Teknik för sekundär öppning av storskaliga brytningsrum

Full text

(1)2008:015 HIP. EXAMENSARBETE. Teknik för sekundär öppning av storskaliga brytningsrum. Anton Anundsson Markus Isaksson. Luleå tekniska universitet Högskoleingenjörsprogrammet Bergteknik 120 p Institutionen för Samhällsbyggnad Avdelningen för Bergteknik 2008:015 HIP - ISSN: 1404-5494 - ISRN: LTU-HIP-EX--08/015--SE.

(2) Förord Detta 15 hp examensarbete har utförts som en avslutande del i utbildningen mot en högskoleingenjörsexamen i bergteknik vid Luleå tekniska universitet. Examinator för examensarbetet är Jenny Svanberg vid avdelningen för geoteknologi. Uppgiften till arbetet gavs av Boliden Mineral AB och är hämtad från deras underjordsgruva i Garpenberg. Arbetet har inneburit inventering av tillgängliga tekniker, samt val av bäst lämpade teknik, för alternativ sekundär öppningsteknik av storskaliga brytningsrum. Till vår hjälp att utföra arbetet har vi haft Internet, relevant litteratur, dokument samt personliga kontakter via telefon, mail och möten. Det finns personer som har hjälpt oss speciellt mycket, som vi därför vill tacka: Lennart Lehtola, bergtekniker i Garpenbergsgruvan, som fungerat som handledare i Garpenberg och hjälpt oss med idéer, kontakter samt tagit sig tid att guida oss runt i gruvan, Lars Bergqvist, Atlas Copco, som tipsat om kontakter och idéer, Anders Nyström, bergmekaniker i Boliden, för information angående pastafyllning, Graham Swan, Xstrata Plc, Kanada, som bistått med egna erfarenheter, Mats Olsson, handledare LTU/Swebrec, för allmänt stöd och rapportgranskning, Peter Bergman, handledare i Boliden.. Trevlig läsning önskar vi Er!. Lycksele, juni 2008. Anton Anundsson. Markus Isaksson. I.

(3) Sammanfattning. Boliden Mineral AB bryter årligen ungefär 1.3 miljoner ton komplexmalm vid sin gruva i Garpenberg, där de brytningsvärda mineralen främst är zink, koppar, guld, silver och bly. Relativt goda bergförhållanden råder i malmkroppen Lappberget, vilket tillsammans med malmkroppens geometri är anledningar till att brytningsmetoden som används är storskalig uppåtgående pallbrytning med igensättning. Denna metod innebär att cirka 20 meter höga, 30-70 meter långa och 10-20 meter breda rum bryts varefter de återfylls med antingen pastafyll eller gråberg. Ett av de första stegen vid malmbrytning av ett obrutet rum är att öppna en s.k. öppningspalt mellan den undre och övre nivån i det blivande rummet, vilken dels fungerar som en fri yta för det detonerade sprängämnets stötvågor att reflektera mot, dels som ett utrymme som det lösbrutna berget kan svälla i. Denna spalt åstadkoms idag med konventionell borrning och sprängning, vilket innebär relativt stora kostnader, såväl tidsmässigt som ekonomiskt. Vid rumslängder från cirka 50 meter och uppåt är det nödvändigt att dela upp brytningen i två steg – där man först bryter halva rummet, återfyller detta, och sedan bryter resten av rummets längd. Denna uppdelning innebär att en ny öppningsspalt måste skapas vid brytning av rummets andra hälft, efter det att första halvan återfyllts. Syftet med detta arbete har varit att inventera alternativa öppningstekniker som kan minska kostnad och tidsåtgång samt eliminera eller minska behovet av sprängning vid skapandet av den nya öppningsspalten. Ett antal olika tänkbara metoder har påträffats, men valet av mest lämpade teknik föll på ett alternativ som innebär att block av cellplast installeras i brytningsrummet innan fyllningen påbörjas. Dessa block håller emot fyllningen och skapar ett hålrum i densamma, som har motsvarande funktion som en öppningsspalt. Blocken har ett stort luftinnehåll, över 90 volymprocent, vilket gör dem lätta att hantera, orsakar försumbara störningar i lastning och anrikning samt fungerar bra som en fri yta att spränga mot. Det kritiska momentet vid användning av denna teknik ligger i installationen; där det är högst väsentligt att blocken fästs noggrant både upptill och nertill för att undvika att de hamnar ur läge till följd av den stora lyftkraft de utsätts för från fyllningen. Genom byte till denna metod beräknas materialkostnaderna för varje tillverkad öppningsspalt minska från cirka 50 000 kr till 10 000 kr, och tidsbesparingen bli ungefär fyra skift á åtta timmar. Detta kan under ett års tid, där en rimlig siffra är att tio stycken sådana öppningsspalter tillverkas, motsvara en direkt kostnadsbesparing på 400 000 kr och en tidsbesparing på cirka 35 skift.. II.

(4) Abstract . Boliden Mineral AB annually extracts about 1.3 million tonnes of ore from their mine at Garpenberg, Sweden. The primary extracted minerals are zinc, copper, gold, silver and lead. Relatively favourable rock conditions in combination with the geometry of the ore body are both reasons for the method large scale open stoping with backfill being applied. At Garpenberg, this method implies that the ore is mined by stopes with heights of about 20 m, widths of about 10 - 20 m and lengths of 30-70 m. The mined stopes are backfilled with paste fill or waste rock before mining of adjacent stopes begins. One of the first steps in the process of opening a stope is the making of an opening slot between the upper and lower level of the stope. This slot acts both as a free surface for the blast induced stress waves to reflect against and as a void into which the blasted ore can go. Today, this slot is made through conventional drilling and blasting, which causes rather large amounts of time as well as money. When the length of the stope exceeds 50 m, it is necessary to divide the mining in two steps; where the first step means mining and backfilling the first half of the stope, and the second step mining and backfilling the second half. By dividing the stope in two parts, it is necessary to make an additional opening slot when mining of the second half of the room begins. The purpose of this work has been to make an inventory of available methods that can reduce the amount of money and time needed, and eliminate or reduce the need of blasting in order to make an opening slot. A number of possible methods have been discovered, but the choice of best practice has been a method that involves the installation of polystyrene blocks in the open stope, prior to backfilling. These blocks will hold back the fill and create a void which acts a free surface for blasting. The blocks contain a large amount of air-filled pores, more than 90 per cent by volume, which makes them easy to handle, causes negligible disturbance in mucking and enrichment, and works well as a free surface for the blasting. The critical moment when using this method is in the installation phase; it is crucial that the blocks are sufficiently anchored both at the top and the bottom of the stope. If not, they can float away from their intended position, which will cause a bad slot in the end. By changing techniques from the one used today to this method with polystyrene blocks, the direct material cost is estimated to be reduced from 50 kSEK to 10 kSEK, and the cycle time savings will be about four shifts of eight hours, for every opening slot being made. Over a period of one year, when a realistic number of slots being made with this method is ten, the savings in material costs will be about 400 kSEK and the savings in time will be approximately 35 shifts.. III.

(5) Innehåll . FÖRORD . I . SAMMANFATTNING . II . ABSTRACT . III . 1     BAKGRUND . 1 . 1.1      BOLAGET 1.2    GRUVAN . 1 2 . 2     INLEDNING . 4 . 2.1 2.2 2.3 2.4 .    ALLMÄNT    PROBLEMBESKRIVNING    MÅL OCH SYFTE    AVGRÄNSNINGAR . 3     GEOLOGI . 4 7 7 7 8 . 4     SPRÄNGNING . 10 . 4.1    SPRÄNGNINGSFÖRLOPP 4.2    SPRÄNGÄMNE 4.3    TÄNDPLAN . 10 12 12 . 5     ÅTERFYLLNING . 13 . 5.1    SYFTE MED ÅTERFYLLNING 5.2    FYLLNINGSMATERIAL OCH METODER 5.3    BESKRIVNING AV FYLLNING I LAPPBERGET 5.4    SPÄNNINGSSITUATION I ICKE HÄRDAD PASTAFYLL 5.4.1   ALLMÄNT 5.4.2   BERÄKNADE SPÄNNINGSMAGNITUDER . 13 15 16 19 19 20 . 6     BERG . 21 . 6.1    BERGMASSEKLASSIFICERING 6.1.1   KLASSIFICERINGSSYSTEM 6.2    STORLEK PÅ BRYTNINGSRUM . 21 21 25 . IV.

(6) 7     ÖPPNINGSTEKNIKER . 27 . 7.1    VENTILATIONSTUBER 7.1.1   ALLMÄNT 7.1.2   TUBDIMENSION OCH KAPACITET 7.1.3   FYLLNADSMEDIUM 7.1.4    TIDIGARE UTFÖRDA FÖRSÖK 7.1.5   KOSTNAD OCH TIDSÅTGÅNG 7.1.6   TÄNKBARA PROBLEM 7.2    BLOCK AV CELLPLAST 7.2.1   ALLMÄNT 7.2.2   TIDIGARE UTFÖRDA FÖRSÖK 7.2.3   KOSTNAD OCH TIDSÅTGÅNG 7.2.4   TÄNKBARA PROBLEM 7.3    ALIMAK 7.3.1   DISKUSSION 7.4    FULLORTSBORRNING 7.4.1   DISKUSSION 7.5    BORRNING OCH SPRÄNGNING 7.5.1   ALLMÄNT 7.5.2   TID OCH KOSTNAD 7.5.3   TÄNKBARA PROBLEM 7.6    BLÄDDERÖPPNING 7.6.1   ALLMÄNT 7.6.2   DISKUSSION . 27 27 29 30 31 32 32 33 33 33 36 37 38 39 40 41 42 42 43 43 44 44 45 . 8 . 46 .     VAL AV BEST PRACTICE . 8.1    SAMMANSTÄLLNING AV METODER 8.2    TEKNIK MED BÄST FÖRUTSÄTTNINGAR 8.3    FÖRDELAR MED INFÖRANDE AV BEST PRACTICE 8.4    INSTALLATION OCH ANVÄNDNING 8.4.1 NÖDVÄNDIGT MATERIAL 8.4.2 INSTALLATION . 46 48 49 51 51 52 . 9          SLUTSATS . 53 . REFERENSER . 54 . APPENDIX 1 – KOSTNADSJÄMFÖRELSEEXEMPEL FRÅN GOLDEN GIANT GRUVAN . 56 . APPENDIX 3 – ANVÄNDNING AV CELLPLASTBLOCK I BOUSQUET GRUVAN . 58 . APPENDIX 4 – HÅLLFASTHETSKRAV PÅ ÅTERFYLLNINGSMATERIAL . 59 . APPENDIX 5 – MALMBILDER OCH PROFILER PÅ 1000‐METERS NIVÅ . 60 . APPENDIX 6 – FJÄRRLASTNING I PRIMÄRT BRYTNINGSRUM . 62. V.

(7) 1   Bakgrund 1.1   Bolaget Centralgruppen, vilket senare skulle komma att bilda Boliden Mineral AB, påträffade sin första malmfyndighet redan på 1920-talet, vid Fågelmyren tre mil nordväst om Skellefteå. Denna malmfyndighet utvecklades till att bli Bolidengruvan, som på sin tid var Europas största guldgruva, och driften pågick från 1926 till slutet av 1960-talet. Utvecklingen av företaget har bara fortsatt och i dag är Boliden Mineral AB, med sina 4500 anställda, Europas näst största producent av zink och tredje störst vad gäller producering av koppar. Verksamheten bygger främst på gruvor och smältverk, där bolagets svenska gruvor finns i Aitik, Bolidenområdet 1 och Garpenberg. Utöver detta drivs även Taragruvan på Irland, vilken är Europas största zinkgruva. Smältverken finns belägna i Rönnskär och Bergsöe i Sverige, Kokkola och Harjavalta/Pori i Finland samt Odda i Norge, Huvudkontoret för hela koncernen är placerat i Stockholm. Figur 1.1 nedan visar geografisk placering av bolagets olika verksamheter.. Figur 1.1 1. Gruv- och smältverksverksamhet som bedrivs av Boliden Mineral AB.. Innebär i dag gruvorna i Kristineberg, Renström och Maurliden.. 1.

(8) 1.2 Gruvan Garpenbergsområdet upptäcktes redan på 1300-talet och har bearbetats sedan dess. Under 1400-talet anställdes tyska gruvarbetare för att bryta malmen, dessa tyskar kallades för Garpar, vilket gav upphov till namnet Garpenberg. Garpenbergsgruvan är alltså en del av svensk historia, som bland annat ägts av Sveriges dåvarande konung, Gustav Vasa. Boliden Mineral AB övertog driften år 1952 efter att gruvan ägts av AB Zinkgruvor. Tack vare att Boliden satsat stora resurser på prospektering har det upptäckts ett antal nya fyndigheter sedan förvärvningen. Garpenbergsgruvan består idag av två intilliggande underjordsgruvor; Garpenberg och Garpenberg Norra, som idag binds samman av en 2500 m lång ort på 800-900 m djup. Figur 1.2 nedan visar en vy över Garpenbergsgruvan, där de olika fyndigheterna, förbindelseorten, samt industriområdet ovan jord är markerade.. Figur 1.2. Vy över Garpenbergsområdet med utmarkerade fyndigheter.. 2.

(9) Garpenbergsgruvan bryter årligen ungefär 1,3 miljoner ton komplexmalm, där de brytningsvärda mineralen främst utgörs av zink, koppar, bly, guld och silver. Planer finns på att utöka produktionsnivån till 2 miljoner ton per år, och för att dessa planer ska kunna bli verklighet har man bland annat byggt en ny, effektiv, fyllningsstation för pastafyll som sattes i drift år 2007. Denna fyllningsstation ska i synnerhet användas vid brytningen av fyndigheten Lappberget där man använder sig av den typen av återfyllning. Malmen som bryts vid Garpenbergsgruvan koncentreras vid anrikningsverket som är beläget intill gruvan. Efter att malmen koncentrerats transporteras koppar, bly samt ädelmetaller till smältverket i Rönnskär, medan zink primärt skeppas till smältverket i Kokkola och Odda men även till andra smältverk runt om i Europa. I dagsläget är det cirka 300 personer som är direktanställda till Boliden Mineral och cirka 200 personer anställda av underentreprenörer i Garpenbergsgruvan.. 3.

(10) 2   Inledning 2.1 Allmänt . För brytning av malmen i Lappberget används storskalig pallbrytning med igensättning: Malmkroppen delas upp så att brytning sker i primära och sekundära rum. I första fasen bryts de primära rummen (längd 20-70 m, bredd 10-15 m, höjd 20m) parallellt med varandra. Längden på rummen beror av bredden på malmkroppen eftersom malmen ofta bryts vinkelrätt malmens längdriktning. Mellan de primära rummen lämnas 15-30 m breda pelare för att upprätthålla stabiliteten till dess att de primära rummen återfyllts med pastafyll. I en andra fas kan sedan malmen i pelarna mellan de primära rummen brytas som sekundära brytningsrum. För uppdelning av malmen i primära och sekundära rum, se Figur 2.1 nedan.. Figur 2.1. Horisontell vy över indelning av malmen i primära (P) och sekundära (S) brytningsrum. Bs symboliserar bredd hos sekundärrum, vilken varierar mellan 15-30 m och Bp bredd hos primärrum, som vanligtvis är 10-15 m.. Brytning av ett rum inleds genom att en övre och en undre tillredningsort drivs in hela längden på det blivande brytningsrummet, varefter en stigspalt med dimensionerna 1,2 m x1,8 m öppnas mellan dessa genom konventionell borrning och sprängning med tätt hålmönster och relativt stora mängder sprängämne. Den öppnade spalten fungerar dels som ett fritt utrymme som det sprängda berget kan svälla i, dels som en fri yta där tryckvågorna från produktionssalvorna kan reflekteras – vilket är nödvändigt för att effektivt utnyttja energiinnehållet hos sprängämnet och få ett bra styckefall på den sprängda malmen.. 4.

(11) När spalten är öppnad borras produktionshål upp i resten av malmen i rummet och hålen laddas med sprängämne. Produktionssalvorna skjuts sedan varefter malmen lastas ut. Det uppkomna tomrummet återfylls i ett sista steg med pastafyll. När två stycken, ovanpå varandra belägna, primärrum har brutits ut och återfyllts på var sin sida om pelaren kan brytning påbörjas av denna, som då benämns sekundärrum. Se Figur 2.2 som förklarar brytningssekvensen grafiskt.. Figur 2.2. Vertikal vy över brytningssekvensen för primär och sekundärrum. A) Primärrum bryts. B) Primärrum återfylls. C) Övre primärrum bryts. D) Övre primärrum återfylls. E) Sekundärrum bryts. F) Sekundärrum återfylls.. Anledningen till att brytningen av primärrum måste ligga en nivå före är att spänningssituationen för sekundärbrytningen blir mer fördelaktig i det fallet jämfört med om brytning sker mer sammanhängande – stora spann skulle blottläggas i taket, vilket då kan gå i brott och orsaka kollaps av brytningsrummet. Brytning av korta brytningsrum, upp till 50 m Vid rumslängder på upp till 50 meter går det som regel bra att bryta och återfylla hela rummets längd i en enda sekvens, som beskrivet i Figur 2.3 nedan. Detta eftersom fjärrlastning då fortfarande går att utföra med tillräcklig kontroll, och spannet hos rummet fortfarande är förhållandevis litet. Långa brytningsrum, >50 m Där malmkroppens bredd överstiger 50 meter är det nödvändigt att indela brytningen av rummen i två faser, eftersom fjärrlastning av malm längst in i rummet annars blir svår att kontrollera och rummen får för stor spännvidd ur stabilitetssynpunkt. Detta innebär att man först bryter, lastar och återfyller halva rummets längd, för att sedan göra motsvarande i rummets andra halva. Genom detta indelas rummen i två delrum, vilka bryts och återfylls var för sig. Brytningssekvensen vid delbrytning av rum är densamma som för korta rum fram t.o.m. punkt B) i Figur 2.3, varefter den fortsätter enligt Figur 2.4 nedan.. 5.

(12) Figur 2.3. Sidovy som illustrerar brytningssekvensen för korta rum. A) En övre och en undre tillredningsort drivs in till slutet av det blivande rummet. B) Spalt öppnas längst in mellan övre och undre tillredningsorten. C) Hela rummet bryts. D) Hela rummet återfylls.. Figur 2.4. Sidvy som illustrerar brytningssekvensen för långa rum som delbryts. A) Halva rummets längd utbrutet och igenfyllt. B) Ny öppningsspalt borras och sprängs mellan malm och fyll. C) Resten av malmen bryts. D) Resten av rummet återfylls.. 6.

(13) 2.2 Problembeskrivning Vid brytning av ett rum enligt den metod som beskrivits ovan, är ett antal steg ofrånkomliga; driva tillredningsorter i malmen, öppna stigspalt mellan dessa, borra, ladda och spränga malmen samt återfylla. I de fall långa rum förekommer, och delbrytning måste tillämpas, tillkommer även momentet med att åstadkomma en öppningsspalt mellan fyllningen och den kvarvarande malmen i rummet – men det är här syftet med detta jobb kommer in i bilden: Tanken är att det bör vara möjligt att åstadkomma besparingar, såväl tidsmässiga som ekonomiska, genom att åstadkomma en sådan öppningsspalt utan att använda sig av borrning och sprängning. För att åstadkomma en sådan spalt kan det krävas att någon form av konstruktion lämnas kvar i rummet mellan malmen och den blivande fyllningen, som skapar ett hålrum i fyllningen, alternativt någon annan lösning som minskar behovet av borrning och sprängning. Inventering av tillämpbara tekniker, samt dimensionering och utformning av den teknik som utses till bäst lämpade, behandlas i detta arbete.. 2.3 Mål och syfte Syftet med arbetet är att inventera tillgängliga tekniker och studera tidigare utförda tester för åstadkommandet av öppningsspalt, och utifrån detta utse ett s.k. best practice, d.v.s. lyfta fram den teknik som anses ha bäst möjligheter att fungera i praktiken. Det övergripande målet är utveckla en teknik för skapande av öppningspalt, som kräver minskat behov av sprängämne och borrningsinsatser, och genom detta reducera totala brytningskostnader och tidsåtgång.. 2.4 Avgränsningar Arbetet avgränsas till att hitta en teknik som först och främst lämpar sig till fyndigheten Lappberget i Garpenbergsgruvan, även om den eventuellt kan användas även vid brytning i liknande fyndigheter och förhållanden. Övriga moment i produktionen, såsom tillredningsorter, produktionsborrning, sprängning, lastning och liknande behandlas inte, ej heller återfyllning. Dock kommer tillvägagångssättet för några av dessa moment att i viss mån beskrivas.. 7.

(14) 3 Geologi   Garpenberg ligger i den såkallade svekokarelska provinsen, som bildades för cirka 1.9 miljarder år sedan [Loberg (1999)]. Gruvans sulfidmalmsfyndigheter är belägna inom ett tre mil långt och fem kilometer brett område av sura vulkaniska ytbergarter. Huvudsakligen består dessa ytbergarter av kiselsyrerika vulkanaskor, men det förekommer även omvandlade kiselsyrefattiga lavor. Dessa bergarter samt sedimenten är från första skedet horisontellt avlagrade på havsbotten. Under senare tid har bergarterna genomgått omkristallation och förskiffring på grund av metamorfos, d.v.s. ökat tryck och ökad temperatur då bergarterna pressats ner i jordskorpan. Vid nedtryckningen har bergarternas ställning veckats och rest sig till en sånär vertikal riktning. Efter att detta ägt rum har bergarterna fått en långutsträckt strykning med nordostlig riktning och en sidostupning som varierar mellan 75-80 grader mot sydost. Den malmförande bergartszonen består främst av kalksten i kontakt med underliggande vulkaniter, som delvis omvandlats till skarn 2 med en del brytvärda malmgångar, [Arvidsson (2007)]. Malmkroppen Lappberget ligger intill den norra delen av gruvan, och avgränsas från cirka 500m djup uppåt, men har ännu inte avgränsats neråt djupet. Lappberget är indelat i tre zoner; A-, B- och C-zonen, se Figur 3.1: A-zonen består av kompaktmalm som angränsar till kalkstenen och anses vara modermalmen, utsträckning av kroppen kan följas hundratals meter i vertikal riktning. B-zonen kan liknas med A-zonen och har troligtvis skjuvats från modermalmen och omgärdas av tunna talk- och kloritsköldar. C-zonen är en lite mindre del som består av tunna malmlinser som pressats in i skjuvsprickor mellan tuffit/kvartsit och som har en varierande bergkvalitet där förskiffrade områden med inslag av talk och klorit med dålig hållfasthet förekommer.. 2. Gammal svensk bergmannabenämning på kalcium- och/eller magnesiumrika silikater, framförallt av typen amfibol, pyroxen, epidot och granat, vilka är associerade med järn- och sulfidmalmer, [Loberg (1999)].. 8.

(15) Figur 3.1. Horisontell tolkning av geologin vid 900m nivå med utritad A-, B- och C-zon Rödfärgade områden består av kompaktmalm, blåfärgat är kalksten och gul färg symboliserar tuffit/kvartsit. [Nyström (2005)].. 9.

(16) 4   Sprängning Sprängning tillämpas i flera moment vid gruvdriften, främst vid ort- och rampdrivning i gråberg och vid lösbrytning av malm i brytningsrummen. Genom att sprängämnet i de laddade borrhålen detonerar, bryts berget lös från sitt ursprungliga läge varvid det kan lastas ut. Sprängningsförloppet innehåller ett antal steg som beskrivs vidare i detta avsnitt.. 4.1 Sprängningsförlopp Sprängningsförloppet kan delas upp i faserna detonation, stötvåg, gasexpansion och massrörelse, se Figur 4.1 nedan som beskriver dessa olika faser.. Figur 4.1. Detonationsförloppets grundläggande steg - detonation, stötvåg och gasexpansion med massrörelse. [kurslitteratur i sprängteknik, ABT049/ABT029, LTU].. En sprängkapsel och en primer utlöser detonationen av sprängämnet i borrhålet. Denna detonation sker ofta först vid botten av hålet, och rör sig uppåt med hastigheter som är större än ljudets hastighet i sprängämnet. Framför detonationen ligger icke reagerat sprängämne, vilket reagerar kemiskt då tryckfronten når det. Bakom fronten äger reaktionen rum, vilket skapar spränggaser med mycket högt tryck och med hög temperatur. När spränggaserna vidgas trycker de mot borrhålsväggen och bildar en stötvåg, vågen sprider sig ut från hålet samtidigt som hålet utvidgar sig. Nederst i hålet är stötvågsfronten sfärisk medan den längre upp är mer koniskt formad på grund av detonationsfrontens rörelse mot hålets mynning.. 10.

(17) Stötvågen med tryckspänningar klarar inte att frigöra berget, utan ger upphov till fina sprickor, så kallade primärsprickor. Dessa sprickor sträcker sig radiellt ut från borrhålet och ligger till grund för lösbrytning av berget. När tryckvågen når en fri yta reflekteras den till en våg av dragspänningar, vilket medför att vissa av primärsprickorna sprider sig ytterligare och utvidgas. Är dragspänningen tillräckligt stor bildas även nya sprickor. För utvecklingen av denna sprickbildning orsakad av detonationen, se Figur 4.2 och Figur 4.3 nedan. Lösbrytning av själva berget sker då spränggaserna expanderar i borrhålet: det arbete som spränggaserna uträttar mot berget orsakar rörelser som leder till att det uppspruckna berget kastas lös.. Figur 4.2. Stötvåg bildas som letar sig mot en fri yta, när stötvågen når den fria ytan reflekteras en våg av radiella dragspänningar. [Nordlund et al. (2002)].. Figur 4.3. Sprickbildning i ett borrhål vid detonation av sprängämne. [Nordlund et al. (2002)].. 11.

(18) Bergets sprängbarhet styrs av dess hållfasthet och motståndskraft mot sprickutbredning (såsom drag-, tryck, böj- och skjuvhållfasthet). Dessa storheter skiljer då mellan olika bergarter men ofta även i olika riktningar i samma bergart. För att sönderbrytning av berg ska ske måste dessa storheter övervinnas. En sprängsalvas specifika laddning beräknas utifrån den massa berg som ska brytas loss, och anges i kg/m3 (Normalt krävs 0,3-0,4 kg/m3 för att bryta loss en viss volym berg). Fördelningen av sprängämnet i berget har även stor betydelse; då täta och smala hål borras fås en finare sönderfallning av berget, dvs. den bortsprängda massans blockstorlek. Vid grova och glesa hål kommer berget att få ett grövre styckefall, [kurslitteratur i sprängteknik, ABT049/ABT029, LTU].. 4.2 Sprängämne Sprängämnet som används vid brytning i Lappberget är ett emulsionssprängämne av typen SSE (Site Sensitised Emulsions), vilket tillhandahålls av Orica Mining Services (f.d. Dyno Nobel). Laddningen sker med en laddtruck som pumpar in sprängämne i de borrade hålen, först när emulsionen är i borrhålet och börjar jäsa blir den explosiv.. 4.3 Tändplan Vid pallbrytningen borras ett stort antal hål i flera rader med ett regelbundet mönster. Dessa hålrader sprängs med en fördröjning på ett antal millisekunder, så inte hålen blir inspända 3 . Den första raden detonerar längst fram mot en fri yta så berget kan lossna obehindrat. När tillräckligt med malm lossnat från första raden detonerar de bakomliggande raderna successivt mot den frilagda ytan som uppstår efter varje detonation, vilket gör det möjligt att spränga stora volymer vid ett och samma tillfälle, [kurslitteratur i sprängteknik, ABT049/ABT029, LTU].. 3. Med inspända menas här för långt avstånd till fri yta.. 12.

(19) 5   Återfyllning 5.1 Syfte med återfyllning Återfyllning av brytningsrum vid metoden uppåtgående storskalig pallbrytning utförs av ett antal anledningar, där de främsta är att, [Potvin et al. (2005)]: -. Förhöja stabiliteten hos bergväggar, tak och pelare.. -. Skapa en plattform som maskiner och personal kan använda vid fortsatt brytning.. -. Deponera restprodukter.. -. Maximera malmutvinning.. Stabilitetshöjning Stabiliteten hos en underjordskonstruktion är beroende av ett flertal faktorer; exempelvis bergets hållfasthetsegenskaper, dimensioner och spann hos öppningarna samt hur lång tid konstruktionen står öppen. Brytning av en malmkropp tar vanligtvis lång tid, allt från ett par- till tiotals år, därför är det viktigt att försäkra sig om långvarig regional stabilitet genom hela brytningsprocessen. Genom brytning av kringliggande rum kommer omfördelning av bergsspänningar att uppkomma; pelare kan bli utsatta för högre spänningskoncentrationer vilket kan få dem att gå i brott och hela rum kan kollapsa, avlastade områden kan uppkomma kring randen av brytningsrummen vilket kan leda till utfall av instabila kilar och block från tak och väggar. När utbrutna rum fyllts igen med ett fyllnadsmaterial kommer fyllningen att utöva mothållande krafter på det kringliggande berget, vilket hejdar brottsutvecklingen i berget och brytningsrummen förblir stabila.. Fyllningen ger stöd åt: -. Instabila kilar som tenderar att glida ut från tak och väggar.. -. Pelare som håller på gå i brott.. -. Väggar i rum som uppvisar stora konvergensrörelser.. 13.

(20) Skapa plattform för fortsatt brytning. Då brytning av rum sker i en uppåtgående process, kommer de uppkomna hålrummen under nästa brytningsnivå att orsaka problem då det inte finns något underlag för maskiner och personal att arbeta från vid brytning av denna. Här utgör fyllningsmaterialet stor nytta genom att det bildar ett sådant underlag.. Deponera restprodukter. Vid brytning är det långt ifrån alla utbrutna massor som har ett ekonomiskt värde. Gråberg från tillredning av ramper och orter samt restprodukter efter att den brutna malmen anrikats utgör tillsammans större delen av vad som bryts och de måste deponeras på lämplig plats. Eftersom malmen ofta innehåller halter av svavel, som klassas som miljöfarligt då det vid utlakning i vatten bildar svavelsyra, kan deponi bli en stor kostnad genom att hårda miljökrav måste utfyllas för deponiplatsen. Eftersom fyllning sker med gråberg och överbliven anrikningssand undkommer man deponikostnader, då dessa istället förs tillbaks ner under markytan.. Maximera malmutbytet. Genom att fyllningen utgör ett stöd för kringliggande väggar minskas behovet av kvarlämnade malmpelare. Detta ger ett högre malmutbyte och, på så vis, bättre ekonomi i brytningen. [Potvin et al. (2005)].. 14.

(21) 5.2 Fyllningsmaterial och metoder Det förekommer ett antal material och metoder för återfyllning, dessa är, [Potvin et al. (2005)]: -. Ett fast material, exempelvis stenar och block som lastas in.. -. Kombination av finkornigt fast material och vatten (bildar hydraulisk fyll) som pumpas in.. -. Kombination av finkornigt material, vatten och bindemedel (bildar cementerad hydraulisk fyll) som pumpas in.. -. Kombination av finkornigt material, vatten, bindemedel och i vissa fall ytterligare tillsatser (bildar pasta) som pumpas in.. Stenar och block som lastas in utgörs i de flesta fall av gråberg från tillredning av orter och ramper. Detta lastas in i rummet som skall fyllas med hjälp av ex. lastmaskiner och lastbilar. Hydraulisk fyll består främst av sand som bildats när malmen malts och de värdefulla mineralen lakats ur i anrikningsverket. Kornstorleken på denna sand beror således av krossnings- och malningsgraden i anrikningen och kan därför variera från fin sand ner till lerfragment. Sanden blandas med vatten och bildar en pumpbar slurry som sedan transporteras i ledningar ner till brytningsrummet. Det vatten som transporterar sanden till rummet måste dräneras bort med hjälp av dräneringsrör. Cementerad hydraulisk fyll används vid högre hållfasthetskrav, då någon av fyllningens vägg blottas eller omkringliggande malm stöder sig mot fyllningen. Här tillsätts därför ett bindemedel i den hydrauliska fyllen, vilket ofta utgörs oftast av Portland Cement. Pasta tillverkas genom blandning av finkorniga sandpartiklar, vatten, cement och exempelvis masugnsslagg, denna blandning utförs i speciella fyllningsverk. Den bildade pastan får en förhållandevis tjock konsistens, jämförbart med en tjock tandkräm. Vattenhalten i pasta är relativt låg, och det vatten som den innehåller binds i porerna mellan partiklarna, varför det inte bildas något vattenöverskott som måste dränera efter att pastan placerats i rummet. [Potvin et al. (2005)].. 15.

(22) 5.3 Beskrivning av fyllning i Lappberget Fyllning av brytningsrum i Lappbergets A-zon sker med pastafyll som tillverkas i fyllningsstationen belägen ovan jord (Figur 5.1), genom blandning av finkornig sand, cement, masugnsslagg och små proportioner vatten. Färdigtillverkad pasta pumpas vidare ner i gruvan genom. 150 mm ledningar, se. Figur 5.2, med en kapacitet på cirka 150 ton per timme.. Figur 5.1. Figur 5.2. Den relativt nybyggda fyllningsstationen för tillverkning av pastafyllning. Tre blå silos ,till vänster i bild, innehåller cement och masugnsslagg, [Boliden Mineral AB].. Pastafyllningen transporteras via. 150 mm ledning ner till gruvan,. [Boliden Mineral AB].. 16.

(23) Blandningsproportion mellan komponenterna i pastafyll bestäms utifrån vilka krav man ställer på dess funktion. Det finns främst fyra olika krav på detta, nämligen, [presentationsmaterial från Nyström (2008)]: 1. Pastafyllningen ska binda det vatten den innehåller. Här räcker det att anpassa pastablandningen så dess vattenbindande egenskaper blir tillräckligt hög.. 2. Pastafyllningen skall bära sin egen vikt, alltså kunna stå oförstärkt. Här måste blandningen ha tillräcklig hållfasthet för att kunna stå oförstärkt när en av fyllningsväggarnas ytor blir blottlagd, exempelvis vid brytning av sekundär malm mellan två igenfyllda primärrum. Fyllningen måste då ha en tryckhållfasthet på ca 0,3 MPa, beräknat med Mitchell´s formel.. 3. Intilliggande pelare skall kunna vara upphängd på pastafyllningen. Pastafyllningen måste ha tillräcklig hållfasthet för att kunna stabilisera malm som hänger ovanför vid sekundärbrytning, se Figur 5.3 nedan. Hållfasthetskravet är här beroende av bredden på sekundärrummet, vilket styr den spänning fyllningen blir utsatt för. Vid 15 m breda sekundärrum är hållfasthetskravet ca 1 MPa.. Figur 5.3. Malm i sekundärpelare upphängd på kringliggande pelare av pastafyllning. Hållfasthetskraven på pastan varierar med bredd på sekundärpelare. [presentationsmaterial, Nyström (2008)].. 17.

(24) 4. Pastafyllningen skall vara tillräckligt hållfast så den kan fungera som konstruktionsmaterial för ort vid uttag av mellanskivor i malm. Vid utbrytning av mellanskivor drivs ibland tillredningsort helt, eller delvis, i fyllningen (Figur 5.4), då ställs krav att fyllningen skall vara tillräckligt hållfast för att drivning skall gå att utföra utan ras.. Figur 5.4. Drivning av tillredningsort delvis i malm, delvis i pastafyllning. [Presentationsmaterial, Nyström (2008)].. Det bindemedel som används i pastafyllningen är en blandning av cement och masugnsslagg (merit) med proportionerna 20 % cement 80 % merit. Hur stor andel detta bindemedel har i pastafyllningen som helhet, styr vilket hållfasthetsvärde som erhålls. Beroende på vilka hållfasthetskrav som ställs, används bindemedelshalter enligt Tabell 5.1 nedan. För exempel på hållfasthetskrav på fyllning i olika rum, se Appendix. Tabell 5.1. Andel bindemedel beroende på hållfasthetskrav, [presentationsmaterial från Nyström (2008)].. Hållfasthetskrav [MPa] 0,2 0,2-0,5 0,5-1,0 1,0-1,25 1,25-1,5. Andel bindemedel [%] 2 2,5 4,5 5 5,5. Hållfasthet i lab. [MPa] 0,32 0,48 1,15 1,3 1,45 18.

(25) 5.4 Spänningssituation i icke härdad pastafyll 5.4.1. Allmänt. De brytningsrum där spalt mellan fyll och malm skall åstadkommas återfylls med pasta, därför beskrivs här hur spänningssituationen ser ut i pastafyll under fyllningsförloppet. Pasta är ett vattenmättat material som i värsta fall antas uppvisa liknande geotekniska egenskaper som en väldigt lös lagrad, vattenmättad, lera. Detta innebär att friktionsvinkeln, ´, i pastan innan bindemedlet härdat kan vara lika med 0°. Friktionsvinkeln 0° är det värsta fallet, men det är detta fall som väljs att behandlas vidare här eftersom det ger den mest konservativa bedömningen.. Vertikala spänningskomponenten som verkar på ett element i pasta vid djupet hfyll kan, med klassisk spänningsteori, beräknas som:. σ v = ρ ⋅ g ⋅ h fyll Där. (5.4.1). är densitet för pasta och g är jordens tyngdacceleration.. Den horisontella spänningen på samma element beräknas utifrån, [Potvin et al. (2005)]:. σ h = K0 ⋅σ v. (5.4.2). Där K0 är vilojordtryckskoefficienten:. K 0 = (1 − sin φ´). I fallet ej härdad pastafyll, med ´. (5.4.3). 0°, antar. 1 och därför gäller att:. σh =σv. Vilket innebär att det råder hydrostatiskt spänningsstillstånd när pasta ej härdat, och att det då uppkommer största möjligt horisontella spänningspåkänningar på ett element beläget i densamma.. 19.

(26) 5.4.2. Spänningsmagnituder. Då det i vissa fall råder hydrostatiskt spänningstillstånd, σ h = σ v , i pastafyll och sambandet för vertikala spänningen är känd som σ v = ρ ⋅ g ⋅ h , kan olika spänningsmagnituder beräknas beroende på olika värden hos de ingående parametrarna. Densiteten hos pastafyll som används i Lappberget har hittills varierat mellan ca 1,97 – 2,1 ton/m3, [enl. Nyström (2008)].. Tyngdaccelerationen, g , antas vara konstant 10 m/s2. Fyllningshöjden, h , varierar mellan 0-20 m, då fyllning sker från sulan i undre tillredningsort till nivån för sulan i övre tillredningsort. Eftersom pastafyllningen kommer att härda allt eftersom fyllning sker, är det troligtvis inte alls hela denna fyllningshöjd som orsakar ett direkt horisontellt tryck i fyllningen. Allt eftersom fyllningen härdar kommer friktionsvinkeln i materialet att öka, vilket leder till minskade horisontella spänningar. Detta innebär att den största horisontella spänningen i fyllningen kommer att vara som störst innan cementen i blandningen har stelnat, och därför bildas av den fyllningshöjd som kan åstadkommas under den tid det tar för härdningen att inträda. Det som måste till för att kunna göra en korrekt bedömning av de horisontella tryck som utbreder sig i fyllningen är att utföra tryckmätningar inuti brytningsrummet eftersom det anses vara ytterst svårbedömt hur snabbt härdningen går medan fyllning pågår.. . 20.

(27) 6   Berg 6.1 Bergmasseklassificering 6.1.1. Klassificeringssystem. Vid beräkning och bedömning av hållfasthets- och stabilitetsegenskaper har bergmassan klassificerats enligt RMR (Rock Mass Rating), vilket utvecklades av Bieniawski år 1973. För klassificering enligt detta system används bl.a. RQD (Rock Quality Designation), ett mått på bergets sprickighet:. ∑ ä. å ä. 10 . ä. 100. Genom multiplicering med faktorn 100 erhålls ett procentuellt värde på RQD, vilket sedan kan användas för avläsning i tabell tillhörande RMR-systemet. RMR baseras på följande parametrar: 1) Bergartens enaxiella tryckhållfasthet 2) Borrkärnans kvalité, RQD 3) Sprickavstånd 4) Spricktillstånd 5) Grundvattenförhållanden En sjätte parameter används ibland; denna beaktar sprickorientering i förhållande till drivningsriktning, och reducerar RMR-värdet vid ogynnsamma förhållanden.. Var och en av dessa parametrar bedöms utifrån tabeller (Tabell 6.1-6.7 nedan) som tillhör systemet, där varje tillstånd eller värde motsvarar ett visst RMR-poäng. Poängen adderas sedan med varandra och summan motsvarar en bergmasseklass enligt Tabell 6.8, [Nordlund et al. (2000)].. 21.

(28) Tabell 6.1. Delpoäng för enaxiell tryckhållfasthet.. Punktlastindex [MPa] >8 4-8 2-4 1-2 -* -* -*. Enaxiell tryckhållfasthet [MPa] >200 100-200 50-100 25-50 10-25 3-10 1-3. Poäng 15 12 7 4 2 1 0. *För punktlastindex under 1 MPa, bör enaxiellt trycktest användas.. Tabell 6.2 Delpoäng för RQD-värde. RQD [%] 90-100 <75-90 50-75 25-50 <25. Tabell 6.4. Poäng 20 17 13 8 3. Tabell 6.3 Delpoäng för sprickavstånd. Spricktillstånd [m] >3 1-3 0,3-1 0,05-0,3 <0,05. Delpoäng för spricktillstånd.. Spricktillstånd Mycket råa sprickytor, inte kontinuerliga, ingen separation, hårda sprickytor Råa sprickytor, separation <1 mm, hårda sprickytor Råa sprickytor, separation <1 mm, mjuka sprickytor Glidrepade sprickytor (Eng. slickensided) eller Sprickfyllningens tjocklek <5 mm eller Öppna sprickor, spricköppning 1-5 mm, kontinuerliga sprickor Mjukt sprickfyllnadsmaterial, tjocklek >5 mm eller Öppna sprickor, spricköppning >5 mm, kontinuerliga sprickor Tabell 6.5. Poäng 30 25 20 10 5. Poäng 25 20 12 6. 0. Delpoäng för grundvattenförhållanden.. Inflöda per 10 m tunnellängd (l/min) Inget <25 25-125. Vattentryck i spricka / Största huvudspänningen 0 0,0-0,2 0,2-0,5. >125. >0,5. Generella förhållanden Fullständigt torrt Endast fukt Vatten med måttligt tryck Allvarliga vattenförhållanden. Poäng 10 7 4 0. 22.

(29) Tabell 6.6. Klassificering av sprickornas orientering i förhållande till drivningsriktning.. Strykning vinkelrätt mot tunnelaxeln Drivning i Drivning mot stupningsriktningen stupningsriktning Stupning [°] Strykning [°] 45-90 20-45 45-90 20-45 Mycket Gynnsam Acceptabel Ogynnsam gynnsam Tabell 6.7. Mycket gynnsam Gynnsam Acceptabel Ogynnsam Mycket ogynnsam. Totalpoäng 81-100 61-80 41-60 21-40 <20. Oavsett strykning Strykning [°] 0-20 Ogynnsam. Delpoäng för sprickornas orientering i förhållande till drivningsriktning.. Sprickorientering. Tabell 6.8. Strykning parallell med tunnelaxel Strykning [°] 45-90 20-45 Mycket Acceptabel ogynnsam. Poäng Tunnlar 0 -2 -5 -10 -12. Fundament 0 -2 -7 -15 -25. Slänter 0 -5 -25 -50 -60. Bergmasseklasser enligt RMR och deras innebörd.. Klass I II III IV V. Beskrivning Mycket bra Bra Acceptabelt Dåligt Mycket dåligt. 23.

(30) Resultat Den av Boliden utförda bergmasseklassificeringen på sammanlagt 5894 m borrkärna visar generellt sett på gynnsamma bergförhållanden (höga RMR värden), vilket framgår av Tabell 6.9 nedan. Främsta anledningen till detta är att större delen av berget är sprickfattigt och domineras av hårda bergarter med hållfasthetsvärden på över 100 MPa (även om mjuka bergartsgångar med talk förekommer i viss utsträckning).. Tabell 6.9. RMR-klassificering av karterade borrhål. [Nyström och Marklund (2005)].. 24.

(31) 6.2 Storlek på brytningsrum. Bestämning av rumsstorlek För avgörande av största storlek som kan användas på brytningsrummen, har Boliden utfört beräkningar med hjälp av Modified Stability Graph (MSG), utvecklad 1980 av Mathews m.fl. Denna metod baserar sig på empiriska samband och observationer från tidigare utförda underjordskonstruktioner utifrån bergmassans egenskaper, rådande spänningar och dimensioner på det blivande rummet. Beroende på kombination av dessa parametrar klassas rummen som antingen stabila, icke stabila (mindre utfall) eller kollapsade. Stabiliteten hos rum bestäms via en faktor som benämns Modified Stability Number, som i sin tur baseras på Q´, [Nordlund et al. (2000)]:. Q´=. RQD J r ⋅ Jn Ja. (6.3.1). där. / /. är ett mått på blockstorleken för en uppsprucken bergmassa, och är ett mått på sprickytornas hållfasthet och styvhet.. Utifrån vilket N´ kan beräknas:. N ´= Q´⋅ A ⋅ B ⋅ C. (6.3.2). Där. A (Rock Stress Factor) är ett mått på förhållandet mellan intakta bergets hållfasthet och den rådande spänningen. Eftersom den maximala tryckspänningen som verkar parallellt med en öppen rumsvägg närmar sig den enaxiella tryckhållfastheten hos berget, reducerar faktor A värdet för att ta hänsyn till stabilitetsproblem p.g.a. brott i bergmassan.. B (Joint Orientation Factor) är ett mått på relativ orientering på huvudsprickgrupp i förhållande till rumsytan i fråga. Sprickor som bildar en flack vinkel (10°-30°) med den öppna ytan är mest trolig att bli instabil och orsaka glidning eller separationer. Sprickor vinkelräta med rumsytan anses ha minst påverkan på stabiliteten.. 25.

(32) C (Gravity Adjustment Factor) är ett mått på gravitationens påverkan på stabiliteten hos rumsytan i fråga. Överliggande rumsytor (tak) eller strukturella svagheter som är orienterade ofördelaktigt med hänsyn till gravitationsglidningar har en särskilt negativ inverkan på stabiliteten. Tillvägagångssättet för att erhålla numeriska värden på dessa faktorer beskrivs ej utförligt i detta arbete, nyfikna läsare hänvisas därför till annan litteratur – exempelvis Nordlund et al. (2000).. Resultat. Utförd analys med MSG visar att det ur bergmekanisk synvinkel är möjligt att öppna stora brytningsrum utan förstärkning; uppemot 20 m breda, 30 m långa och 40 m höga med bibehållen stabilitet i A-zonen där de bästa bergförhållandena råder. I den s.k. C-zonen är bergförhållandena lite sämre då det förekommer fler partier med mjuka bergarter och sprickor, därför visar motsvarande analys att rumstorleken här maximalt kan vara 15 m breda, 20 m långa och 20 m höga. De rum som bryts idag är maximalt 20 m höga, vilket främst beror på utrustningstekniska skäl; det är problematiskt att åstadkomma längre borrhål med bibehållen hålrakhet och precision, vilket har negativ inverkan på sprängningsresultatet [Nyström et al. (2005)].. 26.

(33) 7   Öppningstekniker 7.1 Ventilationstuber 7.1.1. Allmänt. En idé som har tillägnats relativ mycket tankeverksamhet är en lösning där ventilationstuber innehållande något medium åstadkommer ett hålrum i pastafyllningen. Ett sådant medium gör att tuben hålls uppspänd, och kan utgöras av exempelvis luft, vatten eller sand. För att den fyllda tuben skall åstadkomma ett hålrum i fyllningen, placeras den enligt Figur 7.1 nedan.. Figur 7.1. Ventilationstubens placering i brytningsrummet efter fyllning.. Som det framgår av Figur 7.1 ovan, kommer tuben att befinna sig under ett ca 15 m mäktig fyllningslager i fyllningens slutskede. I detta skede, innan fyllningen härdat, kommer spänningen längs tuben att fördelas enligt Figur 7.2 nedan.. 27.

(34) Figur 7.2. Tryckfördelning mot tub orsakat av fyllningen.. Spänningssituationen som råder i fyllningen är den som beskrivits i avsnitt 5.4, vilket innebär att tuben behandlas som ett trycksatt hålrum enligt Figur 7.3 nedan.. σF Ventilationstub. σF P. Figur 7.3. Spänningssituation för en ventilationstub. P är det inre övertrycket som håller tuben uppspänd och σ F är yttre trycket orsakat av fyllningen. [Modifierad efter Nordlund et al. (1998)].. 28.

(35) 7.1.2. Tubdimension och kapacitet. Inventering av tillgängliga ventilationstuber och olika materialkvalitéer visar att diameter på tuberna varierar från 300 mm till drygt 3000 mm, med en avtagande tryckkapacitet med ökad diameter. Maximal tryckkapacitet 4 för tuber är uppemot 300 kPa vid 300 mm diameter, varefter den minskar allt eftersom diametern ökar, exempelvis enligt Figur 7.4 nedan.. Tubdiameter mot tryckkapacitet 350. Tryckkapacitet [kPa]. 300. Tillverkare A. 250. Tillverkare B. 200 150 100 50 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. Diameter [mm]. Figur 7.4. 4. Exempel på tryckkapacitetens variation med ökande tubdiameter.. Tryckkapacitet är angivet som sprängtryck, dvs. vid vilket tryck tuben brister.. 29.

(36) 7.1.3. Fyllnadsmedium. Luft. Om ventilationstuben skall hållas uppspänd med hjälp av komprimerad luft måste lufttrycket vara lika stort som det omgivande trycket från fyllningen. Om detta inre övertryck är större än det maximala som tuberna normalt är kapabla att hantera skulle detta bli svårt att använda i praktiken. Tuben kan installeras vid brytningsrummet innan den fylls med luft, vilket gör den enkel att hantera.. Vatten. Vid användning av vatten för att hålla tuben uppspänd, kommer det inre trycket primärt att utgöras av trycket från den vattenpelare som finns belägen inuti duken. Detta tryck kommer att vara 0 kPa högst upp i duken och öka linjärt till ett maximalt värde i botten, som motsvarar:. pvattentryck = ρ vatten ⋅ g ⋅ hvattenpelare = 1,0ton / m 3 ⋅ 10m / s 2 ⋅ 15m = 150kPa. Detta innebär att det inre trycket i tuben, orsakat av vattentrycket, kommer att klara att hålla emot trycket från fyllningen till dess att fyllningstrycket överstiger inre trycket. Om det yttre trycket överstiger det inre till följd av ökad fyllningshöjd kommer tuben att pressas ihop, vilket leder till att vattnet inuti komprimeras och trycket i tuben stiger. Tuben deformeras och det inre trycket stiger till dess att jämvikt uppkommer mellan inre och yttre tryck. Även här kan problem uppkomma om det yttre trycket överstiger tubernas kapacitet.. 30.

(37) Sand. Vid fyllning med sand kommer det inre trycket att utgöras av aktivt jordtryck från sanden. Fördelning av det inre trycket i tuben skulle likna den för fallet med vatten; ökad mäktighet på sanden i tuben ger ett ökat tryck. Användning av sand anses vara komplicerat, eftersom den sandpelare som befinner sig i den fritt hängande tuben kommer att belasta tubens nedre ände med ett stort tryck som antagligen gör att tuben helt enkelt slits sönder. En lösning till det kan vara att man fyller tuben med sand allt eftersom man fyller rummet med pasta, men detta är ett förfarande som tar mycket tid i anspråk och innehåller ett riskfyllt moment eftersom större delen av arbetet sker nära kanten till rummet. Denna metod skulle kräva att sanden avlägsnas från ventilationstuben efter att fyllningen härdat, eftersom ingen fri yta annars skulle uppkomma.. 7.1.4. Tidigare utförda försök. Metoden med ventilationstub har testats ett antal gånger. De exempel på utförda försök som uppdagats i inventeringen är dels i Garpenberg; där två typer av lufttrycksfyllda ventilationstuber användes, [personlig kontakt, Sören Linnman, gruvservicechef, Garpenbergsgruvan (2008)], och dels i Louvicourt,. Kanada där man använde sandfyllda eller sågspånsfyllda tuber, [personlig kontakt, Robert Currie, backfill consultant, Xstrata Plc (2008)].. Försöken i Garpenberg var inte lyckade då tuberna inte klarade av att hålla mot fyllningstrycket och kollapsade. Hur försöken i Louvicourt fungerade har inte klargjorts, men det som framkommit är att metoden övergetts till förmån för en metod med block av cellplast (beskrivs i avsnitt 7.2).. 31.

(38) 7.1.5. Kostnad och tidsåtgång. Kostnader för själva materialet, i form av ventilationstub, beror på diameter och materialkvalité. Prisexempel från tillverkaren Jensen Ventilation AB: Diameter [mm]. Sprängtryck [kPa]. Pris [kr/längdmeter]. 300. 293,3. ~45. 400. 220,0. ~50. 500. 176,0. ~58. 600. 146,7. ~64. Detta innebär att materialkostnaden vid användning av denna metod är väldigt låg. Tidsåtgången för själva installationen bedöms relativt liten, med skillnader beroende på val av fyllnadsmedium. Tuben, eller tuberna, installeras stående och fästs noggrant såväl upptill som nertill i brytningsrummet med hjälp av vajrar. Vid fyllning med luft måste det finnas tillgång på tryckluft framme vid brytningsrummet, vid fyllning med vatten måste det finnas vattenledningar (finns sannolikt redan från tillredningsborrningen) och vid sandfyllning fraktas sand till platsen, lämpligtvis med hjälp av lastbil eller motsvarande.. 7.1.6. Tänkbara problem. Största problemet med användning av denna metod är om tryckkapaciteten hos tillgängliga tuber är för låg för ändamålet, alltså om horisontella trycket från fyllningen blir för stort. För att göra en korrekt bedömning av detta måste därför tryckmätningar utföras i fyllningen allt eftersom fyllningen placeras i rummet, för att få fram ett maximalt tryckvärde som kan jämföras med tubernas tryckkapacitet. Ett annat problem är tubernas ömtålighet; om något vasst föremål (skarp bergvägg etc.) kommer i kontakt med den fyllda tuben kan det uppkomma hål i tuben som gör att tubens innehåll rinner ut och tuben kollapsar – vilket gör att ingen spalt bildas.. . 32.

(39) 7.2 Block av cellplast 7.2.1. Allmänt. Det finns två olika typer av cellplast som tillverkas av polystyren – expanderad (EPS) och extruderad polystyren (XPS). Gemensamt för dessa är att de innehåller stor andel luft, 98 volymprocent för EPS, vilket ger materialet en låg densitet. Det stora luftinnehållet gör att de på ett bra sätt bör fungera som en fri yta att spränga mot. Tryckhållfastheten för EPS är vanligtvis upp till 300 kPa och för XPS upp till 700 kPa, [Internetreferenser (2008)]. Principen är densamma för metoden med ventilationstuber, alltså att ett material lämnas kvar i brytningsrummet vilket skapar en spalt mellan fyllning och malm. Den spaltstorlek som går att åstadkomma med cellplastblock är beroende av dimension hos blocken, vilket vanligtvis är ungefär 2 m x 1 m x 0,5 m.. 7.2.2. Tidigare utförda försök. Av inventeringsarbetet har det framkommit att denna metod har använts, och används fortfarande, i ett antal gruvor. Metoden har testats i ett antal kanadensiska gruvor:. -. Golden Giant gruvan, Ontario (Newmont Mining Corporation). -. Bousquet gruvan, Québec (Barrick Gold Corporation). -. Fraser gruvan, Ontario (Xstrata Plc). -. Louvicourt gruvan, Québec (Xstrata Plc). -. Gonzaig Langlois gruvan, Québec (Cambior Inc). -. Sudbury gruva, Ontario (Vale Inco Ltd). Ett exempel på hur användningen av cellplastblock kan gå till kommer från Golden Giant gruvan, där block med måtten 224cm x 122cm x 76cm används. Dessa är tillverkade i XPS cellplast, och går under varumärket Styrofoam™. I installationsförfarandet borras blocken med två längsgående hål med diameter 1,5 tum, genom vilka två vajrar med diameter 0,5 tum skall löpa. Se Figur 7.5 nedan.. 33.

(40) Figur 7.5. Block av Styrofoam med borrade hål. [Newmont Mining Corp].. När hål har borrats i alla block som ska användas i brytningsrummet, träs blocken på två vajrar, en i varje borrat hål, vilket då bildar ett ”tåg” som förs ned i brytningsrummet uppifrån och ner, se Figur 7.6. Eftersom blocken, på grund av sin låga densitet, har en väldigt stor lyftkraft, förankras vajrarna som löper genom blocken noggrant både upptill och nertill för att undvika att dessa rör sig. De färdiginstallerade blocken visas från vertikal vy i Figur 7.7.. 34.

(41) Figur 7.6. ”Tåget” av block förs ner i brytningsrummet. [Newmont Mining Corp].. Figur 7.7. Cellplastblockens placering i brytningsrum. Höjd på brytningsrum ca 15m. [Newmont Mining Corp].. 35.

(42) 7.2.3. Kostnad och tidsåtgång. Den största delen av materialkostnaden vid användandet av denna metod är kostnaden för själva cellplastblocken, även om mindre kostnader tillkommer i form av kompletterande material såsom vajer, fästen etc. Prisexempel för cellplastblock av hos ett par leverantörer finns i Tabell 7.1 nedan.. Tabell 7.1. Prisexempel på cellplastblock från två olika tillverkare.. Leverantör. Kvalité Standardmått på. Pris per m3. brytningsrum. block Cellplast Direkt Sverige AB. EPS. Pris per. 2,1m x 1,2m x 0,5m. 800 kr + moms. Ca 5600 + moms. Tjocklek 0,5 m. 1100 kr inkl.. Ca 8250 inkl.. moms. moms. S300 Allt i Mark. -. De mest lyckade försöken tycks ha utförts i Golden Giant och Bousquet 5 , där man gjort stora besparingar i såväl tid som ekonomi genom att byta ut konventionell stigspaltöppning mot block av cellplast. Ett exempel på besparingar från Golden Giant finns i Tabell 7.2 nedan.. Tabell 7.2. Tidsmässiga och ekonomiska besparingar vid användning av cellplastblock kontra borrning och sprängning i Golden Giant gruvan.[Natural Resources Canada (2008)].. Metod. Tidsåtgång. Kostnad [$]. Konventionell borrning-sprängning, 3 nivåer. 23 dagar. 40 200 (700 per höjdmeter rum). Block av cellplast, 3 nivåer. 2 dagar. 4900 (62 per höjdmeter rum). Besparing. 21 dagar. 35 300 (638 per höjdmeter rum). 5. Där metoden fått ett eget namn: ”Eureka method”.. 36.

(43) 7.2.4. Tänkbara problem. De problem som har uppkommit vid tester utförda i andra gruvor är att cellplastblocken inte varit tillräckligt noggrant fastspända, och därför har hamnat ur läge när fyllningen placerats i rummet. Detta problem löses genom att ha väl genomtänkta och utförda fästningar av vajrar och block. Ett annat problem man kan tänka sig är inblandningen av cellplast i malmlastningen, som sedan kan orsaka problem i anrikningsverket. Detta anses dock inte vara ett stort problem, och har heller inte varit det hos andra gruvor, då massan cellplast är väldigt liten i förhållande till malmen (densitet för malm är ~4ton/m3 kontra densitet hos cellplast som är ~0,03ton/m3). Den massa cellplast som hamnar i anrikningsverket är maximalt volymen på spalten multiplicerat med densiteten för cellplast, vilket i fallet Lappberget är cirka 300 kg (10m3 x 0,03ton/m3 = 0,3ton).. 37.

(44) 7.3 Alimak Alimakmetoden, som utvecklades redan på 1950-talet, baseras på en hisskonstruktion utrustad med plattform, motor, skärmtak samt borr- och laddningsutrustning. Allt i takt med att öppningsstigen drivs installeras en räls längs väggen som ska föra hissen upp till gaveln, längs rälsen installeras även luft- och vattenslangar. Hissen drivs antingen med hjälp av tryckluft, el eller diesel. De moment som ingår i Alimakmetoden är samma som i cykeln för konventionell borrning och sprängning, alltså borrning, laddning, sprängning, ventilation och skrotning. Dessa steg illustreras i Figur 7.8 nedan. Då borrning, laddning och skrotning sker manuellt från plattformen ökar riskerna för personskador då de enda skydd mot fallande block är skärmtaket. Storleken på skärmtaket och plattformen dimensioneras efter öppningsstigens dimensioner, så att moment som borrning och laddning kan utföras utan problem. Efter sprängning ventilerar man bort spränggaserna genom att tillföra luft och vatten mot taket. Efter att ventilation utförts förlängs vattenoch ventilationslangar samt räls så att skrotning kan utföras enkelt från arbetsplattformen. Därefter påbörjas borrning och laddning för en ny salva. Investeringskostnaderna för Alimakutrustning är uppskattningsvis 20 % billigare än för fullortsborrningsutrustning, [Alimak webbsida (2008)].. Figur 7.8. Borrning och laddning, sprängning, ventilation och skrotning med alimakmetoden, [Sandvik Tamrock Corp. (1999)].. 38.

(45) 7.3.1. Diskussion. Alimakmetoden är väl beprövad, och har skördat framgångar vid schaktdrivning tidigare. Till det ändamål som avses här anses dock metoden vara alltför riskfylld, eftersom arbetet med att installera räls och arbeta i stigschakten i framförallt sekundära brytningsrum är förenat med livsfara. I och med detta faktum utesluts metoden helt från att användas i detta fall. Vidare är metoden både långsam och dyr.. 39.

(46) 7.4 Fullortsborrning Fullortsborrning har blivit allt vanligare och används ofta vid borrning av ventilations- och malmschakt, men kan även användas vid skapande av öppningsstig i malm, vilket bland annat görs av LKAB i deras skivrasbrytning. Utrustningen består av borrmaskin, kraftaggregat, transformator, manöverpulpet, borrstål och borrkronor. När borrmaskinen skall installeras på borrplatsen gjuts ett betongfundament så att inga sättningar uppkommer på maskinen vid borrning, för att undvika hålavvikelser. Vid platsen där maskinen placerats borras ett pilothål ner till underliggande tillredningsort med en diameter på normalt mellan 225mm – 330 mm, varpå en större borrkrona, en så kallad upprymningskrona med den slutliga diametern anbringas på borrstålet. Därefter påbörjas borrningen med upprymningskronan anting tillbaka till utgångspunkten, vilket benämns raise boring, eller uppifrån och ner, vilket benämns down boring. De både principerna beskrivs i Figur 7.9 nedan. Upprymningskronan består av ett antal rullar av kraftigt stål, rullarna roterar samtidigt som kronan pressas mot berget som på så sätt maler sönder berget till ett finkornigt material. När borrning med upprymningskronan sker fås en väldigt slät och fin yta med cirkulärt mönster.. Figur 7.9. T.v, raise boring – pilothålet borras uppifrån och ner medans upprymningshålet borras i motsatt riktning. T.h, down boring – både pilot- och upprymningshålet borras uppifrån och ner, [Sandvik Tamrock (2008)].. 40.

(47) Upprymningskronan finns i olika storlekar, vanligtvis från 0,6 m – 6 m i diameter, beroende på syfte och mål för schaktet. Exempel på upprymningskronor från Sandvik visas i Figur 7.10 nedan.. Figur 7.10. Upprymningskronor från Sandvik. T.v, raise boring-krona och t.h down boringkrona.. 7.4.1. Diskussion. Eftersom fullortsborrning inte utförs i nysprängda rum förekommer inga spränggaser i luften där arbetet sker, vilket skapar en förhållandevis bra arbetsmiljö. Ljudnivån och vibrationer är låga jämfört med konventionell borrning och sprängning, och skapandet av spalt går relativt snabbt jämfört med äldre metoder såsom sänkschaktsdrivning och Alimakmetoden. Ett riskfyllt moment vid raise boring är anbringandet av upprymningskronan från den undre tillredningsorten i sekundära brytningsrum, eftersom arbetare då blir tvungna att befinna sig under den, potentiellt, instabila malmen som vilar på pastafyllningen i intilliggande primärrum. Down boring är då säkrare att utföra i jämförelse med raise boring, eftersom momentet med att anbringa upprymningskronan utförs från den övre tillredningsorten. Med anledning av detta utesluts metoden med raise boring från att användas vid spaltöppning i sekundära brytningsrum, eftersom den innebär stora risker för arbetarna. Fördelen med fullortsborrning är att det skulle vara möjligt att borra samtliga öppningsstigar i pallbrytningen med en och samma metod, samt att det är relativt säkert för arbetare att utföra (frånsett raise boring i sekundära brytningsrum) och att slutresultatet av öppningen oftast blir bra vad gäller spaltgeometri.. 41.

(48) 7.5 Borrning och sprängning 7.5.1. Allmänt. För tillfället används konventionell borrning och sprängning för skapande av öppningsspalter. Borrhålen borras från övre ort vid brytning av sekundära rum, eftersom det är riskfyllt att befinna sig under malmskivan som hänger på pastafyllning i primärrum, medan det är möjligt att borra både uppoch nerifrån vid brytning av primära rum. Inom ett 1,2 m x 1,8 m område borras i ett första steg 29 stycken varefter 7 stycken av dessa hål i centrum av området ryms upp till. 70 mm hål i ett bestämt mönster, 125mm.. Hålen med 70 mm diameter laddas med SSE, medan de hål med 125 mm diameter fungerar som en fri yta som stötvågen från de laddade hålen kan reflektera mot En borrplan för en typisk sådan öppningsstig visas i Figur 7.11 nedan.. Figur 7.11. En typisk borrplan för öppningsspalt. Spalten får måtten 1,2 m x 1,8 m, och borras med 22 stycken 70mm och 7 stycken 125mm hål. 42.

(49) 7.5.2. Tid och kostnad. De riggar som används vid spränghålsborrning är av modell Simba M6 och Simba M7, bägge från Atlas Copco. Laddningen sker med standard laddtruck. Genomsnittlig underhållskostnad, i form av reservdelar och reparation, på en borrigg för varje borrad stigort är uppskattad till ungefär 30-40 000 kr, vilket är nästan 70 % av den totala materialkostnaden vid denna typ av öppning. Två stycken primers och en tändare placeras i varje laddat hål, varefter tändarna kopplas samman med i ett kopplingsblock. Sprängämneskostnaderna, inklusive primer, tändare och kopplingsblock, uppgår till ungefär 16 000 kr för en typisk stigort, vilket är ungefär 30 % av den totala materialkostnaden. Efter sprängning ventileras spränggaserna ut ur brytningsrummet så att lastning kan genomföras. Varje sådan öppningsstig tar ungefär 4-5 skift (á 8 timmar) att borra och 1 skift att ladda.. 7.5.3. Tänkbara problem. När de borrade hålen till spalten ska laddas, kan det ibland uppkomma problem i form av lösa bergrester eller liknande, som rasat ner och täppt igen hålen. När detta skett måste hålen rensas innan laddningen kan ske, vilket orsakar extra tidsåtgång. Eftersom metoden bygger på sprängning, finns risken att bomsalva inträffar. En bomsalva ger ett dåligt resultat på spalten, som kan medföra att en kompletterande borrning och sprängning måste göras för att få de önskade egenskaperna på spalten.. 43.

(50) 7.6 Blädderöppning 7.6.1. Allmänt. Blädderöppning är en teknik som helt och hållet baserar sig på borrning och sprängning. Skillnaden mellan blädderöppning och att borra och spränga en öppningsstig är dock relativt stor. Vid borrning och sprängning av öppningsstig är ju syftet att skapa en öppningsspalt att skjuta resten av salvorna mot, vilket inte är fallet för blädderöppning; här borras och sprängs varje hål istället i syfte att helt enkelt bryta lös malmen utan att öppningsspalt behövs. De första hålen som borras i den sekundära öppningen har en nästintill horisontell lutning, varför taket i undre tillredningsorten kan tjänstgöra som fri yta, men ju fler hål som borras desto mer ökas lutningen på dessa tills de står nästintill vertikalt. Metoden har använts av LKAB:s gruva i Kiruna fram till mitten på 1990-talet, varefter den övergavs till förmån för fullortsborrning i takt med att skivhöjden blev allt större. En principskiss över metoden syns i Figur 7.12 nedan.. Figur 7.12. Principskiss för blädderöppning. A) Produktionshål längst in i rummet borras praktiskt taget horisontellt, varvid vinkeln mot horisontalplanet ökas ju fler hål som borras. B) Det utbrutna rummet återfylls.. 44.

No results found