Progrese recente în tehnologiile cheie pentru mineritul subteran de metale
Exploatarea minieră subterană este un sistem complex care include dezvoltarea, pregătirea abatajului (definirea și stabilirea minereului) și extracția, iar împușcarea este necesară în fiecare etapă. Prin urmare, realizarea unei împușcări sigure și eficiente este un obiectiv central de cercetare pentru inginerii minieri. Minele de metale se află acum într-o tranziție critică de la lucrări superficiale la lucrări adânci, de la condiții ușoare la condiții dificile și de la minereu de înaltă calitate la minereu de înaltă calitate, creând noi provocări pentru teorie, tehnologie și echipamente. Prin urmare, cercetarea tehnologiilor cheie pentru mineritul subteran a devenit deosebit de importantă. Progresele actuale se concentrează în cinci domenii: foraj și împușcări, transportul și ridicarea materialelor, armarea rocilor, umplerea cu pastă și telecomanda. Această analiză rezumă dezvoltarea și progresul recent în fiecare domeniu.
Foraj și explozii Forajul și exploziile rămân tehnologii de bază în mineritul metalelor, dar, din punct de vedere istoric, au reprezentat și o verigă slabă. Îmbunătățirea eficienței forajului și exploziilor este vitală pentru un minerit subteran sigur și productiv. De-a lungul timpului, industria a progresat de la forajul manual la burghiele pneumatice și hidraulice, la instalațiile de foraj jumbo (inclusiv instalațiile rotative și de foraj în gaură) și acum către roboții de foraj. Tendința este de a se îndepărta de simpla mecanizare și de a se îndrepta către automatizare, inteligență și protecția mediului.
O varietate de platforme de foraj adaptate la diferite condiții de teren au fost dezvoltate la nivel național și internațional. În ultimii ani, datorită echipamentelor de foraj îmbunătățite, unele țări (în special Statele Unite și Canada) au adaptat metode de foraj/pușcare la scară largă în cariere deschise pentru utilizare subterană: forajele segmentate de adâncime intermediară au fost, în unele cazuri, înlocuite cu foraje adânci etajate cu diametru mare, producând rezultate favorabile. De exemplu, Suedia a dezvoltat o gamă de sonde jumbo pentru tuneluri cu eficiență ridicată de foraj, siguranță îmbunătățită și poluare mai mică; pe plan intern, au fost dezvoltate sonde jumbo cu trei brațe, complet controlate de computer, care integrează mobilitatea, forajul și operațiunile de încărcare, oferind o operare simplă, siguranță ridicată și costuri reduse. Aceste sisteme îmbunătățesc calitatea și eficiența forajului, reducând în același timp intensitatea forței de muncă și riscul operațional, avansând automatizarea, inteligența și performanța de mediu.
Deoarece condițiile subterane și cerințele pentru excavarea și exploatarea drumurilor diferă, metodele de împușcare rămân diverse. Tehnici precum împușcarea cu încărcătură diferențială mică, împușcarea prin presare și împușcarea de contur (cu fața netedă) sunt utilizate pe scară largă și au îmbunătățit rezultatele exploziilor în multe situații.
Tehnologia de explozie evoluează către explozii de precizie, explozii ecologice și explozii inteligente. Pușcarea de precizie se bazează pe un design rafinat al modelului de găuri, studii detaliate ale energiei explozive și modelare a simulării exploziilor pentru a obține spargerea rocilor cu țintă precisă. Pușcarea ecologică utilizează agenți de combustie noi pentru a înlocui explozibilii convenționali, eliminând gazele de explozie nocive și îmbunătățind semnificativ calitatea aerului subteran. Pușcarea inteligentă integrează designul inteligent al exploziilor, echipamentele inteligente, modelarea predictivă a vibrațiilor și identificarea automată a găurilor neîncărcate pentru a crea un sistem inteligent de explozie.
Dincolo de metodele explozive, tehnicile neexplozive de spargere a rocilor câștigă atenție. Minele continue sunt utilizate pentru excavarea mecanică în roci medii-dure și mai moi, oferind o productivitate ridicată și condiții favorabile de control al terenului. Metodele de fragmentare fizică - cum ar fi jetul de apă de înaltă presiune și fragmentarea termică - pot depăși unele limitări ale tăierii mecanice pure, producând puțin praf și fără scântei și îmbunătățind condițiile de lucru. Cu toate acestea, consumul ridicat de energie, costul ridicat și uzura severă a sculelor au restricționat adoptarea pe scară largă. În plus, dezvoltarea internă a tehnologiilor informației și IA a început mai târziu decât în alte țări, astfel încât sistemele inteligente cheie pentru mineritul continuu al rocilor dure se bazează încă în mare măsură pe tehnologie străină. Drept urmare, mineritul continuu pentru zăcămintele de rocă dură nu este încă implementat pe scară largă la nivel național.
Transportul și ridicarea materialelor Sistemele de transport și ridicare sunt esențiale pentru producția subterană, integrând procesul de minerit într-un sistem continuu și asigurând funcționarea normală. Transportul minereului a evoluat de la metode manuale la sisteme pe șine și apoi la sisteme fără șine (cu anvelope de cauciuc); tendința actuală este către echipamentele fără șine ca principal mod de transport, cu sistemele pe șine ca mod secundar, impulsionată de dezvoltarea și maturizarea echipamentelor subterane fără șine încă din anii 1960.
Transportul pe distanțe scurte în interiorul abatajelor utilizează de obicei încărcătoare, care oferă o operare convenabilă, performanțe fiabile, productivitate ridicată și manevrabilitate. Transportul subteran pe distanțe lungi utilizează în mod obișnuit camioane de transport; acestea sunt utilizate pe scară largă în străinătate, dar mai puțin pe plan intern. Pe măsură ce adâncimea de exploatare crește, distanțele de ridicare cresc, iar tehnologia de ridicare se confruntă cu provocări mai mari, împreună cu creșterea costurilor pentru ridicarea minereurilor. Prin urmare, dezvoltarea tehnologiei de ridicare a minereurilor la adâncime este din ce în ce mai importantă. Tendința generală este către sisteme la scară mai mare, cu sarcini mai mari și o automatizare sporită.
În mineritul la mare adâncime, multe operațiuni combină transportul feroviar, transportoarele cu bandă sau încărcătoarele fără șine cu ridicarea cu arbori în mai multe etape. De exemplu, mina de aur TauTona din Africa de Sud utilizează un sistem de ridicare cu arbori în trei etape, cu transfer între arbori prin transportor sau echipament fără șine. Transportoarele cu bandă deschisă convenționale au o structură simplă, dar sunt predispuse la generarea de praf și la scurgeri, care poluează aerul subteran și reduc siguranța; de asemenea, au performanțe slabe în urcare. Sistemele mai noi de transportoare cu bandă închise - cum ar fi o soluție cu design închis dezvoltată de SiCON - previn scurgerile și praful, ating viteze de transport care depășesc 3 m/s și gestionează înclinări de până la 36°. Cu o adaptare adecvată, astfel de sisteme sunt promițătoare pentru transportul minereului în minele la mare adâncime.
Ridicarea hidraulică (pe apă) este utilizată în principal în aplicații marine de mare adâncime, iar unii cercetători au explorat utilizarea sa în minele de mare adâncime, deoarece permite funcționarea continuă și o automatizare mai ușoară. Cu toate acestea, aplicarea ridicării hidraulice în subteran ar necesita sisteme de măcinare (concasare și măcinare) la fața locului la adâncime, ceea ce face dificilă implementarea practică în prezent. De asemenea, au fost propuse concepte inovatoare, cum ar fi elevatoarele maglev pentru ridicarea minereului, dar necesită cercetări detaliate suplimentare. Aceste noi tehnologii și concepte injectează un nou impuls în transportul și ridicarea în mine, stimulând inovația în metode și echipamente.
Armarea rocilor Armarea rocilor în minele de metal se concentrează pe straturile slabe, fracturate și supuse unor solicitări mari. Sistemele de susținere sunt clasificate ca pasive sau active. Suporturile pasive (lemn, zidărie, arcade de oțel) nu pot altera structura internă a rocii și rezistă doar deformării. Suporturile active modifică masa rocii pentru a-i crește rezistența inerentă - exemplele includ șuruburi de ancoră și șuruburi de cablu, ancore turnate cu rășină sau ciment, beton proiectat cu plasă și sisteme compozite, cum ar fi șuruburi combinate cu beton proiectat și plasă. Printre acestea, combinațiile de șuruburi turnate cu ciment și beton proiectat au devenit metode principale pentru armarea solului în minele de metal.
Șuruburile de lungime completă și șuruburile lipite combinate pentru a crea sisteme lipite pe lungime completă au îmbunătățit considerabil rezistența ancorajului și prezintă un potențial puternic pentru aplicații pe teren. Tehnologia betonului proiectat a evoluat de la pulverizarea cu amestec uscat la pulverizarea cu amestec umed, îmbunătățind condițiile de lucru și reducând exfolierea rocilor. Combinarea betonului proiectat cu șuruburile de ancoră limitează eficient deformarea liberă a rocii înconjurătoare, redistribuie stresul și previne exfolierea suprafeței și căderile de pietre.
Progresele în mecanizare și echipamente accelerează adoptarea sistemelor moderne de armare a betonului proiectat cu șuruburi. La nivel internațional, au fost dezvoltate o varietate de utilaje de armare cu șuruburi jumbo, instalații de pulverizare umedă și mașini de suspendare a plaselor. La nivel intern, au fost dezvoltate utilaje de armare cu șuruburi jumbo montate pe anvelope și pe șenile, mașini de pulverizare umedă pentru mină și instalații de beton pulverizat umed cu două brațe, îmbunătățind eficiența, reducând intensitatea muncii și sporind siguranța - avansând mecanizarea și pașii inițiali către funcționarea inteligentă. După mai multe iterații tehnologice, armarea rocilor a trecut de la metode pasive cu un singur sprijin la metode compozite active; se așteaptă ca dezvoltarea viitoare să pună accent pe mecanizare și inteligență pentru a îmbunătăți în continuare siguranța și productivitatea.
Umplerea cu pastă Deșeurile solide generate de minerit, poluarea apei și a aerului și ocuparea terenurilor reprezintă preocupări serioase de mediu. Tehnologia și echipamentele de minerit cu umplere cu pastă oferă o abordare promițătoare pentru atenuarea acestor probleme. Umplerea cu pastă transformă sterilul și alte deșeuri solide miniere într-o suspensie structurală saturată, fără sângerare, asemănătoare pastei de dinți, care poate fi utilizată pentru umplerea abatajelor și a bazinelor de steril, abordând două pericole majore - depozitarea sterilului și abatajele golite - susținând în același timp mineritul durabil.
Comparativ cu umplerea hidraulică tradițională cu nisip, umplerea cu pastă oferă trei caracteristici „fără”: fără stratificare, fără segregare și fără sângerare. A fost creată o platformă de testare a umplerii cu pastă la scară industrială - care acoperă aproximativ 2.000 m² cu peste 200 de echipamente - oferind precizie ridicată, funcționalitate completă și control inteligent. Aceasta permite testarea completă a procesului, măsurarea parametrilor și îndrumarea practică inginerească. În special, sistemele de testare cu țevi în buclă cu diametru multiplu, orientare multiplă și flux multiplu oferă rezultate ale testelor care reflectă mai bine condițiile de teren decât multe metode tradiționale.
Fundamentul teoretic comun pentru toate etapele procesului de umplere cu pastă este reologia pastei. Cercetarea se concentrează pe modele constitutive pentru reologia pastei, utilizând calcule teoretice, experimente reologice și simulări numerice pentru a satisface nevoile inginerești în patru etape ale procesului: îngroșare (concentrare), amestecare, transport și umplere/întărire. Îngroșarea realizează o concentrație stabilă de subcurgere pentru a prepara o pastă calificată; amestecarea asigură o amestecare uniformă a materialelor pentru a susține fluiditatea și proprietățile mecanice omogene în conducte; transportul vizează un consum redus de energie și o uzură redusă; umplerea vizează distribuția uniformă a rezistenței și un grad ridicat de umplere a abatajului și de atașare la pereții suspendați. Aceste patru tehnologii corespund principalelor provocări tehnice ale umplerii cu pastă. Tehnologia de umplere cu pastă - caracterizată prin siguranță, economie, protecția mediului și eficiență - este un pilon tehnic important pentru sistemele de exploatare a metalelor verzi.
Telecomandă și automatizare Tehnologia minieră a evoluat de la manuală la mecanizată și acum către operațiuni automatizate și inteligente. Tehnologia telecomenzii este un factor esențial al automatizării și inteligenței și va juca un rol de neînlocuit în mineritul modern. La nivel global, telecomanda este o direcție matură pentru minele subterane și include controlul de la distanță al forajului, controlul de la distanță al încărcării și controlul de la distanță al manipulării minereului, printre altele. Cu toate acestea, implementarea pe scară largă depinde de maturitatea industrială și tehnologică generală a unei țări; adoptarea la scară largă nu a avut loc încă la nivel intern.
Tehnologiile cheie de control de la distanță se concentrează pe trei capabilități: teledetecția mediului minier, operarea de la distanță a proceselor miniere și guvernanța de la distanță a sistemelor miniere. Împreună, acestea permit percepția și analiza automată, operațiunile fără personal, dispecerizarea de la distanță, avertizarea timpurie automată și luarea deciziilor de la distanță. Dezvoltarea și integrarea continuă a sistemelor de detectare, comunicații, control și inteligență artificială sunt necesare pentru a realiza mineritul subteran de metale complet autonom și gestionat de la distanță.
Concluzie Progresul combinat al tehnologiilor de foraj și explozie, transport și ridicare, armare a rocilor, umplere cu pastă și telecomandă remodelează mineritul subteran de metale. Progresul în domeniul echipamentelor, materialelor, controlului proceselor și sistemelor digitale conduce la o extracție mai sigură, mai eficientă și mai sustenabilă. Continuarea cercetării, a testelor pe teren și a integrării sistemelor inteligente vor fi esențiale pentru a face față provocărilor reprezentate de zăcămintele metalice mai adânci, mai complexe și cu conținut scăzut.
