Nya framsteg inom viktiga teknologier för metallbrytning under jord
Metallbrytning under jord är ett komplext system som inkluderar utveckling, förberedelse av stopp (malmdefinition och etablering) och utvinning, och sprängning krävs i varje steg. Därför är det ett centralt forskningsmål för gruvingenjörer att uppnå en sprängning som är både säker och effektiv. Metallgruvor befinner sig nu i en kritisk övergång från grunda till djupa arbeten, från enkla till svåra förhållanden och från höghaltig till lägre malm, vilket skapar nya utmaningar för teori, teknik och utrustning. Forskning om nyckeltekniker för underjordisk gruvdrift har därför blivit särskilt viktig. Nuvarande framsteg koncentreras till fem områden: borrning och sprängning, materialtransport och lyftning, bergförstärkning, pastafyllning och fjärrstyrning. Denna översikt sammanfattar utvecklingen och de senaste framstegen inom varje område.
Borrning och sprängning Borrning och sprängning är fortfarande kärntekniker inom metallbrytning men har historiskt sett också varit en svag länk. Att förbättra borr- och sprängeffektiviteten är avgörande för säker och produktiv underjordsbrytning. Med tiden har industrin gått från manuell borrning till pneumatiska och hydrauliska borrar, till jumboborrningar (inklusive roterande och sänkborrningsriggar), och nu mot borrobotar. Trenden går från enkel mekanisering mot automatisering, intelligens och miljöskydd.
En mängd olika borriggar anpassade till olika markförhållanden har utvecklats nationellt och internationellt. Under senare år, med förbättrad borrutrustning, har vissa länder (särskilt USA och Kanada) anpassat storskaliga dagbrottsmetoder för borrning/sprängning för underjordisk användning: segmenterade borrhål med medelhög djup har i vissa fall ersatts av etappvis uppdelade djupa hål med stor diameter, vilket ger gynnsamma resultat. Till exempel har Sverige utvecklat en rad tunneldrivningsriggar med hög borreffektivitet, förbättrad säkerhet och lägre föroreningar; nationellt har helt datorstyrda trearmade jumbos som integrerar mobilitet, borrning och laddningsoperationer utvecklats, vilket erbjuder enkel drift, hög säkerhet och minskade kostnader. Dessa system förbättrar borrkvaliteten och effektiviteten samtidigt som de minskar arbetsintensiteten och driftsrisken, vilket främjar automatisering, intelligens och miljöprestanda.
Eftersom underjordiska förhållanden och kraven för väggrävning och gruvdrift skiljer sig åt, förblir sprängningsmetoderna varierande. Tekniker som sprängning med små differentialladdningar, presssprängning och kontursprängning (slät yta) används ofta och har förbättrat sprängresultaten i många situationer.
Sprängningstekniken utvecklas mot precisionssprängning, grön sprängning och intelligent sprängning. Precisionssprängning bygger på förfinad hålmönsterdesign, detaljerade studier av sprängenergi och sprängsimuleringsmodellering för att uppnå riktad bergbrytning. Grön sprängning använder nya förbränningsmedel för att ersätta konventionella sprängämnen, vilket eliminerar skadliga spränggaser och avsevärt förbättrar luftkvaliteten under jord. Intelligent sprängning integrerar smart sprängdesign, intelligent utrustning, prediktiv vibrationsmodellering och automatiserad identifiering av oladdade hål för att skapa ett intelligent sprängsystem.
Utöver explosiva metoder får icke-explosiva bergbrytningstekniker allt större uppmärksamhet. Kontinuerliga gruvbrytare används för mekanisk utgrävning i medelhårt och mjukare berg, vilket ger hög produktivitet och gynnsamma markförhållanden. Fysiska fragmenteringsmetoder – såsom högtrycksvattenstrålning och termisk fragmentering – kan övervinna vissa begränsningar med ren mekanisk skärning, producera lite damm och inga gnistor och förbättra arbetsförhållandena. Hög energiförbrukning, höga kostnader och kraftigt verktygsslitage har dock begränsat ett brett införande. Dessutom började den inhemska utvecklingen inom informations- och AI-teknik senare än i vissa andra länder, så viktiga intelligenta system för kontinuerlig bergbrytning är fortfarande till stor del beroende av utländsk teknik. Som ett resultat är kontinuerlig gruvbrytning för bergfyndigheter ännu inte i stor utsträckning implementerad inhemskt.
Materialtransport och lyftning Transport- och lyftsystem är avgörande för underjordisk produktion, eftersom de integrerar gruvprocessen i ett kontinuerligt system och säkerställer normal drift. Malmtransport har utvecklats från manuella metoder till spårbaserade system och sedan till spårlösa (gummidäcks) system; den nuvarande trenden går mot spårlös utrustning som primärt transportsätt, med spårbundna system som sekundärt, drivet av utvecklingen och mognaden av spårlös underjordisk utrustning sedan 1960-talet.
Kortdistanstransporter inom bryggor använder vanligtvis lastare, vilka erbjuder bekväm drift, tillförlitlig prestanda, hög produktivitet och manövrerbarhet. Långdistanstransporter under jord använder vanligtvis tunga lastbilar; dessa används i stor utsträckning utomlands men mindre inhemskt. I takt med att gruvdjupet ökar ökar lyftavstånden och lyfttekniken står inför större utmaningar, tillsammans med stigande kostnader för att lyfta malmer. Att utveckla teknik för djupgående malmhissning blir därför allt viktigare. Den övergripande trenden går mot storskaliga system med högre laster och ökad automatisering.
Inom djupbrytning kombinerar många verksamheter järnvägstransporter, bandtransportörer eller spårlösa lastare med flerstegs schaktlyftning. Till exempel använder guldgruvan TauTona i Sydafrika ett trestegs schaktlyftsystem med överföring mellan schakt med transportband eller spårlös utrustning. Konventionella öppna bandtransportörer är enkla i strukturen men benägna att generera damm och spill, vilket förorenar luften under jord och minskar säkerheten; de har också dålig prestanda i uppförsbackar. Nyare slutna bandtransportörsystem – såsom en sluten designlösning utvecklad av SiCON – förhindrar spill och damm, uppnår transporthastigheter över 3 m/s och hanterar lutningar upp till 36°. Med korrekt anpassning visar sådana system lovande resultat för djupgående malmtransporter.
Hydraulisk (vatten)lyftning används huvudsakligen i djuphavsapplikationer, och vissa forskare har undersökt dess användning i djupa gruvor eftersom det möjliggör kontinuerlig drift och enklare automatisering. Att tillämpa hydraulisk lyftning under jord skulle dock kräva krossningssystem (malning) på plats på djupet, vilket gör det praktiska genomförandet svårt idag. Innovativa koncept som maglev-hissar för malmlyftning har också föreslagits men kräver ytterligare detaljerad forskning. Dessa nya tekniker och koncept ger ny drivkraft åt gruvtransport och lyftning, vilket driver innovation inom metoder och utrustning.
Bergförstärkning Bergförstärkning i metallgruvor fokuserar på svaga, sprickiga och högbelastade lager. Stödsystem kategoriseras som passiva eller aktiva. Passiva stöd (virke, murverk, stålvalv) kan inte förändra den inre bergstrukturen utan motstår endast deformation. Aktiva stöd modifierar bergmassan för att öka dess inneboende hållfasthet – exempel inkluderar bergbultar och kabelbultar, harts- eller cementinjekterade ankare, sprutbetong med nät och kompositsystem såsom bultar kombinerade med sprutbetong och nät. Bland dessa har cementinjekterade bult- och sprutbetongkombinationer blivit primära metoder för markförstärkning i metallgruvor.
Kombinationen av fullängdsbultar och bundna bultar för att skapa fullängdsbundna system har avsevärt förbättrat förankringshållfastheten och visar stor potential för fältanvändning. Sprutbetongtekniken har utvecklats från torrsprutning till våtsprutning, vilket förbättrar arbetsförhållandena och minskar bergflagning. Kombinationen av sprutbetong och bergbultar begränsar effektivt fri deformation av det omgivande berget, omfördelar spänningar och förhindrar ytflagning och stenras.
Framsteg inom mekanisering och utrustning accelererar införandet av moderna bult- och sprutbetongsystem. Internationellt har en mängd olika bultjumbos, våtsprutriggar och nätupphängningsmaskiner utvecklats. Inhemskt har däckmonterade och bandmonterade bultjumbos, gruvvåtsprutmaskiner och tvåarmade våtsprutbetongriggar utvecklats, vilket förbättrar effektiviteten, minskar arbetsintensiteten och ökar säkerheten – vilket främjar mekaniseringen och de första stegen mot intelligent drift. Efter flera tekniska iterationer har bergförstärkning gått från passiva metoder med ett enda stöd till aktiva kompositmetoder; framtida utveckling förväntas betona mekanisering och intelligens för att ytterligare förbättra säkerhet och produktivitet.
Pastafyllning Gruvgenererat fast avfall, vatten- och luftföroreningar samt markockupation är allvarliga miljöproblem. Pastafyllningsteknik och -utrustning erbjuder en lovande metod för att mildra dessa problem. Pastafyllning omvandlar anrikningssand och annat fast gruvavfall till en mättad, icke-blödande, tandkrämsliknande strukturell uppslamning som kan användas för att fylla stopp och anrikningsbassänger, vilket åtgärdar två stora faror – lagring av anrikningssand och tömda stopp – samtidigt som det stöder hållbar gruvdrift.
Jämfört med traditionell hydraulisk sandfyllning erbjuder pastafyllning tre "nej"-egenskaper: ingen skiktning, ingen segregering och ingen blödning. En plattform för pastafyllningstest i industriell skala har etablerats – som täcker ungefär 2 000 m² med mer än 200 utrustningsdelar – och erbjuder hög precision, omfattande funktionalitet och intelligent styrning. Den möjliggör testning av hela processen, parametermätning och vägledning för teknisk praxis. Det är värt att notera att testsystem för looprör med flera diametrar, flera orienteringar och flera flöden ger testresultat som bättre återspeglar fältförhållanden än många traditionella metoder.
Den gemensamma teoretiska grunden för alla steg i pastafyllningsprocessen är pastareologi. Forskningen fokuserar på konstitutiva modeller för pastareologi, med hjälp av teoretiska beräkningar, reologiska experiment och numerisk simulering för att möta tekniska behov i fyra processteg: förtjockning (koncentrering), blandning, transport och fyllning/härdning. Förtjockning uppnår en stabil underflödeskoncentration för att framställa kvalificerad pasta; blandning säkerställer enhetlig materialblandning för att stödja flytbarhet och homogena mekaniska egenskaper i rörledningar; transport syftar till låg energiförbrukning och minskat slitage; fyllning syftar till enhetlig styrkefördelning och en hög grad av fyllnadsförmåga och vidhäftning till hängande väggar. Dessa fyra tekniker motsvarar de största tekniska utmaningarna med pastafyllning. Pastafyllningsteknik – som kännetecknas av säkerhet, ekonomi, miljöskydd och effektivitet – är en viktig teknisk pelare för gröna metallgruvebrytningssystem.
Fjärrstyrning och automatisering Gruvtekniken har utvecklats från manuell till mekaniserad och nu mot automatiserad och intelligent drift. Fjärrstyrningsteknik är en central möjliggörare för automatisering och intelligens och kommer att spela en oersättlig roll i modern gruvdrift. Globalt sett är fjärrstyrning en mogen inriktning för underjordiska gruvor och inkluderar bland annat fjärrstyrning av borrning, fjärrstyrning av laddning och fjärrstyrning av malmhantering. En utbredd spridning beror dock på ett lands övergripande industriella och tekniska mognad; fullskalig implementering har ännu inte skett nationellt.
Viktiga fjärrstyrningstekniker fokuserar på tre funktioner: fjärranalys av gruvmiljön, fjärrstyrning av gruvprocesser och fjärrstyrning av gruvsystem. Tillsammans möjliggör dessa automatiserad perception och analys, obemannad drift, fjärrstyrning, automatisk tidig varning och beslutsfattande på distans. Fortsatt utveckling och integration av sensorer, kommunikation, styrsystem och AI krävs för att förverkliga helt autonom och fjärrstyrd underjordisk metallbrytning.
Slutsats De kombinerade framstegen inom borrning och sprängning, transport och lyftning, bergförstärkning, pastafyllning och fjärrstyrningsteknik omformar underjordisk metallbrytning. Framsteg inom utrustning, material, processkontroll och digitala system driver säkrare, effektivare och mer hållbar utvinning. Fortsatt forskning, fältförsök och integration av intelligenta system kommer att vara avgörande för att möta utmaningarna med djupare, mer komplexa och lägre haltiga metallfyndigheter.
