Legújabb fejlesztések a földalatti fémbányászat kulcsfontosságú technológiáiban
A földalatti fémbányászat egy összetett rendszer, amely magában foglalja a fejlesztést, a telephely-előkészítést (ércmeghatározás és -létesítés), valamint a kitermelést, és minden szakaszban robbantásra van szükség. Ezért a biztonságos és hatékony robbantás megvalósítása központi kutatási célkitűzés a bányászati mérnökök számára. A fémbányák jelenleg kritikus átmenetet élnek a sekély fejtéstől a mély fejtésig, a könnyű körülményektől a nehéz körülményekig, valamint a magas minőségű érctől az alacsonyabb minőségű ércig, ami új kihívásokat jelent az elmélet, a technológia és a berendezések számára. A földalatti bányászat kulcsfontosságú technológiáival kapcsolatos kutatás ezért különösen fontossá vált. A jelenlegi fejlesztések öt területre koncentrálódnak: fúrás és robbantás, anyagszállítás és emelés, kőzeterősítés, pasztatöltés és távirányítás. Ez az áttekintés összefoglalja az egyes területek fejlesztéseit és a legújabb eredményeket.
Fúrás és robbantás A fúrás és robbantás továbbra is a fémbányászat alapvető technológiái, de történelmileg gyenge láncszemnek is számított. A fúrás és robbantás hatékonyságának javítása elengedhetetlen a biztonságos és produktív földalatti bányászathoz. Az idők során az iparág a kézi fúrástól a pneumatikus és hidraulikus fúrókra, a jumbókra (beleértve a forgó és a mélyfúró berendezéseket), és most a fúrórobotok felé fejlődött. A trend az egyszerű gépesítéstől az automatizálás, az intelligencia és a környezetvédelem felé halad.
Hazai és nemzetközi szinten számos, a különböző talajviszonyokhoz igazított fúróberendezést fejlesztettek ki. Az elmúlt években a fúróberendezések fejlődésével néhány ország (nevezetesen az Egyesült Államok és Kanada) nagyméretű, külszíni fúrási/robbantási módszereket alkalmazott a földalatti használatra: a szegmentált, közepes mélységű fúrásokat egyes esetekben nagy átmérőjű, szakaszos mélyfúrások váltották fel, ami kedvező eredményeket hozott. Például Svédország egy sor alagútfúró jumbót fejlesztett ki, amelyek nagy fúrási hatékonysággal, fokozott biztonsággal és alacsonyabb szennyezéssel járnak; belföldön teljesen számítógéppel vezérelt, háromkarú jumbókat fejlesztettek ki, amelyek integrálják a mobilitást, a fúrást és a töltési műveleteket, egyszerű kezelhetőséget, magas biztonságot és csökkentett költségeket kínálva. Ezek a rendszerek javítják a fúrás minőségét és hatékonyságát, miközben csökkentik a munkaerő-intenzitást és a működési kockázatot, fejlesztik az automatizálást, az intelligenciát és a környezeti teljesítményt.
Mivel a földalatti körülmények, valamint az útfeltárás és a bányászat követelményei eltérőek, a robbantási módszerek is változatosak. Az olyan technikák, mint a kis differenciáltöltésű robbantás, a préseléses robbantás és a kontúros (sima felületű) robbantás széles körben elterjedtek, és számos helyzetben javították a robbantási eredményeket.
A robbantási technológia a precíziós robbantás, a zöld robbantás és az intelligens robbantás felé fejlődik. A precíziós robbantás a finomított lyukminta-tervezésen, a részletes robbanóanyag-energia vizsgálatokon és a robbantás-szimulációs modellezésen alapul a célzott kőzettörés elérése érdekében. A zöld robbantás újszerű égésanyagokat használ a hagyományos robbanóanyagok helyettesítésére, kiküszöböli a káros robbantási gázokat és jelentősen javítja a földalatti levegő minőségét. Az intelligens robbantás integrálja az intelligens robbantástervezést, az intelligens berendezéseket, a prediktív rezgésmodellezést és a töltetlen lyukak automatikus azonosítását egy intelligens robbantási rendszer létrehozása érdekében.
A robbantásos módszereken túl a nem robbantásos kőzetaprító technikák is egyre nagyobb figyelmet kapnak. A folyamatos bányászati gépeket közepesen kemény és lágyabb kőzetek mechanikus feltárására használják, magas termelékenységet és kedvező talajvédelmi feltételeket biztosítva. A fizikai aprítási módszerek – mint például a nagynyomású vízsugaras tisztítás és a termikus aprítás – leküzdhetik a tisztán mechanikus vágás bizonyos korlátait, kevés port és szikrát nem termelnek, és javítják a munkakörülményeket. A magas energiafogyasztás, a magas költségek és a szerszámok súlyos kopása azonban korlátozta a széles körű elterjedést. Ezenkívül a hazai információs és mesterséges intelligencia technológiák fejlesztése később kezdődött, mint néhány más országban, így a folyamatos keménykőzet-bányászat kulcsfontosságú intelligens rendszerei még mindig nagyrészt külföldi technológiára támaszkodnak. Ennek eredményeként a keménykőzet-lelőhelyek folyamatos bányászatát még nem alkalmazzák széles körben belföldön.
Anyagszállítás és emelés A szállító- és emelőrendszerek kritikus fontosságúak a földalatti termeléshez, mivel a bányászati folyamatot folyamatos rendszerbe integrálják, és biztosítják a normál működést. Az ércszállítás a kézi módszerekről a vasúti rendszerekre, majd a pálya nélküli (gumikerekes) rendszerekre fejlődött; a jelenlegi trend a pálya nélküli berendezések elsődleges szállítási módja, a lánctalpas rendszerek pedig másodlagosak, amit a pálya nélküli földalatti berendezések 1960-as évek óta tartó fejlesztése és érlelése vezérel.
A bányákon belüli rövid távú szállításhoz jellemzően rakodógépeket használnak, amelyek kényelmes kezelhetőséget, megbízható teljesítményt, magas termelékenységet és manőverezhetőséget kínálnak. A nagy távolságú földalatti szállításhoz általában dömpereket használnak; ezeket külföldön széles körben, de belföldön kevésbé használják. A bányászat mélységének növekedésével az emelési távolságok is nőnek, és az emelési technológia nagyobb kihívásokkal néz szembe, az ércek emelésének növekvő költségeivel együtt. Ezért egyre fontosabb a mélyaknás ércemelési technológia fejlesztése. Az általános trend a nagyobb méretű, nagyobb terhelésű és nagyobb automatizálású rendszerek felé mutat.
A mélybányászatban számos művelet kombinálja a vasúti szállítást, a szalagos szállítószalagokat vagy a sín nélküli rakodókat többlépcsős aknaemelésekkel. Például a dél-afrikai TauTona aranybánya egy háromlépcsős aknaemelő rendszert használ, a tengelyek közötti átvitelt szállítószalaggal vagy sín nélküli berendezéssel végzi. A hagyományos nyitott szalagos szállítószalagok egyszerű szerkezetűek, de hajlamosak a porképződésre és a kiömlésre, ami szennyezi a földalatti levegőt és csökkenti a biztonságot; felfelé irányuló teljesítményük is gyenge. Az újabb zárt szalagos szállítórendszerek – mint például a SiCON által kifejlesztett zárt kialakítású megoldás – megakadályozzák a kiömlést és a port, 3 m/s-nál nagyobb szállítási sebességet érnek el, és akár 36°-os lejtőket is kezelnek. Megfelelő adaptációval az ilyen rendszerek ígéretesek a mélybányászati ércszállításban.
A hidraulikus (vízi) emelést főként mélytengeri alkalmazásokban használják, és néhány kutató vizsgálta a mélybányákban való alkalmazását, mivel folyamatos működést és könnyebb automatizálást tesz lehetővé. A hidraulikus emelés föld alatti alkalmazása azonban helyszíni aprító (zúzó és őrlő) rendszereket igényelne mélységben, ami megnehezíti a gyakorlati megvalósítást ma. Innovatív koncepciókat, például az ércemeléshez használt maglev felvonókat is javasoltak, de további részletes kutatásokat igényelnek. Ezek az új technológiák és koncepciók új lendületet adnak a bányászati szállításnak és emelésnek, ösztönözve az innovációt a módszerek és a berendezések terén.
Kőzeterősítés A fémbányákban a kőzeterősítés a gyenge, repedezett és nagy feszültségű rétegekre összpontosít. A tartórendszerek passzív vagy aktív kategóriákba sorolhatók. A passzív támaszok (fa, falazat, acél ívek) nem tudják megváltoztatni a belső kőzetszerkezetet, és csak a deformációnak állnak ellen. Az aktív támaszok módosítják a kőzettömeget, hogy növeljék annak belső szilárdságát – például a kőzetcsavarok és kábelcsavarok, a gyantával vagy cementtel habarcsolt horgonyok, a hálóval ellátott lőtt beton, valamint az olyan összetett rendszerek, mint a lőtt betonnal és hálóval kombinált csavarok. Ezek közül a cementtel habarcsolt csavarok és a lőtt beton kombinációi váltak a fémbányák talajerősítésének elsődleges módszereivé.
A teljes hosszúságú csavarok és a ragasztott csavarok kombinációja, amelyekkel teljes hosszúságú ragasztott rendszereket hoztak létre, jelentősen javította a rögzítési szilárdságot, és nagy potenciált mutat a terepi alkalmazásokban. A lőttbeton technológia a száraz keverékű permetezéstől a nedves keverékű permetezésig fejlődött, javítva a munkakörülményeket és csökkentve a kőzet lepattogzását. A lőttbeton és a kőzetcsavarok kombinációja hatékonyan korlátozza a környező kőzet szabad deformációját, újraelosztja a feszültséget, és megakadályozza a felszíni lepattogzást és a kőomlást.
A gépesítés és a berendezések terén elért fejlődés felgyorsítja a modern csavarozott-lőttbeton rendszerek elterjedését. Nemzetközi szinten különféle csavarjumbókat, nedves szóróberendezéseket és hálófüggesztő gépeket fejlesztettek ki. Belföldön gumiabroncsokra szerelt és lánctalpas csavarjumbókat, bányaipari minőségű nedves szórógépeket és kétkarú nedves szóró betonberendezéseket fejlesztettek ki, amelyek javították a hatékonyságot, csökkentették a munkaigényt és növelték a biztonságot – előmozdítva a gépesítést és megtették a kezdeti lépéseket az intelligens működés felé. Több technológiai iteráció után a kőzeterősítés a passzív, egyetlen tartószerkezetű módszerekről az aktív kompozit módszerekre váltott; a jövőbeli fejlesztések várhatóan a gépesítésre és az intelligenciára helyezik a hangsúlyt a biztonság és a termelékenység további javítása érdekében.
Pasztatöltés A bányászatból származó szilárd hulladék, a víz- és levegőszennyezés, valamint a földhasználat komoly környezeti aggályokat okoz. A pasztatöltéses bányászati technológia és berendezések ígéretes megközelítést kínálnak e problémák enyhítésére. A pasztatöltés a zagyot és más bányászati szilárd hulladékot telített, nem vérző, fogkrémszerű szerkezeti iszappá alakítja, amely tározók és zagytározók feltöltésére használható, két fő veszélyt – a zagytárolást és az üres tározókat – kezelve, miközben támogatja a fenntartható bányászatot.
A hagyományos hidraulikus homoktöltéssel összehasonlítva a pasztatöltés három „nem” tulajdonsággal rendelkezik: nincs rétegződés, nincs szétválasztás és nincs vérzés. Létrehoztak egy ipari méretű pasztatöltéses tesztplatformot – amely nagyjából 2000 m²-t fed le, és több mint 200 berendezést tartalmaz –, amely nagy pontosságot, átfogó funkcionalitást és intelligens vezérlést kínál. Lehetővé teszi a teljes folyamat tesztelését, a paraméterek mérését és a mérnöki gyakorlati útmutatást. Figyelemre méltó, hogy a több átmérőjű, több orientációjú, több áramlású hurokcső-tesztrendszerek olyan teszteredményeket biztosítanak, amelyek jobban tükrözik a terepi körülményeket, mint sok hagyományos módszer.
A pasztatöltési folyamat lépéseinek közös elméleti alapja a paszta reológia. A kutatás a paszta reológiájának konstitutív modelljeire összpontosít, elméleti számításokat, reológiai kísérleteket és numerikus szimulációt alkalmazva, hogy megfeleljen a mérnöki igényeknek a négy folyamatszakaszban: sűrítés (koncentrálás), keverés, szállítás és töltés/keményítés. A sűrítés stabil alulfolyási koncentrációt ér el a minősített paszta előállításához; a keverés biztosítja az egyenletes anyagkeverést a folyóképesség és a homogén mechanikai tulajdonságok támogatása érdekében a csővezetékekben; a szállítás célja az alacsony energiafogyasztás és a csökkentett kopás; a töltés célja az egyenletes szilárdságeloszlás, valamint a nagyfokú habarcstöltés és a függesztőfalakhoz való tapadás. Ez a négy technológia megfelel a pasztatöltés főbb műszaki kihívásainak. A pasztatöltési technológia – amelyet a biztonság, a gazdaságosság, a környezetvédelem és a hatékonyság jellemez – fontos műszaki pillére a zöld fémbányászati rendszereknek.
Távirányítás és automatizálás A bányászati technológia a manuálisról a gépesítettre, most pedig az automatizált és intelligens műveletek felé fejlődött. A távirányítású technológia az automatizálás és az intelligencia alapvető elősegítője, és pótolhatatlan szerepet játszik a modern bányászatban. Globálisan a távirányítás érett irány a földalatti bányák számára, és magában foglalja többek között a fúrás távvezérlését, a töltés távvezérlését és az érckezelés távvezérlését. A széles körű elterjedés azonban az adott ország általános ipari és technológiai érettségétől függ; a teljes körű elterjedés belföldön még nem történt meg.
A kulcsfontosságú távirányítási technológiák három képességre összpontosulnak: a bányászati környezet távérzékelésére, a bányászati folyamatok távműködtetésére és a bányászati rendszerek távirányítására. Ezek együttesen lehetővé teszik az automatizált érzékelést és elemzést, a pilóta nélküli műveleteket, a távirányítást, az automatikus korai figyelmeztetést és a távoli döntéshozatalt. A teljesen autonóm és távolról irányított földalatti fémbányászat megvalósításához az érzékelés, a kommunikáció, a vezérlőrendszerek és a mesterséges intelligencia folyamatos fejlesztése és integrációja szükséges.
Következtetés A fúrás és robbantás, a szállítás és emelés, a kőzeterősítés, a pasztatöltés és a távirányítású technológiák együttes fejlődése átalakítja a földalatti fémbányászatot. A berendezések, anyagok, folyamatirányítás és digitális rendszerek terén elért fejlődés biztonságosabb, hatékonyabb és fenntarthatóbb kitermelést eredményez. A folyamatos kutatás, terepi kísérletek és az intelligens rendszerek integrációja elengedhetetlen lesz a mélyebb, összetettebb és alacsonyabb minőségű fémlelőhelyek kihívásainak leküzdéséhez.
