Υπόγεια εκμετάλλευση

Η επιλογή της μεθόδου εκμετάλλευσης ενός κοιτάσματος καθορίζεται  κυρίως από τους κάτωθι παράγοντες:
 Τις φυσικο-μηχανικές ιδιότητες  του κοιτάσματος και των πετρωμάτων που το περιβάλλουν.
 Την θέση του κοιτάσματος και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του (σχήμα, μέγεθος, κλίση).
 Την ποιότητα και την αξία του μεταλλεύματος.
 Τους επιδιωκόμενους ρυθμούς παραγωγής.
 Το κόστος του παραγόμενου προϊόντος.
 Την προστασία του περιβάλλοντος.
 
Η υπόγεια εκμετάλλευση κοιτασμάτων εφαρμόζεται, όταν  η επιφανειακή τους εκμετάλλευση καθίσταται αντιοικονομική ή όταν η υπόγεια εκμετάλλευση υπαγορεύεται από περιβαλλοντικούς λόγους. 

Οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή μεταξύ επιφανειακής και υπόγειας εκμετάλλευσης είναι:  α) Η σχέση αποκάλυψης, δηλ. το πόσες μονάδες αγόνων θα πρέπει να απομακρυνθούν για να αποκαλυφθεί μία μονάδα χρήσιμου προϊόντος  και β) Η τελική γωνία πρανούς εκμετάλλευσης, δηλ. η κλίση του πρανούς σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο, η οποία εξασφαλίζει την ασφαλή εκμετάλλευση.

Σε ένα οριζόντιο κοίτασμα με επίπεδο τοπογραφικό ανάγλυφο, η τιμή της σχέσης αποκάλυψης παραμένει σταθερή. Σε κεκλιμένα κοιτάσματα όμως η  σχέση αυτή αυξάνει συνεχώς, καθώς προχωρεί η εκμετάλλευση, με αποτέλεσμα κάποια στιγμή να καθίσταται οικονομικά ασύμφορη. Τότε είναι περισσότερο συμφέρουσα η υπόγεια εκμετάλλευση του κοιτάσματος.

Η υπόγεια εκμετάλλευση  διενεργείται με τρία είδη έργων:
 Στοές.
 Φρέατα (πηγάδια).
 Κεκλιμένα ή/και ελικοειδή κεκλιμένα.
 Οι συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες μέθοδοι υπόγειας εκμετάλλευσης διακρίνονται σε τρεις (3) κατηγορίες:
 με κενά μέτωπα (open stopes), στις οποίες ο χώρος που απομένει μένει μετά την απόσπαση του μεταλλεύματος διατηρείται κενός, με φυσική υποστήριξη, δηλαδή η υποστήριξη παρέχεται κυρίως από το πέτρωμα. Στις μεθόδους με κενά συγκαταλέγεται και η μέθοδος των θαλάμων και στύλων (αγγλ., room and pillar mining) κατά την οποία το μετάλλευμα εξορύσσεται αφήνοντας συγχρόνως τμήματα υπό μορφή στύλων για την υποστήριξη της οροφής. Πεδίο εφαρμογής είναι τα οριζόντια ως μέτριας κλίσης στρωσιγενή κοιτάσματα ικανοποιητικής αντοχής, μικρού ή μεγάλου πάχους. Εφαρμόζεται στα υπόγεια ανθρακωρυχεία καθώς και στις υπόγειες εκμεταλλεύσεις βωξίτη στην Ελλάδα, όπου τα κοιτάσματα είναι μικρής κλίσης (σχεδόν οριζόντια) και μέτριου πάχους (2-10m).Το πεδίο εφαρμογής της μεθόδου είναι τα οριζόντια ως μέτριας κλίσης στρωσιγενή κοιτάσματα ικανοποιητικής αντοχής, μικρού ή μεγάλου πάχους,  Σε περίπτωση που το πάχος του βωξίτη είναι μεγαλύτερο των 10 m τότε χρησιμοποιείται η μέθοδος θαλάμων και στύλων σε συνδυασμό με ξηρή λιθογόμωση. Στην μέθοδο των θαλάμων και στύλων, η άφεση των στύλων συχνά συνοδεύεται από  μείωση των διαστάσεών τους στην τελική φάση της εκμετάλλευσης (φάση εξόφλησης), με σκοπό τη μεγιστοποίηση του συντελεστή απόληψης.
 με γομούμενα μέτωπα (filling stopes), στις οποίες ο χώρος του κοιτάσματος που εκμεταλλεύεται πληρώνεται στη συνέχεια με τεχνητό τρόπο συνήθως από στείρα υλικά (λιθογόμωση). Η μέθοδος επιδέχεται μεγάλης εκμηχάνισης αλλά και της χρησιμοποίησης διαφόρων τύπων υλικών λιθογόμωσης, από στείρα υλικά έως «πάστες» λιθογόμωσης (υλικά με προσθήκη τσιμέντου). Αντίστοιχα, μπορεί να λάβει χώρα προς τα πάνω ή προς τα κάτω (ανερχόμενη ή κατερχόμενη λιθογόμωση) ώστε να μπορεί να αντιμετωπίσει πετρώματα και μεταλλεύματα διαφόρων μηχανικών ιδιοτήτων. Βασικό πλεονέκτημα των μεθόδων με λιθογόμωση είναι η εξασφάλιση της μέγιστης δυνατής ασφάλειας έναντι προβλημάτων επιφανειακών καθιζήσεων ενώ παράλληλα επιτρέπεται η επίτευξη πολύ υψηλών συντελεστών απόληψης του κοιτάσματος της τάξης του 90-95%.  Το βασικό μειονέκτημα της μεθόδου είναι το υψηλό κόστος. Η μέθοδος εναλλασσομένων κοπών και (ανερχόμενης) λιθογόμωσης  (αγγλ., cut and fill stoping) εφαρμόζεται στο μεταλλείο των Μαύρων Πετρών της περιοχής Χαλκιδικής.
 με κατακρημνιζόμενα μέτωπα (caving stopes), στις οποίες ο χώρος που έχει πραγματοποιηθεί η απόσπαση του μεταλλεύματος πληρώνεται με υλικά μέσω της κατακρήμνισης της οροφής του κοιτάσματος. Στις μεθόδους αυτές συγκαταλέγεται και η  μέθοδος «κατακρήμνισης της οροφής με διαδοχικούς υποορόφους» (sublevel caving). Κατά τη συγκεκριμένη μέθοδο η εξόρυξη πραγματοποιείται μέσα σε διαδοχικούς ορόφους, με το κατώτερο τμήμα να αποσπάται με χρήση εκρηκτικών υλών, ενώ το ανώτερο να κατακρημνίζεται. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής είναι κυρίως το χαμηλό κόστος παραγωγής και η ελαχιστοποίηση των έργων προπαρασκευής που απαιτούνται. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε ορισμένα  κοιτάσματα ελληνικού βωξίτη των οποίων η κλίση υπερβαίνει τις 60ο. Χαρακτηριστική είναι η εφαρμογή της μεθόδου σε ένα από τα μεγαλύτερα και γνωστότερα υπόγεια μεταλλεία παγκοσμίως, στην  Kiruna της B. Σουηδίας, όπου παράγονται ετησίως πάνω από 25 εκατ. τόννοι σιδηρομεταλλεύματος . Παραλλαγή αυτής της μεθόδου είναι η μέθοδος της κατακρήμνισης πατώματος (αγγλ., block caving), που εφαρμόζεται σε πολύ παχιά κεκλιμένα ή κατακόρυφα κοιτάσματα χαμηλής περιεκτικότητας και όπου η υποχώρηση της επιφανείας του εδάφους δεν αποτελεί πρόβλημα, όπως π.χ. στην εξόρυξη κιμπερλίτη που περιέχει διαμάντια.

Οι κυριότερες φάσεις εκμετάλλευσης ενός κοιτάσματος είναι διαδοχικά:

Α. Προσπέλαση, στάδιο κατά το οποίο διανοίγονται οδοί πρόσβασης στην περιοχή ανάπτυξης του κοιτάσματος.

Β. Περιχάραξη, η οποία φορά στα  προπαρασκευαστικά έργα εντοπισμού/επιβεβαίωσης των ορίων του κοιτάσματος καθώς και στην ανάπτυξη των υποστηρικτικών έργων (στοές, κεκλιμένα, κλπ.). 

Γ. Εξόφληση, κατά την οποία γίνεται η εκμετάλλευση  του κοιτάσματος, σύμφωνα με την επιλεγείσα μέθοδο και  τις εγκεκριμένες μελέτες.Οι εργασίες εκμετάλλευσης γίνονται ως επί το πλείστον με τη χρήση εκρηκτικών υλών ενώ μια πλήρης περιγραφή του κύκλου όρυξης περιλαμβάνει: διάτρηση – γόμωση και ανατίναξη (drill-and-blast)-αποκομιδή (μεταφορά) του κοιτάσματος-ξεσκάρωμα-υποστήριξη και ενίσχυση της αντοχής του πετρώματος.

Οι υπόγειες μέθοδοι εκμετάλλευσης χρησιμοποιούνται κυρίως στα βωξιτικά και πολυμεταλλικά κοιτάσματα (μικτά θειούχα - αργύρου - χρυσού - χαλκού) του Ελλαδικού χώρου. Επίσης είναι δυνατή η υπόγεια εκμετάλλευση μαρμαροφόρων κοιτασμάτων με την εφαρμογή της μεθόδου θαλάμων και στύλων αλλά και λατομείων αδρανών υλικών των οποίων η προώθηση υπαγορεύεται από την στενότητα των υπαίθριων χώρων πλησίον κατοικημένων περιοχών αλλά και για κατεξοχήν περιβαλλοντικούς λόγους. Η υπόγεια εκμετάλλευση μαρμάρων κερδίζει έδαφος σε σχέση με την υπαίθρια εκμετάλλευση διαθέτοντας συγκριτικά πλεονεκτήματα, εντούτοις ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται στους κινδύνους αστοχίας κ.α. που ανακύπτουν στις υπόγειες εκμεταλλεύσεις και σχετίζονται κυρίως με την συμπεριφορά των περιβαλλόντων πετρωμάτων. 

Κατά την εκμετάλλευση ενός υπόγειου χώρου  π.χ. μαρμάρου με την μέθοδο θαλάμων και στύλων,  ο εκμεταλλευτής θα πρέπει να αντιμετωπίσει τις ατέλειες (π.χ. τεκτονικές ασυνέχειες, καρστικοί σχηματισμοί κλπ) των περιβαλλόντων πετρωμάτων. Απαιτείται συνεπώς ένα αποτελεσματικό σύστημα παρακολούθησης και αξιολόγησης των διαφόρων φυσικών φαινομένων κατά την εξέλιξη του έργου. Για τον λόγο αυτό, αλλά και για την γενικότερη παρακολούθηση της συμπεριφοράς της υπόγειας εκμετάλλευσης, κρίνεται απαραίτητη η εγκατάσταση και λειτουργία οργάνων παρακολούθησης. Τα όργανα αυτά εγκαθίστανται σε συγκεκριμένα σημεία  της υπόγειας εκμετάλλευσης, παρέχοντας άμεσα μετρήσεις υψηλής ακρίβειας, η αξιολόγηση των οποίων μπορεί να οδηγήσει σε ασφαλή συμπεράσματα σχετικά με την εξέλιξη ενός φαινομένου, καθώς και σε απόφαση για την λήψη αναγκαίων μέτρων ανάλογα με την περίπτωση.

Δείτε επίσης
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο: Βασικές μέθοδοι υπόγειας εκμετάλλευσης

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο:Μέθοδοι υπόγειας εκμετάλλευσης-Κατακρημνιζόμενα Μέτωπα

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο:Μέθοδοι υπόγειας εκμετάλλευσης-Γομούμενα Μέτωπα

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο: Υπόγεια Εργα

Μεταλλευτική

Παραπομπές

Ορυχεία
Ορυκτολογία
Μεταλλευτική