پیشرفتهای اخیر در فناوریهای کلیدی برای استخراج زیرزمینی فلزات
استخراج زیرزمینی فلزات یک سیستم پیچیده است که شامل توسعه، آمادهسازی کارگاه (تعیین و استقرار سنگ معدن) و استخراج میشود و انفجار در هر مرحله ضروری است. بنابراین، دستیابی به انفجاری که هم ایمن و هم کارآمد باشد، یک هدف تحقیقاتی اصلی برای مهندسان معدن است. معادن فلزی اکنون در یک گذار حیاتی از کارهای سطحی به عمیق، از شرایط آسان به دشوار و از سنگ معدن پرعیار به کمعیار هستند که چالشهای جدیدی را برای تئوری، فناوری و تجهیزات ایجاد میکند. بنابراین، تحقیق در مورد فناوریهای کلیدی برای استخراج زیرزمینی اهمیت ویژهای پیدا کرده است. پیشرفتهای فعلی در پنج حوزه متمرکز شدهاند: حفاری و انفجار، حمل و نقل و بالابری مواد، تقویت سنگ، پر کردن خمیر و کنترل از راه دور. این بررسی خلاصهای از توسعه و پیشرفتهای اخیر در هر حوزه را ارائه میدهد.
حفاری و انفجار حفاری و انفجار همچنان فناوریهای اصلی در استخراج فلزات هستند، اما از نظر تاریخی نیز یک حلقه ضعیف بودهاند. بهبود راندمان حفاری و انفجار برای استخراج ایمن و پربازده زیرزمینی حیاتی است. با گذشت زمان، این صنعت از حفاری دستی به متههای پنوماتیک و هیدرولیکی، به حفاریهای جامبو (از جمله دکلهای چرخشی و درون چاهی) و اکنون به سمت رباتهای حفاری پیشرفت کرده است. این روند از مکانیزاسیون ساده به سمت اتوماسیون، هوشمندسازی و حفاظت از محیط زیست در حال حرکت است.
انواع دکلهای حفاری متناسب با شرایط مختلف زمین در داخل و خارج از کشور توسعه یافتهاند. در سالهای اخیر، با بهبود تجهیزات حفاری، برخی کشورها (بهویژه ایالات متحده و کانادا) روشهای حفاری/انفجار روباز در مقیاس بزرگ را برای استفاده زیرزمینی تطبیق دادهاند: گمانههای قطعهبندی شده با عمق متوسط، در برخی موارد، با گمانههای عمیق مرحلهای با قطر بزرگ جایگزین شدهاند و نتایج مطلوبی را به همراه داشتهاند. به عنوان مثال، سوئد مجموعهای از تونلهای بزرگ با راندمان حفاری بالا، ایمنی بهبود یافته و آلودگی کمتر را توسعه داده است. در داخل کشور، تونلهای بزرگ سه بازویی کاملاً کنترلشده با کامپیوتر که عملیات جابجایی، حفاری و شارژ را ادغام میکنند، توسعه یافتهاند که عملکرد ساده، ایمنی بالا و هزینه کمتری را ارائه میدهند. این سیستمها کیفیت و کارایی حفاری را بهبود میبخشند و در عین حال شدت کار و ریسک عملیاتی را کاهش میدهند و اتوماسیون، هوشمندی و عملکرد زیستمحیطی را ارتقا میدهند.
از آنجا که شرایط زیرزمینی و الزامات حفاری جاده و استخراج معدن متفاوت است، روشهای انفجار نیز متنوع باقی میمانند. تکنیکهایی مانند انفجار با خرج تفاضلی کوچک، انفجار با فشار و انفجار با سطح صاف به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند و در بسیاری از موقعیتها نتایج انفجار را بهبود بخشیدهاند.
فناوری انفجار به سمت انفجار دقیق، انفجار سبز و انفجار هوشمند در حال تکامل است. انفجار دقیق برای دستیابی به شکست هدفمند سنگ، به طراحی دقیق الگوی سوراخ، مطالعات دقیق انرژی انفجار و مدلسازی شبیهسازی انفجار متکی است. انفجار سبز از عوامل احتراق جدید برای جایگزینی مواد منفجره مرسوم استفاده میکند، گازهای مضر انفجار را از بین میبرد و کیفیت هوای زیرزمینی را به طور قابل توجهی بهبود میبخشد. انفجار هوشمند، طراحی انفجار هوشمند، تجهیزات هوشمند، مدلسازی پیشبینی ارتعاش و شناسایی خودکار سوراخهای بدون بار را برای ایجاد یک سیستم انفجار هوشمند ادغام میکند.
فراتر از روشهای انفجاری، تکنیکهای سنگشکنی غیر انفجاری نیز مورد توجه قرار گرفتهاند. از دستگاههای سنگشکن پیوسته برای حفاری مکانیکی در سنگهای با سختی متوسط و نرمتر استفاده میشود که بهرهوری بالا و شرایط کنترل زمین مطلوبی را ارائه میدهند. روشهای خردایش فیزیکی - مانند جت آب با فشار بالا و خردایش حرارتی - میتوانند بر برخی از محدودیتهای برش مکانیکی خالص غلبه کنند، گرد و غبار کمی تولید کنند و جرقهای ایجاد نکنند و شرایط کار را بهبود بخشند. با این حال، مصرف بالای انرژی، هزینه بالا و فرسودگی شدید ابزار، پذیرش گسترده را محدود کرده است. علاوه بر این، توسعه داخلی در فناوریهای اطلاعات و هوش مصنوعی دیرتر از برخی کشورهای دیگر آغاز شد، بنابراین سیستمهای هوشمند کلیدی برای استخراج مداوم سنگ سخت هنوز تا حد زیادی به فناوری خارجی متکی هستند. در نتیجه، استخراج مداوم برای ذخایر سنگ سخت هنوز به طور گسترده در داخل کشور اجرا نمیشود.
حمل و نقل و بالابری مواد سیستمهای حمل و نقل و بالابری برای تولید زیرزمینی بسیار مهم هستند و فرآیند استخراج را در یک سیستم پیوسته ادغام کرده و عملکرد عادی را تضمین میکنند. حمل و نقل سنگ معدن از روشهای دستی به سیستمهای ریلی و سپس به سیستمهای بدون ریل (چرخ لاستیکی) تکامل یافته است. روند فعلی به سمت تجهیزات بدون ریل به عنوان روش حمل و نقل اصلی و سیستمهای زنجیردار به عنوان روش ثانویه است که با توسعه و بلوغ تجهیزات زیرزمینی بدون ریل از دهه 1960 هدایت میشود.
حمل و نقل در مسافتهای کوتاه درون معادن معمولاً از لودرها استفاده میکند که عملکرد راحت، عملکرد قابل اعتماد، بهرهوری بالا و قابلیت مانور بالایی را ارائه میدهند. حمل و نقل زیرزمینی در مسافتهای طولانی معمولاً از کامیونهای حمل بار استفاده میکند؛ این کامیونها به طور گسترده در خارج از کشور مورد استفاده قرار میگیرند اما در داخل کشور کمتر مورد استفاده قرار میگیرند. با افزایش عمق معدن، مسافت بالابری افزایش مییابد و فناوری بالابری با چالشهای بیشتری همراه با افزایش هزینههای بلند کردن سنگ معدن مواجه میشود. بنابراین توسعه فناوری بالابری سنگ معدن با شفت عمیق به طور فزایندهای اهمیت پیدا میکند. روند کلی به سمت سیستمهای در مقیاس بزرگتر با بارهای بیشتر و اتوماسیون بیشتر است.
در معادن عمیق، بسیاری از عملیات، حمل و نقل ریلی، نوار نقالههای تسمهای یا لودرهای بدون ریل را با بالابری شفت چند مرحلهای ترکیب میکنند. به عنوان مثال، معدن طلای تائوتونا در آفریقای جنوبی از یک سیستم بالابری شفت سه مرحلهای با انتقال بین شفتی توسط نوار نقاله یا تجهیزات بدون ریل استفاده میکند. نوار نقالههای تسمهای باز مرسوم از نظر ساختار ساده هستند اما مستعد تولید گرد و غبار و ریزش هستند که هوای زیرزمینی را آلوده کرده و ایمنی را کاهش میدهند. آنها همچنین عملکرد ضعیفی در سربالایی دارند. سیستمهای نوار نقاله تسمهای محصور جدیدتر - مانند یک راه حل با طراحی محصور که توسط SiCON توسعه داده شده است - از ریزش و گرد و غبار جلوگیری میکنند، به سرعت حمل و نقل بیش از 3 متر بر ثانیه میرسند و شیبهایی تا 36 درجه را تحمل میکنند. با سازگاری مناسب، چنین سیستمهایی نویدبخش حمل و نقل سنگ معدن در معادن عمیق هستند.
بالابر هیدرولیکی (آبی) عمدتاً در کاربردهای اعماق دریا مورد استفاده قرار میگیرد و برخی از محققان کاربرد آن را در معادن عمیق بررسی کردهاند زیرا امکان عملیات مداوم و اتوماسیون آسانتر را فراهم میکند. با این حال، استفاده از بالابر هیدرولیکی در زیر زمین نیاز به سیستمهای خردایش (خرد کردن و آسیاب کردن) در محل در عمق دارد که اجرای عملی آن را امروزه دشوار میکند. مفاهیم نوآورانهای مانند آسانسورهای مغناطیسی برای بالابری سنگ معدن نیز پیشنهاد شده است، اما نیاز به تحقیقات دقیقتری دارد. این فناوریها و مفاهیم جدید، انگیزه تازهای را به حمل و نقل و بالابری معادن تزریق میکنند و نوآوری در روشها و تجهیزات را به همراه دارند.
تقویت سنگ تقویت سنگ در معادن فلزی بر روی لایههای ضعیف، شکسته و پر تنش تمرکز دارد. سیستمهای نگهدارنده به صورت غیرفعال یا فعال طبقهبندی میشوند. نگهدارندههای غیرفعال (چوب، مصالح بنایی، قوسهای فولادی) نمیتوانند ساختار داخلی سنگ را تغییر دهند و فقط در برابر تغییر شکل مقاومت میکنند. نگهدارندههای فعال، توده سنگ را اصلاح میکنند تا مقاومت ذاتی آن را افزایش دهند - نمونههایی از این موارد شامل پیچ و مهرههای کابلی، انکرهای رزینی یا سیمانی، شاتکریت با مش و سیستمهای کامپوزیتی مانند پیچ و مهرههای ترکیبی با شاتکریت و مش است. در میان این موارد، ترکیب پیچ و مهره با تزریق سیمان و شاتکریت به روشهای اصلی برای تقویت زمین در معادن فلزی تبدیل شدهاند.
پیچهای تمامقد و پیچهای پیوندی که برای ایجاد سیستمهای تمامقد پیوندی با هم ترکیب شدهاند، مقاومت مهار را تا حد زیادی بهبود بخشیده و پتانسیل بالایی برای کاربرد میدانی نشان میدهند. فناوری شاتکریت از پاشش مخلوط خشک به پاشش مخلوط تر تکامل یافته است که شرایط کار را بهبود بخشیده و پوسته پوسته شدن سنگ را کاهش میدهد. ترکیب شاتکریت با پیچهای سنگ به طور موثری تغییر شکل آزاد سنگ اطراف را محدود میکند، تنش را توزیع مجدد میکند و از لایه لایه شدن سطح و ریزش سنگ جلوگیری میکند.
پیشرفت در مکانیزاسیون و تجهیزات، پذیرش سیستمهای مدرن پیچ و مهره و شاتکریت را تسریع میکند. در سطح بینالمللی، انواع ماشینهای جامبو پیچ و مهره، دستگاههای اسپری مرطوب و ماشینهای آویز توری توسعه یافتهاند. در داخل کشور، ماشینهای جامبو پیچ و مهره نصب شده روی تایر و زنجیری، ماشینهای اسپری مرطوب مناسب معدن و ماشینهای اسپری مرطوب دو بازویی توسعه یافتهاند که باعث بهبود کارایی، کاهش شدت کار و افزایش ایمنی میشوند - پیشرفت مکانیزاسیون و گامهای اولیه به سوی عملیات هوشمند. پس از چندین تکرار تکنولوژیکی، تقویت سنگ از روشهای تک تکیهگاهی غیرفعال به روشهای کامپوزیت فعال تغییر یافته است. انتظار میرود توسعه آینده بر مکانیزاسیون و هوشمندسازی برای بهبود بیشتر ایمنی و بهرهوری تأکید کند.
پر کردن خمیری زبالههای جامد تولید شده توسط معدن، آلودگی آب و هوا و اشغال زمین از نگرانیهای جدی زیستمحیطی هستند. فناوری و تجهیزات معدنکاری پر کردن خمیری رویکردی امیدوارکننده برای کاهش این مشکلات ارائه میدهد. پر کردن خمیری، باطلهها و سایر زبالههای جامد معدن را به یک دوغاب ساختاری اشباع، بدون خونریزی و شبیه خمیردندان تبدیل میکند که میتواند برای پر کردن کارگاههای استخراج و حوضچههای باطله استفاده شود و دو خطر عمده - ذخیرهسازی باطلهها و کارگاههای باطله خالی - را برطرف کند و در عین حال از معدنکاری پایدار پشتیبانی کند.
در مقایسه با روش سنتی پر کردن با ماسه هیدرولیکی، روش پر کردن با خمیر، سه ویژگی «بدون» را ارائه میدهد: بدون لایهبندی، بدون جداسازی و بدون خونریزی. یک پلتفرم آزمایش پر کردن با خمیر در مقیاس صنعتی - با پوشش تقریباً ۲۰۰۰ متر مربع با بیش از ۲۰۰ قطعه تجهیزات - ایجاد شده است که دقت بالا، عملکرد جامع و کنترل هوشمند را ارائه میدهد. این پلتفرم، آزمایش کامل فرآیند، اندازهگیری پارامترها و راهنمایی در عملیات مهندسی را امکانپذیر میسازد. نکته قابل توجه این است که سیستمهای آزمایش لوله حلقهای چندقطری، چندجهتی و چندجریانی، نتایج آزمایشی را ارائه میدهند که شرایط میدانی را بهتر از بسیاری از روشهای سنتی منعکس میکنند.
پایه نظری مشترک در مراحل فرآیند پر کردن خمیر، رئولوژی خمیر است. تحقیقات بر روی مدلهای ساختاری برای رئولوژی خمیر، با استفاده از محاسبات نظری، آزمایشهای رئولوژیکی و شبیهسازی عددی برای برآوردن نیازهای مهندسی در چهار مرحله فرآیند تمرکز دارد: غلیظسازی (غلظت)، مخلوط کردن، انتقال و پر کردن/پخت. غلیظسازی به غلظت پایدار زیر سرریز برای تهیه خمیر باکیفیت دست مییابد؛ مخلوط کردن، ترکیب یکنواخت مواد را برای پشتیبانی از جریانپذیری و خواص مکانیکی همگن در خطوط لوله تضمین میکند؛ انتقال با هدف مصرف کم انرژی و کاهش سایش انجام میشود؛ پر کردن توزیع یکنواخت استحکام و درجه بالایی از پر کردن استوپ و اتصال به دیوارههای آویزان را هدف قرار میدهد. این چهار فناوری با چالشهای فنی اصلی پر کردن خمیر مطابقت دارند. فناوری پر کردن خمیر - که با ایمنی، اقتصاد، حفاظت از محیط زیست و کارایی مشخص میشود - یک ستون فنی مهم برای سیستمهای استخراج معادن فلزی سبز است.
کنترل از راه دور و اتوماسیون، فناوری معدن از حالت دستی به مکانیزه و اکنون به سمت عملیات خودکار و هوشمند تکامل یافته است. فناوری کنترل از راه دور، عامل اصلی اتوماسیون و هوشمندسازی است و نقشی غیرقابل جایگزین در معدنکاری مدرن ایفا خواهد کرد. در سطح جهانی، کنترل از راه دور یک جهتگیری بالغ برای معادن زیرزمینی است و شامل کنترل حفاری از راه دور، کنترل شارژ از راه دور و کنترل جابجایی سنگ معدن از راه دور و موارد دیگر میشود. با این حال، استقرار گسترده به بلوغ کلی صنعتی و فناوری یک کشور بستگی دارد. پذیرش کامل آن هنوز در داخل کشور رخ نداده است.
فناوریهای کلیدی کنترل از راه دور بر سه قابلیت متمرکز هستند: سنجش از راه دور محیط معدن، عملیات از راه دور فرآیندهای معدن و مدیریت از راه دور سیستمهای معدن. این قابلیتها در کنار هم، امکان درک و تجزیه و تحلیل خودکار، عملیات بدون سرنشین، ارسال از راه دور، هشدار اولیه خودکار و تصمیمگیری از راه دور را فراهم میکنند. توسعه و ادغام مداوم حسگرها، ارتباطات، سیستمهای کنترل و هوش مصنوعی برای تحقق استخراج فلزات زیرزمینی کاملاً خودکار و مدیریت از راه دور مورد نیاز است.
نتیجهگیری پیشرفت ترکیبی فناوریهای حفاری و انفجار، حمل و نقل و بالابری، تقویت سنگ، پر کردن خمیر و کنترل از راه دور، استخراج فلزات زیرزمینی را تغییر شکل میدهد. پیشرفت در تجهیزات، مواد، کنترل فرآیند و سیستمهای دیجیتال، استخراج ایمنتر، کارآمدتر و پایدارتر را به دنبال دارد. تحقیقات مداوم، آزمایشهای میدانی و ادغام سیستمهای هوشمند برای مقابله با چالشهای ذخایر فلزی عمیقتر، پیچیدهتر و کمعیارتر ضروری خواهد بود.
