Derin Okuma — Block Caving

Bir yeraltı yükleyicisi, beton kaplı tünelin ucunda beklerken yukarıdaki 400 metrelik kaya dilimi insan eliyle değil, kendi ağırlığıyla çatlıyor. Operatör radyoaktif iz hattında gelen sinyale göre tek kepçe çekip iki metre ilerliyor. Şutun ağzından dökülen malzeme cevher de olabilir, atık da. Yöntemin adı blok göçertme. Açık ocak kadar ucuz, derin yeraltı kadar kapalı görünür. Peki, bir dağı kontrollü biçimde çökertip cevheri alttan akıtmak nasıl üretim planına dönüşüyor?

Kütüphanenin alt rafını çekmek

Kitaplığın en alt rafındaki birkaç cildi çektiğinde üst raflar eğilir, kitaplar devrilmeye başlar. Rafı sonradan tekrar yerine koyamazsın. Blok göçertme aynı ilkeyi madene uyarlar. Cevher bloğunun altından geniş bir boşluk açılır, kaya kendi ağırlığıyla kırılır, parçalanır ve aşağı akar. Delme patlatmanın görevi yalnızca ilk boşluğu yaratmaktır, sonrasını yer çekimi üstlenir. Dolayısıyla ton başına işletme maliyeti yer altı yöntemleri içinde en düşüklerden birine iner.

Mühendisin asıl işi kazı değildir, devrilmeyi yönetecek genişliği ve alttan çekiş düzenini kurmaktır. Kütüphane rafı devrilince düzensiz durur, madende ise çökme hızı ve sırası kısmen kontrol altındadır. Kontrol ise zeminde açılan küçük tünellerden değil, çizim adı verilen çekiş noktalarından sağlanır. Her çizim noktası, cevherin serbest akışını sağlayan bir vana gibi çalışır. Çekiş hızı ayarlandığında blokun iç basıncı dağıtılır ve ani göçme riski azalır.

Yer çekimi devreye girince ocak masrafı düşer

Yöntemin maliyet avantajı, cevherin etrafındaki kaya kütlesini ayakta tutmak için para harcanmamasından gelir. Ton başına yer altı işletme maliyeti çoğu projede 8-14 dolar aralığında dolaşır. Kesme-dolgulu klasik bir yer altı yöntemi ise 20-35 dolar ister. Açık ocak mühendisi bunu görünce tanıdık bir çizgi yakalar, çünkü aradaki fark cevheri kazıp taşımaktan değil, boşluk bırakmaktan doğar.

Ancak maliyet avantajı yalnızca doğru boşluk açıldığında devreye girer. Kaya kütlesinin dayanımı, açılan boşluğun boyutuna karşıdır. Kritik hidrolik yarıçap, boşluğun alanının çevresine oranıdır. Terim su ile ilgili değildir, kaya kütlesinin kendini taşıyamayıp göçmeye başladığı eşik boyuttur. Zayıf bir kaya kütlesinde 15-25 metrelik eşik yeterli olur. Sert, masif bir granit bloğunda ise 30-50 metre gerekir. Kaya kütlesi karakterizasyonu RMR veya Q sınıflamasına göre yapılır, bu değerler eşik hesabına doğrudan girilir.

Alt kesim adı verilen ilk boşluk blok tabanında patlatma ile açılır. Göçme yüzeye doğru ilerler. İlk ince çatlaklar saatler içinde oluşur, ana kütle haftalar boyunca milimetre mertebesinde yer değiştirir. Yüzeyde çökme hunisi oluştuğunda madenin izin dosyası en başta buna göre yazılmış olmalıdır. Çökme sınırı çoğu projede madenin kendisinden daha büyük bir sosyal risktir. Dolayısıyla blok göçertme, şehre ya da göle yakın projelere uygun değildir. Yüzey çökme açısı kaya kütlesi özelliklerine göre 30 ila 60 derece arasında değişir, bu da sınırın maden ayak izinden çok öteye taşmasına yol açar.

Alttan çekiş senin kontrol düğmendir

Çökme cephesi yukarı çıkarken asıl üretim alttaki ekstraksiyon seviyesinde döner. Bir blok göçertme madeninin kalbi bu seviyedir. Ekstraksiyon sürüklenmeleri cevher kütlesinin altında birbirine paralel tüneller olarak sürülür. Sürüklenmeler arası mesafe 30 metre dolayındadır, çizim noktaları ise 15-20 metrede bir açılır.

Her çizim noktası tünel tavanından yukarı doğru açılmış çan biçiminde bir boşaltma hunisiyle biter. Huniler sektörde drawbell adını alır. Bir drawbellin taban çapı 4-6 metre, yüksekliği ise 10-15 metre arasındadır. Huni profili cevherin serbest akışını sağlayacak eğimde tasarlanır, genellikle 45-55 derece. Bir yükleyici her seferde 15-20 ton cevheri kepçesine alıp cevher geçidine taşır. 000 ton aralığındadır. Yüz bin tonluk günlük cevher için 80-120 aktif çizim noktasının aynı vardiyada nefes alması gerekir.

Çizilen malzeme cevher geçidinden yer çekimiyle ana kırıcıya iner. Kırıcı seviyesi genellikle ekstraksiyon seviyesinin 15-30 metre altındadır. Kırılmış malzeme bantlı konveyörle kuyuya ya da yüzeye taşınır. Basit akış yeraltında kamyon trafiğini azaltır. Darbe sesi ve toz yönetimi ise havalandırma basıncını günlük plana bağlar. Havalandırma sistemi tipik olarak saniyede 500-1.000 metreküp hava taşır, çizim noktalarındaki toz konsantrasyonu 2 miligramdan düşük tutulur.

Çizim sırası gelişigüzel olamaz. Merkezi bir nokta fazla çekilirse yan taraftan atık kaya sızabilir. Dilüsyon denir bu olaya. Göçertme planı ya üçgen düzeninde ya da şerit halinde ilerler. Üçgen düzeninde noktalar altıgen bir paternde çekilir, kenar noktalar merkezden sonra devreye girer. Bazı operasyonlar noktalar arası çizim farkı yüzde 15'i geçtiğinde alarm verir. Çizim hızı saniyede 0,5-1,5 ton arasında tutulur, bu hız aşıldığında akış profili bozulur.

Aşırı su, ince malzemeyi bir çamur tıkacına çevirir. Çizim noktasından ani çamur akması yaşanırsa yükleyici kapısı kapanır ve bölge günlerce izlenir. Hava patlaması riski de yüksek bir boşluk aniden bağlandığında ortaya çıkar. Tüm bu sinyaller işletmeciye tek bir şeyi söyler, çekiş hızı bir performans hedefi değil güvenlik vanasıdır. Sismik izleme ağı çizim noktalarından 50 metre uzağa yerleştirilen jeofonlarla anlık veri toplar, olay büyüklüğü -1.0 moment magnitüdün üzerine çıktığında çekiş otomatik durdurulur.

Sert kayayı çökertmek için önce kırmak

Sert kaya kendiliğinden çökmez. El Teniente ve Cadia East gibi büyük bakır panellerinde ön koşullandırma yapılmadan alt kesim uygulanırsa kaya asılı kalır. Asılı tavan haftalarca durur, sonra birden düşer. Ani düşüş sırasında sıkışan hava hızla boşalır. Sektör buna hava patlaması der, kapıları yerinden söker.

Çözüm, göçme cephesini önceden zayıflatmaktır. Ön koşullandırma kuyuları blok içine 20-60 metre aralıklarla delinir. Yüksek basınçlı su ve ince kum karışımı doğal çatlakları genişletir. Basınç 15-40 megapaskal aralığında tutulur. Delik çapı kaya kalitesine göre 100-150 milimetre civarındadır. Kum konsantrasyonu metreküp başına 100-300 kilogram arasında değişir, debi ise dakikada 2-5 metreküp seviyesindedir.

Hidrolik çatlatma petrol sahasında rezervuarı açmak için kullanılır. Madende amaç rezervuar açmak değil, kaya kütlesinin düzenli kırılmasını sağlamaktır. Ön koşullandırma sonrası çatlak ağı alt kesim patlatmasından birkaç hafta önce hazırdır. Çökme cephesi daha düşük sismisite ile ilerler. Grasberg Bloğu gibi derin projelerde ön koşullandırma günlük sismik olay sayısını yarıya yakın azaltabilir. Sismik enerji salınımı 10^4 joule altında tutulduğunda çevre tünellerde hasar riski minimuma iner.

İşletmeci asılı tavanı patlatarak devrilme başlatabilir, ancak ani göçme cevheri değil tüneli tehdit eder. Dolayısıyla güçlü kayada ön koşullandırma maliyetten sayılmaz, bir sigorta gibi çalışır. Her bir ön koşullandırma kuyusuna bazen yüz binlerce litre su basılır. Karşılığında asılı kalma süresi günlerden saatlere iner. Ön koşullandırma maliyeti ton başına 0,50-1,50 dolar ekler, ancak asılı tavan durumunda oluşacak üretim kaybı ve hava patlaması riski bu maliyeti defalarca haklı çıkarır.

Kaliteyi çekiş hızından ayrı düşünemezsin

Blok göçertme, tenör kontrolü açısından sabırlı bir yöntemdir. Bir çizim noktası cevheri hızlı çekerse çevredeki düşük tenörlü malzeme cevher bölgesine akar. Madencinin elinde kazı sırasında selektif ayıklama imkanı yoktur. Kalite çizim noktalarının dengeli çalışmasından doğar. Tenörü yüksek tutmak için genellikle nokta çizim farkı yüzde 10-20 bandının dışına çıkarılmaz.

Modern operasyonlar cevher akışını izlemek için radyoaktif işaretleyiciler kullanır. İşaretleyiciler belirli üretim noktalarına yerleştirilir, gelen kovadaki sinyal hangi bölgeden aktığını gösterir. Cadia East gibi tesislerde bu sistem neredeyse her vardiyada çalışır. Tenör yüzde 0,80'den yüzde 0,70'e düştüğünde ekonomi ciddi biçimde değişir. Dilüsyon yalnızca tonajı artırmaz, değirmene giden malzemenin sertliğini ve öğütme maliyetini de yükseltir. Atık kaya sertliği genellikle cevherden yüzde 20-30 daha fazla olduğu için enerji tüketimi de orantılı artar.

Tesis günlük kapasitesi sabitse atık oranı arttıkça cevherdeki bakırın birimi başına enerji tüketimi yükselir. Proses müdürü blok göçertmeyi bir maden değil, uzun bir cevher hazırlama süreci gibi görür. Çekiş hızı ile tenör arasındaki ilişki bu yüzden her sabah işletme toplantısının ilk satırıdır. Çizim simülasyonları, on günlük çekiş planlarını tenör varyansını minimize edecek şekilde optimize eder. Çizim noktası başına günlük çekiş miktarı 1.000 tonun altına düştüğünde genellikle o nokta kapanmaya yaklaşır.

Çizim hızını yükseltmek kısa vadede üretimi artırabilir ama cevherle atık arasındaki sınırın hızla bozulmasına yol açar. Bazı operasyonlar bir çizim noktasında günlük 2.000 tonun üstüne çıkıldığında çevredeki noktaları geçici olarak yavaşlatır. Şerit çizimi yüzde 8-12 arasında daha yüksek tenör koruyabilir. Geri dönüşü olmadan alınan bu kararlar, tesisin değirmen beslemesini üç ay sonrasına kadar etkiler. Stok sahasına alınan düşük tenörlü malzeme, yüksek tenörlü dönemlerde harmanlanarak kullanılır, ancak bu da lojistik maliyeti ekler.

Piyasa Hafızası

Şili'nin Atacama Çölü'ndeki Chuquicamata açık ocağı yaklaşık yüz yıl boyunca bakır üretti. Codelco yüzeyin derinleşmesi sonucu 2019'da yeraltına geçti. Ağustos 2019'da blok göçertme yöntemiyle ilk cevher sahadan akmaya başladı. Yeni yer altı madeni günde yaklaşık 140 bin ton cevher taşıyacak şekilde planlandı. Projeye beş yılı aşkın tünel geliştirme ve 4 milyar doların üzerinde harcama yazıldı. Ders şurada, blok göçertme ton başına ucuz görünür ama önce bilanço sağlamlığı ister.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek.

Sadece tenörün yüzde 0,80'den yüzde 0,70'e indiği senaryoyu düşün. Çıkarılabilir bakır 2,9 milyondan 2,5 milyon tona yaklaşır. Brüt gelir 24,5 milyardan 21,4 milyar dolara geriler, basit kalan ise 3,1 milyar dolar civarında erir. Blok göçertmede işletme giderleri düşük olduğu için karın neredeyse tamamı tenörün korunmasına bağlıdır. Çekiş planındaki yüzde birkaçlık hata, on yıllar süren bir cevher kaybına dönüşür.

Madenin deftere yazdığı üç satır

Birincisi, blok göçertme bir kazı yöntemi değil, bir lojistik sistemidir. Cevheri kamyonla taşımazsın, yer çekimiyle taşırsın. Operasyonun her vardiyası bir çekiş planının ne kadar disiplinli uygulandığına bakar. Günlük 140 bin ton, yüzlerce küçük çekiş kararı ile yönetilir.

İkincisi, ilk maliyet ile işletme maliyeti aynı defterde ters yazılır. Geliştirme neredeyse tüm sermayeyi alır, üretim aşaması ise ton başına düşük maliyetle döner. Yatırımcı için on yıllık geri dönüş süresi sıra dışı değildir. Şebeke kablosundan elektrikli araç motoruna uzanan bakır talebi derinleşen ocaklara hız kazandırıyor.

Üçüncüsü, tenör kaybını geri alamazsın. Hızlı çekilen bir blok, metale dönüşmemiş para demektir. Dünyanın büyük bakır projeleri derinleştikçe blok göçertme daha fazla tedarik zincirine girecek. Dağı kontrollü indirmek, madenciliğin en sabırlı büyük ölçekli sınavıdır.