بررسی روش های استخراج سنگ گرانیت درایران

-مقدمه

سنگهاي تزئيني يكي از مهمترين ذخائر معدني كشورند كه در صورت توجه و استفاده مناسب از اين ذخائر مي­توانند علاوه بر رفع نياز داخلي، بخش مهمي از صادرات غير نفتي اين كشور محسوب گردند و درآمد چشمگيري را براي اين كشور به ارمغان آورند.

دسته­اي از سنگهاي تزئيني، سنگهاي گرانيتي مي­باشند، سنگ گرانيت به معناي تجاري سنگي مقاوم و سخت است كه مي­تواند جزء سنگهاي آذرين دروني، بيروني و يا متامرفيك باشد. ] 1  [اين سنگها بسيار بادوام و زيبا هستند، در مقابل فرسودگي يا پوسيدگي، هواي آلوده شهرها و بارانهاي اسيدي مقاومند و نگهداري آنها دشوار نيست. به طور كلي گرانيت رقيب بزرگ ساير مصالح ساختماني است. در حال حاضر استخراج سنگهاي تزئيني سخت (گرانيتها) به علت سايندگي و مقاومت بالاي اين سنگها با مشكلاتي همراه است و باعث شده است كه هزينه استخراجي اين دسته از سنگهاي تزئيني بيشتر از ساير سنگهاي تزئيني شود، استفاده نكردن از روش استخراجي مناسب، استخراج غير اصولي و كار غير علمي در معادن سنگهاي تزئيني، از عوامل ديگري هستند كه افزايش هزينه استخراجي را باعث مي­شوند. از اينرو در اين مقاله سعي شده است تا با نگرشي علمي بر روشهاي استخراجي سنگهاي تزئيني و بررسي آنها و با توجه به مشخصات فيزيكي و مكانيكي سنگهاي تزئيني گرانيتي و پارامترهاي اقتصادي، روشهاي استخراجي مناسب براي اينگونه سنگها شناسائي شوند.

2- مشخصات سنگهاي تزئيني گرانيتي

گرانيت در پوسته جامد زمين به وفور يافت مي‌شود و حدود 50% از سنگهاي آذرين دروني را شامل مي‌گردد، كانيهاي اصلي آن ميكا، كوارتز و فلدسپاتها مي­باشند  و از نظر تركيبات شيميايي محتوي حدود 65 تا 70 درصد اكسيد سيليسيم و 14 تا 15 درصد اكسيد آلومينيوم به اضافه اكسيدهاي آهن، سديم، پتاسيم، كلسيم، منيزيم و تيتان مي‌باشد. سنگي است بسيار سخت كه حتي در اشعار و ادبيات جهان وجه مقايسه قرار گرفته است .

در تجارت سنگهاي تزئيني واژه گرانيت به هر سنگ آذرين (نفوذي، خروجي و متامورفيك) كه قابل برش و ساب و صيقل باشد گفته مي‌شود . اين سنگها عمدتاً، گرانيت، گنايس، گنايس گرانيتي، سينيت، منزونيت، گرانوديوريت را شامل مي‌شوند. گرانيت در رنگها و طرح هاي جذاب و زيبا وجود دارد، به همين سبب استفاده از آن در نماي خارجي و سطوح صيقلي و ظريف داخل بناها بيشتر مورد توجه واقع شده است. در حال حاضر، طيف بسيار وسيعي از انواع گرانيت در رنگ هاي سياه و سبز زيتوني تيره، قرمز و صورتي خال خال با جلاي نقره اي تا تقريبا" سفيد در دسترس است.  دلايل بسياري براي سودمندي گرانيت وجود دارد كه به طور خلاصه مي­توان از استحكام، دوام زياد، و زيبائي و چشم نوازي آن نام برد. گرانيت در مقابل فرسودگي يا پوسيدگي، هواي آلوده شهرها و بارانهاي اسيدي مقاوم است و نگهداري آن دشوار نيست. اگر به صورت كفپوش به كار رود فرسوده نمي شود و اگر در فضاي باز به كار برده شود، تغييرات دما و يخبندان در ساختار كاني شناختي آن تاثيري ندارد. به علاوه، ضريب جذب آب گرانيت كم است، در نتيجه نمك هاي بارش جوي اثر محسوسي در آن نمي­گذارند .

در ساختمان هاي شهري، استفاده از گرانيت مزاياي آكوستيك نيز دارد. به علاوه، در برنامه هاي حفظ انرژي حرارتي داخل ساختمان، گرانيت نيز استفاده مي شود .با توجه به بررسيهاي انجام شده بر روي مشخصات فيزيكي و مكانيكي سنگهاي گرانيتي و همچنين معادن سنگهاي گرانيتي ايران نتايج زير حاصل مي­شود:

1-در تجارت سنگهاي تزئيني واژه گرانيت به هر سنگ آذرين (نفوذي، خروجي و متامورفيك) كه قابل برش ساب و صيقل باشد گفته مي‌شود به همين علت دسته وسيعي از سنگها جز‍ء اين خانواده قرار خواهند گرفت

2-وجود كوارتز در سنگ گرانيت باعث بالا رفتن مقاومت گرانيت و سايندگي آن مي‌شود و اين امر باعث مي‌شود كه استخراج گرانيت نسبت به استخراج سنگهاي تزئيني ديگر (سنگهاي نرم) مشكلتر باشد 3-كاني گروه ميكا كه جزء كانيهاي اصلي گرانيت مي­باشد بشكل صفحه‌اي است و سختي آن در جهت صفحه كاني و عمود بر آن متفاوت است

4-اكثر فلدسپاتها كه جزء اصلي گرانيت هستند دو كليواژ خوب عمود بر هم دارند .

5-اكثر گرانيتها بصورت توده‌اي (باتوليت و استوك) هستند .

-وجود فولياسيون اوليه در بعضي از سنگهاي گرانيتي باعث مي‌شود گرانيت در بعضي جهات راحت‌تر بريده يا شكافته شود.

  وجود ريفت و گرين در اكثر سنگهاي گرانيتي دو جهت را نشان مي‌دهد كه سنگ گرانيت در آن دو جهت راحت‌تر بريده يا شكسته مي‌شود .

  در سنگ گرانيت هرچه اندازه دانه‌ها بزرگتر باشد، مقاومت سنگ كاهش مي‌يابد ولي شكنندگي وترد بودن سنگ افزايش مي‌يابد چرا كه سطوح كليواژ در سنگها با دانه‌هاي بزرگ بيشتر است .

  سنگ گرانيت سنگي است كه توسط چالهاي موازي و پارس گوه بسيار قواره پذيراست

  اگر گرانيت درشت دانه باشد و بلورهاي فلدسپات بزرگ داشته باشد، مقاومت خمشي آن از شكنندگي فلدسپات تاثير مي­گيرد. اگر فلدسپات كليواژ باز داشته باشد، كه نفوذ و انجماد آب را امكانپذير كند، آنگاه ضريب جذب آن بزرگ خواهد بود. اگر گرانيت يكنواخت و ريزدانه باشد، نتايج آزمون هاي خمشي با ثبات(يعني در مقابل خمش مقاومت خوبي از خودش نشان مي­دهد)، و ضريب جذب كوچك است .

  اكثر سنگهاي گرانيتي ايران از نوع گرانيت، گرانوديوريت، كوارتزسينيت و ميكروديوريت مي­باشند

  دانسيته ميانگين سنگهاي تزئيني ايران  76/2 گرم بر سانتيمتر مكعب مي­باشد .

  مقاومت فشارشي سنگهاي گرانيتي ايران بين 5/107 ( گابرو اردستان ) تا 218 ( آمفيبوليت شيست خزر ) مگا پاسكال مي­باشدواين سنگها مقاومت سايشي بين 4/34 تا 9/99( سختي ) دارند .

3- انتخاب روشهاي استخراجي

براي انتخاب روش استخراج سنگ گرانيت لازم است به اين نكته توجه شود كه روش انتخابي علاوه بر كارائي در سنگهاي سخت شرايط زير را دارا باشد:

  قابليت صادرات

  بودن روش در ايران

  كمتر صدمه رساندن به ذخائر

  و موجود بودن تكنولوي آن در ايران

بر طبق اين پارامترها ، روش استخراجي سيم برش الماسه از بين روشهائي كه نياز به دستگاه برش دارند و روش پارس و گوه دستي از بين روشهائي كه از چالهاي موازي استفاده مي­كنند به عنوان روشهاي استخراج سنگ گرانيت انتخاب مي­شوند.

4- بررسي اقتصادي روشهاي استخراجي سنگهاي گرانيتي

در اين مبحث، روشهاي استخراجي سيم برش الماسه و پارس و گوه به عنوان دو روش استخراجي قابل اجرا‍ء در سنگهاي گرانيتي از نظر اقتصادي مقايسه مي­شوند  .

4-1- اصول كلي براورد اقتصادي

الف) در محاسبات اقتصادي تنها هزينه‌هاي توليدي منظور شده و از برآورد هزينه‌هاي جنبي خودداري شود.

ب) به علت حذف هزينه‌هاي مشابه در روشهاي مورد بررسي، فعاليتهايي كه عموماً در روشهاي مختلف به شكلي يكسان اجرا شده يا قابل اجرا هستند حذف شوند.

ج) هزينه سرمايه‌گذاري اوليه در محاسبات مربوط به نرخ بازگشت سرمايه‌اوليه مورد بررسي قرار گيرد.

4-2- پارامترهاي ورودي

4-2-1- از آنجا كه سنگ گرانيت از نظر تجاري دامنه وسيعي از سنگها را در بر مي‌گيرد، لذا لازم است كه تدبيري انديشيده شود كه بتوان بررسي اقتصادي را به تمام سنگهاي گرانيتي نسبت داد از اين رو از تقسيم­بندي سنگ گرانيت كه توسط شركت آركوفيل(Arcofil ) ارائه شده استفاده خواهد شد. اين شركت سنگ گرانيت تجاري را بر اساس سرعت برش سيم برش الماسه در آنها، به 5 گروه تقسيم بندي كرده است 

 4-2-2- از آنجا كه اندازه بلوك استخراجي نقش بسزائي در هزينه‌هاي استخراجي دارد لازم است كه برآورد هزينه‌هاي استخراجي براي بلوكهاي با اندازه‌هاي متغير انجام شود. بهتر است عرض بلوك متناسب با فاصله متوسط درزه ها و مضرب صحيحي از ابعاد سنگ قواره انتخاب شود. از آنجائي كه ابعاد سنگ قواره 5/1*5/1*3 متري ] 16 [ انتخاب شده است ابعاد بلوك اوليه مقادير 3 متري در نظر گرفته شده است.

4-2-3- توليد ساليانه معدن پارامتر بسيار مهمي است كه در برآورد هزينه‌هاي استخراجي لازم است  مد نظر قرار گيرد. به همين منظور تمام بررسيهاي اقتصادي براي توليد ساليانه مختلفي انجام شده است و براي هر روش با توجه به توليد ساليانه، دستگاههاي اصلي  و هزينه بر مورد نياز محاسبه شده است.

4-2-3-1- روش استخراجي سيم برش الماسه و قواره­سازي با پارس و گوه

چنانچه در معدني توليد ساليانه آن تن در سال در نظر گرفته شود لازم است دستگاههاي مورد نياز بر اساس اين مقدار توليد ساليانه انتخاب شوند (با توجه به كوپ دهي 70 درصد)، پارامترها و تعداد دستگاههاي موردنياز از فرمولهاي زير بدست مي­ آیند.

تعداد دستگاه راسول مورد نياز 

تعداد دستگاه پرفراتور 

تعداد دستگاه سيم برش  تعداد دستگاه كمپرسور

تعداد دشتگاه ژنراتور  سرعت حفاري پرفراتور (متر بر ساعت)

سرعت حفاري دستگاه حفاري راسول (متر بر ساعت)    سرعت برش سيم برش الماسه 

تعداد بلوك استخراجي در سال

4-2-3-2- روش استخراجي سيم برش الماسه و قواره سازي با سيم برش الماسه

پارامترها و دستگاههاي موردنياز از فرمولهاي زير بدست مي­آيند:

  4-2-3-3- روش استخراجي با پارس و گوه

چنانچه ميزان كوپ دهي اين روش 60 درصد در نظر گرفته شود تعداد دستگاههاي مورد نياز اينگونه محاسبه مي­شوند:

3-2-4- قيمت سنگ ساختماني پارامتري است كه استخراج يك روش استخراجي را اقتصادي يا غير اقتصادي مي‌كند. به همين منظور سعي شده كه اين پارامتر مهم در محاسبات اقتصادي مدنظر قرار گيرد. به اين ترتيب كه براي هر سنگ خاصي و براي هر روش خاصي با توجه به توليد ساليانه متفاوت، قيمت سنگ به گونه‌اي كه استخراج سنگ را با آن تناژ و آن جنس سنگ و آن روش خاص اقتصادي باشد، محاسبه خواهد شد

4-2-5-  در معادن سنگ تزئيني عمده سرمايه اوليه صرف خريد ماشين آلات و تجهيزات خواهد شد پس در مرحله اول سرمايه‌اوليه  مورد نياز براي ماشين آلات  محاسبه شده و براي محاسبه سرمايه‌گذاري جهت تاسيسات كه شامل ساختمانهاي اداري، تعميرگاه، انبار، مخزن گازوئيل، مخزن آب، مخزن روغن، مخزن آب شرب و پارس و گوه براي قواره سازي، و غيره ....مي­باشد 10 درصد هزينه سرمايه ماشين آلات و تجهيزات در نظر گرفته خواهد شد. 

در مبحث گذشته فرمول هائي ارائه شد كه بر اساس آنها تجهيزات اصلي مورد نياز و تعداد آنها قابل محاسبه مي­باشند با توجه به آن مطالب و اين نكته كه هر معدن به يك بلدوزر نيازمند است، طي فرمول هاي بدست آمده از مباحث قبلي، براي هر نوع گرانيت با توجه به توليد ساليانه متفاوت، هزينه سرمايه‌گذاري براي ماشين آلات و تجهيزات قابل محاسبه مي­باشد. اين محاسبات براي هر روش استخراجي تكرار شده است.

توجه شود كه در محاسبات هزينه سرمايه‌گذاري اوليه، تنها تجهيزات اصلي نسبتاً گرانقيمت كه واقعاً مهم هستند منظور شده است. 

4-3- محاسبه اقتصادي

4-3-1- روش سيم برش الماسه و قواره­سازي با پارس و گوه

- هزينه هاي پايه

عمرسرمته دستگاه حفاري راسول (متر)        عمر سر مته دستگاه حفاري پرفراتور

عمر هر متر سيم برش الماسه ( مترمربع بر متر)  هزينه برش باعدد دستگاه سيم برش الماسه ( ريال بر متر مربع )

هزينه ساعتيعدد دستگاه كمپرسور ( ريال بر ساعت )

هزينه قواره سازي باعدد دستگاه پرفراتور بدون در نظر گرفتن هزينه هواي فشرده( ريال بر متر مربع )

 - هزينه هاي استخراجي

  هزينه حفاري واحد حجم سنگ بدون در نظر گرفتن هزينه هواي فشرده ( ريال بر متر مكعب )

هزينه برش سنگ به ازاي واحد حجم سنگ ( ريال بر متر مكعب )

هزينه قواره سازي واحد حجم سنگ ( ريال بر متر مكعب )

هزينه هواي فشرده مصرفي براي استخراج واحد حجم سنگ ( ريال بر متر مكعب )

 هزينه كل استخراجي با توجه به توليد ساليانه ( ريال بر متر مكعب )

4-3-2- روش سيم برش الماسه و قواره­سازي با سيم برش الماسه

 هزينه هاي پايه

 اين هزينه­ ها در مبحث قبل محاسبه شده اند، تنها در هزينه قواره­سازي تفاوتي وجود دارد، چرا كه عمل قواره­سازي در اين روش با سيم برش الماسه انجام مي­شود بنابر اين همان هزينه برش با دستگاه سيم برش كه قبلاً محاسبه شده، درنظر گرفته مي‌شود

-هزينه قواره سازي با دستگاه سيم برش الماسه ( ريال بر متر مربع )

- هزينه هاي استخراجي

-هزينه برش و قواره سازي بلوك با سيم برش الماسه ( ريال بر متر مكعب ).

4-3-3- روش استخراجي با پارس و گوه

- هزينه هاي پايه

- هزينه هاي استخراجي

  4-4- ارزيابي سوددهي پروژه

چنانچه تن توليد ساليانه سنگ قابل فروش باشد و نرخ سرمايه ‌گذاري براي تاسيسات و پارس و گوه جهت قواره سازي و سيم برش الماسه، %10 هزينه سرمايه‌گذاري براي ماشين آلات در نظر گرفته شود و سرمايه‌گذاري اوليه ماشين آلات و تجهيزات فرض شود برابر خواهد بود با:چنانچه قيمت ميانگين هر تن ماده معدني فرض شود و هزينه به ازاي واحد حجم ماده معدني باشد آنگاه:

فرمول محاسبه نرخ بازگشت داخلي سرمايه در معدن چنين است 

  هزينه مربوط به سال          نرخ بازگشت داخلي سرمايه ( درصد )

ارزش بازمانده ماشين آلات و تجهيزات ( ريال )  سرمايه گذاري اوليه ( ريال )

عمر پروژه ( سال )                        هزينه استهلاك ساليانه بلدوزر ( ريال بر سال )

با توجه به اينكه عمر پروژه 5 سال فرض شده است و از آنجا كه ارزش اسقاطي ماشين آلات به غير از بلدوزر، صفر در نظر گرفته شده است، با جايگزيني مقادير فوق در فرمول بالا رابطه زير بدست آمده است (استهلاك ساليانه بلدوزر به روش 25درصد نزولي محاسبه شده است)

 5- تحليل اقتصادي

با بررسي روشهاي استخراج سنگهاي تزئيني و معيارهاي انتخاب روش (كاربرد در سنگهاي سخت، مجاز به استفاده بودن در ايران، موجود بودن تكنولوژي، قابليت صادرات و حفظ ذخيره)، از بين روشهاي استخراجي با چالهاي موازي، روش استخراجي با پارس و گوه و به شيوه دستي انتخاب شده است. از بين روشهاي استخراجي ديگر، استخراج با استفاده از سيم برش الماسه انتخاب شده است. چرا كه روشهائي چون جت آب، استخراج با استفاده از حرارت و ليزر روشهائي هستند كه تكنولوژي آنها در ايران موجود نيست و آوردن اين تكنولوژي نياز به سرمايه گذاري اوليه بسيار زيادي دارد ضمن اينكه روشهائي چون استخراج با ماشينهاي هاواژ در سنگهاي سخت كارايي ندارند.

در بررسي­هاي اقتصادي اين دو روش استخراجي نتايج زير حاصل شده است:

 در تمامي روشهاي استخراجي، هر چه ابعاد بلوك استخراجي افزايش يابد هزينه ­هاي استخراجي كاهش خواهند يافت، از آنجا كه ابعاد بلوك استخراجي تاثير بيشتري بر هزينه­ هاي استخراجي روش استخراجي پارس و گوه نسبت به روش استخراجي سيم برش الماسه مي­گذارد. به عبارتي هرچه ميزان كاربرد پارس و گوه در معدن افزايش يابد (حتي براي قواره­سازي)، تاثيرابعاد بلوك استخراجي بر هزينه­ هاي استخراجي افزايش خواهد يافت پس در معادن سنگهاي تزئيني سخت تا آنجا كه شرايط درزهاي منطقه، ايمني و تجهيزات اجازه دهند بهتر است ابعاد بلوك استخراجي را افزايش داد.

به طور تئوريك (بدون در نظر گرفتن توليد ساليانه معدن) هرچه سنگ سخت ­تر شود، روش استخراجي با پارس و گوه نسبت به روش ديگر كم­ هزينه­ تر خواهد شد اين در حالتي است كه در سنگهاي گرانيتي درجه 1 و 2،روش استخراجي سيم برش الماسه همراه با قواره­سازي با پارس و گوه كم هزينه­ تر خواهد بود. براي گرانيت درجه3 چنانچه ابعاد بلوك استخراجي كوچك انتخاب شود روش استخراجي سيم برش الماسه همراه با قواره­سازي با پارس و گوه، هزينه استخراجي كمتري نسبت به روش استخراجي با پارس و گوه خواهد داشت. در غير اين صورت روش استخراجي با پارس و گوه كم هزينه ­تر خواهد بود.  براي گرانيت درجه4 و5 روش استخراجي با پارس و گوه هزينه استخراجي كمتري خواهد داشت.

در عمل (چنانچه توليد ساليانه نيز در نظر گرفته شود) در روش استخراجي با سيم برش الماسه، با افزايش توليد ساليانه معدن، هزينه­هاي استخراجي كاهش خواهند يافت، اين در حالتي است كه نرخ كاهش هزينه­ها در حالتي كه از روش قواره­سازي با پارس و گوه استفاده مي­شود بيشتر است.  اما در روش استخراجي با پارس و گوه به علت توليد كمي كه دارد، با افزايش توليد ساليانه هزينه­هاي استخراجي افزايش خواهند يافت، با توجه به اين مسئله مشخص مي­شود كه توليد ساليانه معدن نقش مهمي در هزينه­هاي استخراجي دارد چرا كه در روشهاي استخراجي با توليد كم براي رسيدن به توليد ساليانه مورد نياز تجهيزات بيشتري نياز خواهد بود كه در اين شرايط هزينه دستگاه ها به ازاي تناژ سنگ استخراجي افزايش خواهد يافت و در نهايت باعث افزايش هزينه­هاي استخراجي خواهد شد.

روشهاي استخراجي مناسب براي هر نوع سنگ گرانيت و توليدات ساليانه متفاوت درج شده است، با توجه به اين كه در انتخاب روش استخراجي، هزينه سرمايه گذاري اوليه نيز لحاظ شده است. با توجه به این مشخص مي­شود با افزايش توليد ساليانه معدن، روش سيم برش الماسه با قواره­سازي با پارس و گوه براي هر سنگي بهترين روش استخراجي خواهد بود. ، حداقل قيمت ميانگين سنگ استخراجي را طوري كه استخراجش با روش انتخابي، اقتصادي باشد (نرخ داخلي بازگشت سرمايه حداقل %20)، نشان مي­دهد. با استفاده از جداول مي­توان براي هر سنگ با توجه به ارزش آن در بازار، روش استخراج مناسبي انتخاب كرد.

 Sp : روش استخراجي سيم برش الماسه با قواره­سازي با پارس و گوه.

P : روش استخراجي پارس و گوه

جدول 5- حداقل قيمت ميانگين سنگ با توجه به جنس سنگ و توليد ساليانه متفاوت.

6- نتيجه گيري

1-  چنانچه روش استخراجي سيم برش الماسه باشد با افزايش توليد ساليانه هزينه استخراجي كمتر مي­شود.

2- چنانچه روش استخراجي استفاده از پارس و گوه باشد با افزايش توليد ساليانه هزينه استخراجي افزايش مي­يابد.

3-  در هر روش استخراجي با افزايش ابعاد بلوك استخراجي هزينه استخراجي در واحد حجم ماده معدني كاهش مي­يابد.

4-  براي هر معدن سنگ گرانيت با توجه به نوع سنگ، قيمت سنگ، توليد ساليانه و غيره... روش استخراجي مناسب انتخاب شود.

5-  براي معادن سنگ گرانيت با توليد ساليانه بيش از 10000تن، بهترين روش استخراجي استفاده از روش استخراجي با سيم برش الماسه و قواره­سازي با پارس وگوه مي­باشد.