Recenti progressi nelle tecnologie chiave per l'estrazione sotterranea dei metalli
L'estrazione mineraria sotterranea di metalli è un sistema complesso che comprende lo sviluppo, la preparazione del deposito (definizione e stabilizzazione del minerale) e l'estrazione, e l'uso di brillamenti è necessario in ogni fase. Pertanto, ottenere un brillamento sicuro ed efficiente è un obiettivo di ricerca centrale per gli ingegneri minerari. Le miniere di metalli si trovano ora in una fase di transizione critica da scavi superficiali a scavi profondi, da condizioni facili a difficili e da minerali ad alto tenore a quelli a basso tenore, creando nuove sfide per la teoria, la tecnologia e le attrezzature. La ricerca sulle tecnologie chiave per l'estrazione mineraria sotterranea è quindi diventata particolarmente importante. Gli attuali progressi si concentrano in cinque aree: perforazione e brillamento, trasporto e sollevamento dei materiali, rinforzo delle rocce, riempimento con pasta e controllo remoto. Questa revisione riassume lo sviluppo e i recenti progressi in ciascuna area.
Perforazione e brillamento La perforazione e il brillamento rimangono tecnologie fondamentali nell'estrazione dei metalli, ma storicamente hanno rappresentato anche un punto debole. Migliorare l'efficienza di perforazione e brillamento è fondamentale per un'attività mineraria sotterranea sicura e produttiva. Nel tempo, il settore è passato dalla perforazione manuale alle perforatrici pneumatiche e idrauliche, ai jumbo di perforazione (inclusi impianti di perforazione rotativi e fondo foro) e ora ai robot di perforazione. La tendenza si sta allontanando dalla semplice meccanizzazione verso l'automazione, l'intelligenza e la tutela ambientale.
A livello nazionale e internazionale sono state sviluppate diverse perforatrici adatte a diverse condizioni del terreno. Negli ultimi anni, grazie al miglioramento delle attrezzature di perforazione, alcuni paesi (in particolare Stati Uniti e Canada) hanno adattato i metodi di perforazione/esplosioni a cielo aperto su larga scala all'uso in sotterraneo: i fori segmentati di profondità intermedia sono stati, in alcuni casi, sostituiti da fori profondi a più stadi di grande diametro, producendo risultati favorevoli. Ad esempio, la Svezia ha sviluppato una serie di jumbo per la perforazione di gallerie con elevata efficienza di perforazione, maggiore sicurezza e minore inquinamento; a livello nazionale, sono stati sviluppati jumbo a tre bracci completamente controllati da computer che integrano le operazioni di mobilità, perforazione e caricamento, offrendo semplicità di utilizzo, elevata sicurezza e costi ridotti. Questi sistemi migliorano la qualità e l'efficienza della perforazione, riducendo al contempo l'intensità di manodopera e il rischio operativo, promuovendo l'automazione, l'intelligenza e le prestazioni ambientali.
Poiché le condizioni del sottosuolo e i requisiti per lo scavo e l'estrazione mineraria delle strade differiscono, i metodi di brillamento rimangono eterogenei. Tecniche come la brillamento a piccola carica differenziale, la brillamento a compressione e la brillamento a contorno (a superficie liscia) sono ampiamente utilizzate e hanno migliorato i risultati delle esplosioni in molte situazioni.
La tecnologia di sabbiatura si sta evolvendo verso la sabbiatura di precisione, la sabbiatura ecologica e la sabbiatura intelligente. La sabbiatura di precisione si basa su una progettazione raffinata del modello di foratura, studi dettagliati sull'energia esplosiva e modelli di simulazione dell'esplosione per ottenere una rottura mirata della roccia. La sabbiatura ecologica utilizza nuovi agenti di combustione per sostituire gli esplosivi convenzionali, eliminando i gas di esplosione nocivi e migliorando significativamente la qualità dell'aria sotterranea. La sabbiatura intelligente integra una progettazione intelligente dell'esplosione, apparecchiature intelligenti, modelli predittivi delle vibrazioni e l'identificazione automatica dei fori non caricati per creare un sistema di sabbiatura intelligente.
Oltre ai metodi esplosivi, le tecniche di frantumazione non esplosiva stanno guadagnando attenzione. I minatori continui vengono utilizzati per l'escavazione meccanica in rocce medio-dure e più tenere, garantendo un'elevata produttività e condizioni favorevoli di controllo del terreno. I metodi di frammentazione fisica, come il getto d'acqua ad alta pressione e la frammentazione termica, possono superare alcuni limiti del taglio meccanico puro, producendo poca polvere e nessuna scintilla e migliorando le condizioni di lavoro. Tuttavia, l'elevato consumo energetico, i costi elevati e la forte usura degli utensili ne hanno limitato l'ampia adozione. Inoltre, lo sviluppo nazionale delle tecnologie dell'informazione e dell'intelligenza artificiale è iniziato più tardi rispetto ad altri paesi, quindi i principali sistemi intelligenti per l'estrazione continua di rocce dure si basano ancora in gran parte su tecnologie straniere. Di conseguenza, l'estrazione continua di giacimenti di rocce dure non è ancora ampiamente implementata a livello nazionale.
Trasporto e sollevamento dei materiali I sistemi di trasporto e sollevamento sono fondamentali per la produzione sotterranea, integrando il processo di estrazione in un sistema continuo e garantendone il normale funzionamento. Il trasporto del minerale si è evoluto da metodi manuali a sistemi su rotaia e poi a sistemi senza cingoli (con pneumatici in gomma); la tendenza attuale vede l'impiego di mezzi senza cingoli come modalità di trasporto primaria, con i sistemi cingolati come modalità secondaria, trainata dallo sviluppo e dalla maturazione di mezzi senza cingoli sotterranei a partire dagli anni '60.
Il trasporto a breve distanza all'interno delle miniere di stoccaggio utilizza in genere caricatori, che offrono praticità d'uso, prestazioni affidabili, elevata produttività e manovrabilità. Il trasporto sotterraneo a lunga distanza utilizza comunemente camion da trasporto; questi sono ampiamente utilizzati all'estero, ma meno a livello nazionale. Con l'aumentare della profondità di estrazione, le distanze di sollevamento aumentano e la tecnologia di sollevamento si trova ad affrontare sfide maggiori, insieme all'aumento dei costi per il sollevamento dei minerali. Lo sviluppo della tecnologia di sollevamento dei minerali in pozzi profondi è quindi sempre più importante. La tendenza generale è verso sistemi su larga scala con carichi più elevati e una maggiore automazione.
Nell'estrazione mineraria in profondità, molte operazioni combinano il trasporto ferroviario, i nastri trasportatori o le pale caricatrici senza cingoli con il sollevamento a più stadi. Ad esempio, la miniera d'oro di TauTona in Sudafrica utilizza un sistema di sollevamento a tre stadi con trasferimento tra i pozzi tramite nastro trasportatore o attrezzature senza cingoli. I nastri trasportatori aperti convenzionali hanno una struttura semplice, ma sono soggetti a generazione di polvere e fuoriuscite, che inquinano l'aria sotterranea e riducono la sicurezza; inoltre, hanno scarse prestazioni in salita. I più recenti sistemi di trasporto a nastro chiusi, come una soluzione con design chiuso sviluppata da SiCON, prevengono fuoriuscite e polvere, raggiungono velocità di trasporto superiori a 3 m/s e gestiscono pendenze fino a 36°. Con un adeguato adattamento, tali sistemi si dimostrano promettenti per il trasporto di minerali in profondità.
Il sollevamento idraulico (ad acqua) è utilizzato principalmente in applicazioni in acque profonde e alcuni ricercatori ne hanno esplorato l'impiego nelle miniere profonde perché consente un funzionamento continuo e una più semplice automazione. Tuttavia, l'applicazione del sollevamento idraulico nel sottosuolo richiederebbe sistemi di frantumazione e macinazione in loco, rendendone oggi difficile l'implementazione pratica. Sono stati proposti anche concetti innovativi come gli elevatori a levitazione magnetica per il sollevamento dei minerali, ma richiedono ulteriori ricerche approfondite. Queste nuove tecnologie e concetti stanno dando nuovo impulso al trasporto e al sollevamento in miniera, guidando l'innovazione nei metodi e nelle attrezzature.
Rinforzo delle rocce Il rinforzo delle rocce nelle miniere di metalli si concentra su strati deboli, fratturati e sottoposti a forti sollecitazioni. I sistemi di supporto sono classificati come passivi o attivi. I supporti passivi (legno, muratura, archi in acciaio) non possono alterare la struttura interna della roccia e si limitano a resistere alla deformazione. I supporti attivi modificano la massa rocciosa per aumentarne la resistenza intrinseca: tra gli esempi figurano bulloni e tirafondi, ancoraggi iniettati con resina o cemento, calcestruzzo spruzzato con rete e sistemi compositi come bulloni combinati con calcestruzzo spruzzato e rete. Tra questi, le combinazioni di bulloni iniettati con cemento e calcestruzzo spruzzato sono diventate i metodi principali per il rinforzo del terreno nelle miniere di metalli.
Bulloni a tutta lunghezza e bulloni incollati, combinati per creare sistemi incollati a tutta lunghezza, hanno notevolmente migliorato la resistenza dell'ancoraggio e mostrano un forte potenziale per l'applicazione sul campo. La tecnologia del calcestruzzo proiettato si è evoluta dalla spruzzatura di miscele secche a quella di miscele umide, migliorando le condizioni di lavoro e riducendo lo sfaldamento della roccia. La combinazione di calcestruzzo proiettato e bulloni da roccia limita efficacemente la deformazione libera della roccia circostante, ridistribuisce le sollecitazioni e previene il distacco della superficie e la caduta di massi.
I progressi nella meccanizzazione e nelle attrezzature stanno accelerando l'adozione di moderni sistemi di calcestruzzo spruzzato e bullonato. A livello internazionale, sono state sviluppate diverse tipologie di macchine per il calcestruzzo spruzzato, impianti di spruzzatura a umido e macchine a rete. A livello nazionale, sono state sviluppate macchine per il calcestruzzo spruzzato a umido montate su pneumatici e cingolate, macchine per il calcestruzzo spruzzato a umido per miniere e impianti di spruzzatura a umido a due bracci, migliorando l'efficienza, riducendo l'intensità di lavoro e aumentando la sicurezza, promuovendo la meccanizzazione e muovendo i primi passi verso un funzionamento intelligente. Dopo diverse iterazioni tecnologiche, il rinforzo delle rocce è passato da metodi passivi a singolo supporto a metodi compositi attivi; si prevede che lo sviluppo futuro porrà l'accento sulla meccanizzazione e sull'intelligenza per migliorare ulteriormente la sicurezza e la produttività.
Riempimento con pasta I rifiuti solidi generati dall'attività mineraria, l'inquinamento dell'acqua e dell'aria e l'occupazione del territorio rappresentano gravi problemi ambientali. La tecnologia e le attrezzature per l'estrazione mineraria con riempimento con pasta offrono un approccio promettente per mitigare questi problemi. Il riempimento con pasta converte gli sterili e altri rifiuti solidi minerari in una poltiglia strutturale satura, non sanguinante e simile al dentifricio, che può essere utilizzata per riempire le gallerie di deposito e i bacini di deposito degli sterili, affrontando due rischi principali: lo stoccaggio degli sterili e le gallerie di deposito vuote, e supportando al contempo un'attività mineraria sostenibile.
Rispetto al tradizionale riempimento idraulico in sabbia, il riempimento in pasta offre tre caratteristiche "no": nessuna stratificazione, nessuna segregazione e nessun sanguinamento. È stata creata una piattaforma di test per il riempimento in pasta su scala industriale, che copre circa 2.000 m² e dispone di oltre 200 apparecchiature, offrendo elevata precisione, funzionalità complete e controllo intelligente. Consente test completi del processo, misurazione dei parametri e guida pratica ingegneristica. In particolare, i sistemi di prova per tubi ad anello multidiametro, multiorientamento e multiflusso forniscono risultati che riflettono meglio le condizioni di campo rispetto a molti metodi tradizionali.
Il fondamento teorico comune a tutte le fasi del processo di riempimento con pasta è la reologia della pasta. La ricerca si concentra su modelli costitutivi per la reologia della pasta, utilizzando calcoli teorici, esperimenti reologici e simulazioni numeriche per soddisfare le esigenze ingegneristiche in quattro fasi del processo: addensamento (concentrazione), miscelazione, trasporto e riempimento/stagionatura. L'addensamento consente di ottenere una concentrazione stabile per preparare una pasta qualificata; la miscelazione garantisce una miscelazione uniforme del materiale per supportare la fluidità e proprietà meccaniche omogenee nelle tubazioni; il trasporto mira a un basso consumo energetico e a una ridotta usura; il riempimento mira a una distribuzione uniforme della resistenza e a un elevato grado di riempimento del deposito e di aderenza alle pareti. Queste quattro tecnologie corrispondono alle principali sfide tecniche del riempimento con pasta. La tecnologia di riempimento con pasta, caratterizzata da sicurezza, economicità, tutela ambientale ed efficienza, è un importante pilastro tecnico per i sistemi di estrazione di metalli preziosi.
Controllo remoto e automazione La tecnologia mineraria si è evoluta da manuale a meccanizzata e ora verso operazioni automatizzate e intelligenti. La tecnologia di controllo remoto è un fattore chiave per l'automazione e l'intelligenza e svolgerà un ruolo insostituibile nell'attività mineraria moderna. A livello globale, il controllo remoto è una direzione matura per le miniere sotterranee e include, tra gli altri, il controllo remoto della perforazione, il controllo remoto della carica e il controllo remoto della movimentazione dei minerali. Tuttavia, l'implementazione su larga scala dipende dalla maturità industriale e tecnologica complessiva di un Paese; l'adozione su larga scala non è ancora avvenuta a livello nazionale.
Le principali tecnologie di controllo remoto si concentrano su tre funzionalità: telerilevamento dell'ambiente minerario, gestione remota dei processi minerari e governance remota dei sistemi minerari. Insieme, queste consentono la percezione e l'analisi automatizzate, le operazioni senza operatore, la gestione remota, l'allerta precoce automatica e il processo decisionale a distanza. Sono necessari il continuo sviluppo e l'integrazione di sistemi di rilevamento, comunicazione, controllo e intelligenza artificiale per realizzare un'estrazione mineraria sotterranea completamente autonoma e gestita da remoto.
Conclusione Il progresso combinato di tecnologie di perforazione e brillamento, trasporto e sollevamento, rinforzo delle rocce, riempimento di pasta e controllo remoto sta rimodellando l'estrazione mineraria sotterranea di metalli. I progressi in termini di attrezzature, materiali, controllo di processo e sistemi digitali stanno favorendo un'estrazione più sicura, efficiente e sostenibile. La ricerca continua, le sperimentazioni sul campo e l'integrazione di sistemi intelligenti saranno essenziali per affrontare le sfide di giacimenti metallici più profondi, complessi e di minore qualità.
