6 viktiga trender inom framtida gruvdrift som inte kan förbises
Med industrins utveckling fortsätter efterfrågan på mineralresurser att öka. För närvarande betraktar både utvecklade och utvecklingsländer innehav och utveckling av resurser som strategiska åtgärder. Som ett resultat har gruvutvecklingen lett till framväxten av ett flertal effektiva, säkra och billiga gruvtekniker och -metoder. Det är viktigt att hålla jämna steg med avancerad teknik för att effektivt utveckla resurser.
(I) Underrättelser i underjordiska gruvor
För närvarande strävar underjordsgruvor världen över efter effektivitet och säkerhet, vilket leder till kontinuerliga förbättringar av mekaniserings- och automationsnivåer. Ta Kiruna Järngruva i Sverige som ett exempel. Kiruna Järngruva är känd för att producera högkvalitativ järnmalm (med en järnhalt på över 70 %) och är en av världens största järngruvor. Dess järnmalmsutvinning har en historia på över 70 år, med övergång från dagbrott till underjordsbrytning. Kiruna Järngruvas intelligens drar främst nytta av användningen av storskalig mekanisk utrustning, intelligenta fjärrstyrningssystem och moderna ledningssystem. Högautomatiserade och intelligenta gruvsystem och utrustning är nyckeln till att säkerställa säker och effektiv utvinning.
Utveckling. Kiruna Järngruva använder ett kombinerat schakt- och ramputvecklingssystem. Gruvan har tre schakt för ventilation, malm- och gråbergstransport. Personal, utrustning och material transporteras huvudsakligen med spårlös utrustning via ramper. Huvudhisschaktet är beläget vid malmkroppens fotvägg. Hittills har gruvväggen och huvudtransportsystemet sänkts sex gånger, med den nuvarande huvudtransportnivån på 1045 m.
Borrning, laddning och sprängning. Tunneldrivning använder jumboborrar utrustade med tredimensionella elektroniska mätinstrument för exakt hålpositionering. Stoppborrning använder den fjärrstyrda borriggen Simba W469, tillverkad av svenska Atlas Copco, med en håldiameter på 150 mm och ett maximalt håldjup på 55 m. Denna rigg använder ett lasersystem för exakt positionering, är obemannad och kan arbeta i 24-timmars kontinuerliga cykler. Den årliga malmsprängningsvolymen kan uppgå till 3 miljoner ton.
Fjärrstyrd malmlastning, transport och lyftning. Borrning, lastning, transport och lyftning i Kiruna järngruvas stationer har uppnått intelligens och automatisering, med borriggar och lastare som arbetar obemannade. Malmlastningen använder den fjärrstyrda lastaren Toro 2500E, med en enhetseffektivitet på 500 t/h. Det underjordiska transportsystemet inkluderar bandtransport och automatiserad järnvägstransport. Automatiserad järnvägstransport består vanligtvis av 8 malmvagnar, som är automatiserade bottentippvagnar för kontinuerlig lastning och lossning. Bandtransportörer transporterar automatiskt malm från krossstationen till mätanordningen, och slutför lastning och lossning med schaktcontainern, allt under fjärrstyrning.
Fjärrstyrd betongsprutningsteknik och förstärkningsteknik för stöd. Tunnelstöd använder en kombination av sprutbetong, bergbultar och nät. Detta utförs med fjärrstyrda betongsprutor, där bergbultar och stålnät installeras med hjälp av bultningsriggar.
(II) Alltmer utbredd tillämpning av urlakningsteknik
För närvarande används lakningsteknik i stor utsträckning för att utvinna lågkvalitativ koppar, guldmalm, uranmalm etc. Lakningstekniker inkluderar in-situ-lakning, höglakning och in-situ-sprängningslakning. Länder som USA, Kanada och Australien använder i allmänhet höglakning och in-situ-sprängningslakning för att utvinna 0,15–0,45 % lågkvalitativ kopparmalm, över 2 % kopparoxidmalm och 0,02–0,1 % uranmalm.
Om vi tar USA som exempel finns det över 20 gruvor som använder in-situ sprängningslakning för koppar. Till exempel producerar Nevadas Mike-gruva och Arizonas Zonia-koppargruva vardera mer än 2,2 ton koppar per dag. Montanas Butte-gruva och Copper Queen Branch-gruva producerar 10,9–14,97 ton kopparmetall per dag. I USA står urlakning av koppar för över 20 % av den totala produktionen, guld överstiger 30 % och den stora majoriteten av uranproduktionen kommer från urlakningsbrytning.
(III) Teknik för gruvdrift i djupa schakt
I takt med att resursvolymerna fortsätter att minska ökar gruvdjupen, ofta över 1000 m. Detta medför många svårigheter och problem som inte uppstår vid grund gruvdrift, såsom ökat marktryck, högre bergtemperaturer och större utmaningar vid lyftning, dränering, stöd och ventilation.
Vanliga problem i djupa schaktgruvor:
Lyftkapacitet. Allt eftersom gruvdjupet ökar är det första problemet gruvans lyftkapacitet. Nuvarande lyftanordningar kan uppnå en maximal lyfthöjd på över 2000 m, till exempel en kanadensisk gruva med ett djupaste lyft på 2172 m och en sydafrikansk guldgruva med ett schaktdjup på 2310,4 m. Lyftutrustningens kapacitet uppfyller helt kraven för stora djupa schaktgruvor.
Bergtemperatur och ventilationskylning. Allt eftersom gruvdjupet ökar, stiger bergtemperaturerna i motsvarande grad. Till exempel, i Japans Toyoha koppar-zinkgruva på -600 m nivå (cirka 1200 m från markytan), överstiger bergtemperaturerna 100 °C, men många länder föreskriver att temperaturen under jord inte får överstiga 28 °C. Djupa schaktgruvor ökar vanligtvis den underjordiska ventilationsvolymen och kyler luften med hjälp av luftkylning och vattenkylningsmetoder. När man väljer en eller båda, måste man, förutom att sänka temperaturerna, också vara uppmärksam på att minska värmeavledningen från underjordisk mekanisk utrustning, dieselutrustning och kylutrustning i sig.
Marktryckshantering och gruvmetoder. Djupa schaktgruvor etablerar generellt ett komplett system för mätning och övervakning av marktryck, vilket direkt påverkar huruvida gruvproduktionen kan fortskrida smidigt och nivån på produktionskostnaderna. Bergsprängningar är en framträdande fråga vid djupa schaktbrytningar. För att förutsäga bergsprängningar installerar många gruvor mikroseismiska övervakningsanordningar under jord, till exempel US Sunshine Silver Mine, som installerade mikroseismisk övervakning på 2254 m-nivån för 24-timmarsövervakning.
Spontanantändning och explosion. Djup schaktbrytning kan också stöta på spontanantändning av sulfidmalmer på grund av höga malmtemperaturer och självexplosion under explosiv laddning, vilket kräver tillräcklig uppmärksamhet.
För närvarande överstiger gruvdjupet för icke-kolgruvor i Kina i allmänhet inte 700–800 m, men under senare år har vissa malmfyndigheter begravda på cirka 1000 m djup utvecklats, inklusive Dongguashan-koppargruvan under Tongling Nonferrous Metals Company och Jinchuan No. 2-gruvområdet.
(IV) Miljöskyddsarbete i gruvan
I utlandet, särskilt i utvecklade länder, vidtas omfattande åtgärder för miljöhantering i gruvor. Stränga tekniska standarder gäller för avloppsvatten, avgaser, slagg, damm, buller etc. som släpps ut från gruvor. Många låghaltiga gruvor kan inte byggas eller tas i produktion på grund av orimliga miljöreningskostnader.
För närvarande läggs det stor vikt utomlands vid att etablera avfallsfria och rena gruvor. Tysklands Walsum-kolgruva i Ruhrområdet är ett framgångsrikt exempel. Den använder kolslam från koltvättanläggningen, aska från koleldad kraftproduktion och krossad underjordisk gråberg blandad med cement, aktiverad och omrörd, och sedan pumpad under jord med en PM-pump för att fylla hålrum. Gruvan släpper inte ut något fast avfall externt.
(V) Fyllningsbrytningsteknik
Olika fyllnadsmaterial används baserat på varierande förhållanden:
Regionalt stöd. Högkvalitativa styva fyllnadsmaterial behövs för att minska elastisk volymförslutning och risken för bergsprängningar.
Kontroll av berglager. Kvalitetskraven för fyllnadsmaterialet är inte strikta, men storskalig fyllning behövs och fyllningen bör inte krympa efter applicering.
Flergångsbrytning. Fyllnadsmaterial kräver styvhet under låga spänningsförhållanden för att minimera bergdeformation och förskjutning.
Miljökontroll. För att säkerställa att hängväggen är tätad för att förhindra luftflöde genom det utgrävda området, bör fyllnadsmaterialet inte krympa, och fyllning av ett stort område krävs.
Minska mängden bergsupphöjning. Förbereda och krossa bergsavfall under jord för fyllnadsmaterial, vilket förbättrar effektiviteten.
Nuvarande överväganden för fyllning:
Fokusera insatserna på att skapa praktiska och tillförlitliga system. Undersök och utveckla effektiva fyllningstekniker för att integrera fyllningsoperationer med gruvcykler. Betona hanteringen av fyllningssystem.
Forskningstekniker för att optimera befintliga system, inklusive partikelstorleksfördelning för högkvalitativa fyllnadsmaterial, förbättrade processer för beredning av fyllnadsmaterial i hydrocykloner och krossning, och optimerade transporttekniker såsom tryckförlust, slitage, korrosion och övergripande design av fyllnadssystem.
Stärk den kvantitativa förståelsen av beredning, transport, placering och lastdeformation av fyllnadsmaterial för att lägga grunden för säker, stabil och effektiv gruvdrift. Internationellt använda fyllningsprocesser inkluderar hydraulisk sandfyllning, torrfyllning, fyllning av fasta material med hög halt av vatten och cementerad fyllning. Cementerad fyllning delas vidare in i: hydraulisk fyllning av segmenterat anrikningssand (transport med hög koncentration av gravitation), hydraulisk fyllning av annat fyllnadsmaterial (transport med hög koncentration av gravitation), fullständig gravitationsfyllning med anrikningssandpasta och fullständig pumpfyllning med anrikningssandpasta. Den internationellt rekommenderade metoden är fullständig pumpfyllning med anrikningssandpasta.
För närvarande har Kanada 12 gruvor som använder högkoncentrerad pastafyllning, och Sydafrika och Australien har också nya pastafyllningssystem i drift. Nya fyllningsprocesser kommer att bättre uppfylla kraven på resursskydd, miljöskydd, effektivitetsförbättring och gruvutveckling. Fyllningsbrytning kommer att ha bredare möjligheter inom 2000-talets gruvindustri.
(VI) Oceanisk polymetallisk nodulbrytning
Polymetalliska noduler förekommer på havsbotten på djup av cirka 3000–5000 m. För att bryta dem är genomförbara brytningsmetoder avgörande. Därför prioriterar länder världen över att utveckla tillförlitliga brytningsmetoder och har genomfört omfattande experimentell forskning, vissa har till och med utfört medelstora djuphavsbrytningsförsök. Från slutet av 1960-talet till idag delas internationellt utvecklade och testade havsbrytningsmetoder huvudsakligen in i tre kategorier: kontinuerlig linjeskopbrytning (CLB), fjärrstyrd fordonsbrytning på havsbotten och fluid lift-brytning.
Kontinuerlig linjeskopa (CLB) gruvdriftsmetod. Denna metod föreslogs av japanerna 1967. Den är relativt enkel och består huvudsakligen av ett gruvfartyg, bogservajer, hinkar och ett bogserfartyg. Hinkar fästs vid bogservajern med vissa intervall och sänks ner till havsbotten. Bogservajern, som drivs av bogserfartyget, förflyttar skoporna nedåt, skopor och uppåt. Denna steglösa cykliska repoperation bildar en kontinuerlig uppsamlingsslinga. Huvudfunktionen hos CLB är dess förmåga att anpassa sig till djupförändringar och upprätthålla normal drift. CLB:s produktion är dock bara upp till 100 ton/dag, långt under industriella gruvbehov. Därför övergavs CLB-gruvmetoden i slutet av 1970-talet.
Fjärrstyrd gruvdriftsmetod för havsbotten. Denna metod föreslogs huvudsakligen av fransmännen. Den fjärrstyrda gruvdriften för havsbotten är en obemannad undervattensmaskin för gruvdrift, huvudsakligen bestående av fyra system: malminsamling, självframdrivning, flytkraftskontroll och barlast. Under övervakning från moderskeppet på ytan dyker gruvfordonet ner till havsbotten enligt kommandon för att samla in noduler. När den är full dyker den upp till ytan och lossar noduler i moderskeppets mottagningsbehållare. Moderskeppet på ytan kan vanligtvis styra flera gruvfordon samtidigt. Detta gruvsystem kräver betydande investeringar, och med lågt produktvärde och inga ekonomiska fördelar på årtionden upphörde den franska organisationen för forskning och utveckling av oceaniska noduler med forskningen 1983. Insamlings- och transportprinciperna för detta gruvfordon anses dock vara lovande.
Fluidlyftbrytningsmetod. För närvarande är den internationellt erkända metoden med störst industriell tillämpningspotential fluidlyftbrytning. När gruvfartyget anländer till gruvområdet kopplas uppsamlaren och lyftröret samman och sänks gradvis ner i havet. Uppsamlaren samlar noduler från havsbottensediment och utför en initial bearbetning. Med hjälp av hydraulisk eller pneumatisk lyftning rör sig vattnet i röret uppåt med tillräcklig hastighet för att transportera noduler till dagbrottsfartyget.
Med tillkomsten av mänsklig havsutveckling och -användning under 2000-talet är havsbrytningsteknik särskilt viktig. Utvecklingen av modern högteknologi har banat väg för utnyttjande av havsresurser, och dess bildande och utveckling kommer att ha en positiv och långtgående inverkan på världens havsekonomi, kultur och mänsklig havsmedvetenhet.
