6 xu hướng chính trong khai thác tương lai không thể bỏ qua
Cùng với sự phát triển của công nghiệp, nhu cầu về tài nguyên khoáng sản ngày càng tăng. Hiện nay, cả các nước phát triển và đang phát triển đều coi việc sở hữu và khai thác tài nguyên là biện pháp chiến lược. Do đó, sự phát triển của ngành khai khoáng đã chứng kiến sự ra đời của nhiều công nghệ và phương pháp khai thác hiệu quả, an toàn và chi phí thấp. Việc theo kịp công nghệ tiên tiến là điều cần thiết để khai thác tài nguyên một cách hiệu quả.
(I) Tình báo trong các mỏ ngầm
Hiện nay, các mỏ khai thác ngầm trên toàn thế giới đang theo đuổi hiệu quả và an toàn, dẫn đến những cải tiến liên tục về mức độ cơ giới hóa và tự động hóa. Lấy Mỏ Sắt Kiruna của Thụy Điển làm ví dụ. Mỏ Sắt Kiruna nổi tiếng với sản lượng quặng sắt chất lượng cao (hàm lượng sắt trên 70%) và là một trong những mỏ sắt lớn nhất thế giới. Hoạt động khai thác quặng sắt của mỏ có lịch sử hơn 70 năm, chuyển đổi từ khai thác lộ thiên sang khai thác ngầm. Sự thông minh của Mỏ Sắt Kiruna chủ yếu được hưởng lợi từ việc sử dụng thiết bị cơ khí quy mô lớn, hệ thống điều khiển từ xa thông minh và hệ thống quản lý hiện đại. Hệ thống và thiết bị khai thác thông minh và tự động hóa cao là chìa khóa để đảm bảo khai thác an toàn và hiệu quả.
Phát triển. Mỏ sắt Kiruna sử dụng hệ thống khai thác kết hợp giếng và đường dốc. Mỏ có ba giếng để thông gió, nâng quặng và đá thải. Nhân lực, thiết bị và vật liệu chủ yếu được vận chuyển bằng thiết bị không ray thông qua đường dốc. Giếng nâng chính nằm trên chân vách của khối quặng. Cho đến nay, mặt khai thác và hệ thống vận chuyển chính đã được hạ sáu lần, với mức vận chuyển chính hiện tại là 1.045 m.
Khoan, Nạp liệu và Nổ mìn. Đào hầm sử dụng máy khoan lớn được trang bị thiết bị đo điện tử ba chiều để định vị lỗ khoan chính xác. Stope Drilling sử dụng máy khoan điều khiển từ xa Simba W469 do Atlas Copco của Thụy Điển sản xuất, với đường kính lỗ khoan 150 mm và độ sâu lỗ khoan tối đa 55 m. Máy khoan này sử dụng hệ thống laser để định vị chính xác, không cần người vận hành và có thể hoạt động liên tục 24 giờ. Khối lượng nổ mìn quặng hàng năm có thể đạt 3 triệu tấn.
Tải, Vận chuyển và Nâng quặng từ xa. Các hoạt động khoan, tải, vận chuyển và nâng quặng tại các trạm dừng của Mỏ sắt Kiruna đều đã đạt đến trình độ thông minh và tự động hóa, với các giàn khoan và máy xúc vận hành không người lái. Việc tải quặng sử dụng máy xúc điều khiển từ xa Toro 2500E, với hiệu suất một máy là 500 tấn/giờ. Hệ thống vận chuyển ngầm bao gồm băng tải và vận chuyển đường sắt tự động. Vận chuyển đường sắt tự động thường bao gồm 8 toa quặng, là các toa tự động đổ đáy để liên tục tải và dỡ quặng. Băng tải tự động vận chuyển quặng từ trạm nghiền đến thiết bị đo, hoàn thành việc tải và dỡ quặng bằng máy gắp quặng, tất cả đều được điều khiển từ xa.
Công nghệ phun bê tông điều khiển từ xa và công nghệ gia cố chống đỡ. Hệ thống chống đỡ đường hầm sử dụng kết hợp bê tông phun, bu lông đá và lưới thép. Việc này được hoàn thiện bằng máy phun bê tông điều khiển từ xa, với bu lông đá và lưới thép được lắp đặt bằng giàn bu lông.
(II) Ứng dụng ngày càng rộng rãi của công nghệ thẩm thấu
Hiện nay, công nghệ ngâm chiết được sử dụng rộng rãi để thu hồi quặng đồng, quặng vàng, quặng urani, v.v. hàm lượng thấp. Các công nghệ ngâm chiết bao gồm ngâm chiết tại chỗ, ngâm chiết đống và ngâm chiết nổ tại chỗ. Các quốc gia như Hoa Kỳ, Canada và Úc thường sử dụng ngâm chiết đống và ngâm chiết nổ tại chỗ để thu hồi 0,15%–0,45% quặng đồng hàm lượng thấp, hơn 2% quặng đồng oxit và 0,02%–0,1% quặng urani.
Lấy Hoa Kỳ làm ví dụ, có hơn 20 mỏ sử dụng phương pháp khai thác đồng bằng phương pháp nổ mìn tại chỗ. Ví dụ, Mỏ Mike ở Nevada và Mỏ Đồng Zonia ở Arizona, mỗi mỏ sản xuất hơn 2,2 tấn đồng mỗi ngày. Mỏ Butte ở Montana và Mỏ Copper Queen Branch sản xuất 10,9–14,97 tấn đồng kim loại mỗi ngày. Tại Hoa Kỳ, khai thác đồng bằng phương pháp ngâm chiết chiếm hơn 20% tổng sản lượng, vàng chiếm hơn 30%, và phần lớn sản lượng uranium đến từ khai thác ngâm chiết.
(III) Công nghệ khai thác giếng sâu
Khi trữ lượng tài nguyên tiếp tục giảm, độ sâu khai thác cũng tăng lên, thường vượt quá 1000 m. Điều này gây ra nhiều khó khăn và vấn đề không gặp phải trong khai thác nông, chẳng hạn như áp suất đất tăng, nhiệt độ đá cao hơn, và những thách thức lớn hơn trong việc nâng hạ, thoát nước, chống đỡ và thông gió.
Các vấn đề thường gặp trong khai thác mỏ sâu:
Năng lực nâng. Khi độ sâu khai thác tăng lên, vấn đề đầu tiên gặp phải là năng lực nâng của mỏ. Các máy nâng hiện tại có thể đạt độ cao nâng tối đa một lần vượt quá 2000 m, chẳng hạn như một mỏ ở Canada có độ sâu nâng một lần là 2172 m, và một mỏ vàng ở Nam Phi có độ sâu giếng là 2310,4 m. Năng lực của thiết bị nâng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của các mỏ giếng sâu lớn.
Nhiệt độ đá và làm mát bằng thông gió. Khi độ sâu khai thác tăng lên, nhiệt độ đá cũng tăng theo. Ví dụ, tại Mỏ Đồng-Kẽm Toyoha của Nhật Bản ở độ sâu -600 m (khoảng 1.200 m so với mặt đất), nhiệt độ đá vượt quá 100°C, nhưng nhiều quốc gia quy định nhiệt độ dưới lòng đất không được vượt quá 28°C. Các mỏ hầm lò sâu thường tăng thể tích thông gió ngầm và làm mát không khí bằng phương pháp làm mát bằng không khí và làm mát bằng nước. Khi lựa chọn một hoặc cả hai phương pháp, ngoài việc giảm nhiệt độ, cần chú ý đến việc giảm tản nhiệt từ thiết bị cơ khí ngầm, thiết bị diesel và thiết bị làm lạnh.
Quản lý Áp suất Đất và Phương pháp Khai thác. Các mỏ sâu thường thiết lập một hệ thống đo lường và giám sát áp suất đất hoàn chỉnh, ảnh hưởng trực tiếp đến việc khai thác có diễn ra suôn sẻ hay không và mức chi phí sản xuất. Nổ đá là một vấn đề nổi cộm trong khai thác mỏ sâu. Để dự đoán các vụ nổ đá, nhiều mỏ đã lắp đặt các thiết bị giám sát vi địa chấn dưới lòng đất, chẳng hạn như Mỏ Bạc Sunshine của Mỹ, nơi đã lắp đặt thiết bị giám sát vi địa chấn ở độ sâu 2.254 m để giám sát 24 giờ.
Cháy và nổ tự phát. Khai thác mỏ sâu cũng có thể gặp phải hiện tượng cháy tự phát của quặng sunfua do nhiệt độ quặng cao và tự nổ trong quá trình nạp thuốc nổ, cần được quan tâm đúng mức.
Hiện nay, độ sâu khai thác của các mỏ không phải than ở Trung Quốc nhìn chung không vượt quá 700–800 m, nhưng trong những năm gần đây, một số mỏ quặng nằm ở độ sâu khoảng 1000 m đang được phát triển, bao gồm Mỏ đồng Đông Qua Sơn thuộc Công ty kim loại màu Đồng Lăng và Khu khai thác số 2 Kim Xuyên.
(IV) Công tác bảo vệ môi trường mỏ
Ở nước ngoài, đặc biệt là các nước phát triển, các biện pháp quản lý môi trường mỏ được áp dụng toàn diện. Các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt được áp dụng đối với nước thải, khí thải, xỉ, bụi, tiếng ồn, v.v. thải ra từ các mỏ. Nhiều mỏ chất lượng thấp không thể xây dựng hoặc đưa vào sản xuất do chi phí xử lý môi trường quá cao.
Hiện nay, việc xây dựng các mỏ sạch và không chất thải đang được chú trọng ở nước ngoài. Mỏ than Walsum của Đức tại khu công nghiệp Ruhr là một ví dụ thành công. Mỏ sử dụng bùn than từ nhà máy rửa than, tro từ nhà máy nhiệt điện than, và đá thải ngầm nghiền trộn với xi măng, được hoạt hóa và khuấy đều, sau đó được bơm ngầm bằng máy bơm PM để lấp đầy các lỗ rỗng. Mỏ không thải ra bên ngoài bất kỳ chất thải rắn nào.
(V) Công nghệ khai thác lấp đầy
Các vật liệu trám khác nhau được sử dụng dựa trên các điều kiện khác nhau:
Hỗ trợ khu vực. Cần có vật liệu lấp đầy cứng chất lượng cao để giảm hiện tượng đóng kín thể tích đàn hồi và nguy cơ vỡ đá.
Kiểm soát địa tầng đá. Yêu cầu về chất lượng vật liệu lấp đầy không nghiêm ngặt, nhưng cần lấp đầy trên diện rộng và vật liệu lấp đầy không được co lại sau khi đổ.
Khai thác nhiều mạch. Vật liệu lấp đầy cần có độ cứng trong điều kiện ứng suất thấp để giảm thiểu biến dạng và dịch chuyển của đá.
Kiểm soát môi trường. Để đảm bảo tường treo được bịt kín nhằm ngăn luồng không khí đi qua khu vực khai thác, vật liệu lấp không được co lại và cần lấp đầy diện tích lớn.
Giảm thiểu việc nâng hạ đá thải. Chuẩn bị và nghiền đá thải dưới lòng đất để làm vật liệu lấp đầy, từ đó nâng cao hiệu quả.
Những cân nhắc hiện tại để điền:
Tập trung nỗ lực vào việc xây dựng các hệ thống thực tế và đáng tin cậy. Nghiên cứu và phát triển các công nghệ chiết rót hiệu quả để tích hợp hoạt động chiết rót với chu trình khai thác. Nhấn mạnh việc quản lý hệ thống chiết rót.
Nghiên cứu công nghệ để tối ưu hóa các hệ thống hiện có, bao gồm phân phối kích thước hạt cho vật liệu chiết rót chất lượng cao, cải tiến quy trình chuẩn bị vật liệu chiết rót trong máy ly tâm thủy lực và máy nghiền, cũng như tối ưu hóa công nghệ vận chuyển như giảm áp suất, hao mòn, ăn mòn và thiết kế toàn bộ hệ thống chiết rót.
Tăng cường hiểu biết định lượng về quy trình chuẩn bị, vận chuyển, đặt vật liệu lấp và biến dạng tải trọng để đặt nền tảng cho việc khai thác an toàn, ổn định và hiệu quả. Các quy trình lấp được sử dụng trên thế giới bao gồm lấp cát thủy lực, lấp khô, lấp rắn nước cao và lấp xi măng. Lấp xi măng được chia thành: lấp thủy lực đuôi quặng phân đoạn (vận chuyển trọng lực nồng độ cao), lấp thủy lực vật liệu lấp khác (vận chuyển trọng lực nồng độ cao), lấp trọng lực toàn bộ đuôi quặng dạng hồ và lấp bơm toàn bộ đuôi quặng dạng hồ. Phương pháp được khuyến nghị trên toàn thế giới là lấp bơm hồ quặng dạng hồ.
Hiện tại, Canada có 12 mỏ sử dụng phương pháp trám bột nhão nồng độ cao, Nam Phi và Úc cũng đang vận hành các hệ thống trám bột nhão mới. Các quy trình trám mới sẽ đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về bảo vệ tài nguyên, bảo vệ môi trường, nâng cao hiệu quả và phát triển mỏ. Khai thác trám sẽ có triển vọng rộng mở hơn trong ngành khai thác mỏ thế kỷ 21.
(VI) Khai thác khoáng sản đa kim loại dưới đáy biển
Các nốt đa kim loại xuất hiện dưới đáy biển ở độ sâu khoảng 3.000–5.000 m. Để khai thác chúng, cần có các phương pháp khai thác khả thi. Do đó, các quốc gia trên thế giới ưu tiên phát triển các phương pháp khai thác đáng tin cậy và đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm rộng rãi, một số thậm chí còn thực hiện các thử nghiệm khai thác biển sâu quy mô trung bình. Từ cuối những năm 1960 đến nay, các phương pháp khai thác đại dương được phát triển và thử nghiệm trên phạm vi quốc tế chủ yếu thuộc ba loại: khai thác bằng gầu liên tục (CLB), khai thác bằng phương tiện điều khiển từ xa dưới đáy biển và khai thác bằng phương pháp nâng chất lỏng.
Phương pháp khai thác bằng gầu liên tục (CLB). Phương pháp này được người Nhật đề xuất vào năm 1967. Phương pháp này tương đối đơn giản, chủ yếu bao gồm một tàu khai thác, cáp kéo, gầu và một tàu kéo. Các gầu được gắn vào cáp kéo theo những khoảng thời gian nhất định và được hạ xuống đáy biển. Cáp kéo, được điều khiển bởi tàu kéo, sẽ di chuyển các gầu xuống dưới, gầu xúc và gầu lên trên. Hoạt động tuần hoàn của dây cáp vô cấp này tạo thành một vòng thu gom liên tục. Đặc điểm chính của CLB là khả năng thích ứng với sự thay đổi độ sâu và duy trì hoạt động bình thường. Tuy nhiên, sản lượng của CLB chỉ đạt tối đa 100 tấn/ngày, thấp hơn nhiều so với nhu cầu khai thác công nghiệp. Do đó, phương pháp khai thác CLB đã bị loại bỏ vào cuối những năm 1970.
Phương pháp khai thác bằng phương tiện điều khiển từ xa dưới đáy biển. Phương pháp này chủ yếu do người Pháp đề xuất. Phương tiện điều khiển từ xa dưới đáy biển là một phương tiện khai thác ngầm không người lái, chủ yếu bao gồm bốn hệ thống: thu gom quặng, tự đẩy, kiểm soát độ nổi và dằn. Dưới sự giám sát của tàu mẹ trên mặt nước, phương tiện khai thác lặn xuống đáy biển theo lệnh để thu gom các cục quặng. Khi đầy, nó nổi lên và dỡ các cục quặng vào thùng chứa của tàu mẹ. Tàu mẹ trên mặt nước thường có thể điều khiển nhiều phương tiện khai thác cùng lúc. Hệ thống khai thác này đòi hỏi đầu tư đáng kể, và với giá trị sản phẩm thấp và không mang lại lợi ích kinh tế trong nhiều thập kỷ, Hiệp hội Nghiên cứu và Phát triển Cục quặng đại dương Pháp đã ngừng nghiên cứu vào năm 1983. Tuy nhiên, các nguyên lý thu gom và vận chuyển của phương tiện khai thác này được đánh giá là đầy hứa hẹn.
Phương pháp Khai thác Nâng Chất lưu. Hiện nay, phương pháp được công nhận quốc tế và có tiềm năng ứng dụng công nghiệp cao nhất là khai thác nâng chất lưu. Khi tàu khai thác đến khu vực khai thác, ống thu gom và ống nâng được kết nối và dần dần hạ xuống biển. Ống thu gom thu thập các hạt trầm tích từ đáy biển và thực hiện quá trình xử lý ban đầu. Sử dụng lực nâng thủy lực hoặc khí nén, nước trong ống di chuyển lên với tốc độ đủ để vận chuyển các hạt trầm tích lên tàu khai thác trên mặt nước.
Với sự phát triển và khai thác đại dương của con người trong thế kỷ 21, công nghệ khai thác đại dương đặc biệt quan trọng. Sự phát triển của công nghệ cao hiện đại đã mở đường cho việc khai thác tài nguyên đại dương, và sự hình thành và phát triển của nó sẽ có tác động tích cực và sâu rộng đến kinh tế đại dương, văn hóa đại dương và nhận thức của con người về đại dương.
