6 основных тенденций в горнодобывающей промышленности будущего, которые нельзя игнорировать
С развитием промышленности спрос на минеральные ресурсы продолжает расти. В настоящее время как развитые, так и развивающиеся страны рассматривают владение и разработку ресурсов как стратегические меры. В результате в горнодобывающей промышленности появилось множество эффективных, безопасных и малозатратных технологий и методов добычи. Для эффективной разработки ресурсов крайне важно идти в ногу с передовыми технологиями.
(I) Разведка в подземных шахтах
В настоящее время подземные рудники по всему миру стремятся к повышению эффективности и безопасности, что приводит к постоянному повышению уровня механизации и автоматизации. Возьмём, к примеру, железный рудник Кируна в Швеции. Он известен добычей высококачественной железной руды (с содержанием железа более 70%) и является одним из крупнейших в мире. Добыча железной руды на нём имеет более чем 70-летнюю историю, переходя от открытой к подземной добыче. Интеллектуальность железного рудника Кируна в первую очередь обусловлена использованием крупногабаритного механизированного оборудования, интеллектуальных систем дистанционного управления и современных систем управления. Высокоавтоматизированные и интеллектуальные горнодобывающие системы и оборудование играют ключевую роль в обеспечении безопасной и эффективной добычи.
Разработка. На железном руднике Кируна используется комбинированная система разработки шахтным стволом и наклонным спуском. Шахта имеет три ствола для вентиляции, подъёма руды и пустой породы. Транспортировка персонала, оборудования и материалов осуществляется преимущественно безрельсовым транспортом по наклонным спускам. Главный подъёмный ствол расположен в лежачем боку рудного тела. К настоящему времени забой и основная транспортная система были понижены шесть раз, и в настоящее время отметка основного транспортного спуска составляет 1045 м.
Бурение, зарядка и взрывные работы. Проходка тоннелей осуществляется буровыми каретками, оснащенными трехкоординатными электронными измерительными приборами для точного позиционирования скважин. Бурение очистных забоев осуществляется дистанционно управляемой буровой установкой Симба W469 производства шведской компании Атлас Копко диаметром скважин 150 мм и максимальной глубиной 55 м. Эта установка оснащена лазерной системой точного позиционирования, работает без участия человека и может работать круглосуточно. Годовой объем взрывных работ по руде может достигать 3 миллионов тонн.
Дистанционная погрузка, транспортировка и подъём руды. Бурение, погрузка, транспортировка и подъём в забоях железного рудника Кируна стали интеллектуальными и автоматизированными, буровые установки и погрузчики работают без участия человека. Погрузка руды осуществляется дистанционно управляемым погрузчиком Торо 2500E производительностью 500 т/ч. Система подземной транспортировки включает ленточный конвейер и автоматизированный рельсовый транспорт. Автоматизированный рельсовый транспорт обычно состоит из 8 рудовозок, представляющих собой автоматизированные вагоны с нижним опрокидыванием для непрерывной загрузки и разгрузки. Ленточные конвейеры автоматически транспортируют руду от дробильной станции к измерительному устройству, завершая погрузку и разгрузку с помощью скипа, всё это под дистанционным управлением.
Технология дистанционно управляемого торкретирования бетона и технология армирования крепи. Для крепления тоннелей используется сочетание торкрет-бетона, анкерных болтов и сетки. Для этого используются дистанционно управляемые торкрет-бетоносмесители, а анкерные болты и стальная сетка устанавливаются с помощью анкероустановочных установок.
(II) Все более широкое применение технологии выщелачивания
В настоящее время технология выщелачивания широко применяется для извлечения бедных медных, золотых, урановых руд и т. д. К таким технологиям относятся подземное выщелачивание, кучное выщелачивание и подземно-взрывное выщелачивание. В таких странах, как США, Канада и Австралия, кучное и подземно-взрывное выщелачивание обычно используется для извлечения 0,15–0,45% бедных медных руд, более 2% оксидных медных руд и 0,02–0,1% урановых руд.
В США, например, существует более 20 рудников, использующих метод подземного взрывного выщелачивания меди. Например, шахта Майк в Неваде и медный рудник Зония в Аризоне производят более 2,2 тонны меди в сутки каждая. Шахты Бьютт в Монтане и Коппер Куин Бранч добывают от 10,9 до 14,97 тонны металлической меди в сутки. В США выщелачивание меди составляет более 20% от общего объёма добычи, золота — более 30%, а подавляющая часть урана добывается методом выщелачивания.
(III) Технология глубокой добычи полезных ископаемых
По мере сокращения объёмов ресурсов глубина добычи увеличивается, часто превышая 1000 м. Это влечет за собой множество трудностей и проблем, не встречающихся при неглубокой добыче, таких как повышенное давление на грунт, более высокая температура горных пород, а также более серьёзные проблемы, связанные с подъёмом, дренажем, креплением и вентиляцией.
Распространенные проблемы в глубоких шахтах:
Грузоподъёмность. С увеличением глубины добычи первой проблемой становится грузоподъёмность шахты. Современные подъёмники могут достигать максимальной высоты подъёма более 2000 м, например, на канадском руднике максимальная глубина подъёма составляет 2172 м, а на южноафриканском золотом руднике глубина ствола составляет 2310,4 м. Возможности подъёмного оборудования полностью отвечают требованиям крупных глубоких шахт.
Температура горных пород и охлаждение воздуха. С увеличением глубины горных работ температура горных пород соответственно повышается. Например, на медно-цинковом руднике Тоёха в Японии на глубине -600 м (около 1200 м от поверхности) температура горных пород превышает 100 °C, но во многих странах действует ограничение температуры под землей 28 °C. В глубоких шахтах обычно увеличивают объём подземной вентиляции и охлаждают воздух, используя методы воздушного и водяного охлаждения. При выборе одного или обоих методов, помимо снижения температуры, необходимо также уделять внимание уменьшению теплоотдачи от подземного механического оборудования, дизельного оборудования и самого холодильного оборудования.
Управление давлением на горные породы и методы добычи. На глубоких шахтах, как правило, устанавливается комплексная система измерения и мониторинга давления на горные породы, которая напрямую влияет на бесперебойность добычи и уровень производственных затрат. Горные удары являются важной проблемой при глубокой добыче. Для прогнозирования горных ударов многие шахты устанавливают под землей устройства микросейсмического мониторинга, например, на руднике Солнечный свет Серебро Мой в США микросейсмический мониторинг установлен на отметке 2254 м для круглосуточного мониторинга.
Самовозгорание и взрыв. При глубокой добыче полезных ископаемых может также наблюдаться самовозгорание сульфидных руд из-за высоких температур руды и самовзрыва при зарядке взрывчатых веществ, что требует особого внимания.
В настоящее время глубина добычи неугольных полезных ископаемых в Китае, как правило, не превышает 700–800 м, однако в последние годы разрабатываются некоторые рудные месторождения, залегающие на глубине около 1000 м, в том числе медный рудник Дунгуашань компании цветных металлов «Тунлин» и горнодобывающий район № 2 Цзиньчуань.
(IV) Работы по охране окружающей среды в горнодобывающей промышленности
За рубежом, особенно в развитых странах, принимаются комплексные меры по охране окружающей среды на шахтах. К сточным водам, отходящим газам, шлаку, пыли, шуму и т.д., выделяемым шахтами, применяются строгие технические стандарты. Многие шахты с бедной рудой не могут быть построены или введены в эксплуатацию из-за чрезмерных затрат на очистку окружающей среды.
В настоящее время за рубежом особое внимание уделяется созданию безотходных и экологически чистых шахт. Успешным примером служит угольная шахта Вальзум в немецкой промышленной зоне Рур. Здесь используются угольный шлам с углеобогатительной фабрики, зола с угольных электростанций и измельчённая подземная порода, смешанная с цементом, активированная и перемешанная, а затем закачиваемая под землю насосом премьер-министр для заполнения пустот. Шахта не сбрасывает твёрдые отходы в окружающую среду.
(V) Технология заполнения горнодобывающей промышленности
В зависимости от различных условий используются различные пломбировочные материалы:
Региональная поддержка. Для снижения упругого заполнения объёма и риска горных ударов необходимы высококачественные жёсткие пломбировочные материалы.
Контроль пластов горных пород. Требования к качеству закладочного материала не строгие, но требуется заполнение больших объёмов, и закладка не должна давать усадки после укладки.
Многожильная добыча. Закладочные материалы должны быть жёсткими в условиях низких напряжений, чтобы минимизировать деформацию и смещение породы.
Контроль окружающей среды. Чтобы обеспечить герметичность подвесного борта и предотвратить проникновение воздуха через выработанное пространство, закладочный материал не должен давать усадки, а заполнение должно осуществляться на большой площади.
Сокращение объёмов подъёма пустой породы. Подготовка и дробление пустой породы под землёй для заполнения карьеров, что повышает эффективность.
Текущие соображения по заполнению:
Сосредоточьте усилия на создании практичных и надежных систем. Исследовать и разработать эффективные технологии заполнения для интеграции операций заполнения с циклами добычи. Особое внимание уделить управлению системами заполнения.
Технологии исследования для оптимизации существующих систем, включая распределение размеров частиц для высококачественных наполнителей, улучшенные процессы подготовки наполнителей в гидроциклонах и дроблении, а также оптимизированные технологии транспортировки, такие как потеря давления, износ, коррозия и общая конструкция системы наполнения.
Углубить количественное понимание процессов подготовки, транспортировки, размещения и деформации закладочных материалов, чтобы заложить основу для безопасной, стабильной и эффективной добычи полезных ископаемых. В международном масштабе используются такие методы закладки, как гидравлическая закладка песком, сухая закладка, закладка твердыми частицами с высоким содержанием воды и цементная закладка. Цементная закладка подразделяется на: гидравлическую закладку сегментированными хвостами (гравитационная транспортировка высококонцентрированной массы), гидравлическую закладку другими закладочными материалами (гравитационная транспортировка высококонцентрированной массы), гравитационную закладку хвостовой пасты и закладку хвостовой пасты с перекачкой. Рекомендуемым на международном уровне методом является полная закладка хвостовой пасты с перекачкой.
В настоящее время в Канаде 12 рудников используют высококонцентрированную пастообразную закладку, а в Южной Африке и Австралии также действуют новые системы закладки. Новые технологии закладки будут лучше отвечать требованиям защиты ресурсов, охраны окружающей среды, повышения эффективности и развития горнодобывающей промышленности. Закладочная добыча откроет более широкие перспективы в горнодобывающей промышленности XXI века.
(VI) Добыча океанических полиметаллических конкреций
Полиметаллические конкреции залегают на морском дне на глубинах около 3000–5000 м. Для их добычи необходимы эффективные методы добычи. Поэтому страны мира уделяют первостепенное внимание разработке надежных методов добычи и проводят обширные экспериментальные исследования, а некоторые даже проводят испытания глубоководной добычи среднего масштаба. С конца 1960-х годов и по настоящее время разработанные и испытанные на международном уровне методы добычи полезных ископаемых в океане в основном делятся на три категории: добыча с помощью непрерывного ковшового шнекового крана (КЛБ), добыча с помощью донных дистанционно управляемых аппаратов и добыча с помощью гидроподъемника.
Метод непрерывной ковшевой добычи (КЛБ). Этот метод был предложен японцами в 1967 году. Он относительно прост и в основном состоит из горнодобывающего судна, буксирного троса, ковшей и буксирного судна. Ковши крепятся к буксирному тросу на определённых интервалах и опускаются на морское дно. Буксирный трос, приводимый в движение буксирным судном, перемещает ковши вниз, зачерпывает и поднимает их. Эта бесступенчатая циклическая работа каната образует непрерывный цикл сбора. Главной особенностью КЛБ является его способность адаптироваться к изменениям глубины и поддерживать нормальную работу. Однако производительность КЛБ составляет всего до 100 т/сут, что значительно ниже промышленных требований горнодобывающей промышленности. Поэтому от метода добычи КЛБ отказались в конце 1970-х годов.
Метод добычи с помощью дистанционно управляемого аппарата на морском дне. Этот метод был в основном предложен французами. Дистанционно управляемый аппарат на морском дне представляет собой беспилотный подводный аппарат для добычи, в основном состоящий из четырех систем: сбора руды, самоходной установки, управления плавучестью и балласта. Под контролем с надводного плавучего средства добывающий аппарат погружается на морское дно в соответствии с командами для сбора конкреций. После заполнения он всплывает на поверхность и выгружает конкреции в приемный бункер плавучего средства. Надводное плавучее средство обычно может управлять несколькими добывающими аппаратами одновременно. Эта система добычи требует значительных инвестиций, и из-за низкой стоимости продукта и отсутствия экономической выгоды в течение десятилетий Французская ассоциация исследований и разработок океанических конкреций прекратила исследования в 1983 году. Тем не менее, принципы сбора и транспортировки этого добывающего аппарата считаются многообещающими.
Метод добычи с помощью гидроподъема. В настоящее время международно признанным методом с наибольшим потенциалом промышленного применения является добыча с помощью гидроподъема. Когда судно добывает руду в район добычи, коллектор и подъемная труба соединяются и постепенно опускаются в море. Коллектор собирает конкреции из донных отложений и выполняет первичную обработку. При использовании гидравлического или пневматического подъема вода в трубе поднимается с достаточной скоростью для транспортировки конкреций на судно для поверхностной добычи.
С началом освоения и использования океанских ресурсов человеком в XXI веке технологии добычи полезных ископаемых приобретают особое значение. Развитие современных высоких технологий проложило путь к освоению ресурсов океана, а их формирование и развитие окажут положительное и далеко идущее влияние на экономику, культуру и осведомлённость человечества об океане.
