Quando un corpo minerale si trova a una distanza considerevole sotto la superficie, la quantità di rifiuti che deve essere rimossa per scoprire il minerale attraverso l’estrazione di superficie diventa proibitiva e devono essere prese in considerazione le tecniche sotterranee. Contando contro l’estrazione sotterranea sono i costi, che, per ogni tonnellata di materiale estratto, sono molto più alti sottoterra che in superficie. Ci sono una serie di ragioni per questo, non ultimo dei quali è che la dimensione delle attrezzature minerarie sotterranee—a causa delle condizioni del terreno, della geometria del corpo del minerale e di altri fattori—è molto più piccola rispetto alla fossa aperta. Inoltre, l’accesso è molto più limitato. Tutto ciò significa che la produttività, misurata in tonnellate prodotte per lavoratore per turno, può essere da 5 a 50 volte inferiore, a seconda della tecnica mineraria, rispetto alla superficie. Contro questo è bilanciato il fatto che nel sottosuolo viene estratto solo il minerale, mentre nella fossa aperta ci sono spesso diverse tonnellate di rifiuti spogliati per ogni tonnellata di minerale.

Una volta presa la decisione di andare sottoterra, il metodo di estrazione specifico selezionato dipende dalla dimensione, dalla forma e dall’orientamento del corpo minerale, dal grado di mineralizzazione, dalla resistenza dei materiali rocciosi e dalle profondità coinvolte. Ad esempio, se il minerale è molto alto o ha un prezzo elevato, è possibile utilizzare un metodo di costo più elevato. Per ridurre al minimo la miscelazione del minerale e dei rifiuti, sono disponibili metodi di estrazione altamente selettivi, ma se il minerale e i rifiuti possono essere separati facilmente in seguito (ad esempio, utilizzando magneti nel caso della magnetite), è possibile scegliere un metodo di estrazione alla rinfusa meno selettivo.

L’orientamento, in particolare il tuffo, del corpo minerale è particolarmente importante nella selezione del metodo. Se il tuffo è maggiore di circa 50°, si possono considerare sistemi che utilizzano la gravità per spostare il minerale. Se l’immersione è inferiore a circa 25°, possono essere considerati sistemi che utilizzano attrezzature stanche di gomma per il trasporto di minerali. Per i corpi minerari che hanno cali tra questi, sono necessari disegni speciali.

Le aperture realizzate nel processo di estrazione del minerale sono chiamate stopes o stanze. Ci sono due passaggi coinvolti in stoping. Il primo è lo sviluppo—cioè la preparazione dei blocchi di minerale per l’estrazione mineraria-e il secondo è la produzione, o stoping, stessa. Lo sviluppo del minerale è generalmente molto più costoso su base per tonnellata rispetto allo stoping, in modo che ogni sforzo sia fatto per massimizzare la quantità di stoping per una data quantità di sviluppo. Per i corpi minerari a forte immersione, come quello illustrato nella figura, ciò significa avere una distanza il più grande possibile tra i livelli di produzione. Le aperture maggiori risultanti offrirebbero l’opportunità di utilizzare attrezzature più grandi e più produttive e sarebbero necessari meno macchine e posti di lavoro per raggiungere un determinato livello di produzione.

In stoping, la geometria—cioè la dimensione e la forma—del corpo del minerale impone un vincolo alla dimensione delle aperture che possono essere costruite, e la forza del minerale e delle rocce murarie ne impone un’altra. La maggior parte dei materiali rocciosi sono intrinsecamente molto più forti del calcestruzzo utilizzato nella costruzione di autostrade, ponti ed edifici, ma contengono anche difetti strutturali di vario tipo, ed è questi difetti che determinano la resistenza della struttura rocciosa. Se i difetti sono molto vicini tra loro, riempiti con materiali frantumati e orientati in modo sfavorevole, le aperture sotterranee devono essere mantenute piccole.

Mentre si va più in profondità nella Terra, lo spessore e, di conseguenza, il peso della roccia sovrastante aumentano. La pressione dai lati aumenta anche con la profondità; la quantità di questa pressione dipende dal tipo di roccia e dalla situazione geologica, ma può variare da circa un terzo della pressione verticale fino a tre volte la verticale. Nelle miniere più profonde del mondo, che sono più di 4 km (2,5 miglia) sotto la superficie, la pressione diventa così intensa che la roccia esplode letteralmente. Queste esplosioni di roccia sono le principali limitazioni all’estrazione in profondità. Un campo specializzato di ingegneria noto come meccanica della roccia si occupa dell’interazione tra massa di roccia e aperture di miniera.

Sviluppo delle miniere

Prima della produzione di minerale, è necessario un certo investimento di capitale nel lavoro di sviluppo delle miniere. Nelle miniere a cielo aperto questo consiste nella costruzione di strade di accesso e nella rimozione del materiale di scarto sovrastante per esporre il minerale e stabilire le geometrie iniziali del banco. Per una miniera sotterranea la fase di sviluppo è notevolmente più complicata. Alcuni dei componenti di sviluppo di una miniera sotterranea sono illustrati nella figura.

Aperture verticali: alberi e sollevamenti

Il principale mezzo di accesso a un corpo minerario sotterraneo è un’apertura verticale chiamata albero. L’albero viene scavato, o affondato, dalla superficie verso il basso ad una profondità leggermente al di sotto dell’orizzonte minerario più profondo pianificato. A intervalli regolari lungo l’albero, le aperture orizzontali chiamate derive sono guidate verso il corpo del minerale. Ognuno di questi importanti orizzonti di lavoro è chiamato un livello. L’albero è dotato di ascensori (chiamati gabbie) con cui lavoratori, macchine e materiale entrano nella miniera. Il minerale viene trasportato in superficie in speciali trasportatori chiamati salti.

Gli alberi hanno generalmente compartimenti in cui sono contenute le linee di media (ad esempio, aria compressa, energia elettrica o acqua). Servono anche come un componente nel sistema generale di ventilazione della miniera. L’aria fresca può entrare nella miniera attraverso l’albero di produzione e uscire attraverso un altro albero, o viceversa.

Un altro modo per accedere alla metropolitana è attraverso una rampa, cioè un tunnel guidato verso il basso dalla superficie. Anche le rampe interne che vanno da un livello all’altro sono abbastanza comuni. Se la topografia è montagnosa, può essere possibile raggiungere il corpo del minerale guidando aperture orizzontali o quasi orizzontali dal lato della montagna; nell’estrazione del metallo queste aperture sono chiamate adits.

Il minerale che viene estratto sui diversi livelli viene scaricato in aperture verticali o quasi verticali chiamate passaggi di minerale, attraverso le quali cade per gravità al livello più basso nella miniera. Lì viene schiacciato, conservato in un bidone del minerale e caricato in salti in una stazione di riempimento. Nel telaio della testa sulla superficie, i salti scaricano i loro carichi e poi tornano a ripetere il ciclo. Alcune tecniche alternative comuni per il trasporto del minerale sono i nastri trasportatori e il trasporto di camion. Anche le aperture verticali o quasi verticali sono talvolta guidate per il trasporto di roccia di scarto, sebbene la maggior parte delle miniere cerchi di lasciare roccia di scarto sottoterra.

Le connessioni verticali o subverticali tra i livelli sono generalmente guidate da un livello inferiore verso l’alto attraverso un processo chiamato raising. I sollevamenti con diametri da 2 a 5 metri (da 7 a 16 piedi)e lunghezze fino a diverse centinaia di metri sono spesso perforati da potenti alesatrici. Le aperture così create possono essere utilizzate come passaggi di minerale, passaggi di rifiuti o aperture di ventilazione. Un’apertura verticale sotterranea guidata da un livello superiore verso il basso è chiamata winze; questo è un albero interno.