بدون شک استخراج معدن یکی از اصلی‌ترین مؤلفه‌های زندگی انسان است. قبل از پرداختن به روش‌های اصلی در استخراج معدن، کمی درباره دلیل و اهمیت معدن‌کاوی سخن می‌گوییم.
به‌طور متوسط، هر انسان در طول زندگی خود ۳۵۰ کیلوگرم زینک (لوازم آرایشی، تجهیزات خانگی و …)، ۳۶۰ کیلوگرم سرب ( باطری، وسایل پزشکی و…)، ۶۸۰ کیلوگرم مس (سیم و تجهیزات برقی و …)، ۱۵۰۰ کیلوگرم آلومینیوم (لوازم خانگی، قوطی‌های مواد غذایی و …) و ۱۵۰۰۰ کیلوگرم آهن مصرف می‌کند. این ۲۰ تن مواد معدنی تنها بخش کوچکی از وابستگی‌های حیاتی انسان به استخراج معدن را نشان می‌دهند.
به‌طور کلی، ۴ نوع روش پایه در استخراج معدن وجود دارند. هر کدام از این روش‌ها به رویکردهای متفاوتی اعمال می‌شوند که خود باعث تعریف روش‌های زیرمجموعه‌ای از این روش‌های کلی می‌گردند.
مهمترین عوامل در انتخاب روش استخراج در معادن عبارتند از:
- نوع مواد معدنی
- موقعیت مکانی ذخایر کشف شده
- چالش‌های زیست‌محیطی
- ارزش مالی ذخایر
در ادامه نگاهی جامع به هر کدام از ۴ رویکرد اصلی در استخراج معدن و روش‌های نشأت گرفته از آنها خواهیم داشت. همچنین، بخشی را به کاربرد تکنولوژی در معدن‌کاوی و ادغام روش‌های استخراج سنتی با فناوری‌های قابل استفاده در این روش‌ها تخصیص داده‌ایم.
۱. استخراج سطحی
بهترین وضعیت در معدن‌کاوی زمانی رخ می‌دهد که تمام یا بیشتر مواد معدنی کشف شده، در لایه‌های سطحی زمین قرار گرفته باشند. در چنین حالتی، استخراج سطحی روشی به‌صرفه و با بازدهی بالا است. در این نوع از معدن‌کاوی، پوشش‌های گیاهی سطحی حذف شده، خاک و در صورت نیاز لایه‌های سنگی تا رسیدن به ذخایر مدفون در عمق‌های پائین‌تر برداشته می‌شوند. انواع روش‌های معمول در استخراج سطحی را در ادامه شرح خواهیم داد.
استخراج نوار (Strip Mining)
استخراج نوار فعالیتی است که در آن لایه‌ای از سطح زمین جدا شده تا دسترسی به مواد معدنی موجود در زیر آن فراهم آید. در این نوع از استخراج، به دلیل موقعیت مکانی مواد معدنی، فعالیت حفاری چندانی صورت نمی‌گیرد و تنها لایه‌برداری‌های مکرر است که عمل استخراج معدن را محقق می‌کند.
استخراج نواری برای منابع رسوبیِ کم عمق و افقی مناسب است. از مشکلات اصلی این روش استخراج، لایه‌برداری در مقیاس‌های بزرگ و از حاشیه‌های منبع کشف شده است. از جمله کاربردهای این روش، استخراج ذخایر زغال‌سنگ و برداشت روباره‌های معدنی به شکل بلوک‌های مستطیلی است که همان نوار خوانده می‌شوند.
استخراج رو باز یا پیت باز (Open-Pit MIning)
استخراج معدن به روش روباز، برداشتن عمودیِ قسمت‌هایی از زمین به‌منظور رسیدن به ذخایر معدنی است. این نوع معدن‌کاوی درون یک گودال بزرگ انجام می‌گیرد. این روش مناسب مواد معدنی خواهد بود که در سطوح بالای زمین قرار گرفته‌اند، اما به صورت افقی انباشته نشده‌اند.
در این روش، لایه‌های باریک‌تری از سطح زمین تحت تأثیر فعالیت‌های معدنی قرار می‌گیرند؛ بنابراین، آسیب کمتری به محیط معدن وارد می‌شود. به‌عبارت دیگر، استخراج روباز، چاله‌های بزرگ و استخراج نواری، کوه‌های تراشیده شده و تپه‌های صاف از خود به‌جای می‌گذارند.
از جمله مواد معدنی که با این روش استخراج می‌شوند عبارتند از:
- آهن
- مس
- طلا
- سنگ‌های قیمتی و ساختمانی
استخراج معدن با حذف قسمت‌های بالایی کوه (Mountaintop Removal Mining, MTR)
به زبان ساده، در این روش استخراج، بخش‌های بالایی کوه، بخصوص قله، حذف می‌شود تا دسترسی به مواد معدنی قرار گرفته در دل کوه ایجاد گردد و معمولاً هر آنچه از قله برداشته می‌شود برای پر کردن دره‌های کناری مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته هم‌پوشانی‌هایی بین این روش و روش روباز وجود دارد، به عنوان مثال در شیلی معادن زیادی وجود دارند که بهصورت روباز ولی بر بالای کوه‌ها در حال استخراج مواد معدنی هستند. مهمترین ماده معدنی که با این روش استخراج می‌شود زغال‌سنگ است.
مراحل مختلف استخراج با حذف قله شامل موارد زیر است:
- پاکسازی
قبل از انجام فعالیت حفاری یا انفجار، خاک و گیاهان موجود بر روی کوه حذف می‌شوند. متأسفانه، در بیشتر موارد، درخت‌ها و پوشش‌های گیاهی یا سوزانده می‌شوند یا بهصورت غیرقانونی در دره‌های اطراف دفن می‌گردند. - ترکاندن قله
بیشتر ذخایر زغال‌سنگ در لایه‌های پائین‌تر از قله قرار دارند، بنابراین نیاز به انفجار معمولاً اجتناب‌ناپذیر است. برای انجام این فعالیت، میلیون‌ها کیلوگرم مواد منفجره به کار گرفته می‌شود.
- حفاری
در این مرحله، ماشین‌های حفاری و مته‌های غول‌پیکر سطح بالایی و تخریب‌شده کوه را تا رسیدن به لایه‌های غنی از مواد معدنی حفر می‌کنند. - خاک‌برداری
در این مرحله، هر آنچه که در مراحل قبلی از کوه جدا شده است و ارزش معدنی چندانی ندارند، در دره‌های کناری ریخته می‌شوند. - فرآوری
در نهایت، مواد معدنی، همراه با کانی‌های زائد برداشت شده، به کارخانه‌های فرآوری مواد معدنی انتقال می‌یابند تا خالص‌سازی شوند. - آبادسازی
پس از پایان مراحل مختلف معدن‌کاوی و اطمینان از عدم وجود منابع معدنی قابل برداشت، سایت معدنی با استفاده از روش‌های دوستدار محیط‌زیست تا حد امکان بازسازی می‌شود.
۲. استخراج زیرزمینی
استخراج زیرزمینی مختص آن دسته از مواد معدنی است که در اعماق زمین قرار گرفته‌اند. عمق نسبی ذخایر و ارزش اقتصادی آنها نقشی کلیدی در تعیین روش استخراج معدن دارد. یک معدن زیرزمینی می‌تواند از ۳۰۰ متر تا ۴ کیلومتر عمق داشته باشد. یکی از عمیق‌ترین معادن دنیا Mponeng، واقع در آفریقای جنوبی، بیشتر از ۳.۶ کیلومتر عمق دارد.
رایج‌ترین انواع مواد معدنی که با روش‌های زیرزمینی استخراج می‌شوند طلا، نقره و سرب هستند. نیاز به عمق گرفتن و کاوش چنین مواد معدنی کمیاب و باارزشی، کار را برای معدن‌کاران سخت می‌کند. محیط‌های این نوع معادن بسیار سرد، تاریک و با اکسیژن پائین هستند.
استخراج به روش اتاق و ستون (Room and Pillar Mining)
استخراج معدن با این روش، فعالیتی است که در آن مواد معدنی از دهانه‌هایی به نام اتاق، که در درزهای فرورفته در اعماق زمین قرار دارند، استخراج می‌شوند. این اتاق‌ها در واقع محفظه‌هایی هستند که در رگه‌های سنگ‌معدن ایجاد می‌شوند. بین این دیوارها را با ستون‌ها و سقف‌های بتنی محکم می‌کنند تا معدن فرو نریزد.
استخراج تخریب بلوکی
استخراج تخریب بلوکی یک روش استخراج زیرزمینی است که با استفاده از آن، حجم‌های عظیمی از سنگ‌آهن استخراج می‌شوند. این روش در واقع، خالی‌کردن زیرپای مواد معدنی است. واضح‌تر اینکه غارهایی دست‌ساز در زیر ذخایر معدنی کشف شده، تعبیه شده و با استفاده از نیروهای طبیعی و بخصوص گرانش، سطح بالایی فروریخته و عملیات استخراج را ممکن می‌شود. از این روش معمولاً برای استخراج مواد معدنی با درجه کیفی بسیار پایین استفاده می‌شود.
استخراج به روش جبهه‌کار بلند (Longwall Mining)
استخراج به روش جبهه‌کار بلند فعالیتی است که در آن از یک برشگر عظیم برای حرکت در لایه‌های زیرین معدن استفاده می‌شود. این روش استخراج مختص ذخایری است که به صورت افقی در سطوح پایینی زمین مستقر شده‌اند. این معادن معمولاً در اندازه‌های طولانی و بیشتر برای استخراج ذغال‌سنگ طراحی می‌شوند.
۳. استخراج پلاسری یا آبرفتی (Placer Mining)
استخراج پلاسری روشی است که برای جداسازی فلزات با ارزش از رسوبات استفاده می‌شود. الک‌کردن مواد اصلی‌ترین فعالیت در این روش است. از مهمترین فلزاتی که با این روش استخراج می‌شوند، طلا، پلاتین، قلع و الماس هستند. به‌طور ویژه، این روش در بستر رودخانه‌ها، مناطق ماسه‌ای و محیط‌هایی که رسوبات بهصورت طبیعی جمع شده‌اند، کاربرد دارد.
استخراج به‌روش درجا
چنانکه از نام آن پیداست، این روش موادمعدنی را در محل و بدون نیاز به خروج مواد زائد دیگر، از سایت معدن استخراج می‌کند. چنین امری با تزریق مواد حلال به مواد معدنی در محل استقرار آنها در لایه‌های زمین و پمپاژ دوباره محلول (در‌حالی‌که مواد معدنی را نیز در خود دارد) به سطح صورت می‌گیرد. معمول‌ترین فلزی که با این روش استخراج می‌شود آلومینیوم است.
ابزارها و راهکارهای تکنولوژی برای ارتقاء کارایی روش‌های مختلف معدن‌کاوی
تازه‌ترین فناوری‌های مورد استفاده در معادن و اشتیاق فعالان این صنعت به بهره‌گیری از دانش و تکنولوژی روز، امیدبخشِ حرکت سریع‌تر این صنعت به سمت توسعه پایدار است. با استفاده از فناوری‌هایی چون اینترنت اشیاء صنعتی و هوش مصنوعی، معادن مدرن‌تر، ایمن‌تر و مولدتر شده‌اند.
آخرین دستاوردهای تکنولوژی با کاربرد در صنعت معدن:
امکان تجسم داده‌های مکانی
- استفاده از مدل‌های سه‌بعدی، تصوری قابل رؤیت و زنده از داده‌ها را ایجاد کرده است که به مهندسان معدن این امکان را می‌دهد تا واقعیت را بدون نیاز به مداخله فیزیکی شبیه‌سازی کنند.
- واقعیت مجازی یک برنامه کامپیوتری است که از داده‌های واقعی برای تجربه‌های مجازی استفاده می‌کند. با استفاده از این فناوری، معدن‌کاران بهصورت مجازی در محیط‌های معدنی پر چالش قرار می‌گیرند و توانایی‌های آنها در مدیریت ریسک و تصمیم‌گیری آنی سنجیده می‌شوند.
سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی
سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی (GIS) به ابزاری جدایی‌ناپذیر از صنایع مختلف تبدیل شده‌اند. با استفاده از اطلاعات حاصل از این سیستم‌ها، ارزیابی‌های اولیه درباره موقیعت ذخایر مختلف سنجیده می‌شوند و معدن‌کاران قادر خواهند بود با کمترین دسترسی فیزیکی، بیشترین تحلیل را بر شرایط داشته باشند.
GISها به موقعیت مکانی، اندازه و شکل اجسام می‌پردازند. از این سیستم‌ها به‌طور ویژه در فعالیت‌های زیر استفاده می‌شود:
- کشف مواد معدنی
- دریافت و تحلیل داده‌های ژئوشیمیایی و هیدرولوژیکی
- تولید گزارشات فنی
- مدیریت تأسیسات و باطله‌های معدنی
- پایداری و انطباق با مقررات متناظر با روش‌های استخراج معدن
هوش مصنوعی
هوش مصنوعی در کانون تصمیم‌گیری‌ها و تحلیل‌های عمیق هر سیستم عملیاتی امروزی است. با استفاده از داده‌ها و یادگیری ماشین، هوش مصنوعی به معدن‌کاران در تصمیم‌گیری‌های حیاتی و انتخاب شیوه‌های استخراج معدن کمک می‌کند. مهمترین ویژگی رویکردهای بهره‌مند از هوش مصنوعی به‌روز بودن و استفاده حداکثری از دانش روز است.
از جمله کاربردهای هوش مصنوعی در استخراج معدن به موارد زیر اشاره می‌کنیم:
- کشف و فرآوری مواد معدنی: با داشتن اطلاعات جغرافیایی، تاریخچه و تجربیات پیشین شرکت‌های معدنی، هوش مصنوعی قابلیت این را دارد که نوع، میزان و عمق ذخایر معدنی را تقریب و برای استخراج آنها روشی را پیشنهاد بدهد.
- وسایل و ماشین‌های خودکار حفاری: دهه گذشته دریچه‌ای بود به استفاده شرکت‌های بزرگ معدنی از ماشین‌های عظیم‌الجثه‌ای که از راه دور کنترل می‌شوند و بیشتر عملیات استخراج و فرآوری مواد معدن را به صورت خودکار انجام می‌دهند.
پهبادهای خودکار
امروزه پهبادها را می‌شود همه جا دید، از فیلم‌های سینمایی گرفته تا مراقبت‌های امنیتی، پهبادها ناظران پر قدرت تکنولوژی هستند. از پهبادها در صنعت معدن در موارد زیر بهره گرفته می‌شود:
- ایمنی و نظارت در مناطق خطرناک
- مدیریت دارایی‌ها
- تصویربرداری هوایی از سایت‌های معدنی
- اندازه‌گیری موجودی انبارها
- نگهداری و بازرسی زیرساخت
- نقشه‌برداری
درنهایت، انتخاب یک روش بهینه برای استخراج منابع باارزش معدنی، نیازمند مطالعات اولیه و استفاده حداکثری از فناوری روز است. بنابراین دانش تولید و استفاده از این فناوری‌ها، یا باید به کشور وارد شوند، یا اینکه تولید گردند.
معدن همیشه قلبی تپنده در زیر لایه‌های سنگینی از خاک بوده است. وقت آن رسیده که با دانش روز، نوآوری و تکنولوژی، به این قلب تپنده اکسیژنی تازه برسانیم.
جمع‌بندی
روش‌های زیادی در استخراج مواد معدنی وجود دارند که بسته به نوع مواد و محل قرار گرفتن آنها، در معادن به کار گرفته می‌شوند. هر روش معایب و مزایای خاص خود را دارد که باید قبل از شروع هر فعالیت معدنی سنجیده شوند و با توجه به توجیه اقتصادی روش و تأثیرات زیست‌محیطی حاصل از اعمال آن، نسبت به اجرای روش اقدام گردد.
باید توازنی بین حفاظت از محیط‌زیست و تأمین منابع اولیه کشور ایجاد کرد. چنین امری نیازمند یک فرایند برنامه‌ریزی و مدیریت سازمانی قوی در معادن است. ارتقاء بهره‌وری معادن و استاندارهای زیست‌محیطی و توسعه پایدار می‌توانند به شکلی سازگار و موازی با هم تحقق یابند. آنچه در کانون انتخاب روش‌ها و اطمینان از کارایی آنها وجود دارد، دانش روز و تکنولوژی ابزاری آن است.
ایران جزء محدود کشورهایی است که منابع بزرگی از انواع مواد معدنی در آن یافت می‌شود. مهمتر اینکه بخش وسیعی از این ذخایر یا کشف نشده‌اند، یا امکان دسترسی به آنها ایجاد نشده است. بزرگترین موانع در راه بهره‌برداری هرچه بیشتر و بهینه‌تر از این منابع طبیعی، سرمایه‌گذاری نامناسب، کمبود کارشناسان با دانش تکنولوژی محور و نگاه سنتی به صنعت معدن است.
کلمات کلیدی:
استخراج معدن – استخراج سطحی – معدن‌کاوی – مواد معدنی – زغال‌سنگ – روش استخراج معدن – محیط‌زیست – فرآوری مواد معدنی – معادن – صنعت معدن
