Principes et méthodes de conception des limites d'exploitation minière à ciel ouvert
Caractéristiques de l'exploitation minière à ciel ouvert : L'exploitation minière à ciel ouvert consiste à extraire du minerai en surface, à l'aide d'équipements d'excavation et de transport spécifiques. Pour récupérer le minerai, il faut décaper la roche environnante et les morts-terrains, puis transporter le minerai ou la roche à la surface par des voies de transport de surface ou des travaux souterrains. Cette méthode est largement utilisée pour l'extraction de minerais métalliques, de matières premières métallurgiques, de matériaux de construction, de matières premières chimiques et de charbon.
Par rapport à l’exploitation minière souterraine, l’exploitation minière à ciel ouvert, parce qu’elle se déroule dans un espace exposé, présente les caractéristiques suivantes :
(1) L'espace de travail est relativement peu contraint, ce qui facilite l'utilisation d'équipements mécanisés de grande taille. Des niveaux élevés de mécanisation et d'automatisation peuvent accroître l'intensité de l'exploitation minière et la production de minerai.
(2) Productivité du travail élevée.
(3) Des coûts d’exploitation minière plus faibles, rendant possible l’exploitation à grande échelle de minerais à faible teneur.
(4) Moins de pertes de minerai et de dilution, ce qui est favorable à la récupération des ressources minérales.
(5) Temps de développement plus court ; les dépenses d’investissement par tonne annuelle de minerai sont inférieures à celles de l’exploitation minière souterraine.
(6) Pour les gisements de minerai chauds ou combustibles, l’exploitation à ciel ouvert peut être plus sûre que l’exploitation souterraine.
(7) De meilleures conditions de travail et des opérations généralement plus sûres.
(8) Les opérations à ciel ouvert produisent d’importantes quantités de poussière et d’émissions de véhicules ; les roches dynamitées contenant des composants nocifs peuvent polluer l’air ambiant, l’eau et le sol dans une certaine mesure.
(9) D’importants volumes de morts-terrains sont déposés dans des décharges ; les installations de traitement des déchets occupent des terres importantes (montagnes, terres agricoles) et peuvent dégrader localement l’environnement.
(10) Les conditions météorologiques telles que la neige, la glace et les fortes pluies peuvent avoir un impact négatif sur les opérations à ciel ouvert.
La définition des limites d'exploitation (limites de fosse) constitue le fondement de la conception d'une mine à ciel ouvert et une condition préalable à une exploitation économiquement efficace et sûre. Chercheurs et praticiens du monde entier étudient depuis longtemps l'optimisation des limites de fosse et ont obtenu des résultats substantiels. Cependant, les mines à ciel ouvert étant confrontées à des formations géologiques complexes et variables, à des distributions de teneurs irrégulières et à des paramètres économiques changeants (facteurs non linéaires et dynamiques), la détermination des limites de fosse optimales reste difficile. Cet article aborde les questions clés de l'optimisation des limites de fosse : il passe en revue les travaux antérieurs, analyse les caractéristiques dynamiques des limites de fosse, examine les principaux facteurs affectant l'angle de pente stable final, propose des méthodes de prédiction d'une pente finale raisonnable et étudie des méthodes rapides pour générer des séries de limites de fosse et déterminer la limite finale de fosse. Ancrée dans la pratique de l'ingénierie et les développements actuels, et utilisant une théorie et des méthodes multidisciplinaires, cette étude fournit une recherche systématique et approfondie d'une valeur théorique et pratique significative.
Principes de conception des limites des mines à ciel ouvert. La taille des limites des mines à ciel ouvert détermine les quantités de minerai et de morts-terrains à extraire. À mesure que les limites des mines s'approfondissent et s'élargissent, le tonnage de minerai augmente, mais les morts-terrains augmentent également considérablement, ce qui entraîne une augmentation du taux de décapage. Par conséquent, la détermination des limites des mines consiste essentiellement à contrôler le taux de décapage afin qu'il ne dépasse pas le taux de décapage économiquement acceptable.
Plusieurs types de ratios de décapage sont liés à la taille limite de la fosse. Le choix du ratio de décapage à contrôler est sujet à débat ; l'article présente trois points de vue académiques historiques, anciens et représentatifs, ainsi que les critères de conception correspondants :
(1) Taux de décapage en limite de fosse non supérieur au taux de décapage économique Ce critère exige que le taux de décapage en limite de fosse ne dépasse pas le taux de décapage économiquement raisonnable. Son essence est de s'assurer que, à mesure que la fosse s'approfondit, le bénéfice économique marginal de l'exploitation à ciel ouvert n'est pas inférieur à celui de l'exploitation souterraine. Pour les gisements continus avec un mort-terrain mince, ce principe tend à maximiser le profit total du gisement. Parce qu'il vise à optimiser le résultat économique total et qu'il est simple à calculer et à appliquer, le critère ≤ est largement utilisé dans la conception manuelle des limites de fosse, tant au niveau national qu'international. Cependant, pour les gisements avec un mort-terrain épais ou discontinu, ce critère peut ne pas être approprié ; il est donc une condition nécessaire mais non suffisante pour une limite de fosse optimale.
(2) Taux de décapage moyen non supérieur au taux de décapage économique. Ce critère vise à contrôler la performance économique globale de l'exploitation à ciel ouvert afin qu'elle ne soit pas inférieure à celle de l'exploitation souterraine. L'objectif est de maximiser le minerai récupérable dans la zone limite de la fosse tout en garantissant que la rentabilité globale de l'exploitation à ciel ouvert ne soit pas inférieure à celle de l'exploitation souterraine. Parce qu'il utilise une moyenne arithmétique, certaines zones locales peuvent être économiquement moins performantes par rapport aux méthodes souterraines. Le critère ≤ moyenne peut être utilisé conjointement avec le critère ≤ limite de la fosse : après avoir délimité la fosse par le critère de limite de la fosse, le taux de décapage moyen dans cette limite doit être vérifié. Ce critère est souvent appliqué pour les minéraux rares de grande valeur ou les petits gisements lorsqu'il est souhaitable de maximiser l'extraction à ciel ouvert (pour minimiser la dilution et les pertes de minerai). Il est également couramment utilisé pour les carrières de pierre de taille et de calcaire.
(3) Le taux de décapage de la production ne doit pas être supérieur au taux de décapage économique. Le taux de décapage de la production reflète le rapport décapage/minerai réel observé au cours du cycle de production de la mine. L'application du critère ≤ production garantit qu'à n'importe quel stade de production, le résultat économique de l'exploitation à ciel ouvert n'est pas pire que celui de l'exploitation souterraine. Le taux de décapage de la production peut être un taux de production d'équilibre ou un taux de décapage déséquilibré (dépendant du temps). Les limites de la fosse dérivées du critère de production sont plus petites que celles du critère de limite de la fosse mais plus grandes que celles du critère moyen, et conduisent donc à un investissement initial de décapage et de développement plus élevé. Parce que le taux de décapage de la production est difficile à définir précisément et que sa relation avec la profondeur est complexe, ce critère est moins pratique et rarement utilisé.
Éléments des limites de l'exploitation minière à ciel ouvert 3.1 Angle de pente final et structure de la pente L'angle de pente final (ultime) de la fosse affecte grandement la sécurité de la production et la performance économique. D'un point de vue économique, une pente plus raide (angle plus grand) est préférable car un angle de pente plus petit augmente l'élimination des déchets et le taux de décapage. Cependant, des angles de pente excessifs peuvent provoquer une instabilité et mettre en danger la sécurité. Par conséquent, l'angle de pente final doit répondre à la fois aux exigences de stabilité (sécurité) et opérationnelles (exploitation minière).
L'exigence de stabilité est que, compte tenu des propriétés du massif rocheux et de l'analyse de stabilité, l'angle de pente final doit garantir la stabilité de la pente. Lors de la conception des limites de la fosse, les angles de pente finaux sont généralement choisis en référence à des mines similaires, puis soumis à une analyse de stabilité préliminaire et à des calculs simplifiés à partir des données disponibles.
3.2 Largeur et emplacement du fond (fond de la fosse) (1) Largeur minimale du fond et valeurs La largeur minimale du fond de la fosse doit permettre aux équipements d'exploitation minière et de transport de fonctionner et d'effectuer des travaux en toute sécurité. Elle ne doit généralement pas être inférieure à la largeur de la tranchée de départ (coupe initiale) ; la valeur minimale est déterminée par les spécifications de l'équipement et les calculs d'implantation du transport.
(2) Emplacement du fond et limites géométriquement similaires (autosimilaires) de la fosse. Le critère de base pour l'emplacement du fond de la fosse est de minimiser le taux de décapage moyen dans la fosse. Parfois, le fond de la fosse est ajusté par rapport aux zones mécaniques ou structurelles de la roche afin que les pentes finales évitent les zones fracturées ou structurellement faibles, améliorant la stabilité et simplifiant le dynamitage.
En fonction de l'épaisseur horizontale du gisement, il existe trois positions possibles pour le fond de la fosse :
Si l'épaisseur horizontale du gisement est inférieure à la largeur minimale du fond, dessinez le plan du fond de la fosse à la largeur minimale.
Si l'épaisseur horizontale est égale ou légèrement supérieure à la largeur minimale du fond, définissez la largeur du fond de la fosse égale à l'épaisseur du gisement.
Si l’épaisseur horizontale du gisement dépasse largement la largeur minimale du fond, utilisez la largeur minimale du fond.
Le poste choisi doit maximiser le minerai récupérable, minimiser les déchets et produire la meilleure qualité de minerai, c'est-à-dire maximiser les avantages économiques.
Étant donné que les fonds de fosse réels ont des largeurs non nulles, des limites de fosse géométriquement similaires ne sont pas entièrement applicables. Lors de la conception, l'emplacement du fond de fosse doit être déterminé en fonction des cas suivants : (i) sur terrain plat, les gisements épais et minces peuvent former des limites de fosse géométriquement similaires ; (ii) sur terrain incliné, si l'épaisseur horizontale est supérieure à la largeur minimale, la fosse a une forme similaire, tandis que les gisements minces dont l'épaisseur horizontale est inférieure à la largeur minimale doivent respecter des contraintes supplémentaires.
(3) Méthode de conception pour des limites de fosse géométriquement similaires Une limite de fosse géométriquement similaire est l'emplacement optimal théorique du fond qui minimise le taux de décapage moyen, en fait la position optimale du fond lorsque la largeur du fond approche zéro.
3.3 Profondeur de la fosse : Les critères de conception des limites de la fosse déterminent essentiellement la profondeur de la fosse économiquement justifiée. Selon la continuité du gisement et sa longueur, les fosses peuvent être classées comme longues ou courtes. Si le rapport longueur/largeur est supérieur à 4:1, la fosse est "long" et le volume de minerai en paroi est relativement faible ; en conception manuelle, la contribution en paroi est souvent négligeable. Si le rapport est inférieur à 4:1, la fosse est "short" et le minerai en paroi peut représenter 15 à 20 % ou plus du total et doit être pris en compte.
(1) Détermination préliminaire de la profondeur de la fosse sur des coupes géologiques transversales Il existe trois méthodes pour déterminer la profondeur de la fosse sur des coupes géologiques transversales : (a) la méthode analytique, (b) la méthode graphique et (c) la méthode d'analyse de plan (analyse de schéma). La méthode d'analyse de plan est la plus largement utilisée. Ses étapes sont les suivantes : 1) proposer plusieurs profondeurs de fosse candidates ; 2) calculer les ratios de décapage des limites de fosse pour chaque profondeur ; 3) tracer des courbes d'analyse et sélectionner une profondeur initiale.
(2) Ajuster l'élévation du fond sur les sections transversales Ajustez l'élévation du fond de la fosse sur les sections transversales ; l'élévation ajustée est la profondeur de la fosse de conception.
(3) Délimiter les limites de la mine à ciel ouvert (méthode manuelle) La délimitation manuelle des limites de la mine comporte trois étapes principales :
Tracer le périmètre théorique du fond de la fosse à la profondeur de conception : sur chaque coupe transversale, section longitudinale et section auxiliaire, tracer la limite de la fosse à la profondeur de conception ; puis tracer un plan de l'horizon stratigraphique à cette altitude. Projeter les extrémités du fond de la fosse à partir des vues en coupe sur le plan et les joindre pour obtenir le périmètre théorique du fond. Lisser la polyligne en courbe pour former le périmètre du fond de la fosse de conception. Vérifier que les dimensions du fond sont conformes aux exigences d'aménagement du transport et d'exploitation des équipements : la rectitude, les rayons de courbure et la longueur du fond doivent être conformes aux normes techniques.
Tracer la limite de la fosse : sur le plan topographique et géologique, tracer le périmètre du plancher de conception, puis, de l'intérieur vers l'extérieur, tracer les pieds et les lignes de crête des banquettes (c.-à-d. les banquettes et les talus) en fonction des éléments de pente sélectionnés. Les parties en creux de la fosse forment des pieds de banquettes fermés sur le plan ; les parties à flanc de colline peuvent avoir des pieds de banquettes reliés aux courbes de niveau de même altitude.
Dessiner le plan final de la fosse : sur le plan des limites de la fosse, tracer les voies de transport et de développement (itinéraire de la ligne), puis, du bas vers l'extérieur, dessiner les faces des gradins et les quais pour la configuration finale. Concevoir également des rampes inter-gradins si nécessaire. Vérifier et ajuster le plan initial des limites de la fosse, car les contraintes d'itinéraire et de développement peuvent assouplir les angles de pente et augmenter le décapage.
(4) Dessiner les sections transversales des limites de la fosse. À l'aide du plan final de la fosse, dessiner trois sections transversales représentatives aux échelles appropriées. La ligne de section longitudinale est tracée à travers les points clés de la largeur inférieure du plan ; en utilisant les largeurs des bancs, projeter successivement vers le haut pour compléter les sections transversales.
Détermination et optimisation des limites des mines à ciel ouvert En utilisant les principes de conception couramment appliqués décrits ci-dessus, la méthode et les étapes de détermination et d'optimisation des limites des mines à ciel ouvert sont les suivantes :
(1) Déterminer la profondeur de la fosse. Pour les fosses allongées, déterminer d'abord la profondeur sur chaque coupe géologique, puis ajuster l'élévation du fond à l'aide de sections longitudinales. Pour les fosses courtes présentant un rapport profondeur/largeur important, tenir compte des effets de l'expansion des parois. Si la profondeur ne peut être déterminée directement à partir des sections, calculer les taux de décapage à la limite de la fosse sur des vues en plan pour plusieurs profondeurs candidates et sélectionner la profondeur où le taux de décapage à la limite de la fosse est égal au taux de décapage économiquement raisonnable.
(2) Déterminer le périmètre du fond de la fosse sur un plan. La largeur du fond de la fosse peut être supérieure ou inférieure à l'épaisseur horizontale du gisement, mais doit respecter la largeur minimale requise. Le principe est de maximiser la récupération du minerai tout en minimisant les déchets. La largeur minimale du fond doit garantir la sécurité de la production et le fonctionnement normal des équipements d'extraction et de transport ; en pratique, elle correspond à la largeur de la tranchée d'amorce et dépend de la méthode et de l'équipement – généralement d'au moins 20 à 30 m pour des raisons de sécurité.
Après avoir déterminé l'élévation du fond et les positions des extrémités, tracez le périmètre théorique du plancher en projetant les extrémités des sections transversales sur le plan stratigraphique à l'élévation de conception et en les reliant. Pour faciliter le transport, le périmètre du plancher doit être aussi droit que possible ; les parties courbes doivent respecter les rayons de courbure minimaux pour l'équipement.
(3) Déterminer la structure et les angles de pente. La stabilité des pentes est essentielle à la sécurité de la production. Le choix correct de l'angle de pente est le principal moyen d'assurer la stabilité. Dans les limites des exigences techniques et de stabilité, adopter l'angle de pente final le plus raide possible afin de minimiser l'élimination des stériles. Lors du calcul des angles de pente, tenir compte des propriétés du massif rocheux, de la structure géologique, de l'hydrogéologie, de la méthode et de l'équipement d'exploitation, de la durée de vie prévue de la mine et du climat. Dans la mesure du possible, réaliser des essais de mécanique des roches et des calculs de stabilité des pentes. Les méthodes de calcul existantes n'étant pas toujours parfaites, en pratique, les angles de pente finaux sont souvent choisis en référence à des mines analogues et à des données empiriques.
(4) Dessinez la vue en plan final. Les étapes comprennent :
Reportez le périmètre du fond de la fosse déterminé sur du papier transparent et superposez-le sur la carte topographique et géologique ; de l'intérieur vers l'extérieur, dessinez les pieds du banc en fonction des éléments de pente.
Tracer des routes de transport.
Examiner et réviser le plan préliminaire final de la fosse.
Projeter le plan finalisé sur des coupes transversales afin que les limites des coupes soient conformes au plan. L'angle de pente, la largeur et la profondeur du plancher ayant une forte incidence sur les limites finales de la fosse, un système d'indice d'évaluation dynamique peut être mis en place pour modéliser et optimiser les limites de la fosse à ciel ouvert. Des algorithmes de réseau neuronal BP améliorés peuvent être utilisés pour construire des modèles de prédiction pour des angles de pente finaux stables. La simulation informatique tridimensionnelle permet une planification visuelle et efficace de la production. Les méthodes de simulation informatique permettent une optimisation plus poussée des limites de la fosse.
Conclusion : L’exploitation minière à ciel ouvert utilise des équipements d’excavation et de transport spécifiques dans un espace de travail exposé. L’angle de pente final, la largeur et l’emplacement du fond de la fosse, ainsi que la profondeur de la fosse, influencent considérablement la sécurité et la rentabilité de la production. Déterminer les limites de la fosse est une tâche complexe qui exige le respect de principes fondamentaux tout en s’adaptant avec souplesse aux conditions spécifiques du site pour parvenir à une conception raisonnable. Cet article passe en revue les principaux enjeux de l’optimisation des limites de la fosse, analyse les caractéristiques des limites de la fosse à ciel ouvert, examine les principaux indicateurs affectant l’angle de pente final stable et les méthodes de prévision d’une pente finale raisonnable, et discute des approches d’optimisation des limites de la fosse.
