Những tiến bộ gần đây trong các công nghệ chủ chốt cho khai thác kim loại dưới lòng đất
Khai thác mỏ kim loại dưới lòng đất là một hệ thống phức tạp bao gồm phát triển, chuẩn bị khu vực khai thác (xác định và thiết lập quặng), và khai thác, và việc nổ mìn là cần thiết ở mọi giai đoạn. Do đó, đạt được hiệu quả và an toàn trong việc nổ mìn là mục tiêu nghiên cứu trọng tâm của các kỹ sư khai thác mỏ. Các mỏ kim loại hiện đang trải qua giai đoạn chuyển đổi quan trọng từ khai thác nông sang khai thác sâu, từ điều kiện dễ dàng sang khó khăn, và từ quặng chất lượng cao sang quặng chất lượng thấp hơn, tạo ra những thách thức mới cho lý thuyết, công nghệ và thiết bị. Do đó, nghiên cứu về các công nghệ chủ chốt trong khai thác mỏ dưới lòng đất trở nên đặc biệt quan trọng. Những tiến bộ hiện nay tập trung vào năm lĩnh vực: khoan và nổ mìn, vận chuyển và nâng hạ vật liệu, gia cố đá, lấp đầy bằng hỗn hợp bùn và điều khiển từ xa. Bài tổng quan này tóm tắt sự phát triển và những tiến bộ gần đây trong mỗi lĩnh vực.
Khoan và nổ mìn vẫn là những công nghệ cốt lõi trong khai thác kim loại nhưng trong lịch sử cũng là một mắt xích yếu. Nâng cao hiệu quả khoan và nổ mìn là điều vô cùng quan trọng đối với hoạt động khai thác hầm lò an toàn và năng suất. Theo thời gian, ngành công nghiệp đã tiến bộ từ khoan thủ công sang máy khoan khí nén và thủy lực, đến máy khoan khổng lồ (bao gồm cả giàn khoan quay và giàn khoan xuống lòng đất), và hiện nay là hướng tới robot khoan. Xu hướng đang chuyển từ cơ giới hóa đơn giản sang tự động hóa, trí tuệ nhân tạo và bảo vệ môi trường.
Nhiều loại giàn khoan thích ứng với các điều kiện địa chất khác nhau đã được phát triển trong nước và quốc tế. Trong những năm gần đây, với thiết bị khoan được cải tiến, một số quốc gia (đặc biệt là Hoa Kỳ và Canada) đã áp dụng các phương pháp khoan/nổ mìn lộ thiên quy mô lớn cho mục đích khai thác ngầm: các lỗ khoan sâu trung bình được chia đoạn, trong một số trường hợp, đã được thay thế bằng các lỗ khoan sâu có đường kính lớn theo từng giai đoạn, mang lại kết quả khả quan. Ví dụ, Thụy Điển đã phát triển một loạt máy khoan hầm cỡ lớn với hiệu suất khoan cao, an toàn được cải thiện và ít gây ô nhiễm hơn; trong nước, các máy khoan hầm ba tay được điều khiển hoàn toàn bằng máy tính, tích hợp các hoạt động di động, khoan và nạp thuốc nổ đã được phát triển, mang lại khả năng vận hành đơn giản, độ an toàn cao và chi phí thấp hơn. Các hệ thống này cải thiện chất lượng và hiệu quả khoan đồng thời giảm cường độ lao động và rủi ro vận hành, thúc đẩy tự động hóa, trí thông minh và hiệu suất môi trường.
Do điều kiện dưới lòng đất và yêu cầu đào đường hầm và khai thác mỏ khác nhau, các phương pháp nổ mìn cũng rất đa dạng. Các kỹ thuật như nổ mìn chênh lệch liều lượng nhỏ, nổ mìn ép và nổ mìn theo đường viền (mặt phẳng) được sử dụng rộng rãi và đã cải thiện kết quả nổ mìn trong nhiều trường hợp.
Công nghệ nổ mìn đang phát triển theo hướng nổ mìn chính xác, nổ mìn thân thiện với môi trường và nổ mìn thông minh. Nổ mìn chính xác dựa trên thiết kế mẫu lỗ khoan tinh tế, nghiên cứu chi tiết về năng lượng thuốc nổ và mô hình mô phỏng vụ nổ để đạt được mục tiêu phá vỡ đá. Nổ mìn thân thiện với môi trường sử dụng các chất cháy mới để thay thế thuốc nổ thông thường, loại bỏ khí thải độc hại và cải thiện đáng kể chất lượng không khí dưới lòng đất. Nổ mìn thông minh tích hợp thiết kế nổ mìn thông minh, thiết bị thông minh, mô hình rung động dự đoán và tự động nhận diện các lỗ khoan không có thuốc nổ để tạo ra một hệ thống nổ mìn thông minh.
Bên cạnh các phương pháp phá đá bằng chất nổ, các kỹ thuật phá đá không dùng chất nổ đang thu hút sự chú ý. Máy khai thác liên tục được sử dụng để khai thác cơ học trong đá có độ cứng trung bình và mềm hơn, mang lại năng suất cao và điều kiện kiểm soát địa chất thuận lợi. Các phương pháp phân mảnh vật lý—như phun nước áp lực cao và phân mảnh nhiệt—có thể khắc phục một số hạn chế của việc cắt cơ học thuần túy, tạo ra ít bụi và không có tia lửa, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc. Tuy nhiên, mức tiêu thụ năng lượng cao, chi phí cao và sự mài mòn dụng cụ nghiêm trọng đã hạn chế việc áp dụng rộng rãi. Thêm vào đó, sự phát triển trong nước về công nghệ thông tin và trí tuệ nhân tạo bắt đầu muộn hơn so với một số quốc gia khác, do đó các hệ thống thông minh quan trọng cho khai thác liên tục đá cứng vẫn chủ yếu dựa vào công nghệ nước ngoài. Kết quả là, khai thác liên tục các mỏ đá cứng vẫn chưa được triển khai rộng rãi trong nước.
Vận chuyển và nâng hạ vật liệu Hệ thống vận chuyển và nâng hạ rất quan trọng đối với sản xuất dưới lòng đất, tích hợp quy trình khai thác vào một hệ thống liên tục và đảm bảo hoạt động bình thường. Việc vận chuyển quặng đã phát triển từ các phương pháp thủ công sang hệ thống đường ray và sau đó là hệ thống không ray (bánh lốp); xu hướng hiện nay là hướng tới thiết bị không ray làm phương thức vận chuyển chính, với hệ thống có ray là phương thức thứ hai, được thúc đẩy bởi sự phát triển và hoàn thiện của thiết bị không ray dưới lòng đất kể từ những năm 1960.
Việc vận chuyển quặng quãng ngắn bên trong các hầm mỏ thường sử dụng máy xúc lật, mang lại sự tiện lợi, hiệu suất đáng tin cậy, năng suất cao và khả năng cơ động tốt. Việc vận chuyển quặng quãng dài dưới lòng đất thường sử dụng xe tải vận chuyển; loại xe này được sử dụng rộng rãi ở nước ngoài nhưng ít phổ biến hơn ở trong nước. Khi độ sâu khai thác tăng lên, khoảng cách nâng hạ cũng tăng theo và công nghệ nâng hạ phải đối mặt với nhiều thách thức hơn, cùng với chi phí nâng quặng ngày càng tăng. Do đó, việc phát triển công nghệ nâng quặng trong hầm sâu ngày càng trở nên quan trọng. Xu hướng chung là hướng tới các hệ thống quy mô lớn hơn với tải trọng cao hơn và tự động hóa cao hơn.
Trong khai thác mỏ sâu, nhiều hoạt động kết hợp vận chuyển đường sắt, băng tải hoặc máy xúc không ray với hệ thống nâng hạ giếng nhiều tầng. Ví dụ, mỏ vàng TauTona ở Nam Phi sử dụng hệ thống nâng hạ giếng ba tầng với việc chuyển tải giữa các giếng bằng băng tải hoặc thiết bị không ray. Băng tải hở truyền thống có cấu trúc đơn giản nhưng dễ tạo ra bụi và vật liệu rơi vãi, gây ô nhiễm không khí dưới lòng đất và giảm an toàn; chúng cũng hoạt động kém hiệu quả khi leo dốc. Các hệ thống băng tải kín mới hơn—chẳng hạn như giải pháp thiết kế kín do SiCON phát triển—ngăn ngừa vật liệu rơi vãi và bụi, đạt tốc độ vận chuyển vượt quá 3 m/s và xử lý độ dốc lên đến 36°. Với sự điều chỉnh phù hợp, các hệ thống như vậy cho thấy tiềm năng trong vận chuyển quặng ở mỏ sâu.
Hệ thống nâng hạ thủy lực (bằng nước) chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng dưới biển sâu, và một số nhà nghiên cứu đã khám phá việc sử dụng nó trong các mỏ sâu vì nó cho phép vận hành liên tục và tự động hóa dễ dàng hơn. Tuy nhiên, việc áp dụng hệ thống nâng hạ thủy lực dưới lòng đất sẽ đòi hỏi các hệ thống nghiền (nghiền và xay) tại chỗ ở độ sâu, khiến việc triển khai thực tế hiện nay gặp nhiều khó khăn. Các khái niệm đổi mới như thang máy từ trường để vận chuyển quặng cũng đã được đề xuất nhưng cần nghiên cứu chi tiết hơn nữa. Những công nghệ và khái niệm mới này đang tạo động lực mới cho vận chuyển và nâng hạ trong mỏ, thúc đẩy sự đổi mới trong các phương pháp và thiết bị.
Gia cố đá trong các mỏ kim loại tập trung vào các tầng đá yếu, nứt nẻ và chịu ứng suất cao. Hệ thống chống đỡ được phân loại là thụ động hoặc chủ động. Hệ thống chống đỡ thụ động (gỗ, gạch, vòm thép) không thể thay đổi cấu trúc đá bên trong và chỉ có thể chống lại sự biến dạng. Hệ thống chống đỡ chủ động điều chỉnh khối đá để tăng cường độ bền vốn có của nó - ví dụ bao gồm bu lông đá và bu lông cáp, neo vữa nhựa hoặc xi măng, bê tông phun với lưới thép, và các hệ thống hỗn hợp như bu lông kết hợp với bê tông phun và lưới thép. Trong số này, sự kết hợp giữa bu lông vữa xi măng và bê tông phun đã trở thành phương pháp chính để gia cố nền đất trong các mỏ kim loại.
Việc kết hợp bu lông toàn chiều dài và bu lông liên kết để tạo ra hệ thống liên kết toàn chiều dài đã cải thiện đáng kể độ bền neo giữ và cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế mạnh mẽ. Công nghệ phun bê tông đã phát triển từ phun hỗn hợp khô sang phun hỗn hợp ướt, cải thiện điều kiện làm việc và giảm hiện tượng bong tróc đá. Kết hợp phun bê tông với bu lông đá giúp hạn chế hiệu quả sự biến dạng tự do của đá xung quanh, phân bổ lại ứng suất và ngăn ngừa hiện tượng bong tróc bề mặt và sạt lở đá.
Những tiến bộ trong cơ giới hóa và thiết bị đang thúc đẩy việc áp dụng nhanh chóng các hệ thống neo và phun bê tông hiện đại. Trên phạm vi quốc tế, nhiều loại máy khoan neo cỡ lớn, giàn phun bê tông ướt và máy treo lưới đã được phát triển. Trong nước, các loại máy khoan neo cỡ lớn gắn bánh lốp và bánh xích, máy phun bê tông ướt cấp mỏ và giàn phun bê tông ướt hai cần đã được phát triển, giúp cải thiện hiệu quả, giảm cường độ lao động và tăng cường an toàn—thúc đẩy cơ giới hóa và những bước đầu tiên hướng tới vận hành thông minh. Sau nhiều lần cải tiến công nghệ, việc gia cố đá đã chuyển từ các phương pháp hỗ trợ đơn lẻ thụ động sang các phương pháp composite chủ động; sự phát triển trong tương lai dự kiến sẽ nhấn mạnh vào cơ giới hóa và trí tuệ nhân tạo để tiếp tục cải thiện an toàn và năng suất.
Công nghệ khai thác mỏ sử dụng phương pháp lấp đầy bằng hỗn hợp sệt (paste filling) gây ra những vấn đề nghiêm trọng về môi trường như chất thải rắn, ô nhiễm nước và không khí, cũng như việc chiếm dụng đất. Công nghệ và thiết bị này mang lại một giải pháp đầy hứa hẹn để giảm thiểu những vấn đề trên. Phương pháp này chuyển đổi chất thải quặng và các chất thải rắn khác trong mỏ thành một hỗn hợp sệt, không chảy nước, có cấu trúc giống như kem đánh răng, có thể được sử dụng để lấp đầy các hầm mỏ và bể chứa chất thải, giải quyết hai mối nguy chính – lưu trữ chất thải và các hầm mỏ bị bỏ trống – đồng thời hỗ trợ khai thác mỏ bền vững.
So với phương pháp đổ cát thủy lực truyền thống, phương pháp đổ hỗn hợp dạng sệt có ba đặc điểm “không”: không phân tầng, không phân tách và không chảy nước. Một nền tảng thử nghiệm đổ hỗn hợp dạng sệt quy mô công nghiệp đã được thiết lập—bao phủ khoảng 2.000 m² với hơn 200 thiết bị—cung cấp độ chính xác cao, chức năng toàn diện và điều khiển thông minh. Nó cho phép thử nghiệm toàn quy trình, đo lường thông số và hướng dẫn thực hành kỹ thuật. Đặc biệt, hệ thống thử nghiệm ống vòng đa đường kính, đa hướng, đa dòng chảy cung cấp kết quả thử nghiệm phản ánh điều kiện thực tế tốt hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống.
Nền tảng lý thuyết chung xuyên suốt các bước trong quy trình đổ đầy hồ chứa là lưu biến học của hồ chứa. Nghiên cứu tập trung vào các mô hình cấu thành cho lưu biến học của hồ chứa, sử dụng các tính toán lý thuyết, thí nghiệm lưu biến học và mô phỏng số để đáp ứng nhu cầu kỹ thuật trong bốn giai đoạn của quy trình: làm đặc (tập trung), trộn, vận chuyển và đổ đầy/đóng rắn. Làm đặc đạt được nồng độ dòng chảy ổn định để chuẩn bị hồ chứa đạt tiêu chuẩn; trộn đảm bảo sự pha trộn vật liệu đồng nhất để hỗ trợ khả năng chảy và các đặc tính cơ học đồng nhất trong đường ống; vận chuyển nhằm mục đích tiêu thụ năng lượng thấp và giảm mài mòn; đổ đầy hướng đến sự phân bố cường độ đồng đều và mức độ lấp đầy hầm lò cao cũng như độ bám dính vào các vách treo. Bốn công nghệ này tương ứng với các thách thức kỹ thuật chính của việc đổ đầy hồ chứa. Công nghệ đổ đầy hồ chứa – đặc trưng bởi sự an toàn, tiết kiệm, bảo vệ môi trường và hiệu quả – là một trụ cột kỹ thuật quan trọng cho các hệ thống khai thác mỏ kim loại xanh.
Công nghệ khai thác mỏ đã phát triển từ thủ công sang cơ giới hóa và hiện nay hướng tới các hoạt động tự động hóa và thông minh. Công nghệ điều khiển từ xa là yếu tố cốt lõi giúp tự động hóa và thông minh hóa, đóng vai trò không thể thiếu trong ngành khai thác mỏ hiện đại. Trên toàn cầu, điều khiển từ xa là một hướng đi đã trưởng thành đối với các mỏ ngầm, bao gồm điều khiển khoan từ xa, điều khiển nạp liệu từ xa và điều khiển xử lý quặng từ xa, cùng nhiều ứng dụng khác. Tuy nhiên, việc triển khai rộng rãi phụ thuộc vào mức độ trưởng thành về công nghiệp và công nghệ của mỗi quốc gia; việc áp dụng toàn diện vẫn chưa diễn ra trong nước.
Các công nghệ điều khiển từ xa chủ chốt tập trung vào ba khả năng: cảm biến từ xa môi trường khai thác, vận hành từ xa các quy trình khai thác và quản lý từ xa các hệ thống khai thác. Cùng nhau, chúng cho phép nhận thức và phân tích tự động, vận hành không người lái, điều phối từ xa, cảnh báo sớm tự động và ra quyết định từ xa. Việc tiếp tục phát triển và tích hợp các hệ thống cảm biến, truyền thông, điều khiển và trí tuệ nhân tạo là cần thiết để hiện thực hóa việc khai thác kim loại dưới lòng đất hoàn toàn tự động và được quản lý từ xa.
Kết luận: Sự tiến bộ kết hợp của công nghệ khoan và nổ mìn, vận chuyển và nâng hạ, gia cố đá, lấp đầy bằng hỗn hợp xi măng và công nghệ điều khiển từ xa đang định hình lại ngành khai thác kim loại dưới lòng đất. Sự phát triển về thiết bị, vật liệu, kiểm soát quy trình và hệ thống kỹ thuật số đang thúc đẩy hoạt động khai thác an toàn hơn, hiệu quả hơn và bền vững hơn. Nghiên cứu liên tục, thử nghiệm thực địa và tích hợp các hệ thống thông minh sẽ rất cần thiết để đáp ứng những thách thức của các mỏ kim loại sâu hơn, phức tạp hơn và có hàm lượng thấp hơn.
