del tunnel gioca un ruolo critico. Se l'angolo è troppo basso, la roccia si incastra in un grande cumulo irregolare lungo il pavimento. Se l'angolo è troppo ripido, la quantità totale di roccia che può essere estratta diminuisce perché la geometria del tunnel cambia. Esiste un punto ottimale in cui il flusso è massimizzato.

Il team ha scoperto che la rugosità della superficie del pavimento è importante quanto l'angolo. Quando il pavimento era composto da frammenti di roccia ruvidi e irregolari, il materiale si muoveva molto più lentamente e lasciava dietro di sé una quantità significativamente maggiore di residui. Quando il pavimento è stato levigato, la roccia è fluita più liberamente e ne è stata lasciata meno. Ciò suggerisce che, in una miniera reale, levigare il pavimento o utilizzare l'acqua per ridurre l'attrito potrebbe migliorare il recupero. Anche la distanza tra i tunnel di raccolta era importante. Quando i tunnel erano posizionati più vicini tra loro, meno roccia rimaneva intrappolata nelle creste tra di essi. Tuttavia, posizionarli troppo vicini aumenta il costo di costruzione dei tunnel, quindi è necessario trovare un equilibrio.

Attraverso i loro modelli fisici e le simulazioni al computer, i ricercatori hanno individuato le condizioni ottimali per l'estrazione di questo tipo di minerale. Hanno scoperto che un angolo del pavimento del tunnel di 40 gradi forniva il tasso di recupero più elevato, catturando circa l'83,6 percento del minerale disponibile quando il pavimento era ruvido. Se il pavimento era più liscio, il tasso di recupero poteva raggiungere quasi l'89 percento. A un angolo più ripido di 50 gradi, la roccia che solitamente aderisce al pavimento scompare interamente, ma la quantità totale di minerale recuperato diminuisce leggermente perché la forma del tunnel cambia. Le simulazioni hanno confermato che la roccia tende a scorrere preferenzialmente lungo le pareti superiori del tunnel, mentre le particelle vicino al pavimento rimangono compresse e bloccate. Questo comportamento spiega perché l'angolo del pavimento e la tessitura della superficie siano così decisivi.

Le scoperte non erano solo teoriche. I ricercatori hanno portato le loro intuizioni in una miniera d'oro attiva in Cina per testarle sul campo. Hanno utilizzato la tecnologia di scansione 3D per mappare gli spazi vuoti lasciati dopo lo scavo, confrontando i risultati del mondo reale con le loro previsioni di laboratorio. Le scansioni hanno confermato che i tre tipi di roccia residua identificati in laboratorio erano effettivamente presenti nella miniera. Il tasso di perdita teorico calcolato dai loro modelli era di circa il 34 percento, mentre la perdita effettiva misurata sul campo era leggermente superiore, pari al 38,2 percento. La differenza è probabilmente dovuta alla natura imprevedibile delle esplosioni nel mondo reale e al comportamento complesso della roccia che non può essere perfettamente replicato in un modello. Tuttavia, la stretta corrispondenza tra il modello e la realtà valida l'approccio utilizzato.

Lo studio conclude che non esiste un'unica impostazione che risolva il problema del minerale perduto. Inveve, è necessario un attento equilibrio tra l'angolo del tunnel, la levigatezza del pavimento e la spaziatura dei punti di raccolta. Mirando a un angolo di 40-45 gradi e gestendo l'attrito superficiale, le operazioni minerarie possono ridurre significativamente la quantità di metallo prezioso lasciato indietro. Questo lavoro fornisce una guida chiara e basata sui dati per gli ingegneri per ottimizzare i loro piani minerari, garantendo che una maggiore quantità delle risorse della Terra venga recuperata in modo sicuro ed efficiente. La ricerca dimostra che, anche nel mondo caotico della roccia frantumata, esistono schemi prevedibili, e comprenderli può portare a risultati migliori per il settore.