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

Diep onder het aardoppervlak liggen enorme voorraden goud, ijzer en andere metalen gevangen in gesteentelagen die licht hellen in plaats van recht omhoog te staan. Dit zijn matig hellende ertslagen, en ze bevatten een aanzienlijk deel van de wereldwijde minerale rijkdom. Decennialang hebben mijnwerkers geprobeerd deze hulpbronnen efficiënt te winnen. Traditionele methoden vereisen vaak dat er grote stenen pilaren achterblijven om het plafond te ondersteunen, wat waardevolle erts verspilt en veiligheidsrisico's creëert. Andere benaderingen houden in dat de uitgegraven ruimtes worden opgevuld met restgesteente, een proces dat traag, duur en moeilijk te beheren is. Een nieuwere techniek genaamd 'diamond layout sublevel open stoping' biedt een veelbelovend alternatief. Het maakt gebruik van zwaartekracht om gebroken gesteente naar verzamelpunten te trekken, waardoor mijnwerkers veilig vanuit tunnels kunnen werken en meer van de hulpbron kunnen extraheren. Zelfs met deze geavanceerde methode blijft er echter een hardnekkig probleem bestaan: een aanzienlijke hoeveelheid erts blijft achter, vastzittend in de hoeken en langs de wanden van de uitgraving.

De kern van het probleem ligt in hoe gebroken gesteente stroomt. In tegen tegenstelling tot water, dat soepel stroomt, is verbrijzeld gesteente een chaotische mix van grillige stukken die kunnen blokkeren, in elkaar haken of ongelijkmatig kunnen glijden. Wanneer mijnwerkers dit materiaal proberen te verwijderen, weigert een deel ervan te bewegen, waarbij het aan de vloer kleeft of vast komt te zitten tussen de tunnels waar de verzameling plaatsvindt. Dit verloren materiaal vertegenwoordigt een direct financieel verlies en een verspilling van de hulpbronnen van de planeet. Begrijpen waarom dit precies gebeurt, en hoe het gestopt kan worden, is het verschil tussen een winstgevende mijn en een kwijnende mijn. Onderzoekers aan de Northeastern University in China zetten zich in om dit puzzelstuk op te lossen door de specifieke mechanica te bestuderen van hoe gesteente stroomt in deze hellende tunnels, waarbij zij zich concentreerden op drie factoren: de hoek van de tunnelfloer, de ruwheid van het gesteenteoppervlak en de afstand tussen de verzamelpunten.

Om dit te onderzoeken, bouwde het team in hun laboratorium een schaalmodel van een mijn. Ze vulden een transparante box met verbrijzeld gesteente dat overeenkwam met de grootte en vorm van het erts dat in een echte goudmijn wordt gevonden. Door de hoek van de vloer aan te passen, de textuur van het oppervlak te veranderen naar respectievelijk glad of ruw, en de afstand tussen de verzamelingstunnels te wijzigen, konden ze precies zien hoe het gesteente bewoog. Ze voerden ook computersimulaties uit die de beweging van miljoenen individuele gesteentefragmenten volgden, waardoor ze krachten en interacties konden zien die onzichtbaar zijn voor het blote oog. Het doel was om de specifieke vormen van het achtergebleven gesteente te identificeren en te bepalen welke instellingen de meeste winning van erts zouden mogelijk maken.

De experimenten toonden aan dat het verloren erts niet willekeurig verdwijnt; het vormt drie duidelijke patronen. De eerste is een laag gesteente die aan de vloer van de tunnel blijft plakken, omdat het door wrijving niet naar beneden kan glijden. De tweede is een driehoekige hoop gesteente die vast komt te zitten aan het uiteinde van een verzamelingstunnel. De derde is een rug van gesteente die achterblijft in de ruimte tussen twee aangrenzende verzamelingstunnels, simpelweg omdat de mijnbouwapparatuur daar niet bij kan komen. De onderzoekers ontdekten dat de hoek van de tunnelfloer een cruciale rol speelt. Als de hoek te ondiep is, komt het gesteente vast te zitten in een grote, onregelmatige hoop langs de vloer. Als de hoek te steil is, neemt de totale hoeveelheid die kan worden gewonnen af omdat de geometrie van de tunnel verandert. Er is een 'sweet spot' waar de stroom optimaal is.

Het team ontdekte dat de ruwheid van het vloeroppervlak even belangrijk is als de hoek. Wanneer de vloer gemaakt was van ruwe, grillige gesteentefragmenten, bewoog het materiaal veel langzamer en bleef er aanzienlijk meer residu achter. Wanneer de vloer gladder was gemaakt, stroomde het gesteente vrijer en werd er minder achtergelaten. Dit suggereert dat in een echte mijn het gladder maken van de vloer of het gebruik van water om wrijving te verminderen, de winning kan verbeteren. De afstand tussen de verzamelingstunnels deed er ook toe. Wanneer de tunnels dichter bij elkaar werden geplaatst, bleef er minder gesteente vastzitten in de ruggen tussen hen in. Echter, het plaatsen van de tunnels te dicht bij elkaar verhoogt de kosten voor de aanleg van de tunnels, dus moet er een balans worden gevonden.

Door middel van hun fysieke modellen en computersimulaties hebben de onderzoekers de optimale condities bepaald voor de winning van dit type erts. Ze ontdekten dat een tunnelfloerhoek van 40 graden de hoogste winning opleverde, waarbij ongeveer 83,6 procent van de beschikbare erts werd gevangen wanneer de vloer ruw was. Als de vloer gladder was, kon het winningspercentage bijna 89 procent bereiken. Bij een steilere hoek van 50 graden verdwijnt het gesteente dat normaal gesproken aan de vloer blijft plakken volledig, maar daalt de totale hoeveelheid gewonnen erts licht omdat de vorm van de tunnel verandert. De simulaties bevestigden dat het gesteente de neiging heeft om bij voorkeur langs de bovenwanden van de tunnel te stromen, terwijl de deeltjes nabij de vloer samengedrukt en vastzittend blijven. Dit gedrag verklaart waarom de vloerhoek en de oppervlaktestructuur zo doorslaggevend zijn.

De bevindingen waren niet alleen theoretisch. De onderzoekers namen hun inzichten mee naar een actieve goudmijn in China om deze in het veld te testen. Ze gebruikten 3D-scantechnologie om de lege ruimtes in kaart te brengen die na de mijnbouw achterbleven, en vergeleken de resultaten uit de echte wereld met hun laboratoriumvoorspellingen. De scans bevestigden dat de drie soorten achtergebleven gesteente die ze in het lab hadden geïdentificeerd, inderdaad aanwezig waren in de mijn. Het theoretische verliespercentage berekend met hun modellen was ongeveer 34 procent, terwijl het werkelijke gemeten verlies in het veld iets hoger lag op 38,2 procent. Het verschil is waarschijnlijk te wijten aan de onvoorspelbare aard van echte explosies en het complexe gedrag van gesteente dat niet perfect gereproduceerd kan worden in een model. Desalniettemin valideert de nauwe overeenkomst tussen het model en de realiteit de aanpak.

De studie concludeert dat er geen enkele instelling is die het probleem van verloren erts oplost. In plaats daarvan is er een zorgvuldige balans nodig tussen de tunnelhoek, de gladheid van de vloer en de afstand tussen de verzamelpunten. Door te streven naar een hoek van 40 tot 45 graden en de wrijving van het oppervlak te beheren, kunnen mijnbouwbedrijven de hoeveelheid kostbare metaal die achterblijft aanzienlijk verminderen. Dit werk biedt een duidelijke, op gegevens gebaseerde gids voor ingenieurs om hun mijnbouwplannen te optimaliseren, zodat meer van de hulpbronnen van de aarde veilig en efficiënt worden gewonnen. Het onderzoek toont aan dat zelfs in de chaotische wereld van verbrijzeld gesteente voorspelbare patronen bestaan, en dat het begrijpen ervan kan leiden tot betere resultaten voor de industrie.