معدن

معدنکاری یا برداشت کانی‌ها به عمل استخراج کانی‌های ارزشمند یا دیگر مواد از زمین و معمولاً از معادن گفته می‌شود. موادی که از این کانسارها به‌دست می‌آید شامل فلزات، زغال‌سنگ، شیل نفتی، سنگ‌های قیمتی، الماس، سنگ آهک، سنگ نمک، طلا، نقره، پتاس، شن، خاک رس و موادی از این دست می‌شود. معدن‌کاری برای به‌دست آوردن هر ماده‌ای که نمی‌توان از طریق فرآیندهای کشاورزی رشد داد، یا به‌طور مصنوعی در آزمایشگاه یا کارخانه تولید کرد، لازم است. در یک تعریف کامل‌تر معدن‌کاری شامل برداشت هرگونه منبع تجدیدناپذیر مانند نفت، گاز طبیعی یا حتی آب نیز می‌شود.

معدن زغال‌سنگ

یک کارگر معدن با ۹۰ کیلوگرم بار گوگرد که آن را از کف آتشفشان ایجن با خود حمل کرده‌است.

استخراج سنگ و فلز از زمان‌های پیش از تاریخ توسط انسان انجام می‌شده‌است. فرآیندهای معدن‌کاری امروزی شامل جستجوی بدنه معادن، تجزیه و تحلیل ظرفیت سودآوری یک معدن پیدا شده، استخراج مواد مورد نظر و احیای نهایی زمین پس از بسته شدن معدن است.

یک نقشه ساده از معادن فعال جهان.

عملیات استخراج، هم در طول دوره فعالیت معدن و هم پس از بسته شدن آن، معمولاً بر روی بر محیط زیست اثرات مخربی به‌جا می‌گذارد. از این رو، بیشتر کشورهای جهان مقرراتی را برای کاهش این تأثیرات منفی تصویب کرده‌اند. موضوع ایمنی کار نیز، مدت‌های طولانی است که نگران‌کننده است و شیوه‌های نوین بهبود چشمگیری در زمینه ایمنی در معادن به دنبال داشته‌است.

تکنیک‌های استخراج

استخراج دیوارطولانی زیر زمینی.

تکنیک‌های استخراج را می‌توان به دو نوع حفاری متداول تقسیم کرد: استخراج سطحی و استخراج زیرسطحی (زیرزمینی). امروزه استخراج سطحی بسیار رایج است و به عنوان مثال ۸۵٪ از مواد معدنی در آمریکا (به استثنای نفت و گاز طبیعی)، از جمله ۹۸٪ سنگ‌های معدنی فلزی، به این روش استخراج می‌شوند.

مواد هدف به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: رسوبات جامانده (ذخایر پلاسری)، که شامل مواد معدنی ارزشمند موجود در شن‌های رودخانه، شن‌های ساحلی و سایر مواد غیر تلفیقی است؛ و رسوبات لود (lode deposits)، که شامل مواد معدنی با ارزش در رگه‌ها، لایه‌ها یا دانه‌های معدنی که به‌طور کلی در کل توده تخته سنگ پراکنده شده است. هر دو نوع کانسار معدنی، پلاسر یا لود، به دو روش سطحی و زیرسطحی استخراج می‌شوند.

استخراج برخی از مواد، از جمله بسیاری از عناصر کمیاب زمین و استخراج اورانیوم، با روش‌های کمتر متداولی مانند شستشوی درجا انجام می‌شود: در این روش هیچگونه حفاری نه در سطح و نه در زیرزمین انجام نمی شود. استخراج مواد معدنی هدف توسط این روش مستلزم محلول بودن آنها است، به عنوان مثال، پتاس، پتاسیم کلرید، سدیم کلرید، و سدیم سولفات که در آب حل می‌شوند. برخی از مواد معدنی مانند سنگ‌های معدنی مس و اکسید اورانیوم برای حل شدن به محلول‌های اسید یا کربنات نیاز دارند.

استخراج سطحی

در استخراج سطحی برای دستیابی به ذخایر سنگ معدن، پوشش گیاهی سطحی، گل و لای و در صورت لزوم لایه‌های سنگ بستر برداشته می‌شوند. تکنیک‌های استخراج سطحی عبارتند از:

استخراج معادن روباز (Open-pit Mining)، که در آن مواد از یک گودال باز در زمین استخراج می‌شوند.
استخراج معادن سنگ (quarrying)، که با استخراج معدن روباز یکسان است، با این تفاوت که به معادن ماسه، شن، سنگ و خاک اشاره دارد.
استخراج رگه ای (strip mining)، که شامل جدا کردن لایه‌های سطحی برای آشکار کردن سنگ‌های معدن یا درزهای زیر زمین است؛
برداشتن قله کوه (mountaintop removal)، که معمولاً برای استخراج زغال‌سنگ انجام می‌شود، و شامل برداشتن قله کوه برای رسیدن به کانسارهای معدنی موجود در عمق است. بیشتر ذخایر پلاسری (ولی نه همه)، به دلیل طبیعت عمق کم آنها، با روش‌های سطحی استخراج می‌شوند.
استخراج گورستان پسماندشهری (Landfill mining)، که در آن گورستان‌های قدیمی پسماند شهری حفاری شده و فراوری می‌شوند. استخراج از محل دفن زباله به عنوان یک راه حل برای مقابله با انتشار طولانی مدت متان و کاهش آلودگی محلی در نظر گرفته می‌شود.

استخراج سنگ معدن از معدن سنگ پورتلند.
معدن طلای سد طلوع در استرالیا. که یک معدن روباز (Open-pit) است.
استخراج به روش برداشتن قله کوه. معدنی در کنتاکی آمریکا.
چرخ‌بیل Bagger ۲۸۸ که نوعی بیل مکانیکی بسیار بزرگ برای استخراج معادن رگه ای است.
بقایای سیستم شستشوی درجا در یک معدن اورانیم در کشور چک.

استخراج زیرسطحی

استخراج زیرسطحی شامل حفر تونل یا شافت به داخل زمین برای رسیدن به ذخایر سنگ معدن است. سنگ‌های معدنی، جهت فرآوری و تخته سنگ‌های زائد، جهت دفع، از طریق این تونل‌ها و شافت‌ها به سطح زمین انتقال داده می‌شوند. استخراج زیرسطحی را می‌توان با توجه به نوع شافت‌های دستیابی، و روش‌های استخراج یا روش‌های استفاده شده برای رسیدن به کانسار معدنی طبقه‌بندی کرد.

در استخراج افقی (Drift mining) از تونل‌های دسترسی افقی استفاده می‌شود،
در استخراج شیبی (Slope mining) از شافت‌های دسترسی شیب دار استفاده می‌شود،
در استخراج عمودی (Shaft mining) از شافت‌های دسترسی عمودی استفاده می‌شود.

استخراج در بسترهای سخت و نرم به تکنیک‌های مختلفی نیاز دارد. سایر روش‌ها عبارتند از:

روش استخراج انباره‌ای (shrinkage stoping)، که منظور استخراج به سمت بالا، و ایجاد اتاقک‌های زیرزمینی ذخیره‌سازی است،
روش استخراج جبهه کار بلند (long wall mining)، که منظور خرد کردن سطح یک سنگ معدنی طولانی در زیرزمین است،
روش استخراج اتاق و پایه (Room and pillar)، که در این روش تونل‌هایی حفاری شده و ستون‌هایی برای پشتیبانی از سقف ایجاد می‌شود. پس از استخراج اتاق و ستون اغلب استخراج عقب‌نشینی انجام می‌شود، که در آن ستون‌های پشتیبانی با عقب‌نشینی معدنچیان برداشته می‌شوند و اتاقک‌ها تخریب و پر می‌شوند و در نتیجه سنگ معدن بیشتری در معرض کار قرار می‌گیرد.
روش استخراج کارگاه و پایه (Stope and Pillar)، این روش شباهت‌های زیادی با روش اتاق و پایه دارد اما در این روش پایه‌ها از نظر شکل و ابعاد به صورتی نامنظم و تصادفی جانمایی شده‌اند، ضخامت کانسار متوسط است (بیش از ۶ متر) و ماده معدنی استخراجی زغال‌سنگ نیست.
روش استخراج کند و آکند (Cut and Fill)، جزو روش‌های با نگهداری است (محل استخراج دوباره توسط خاک و باطله پر می‌شود) که در کانسارهای پرشیب و موادمعدنی رگه‌ای تحت شرایط نامناسب کمرها و یا ماده‌معدنی افقی با ضخامت زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش برای کانسارهای غیرلایه‌ای، انعطاف پذیرترین روش از نظر شرایط کاربرد و اجرا است و هر چه شیب کانسار زیادتر باشد، نتایج مطلوب‌تری حاصل می‌شود.
روش استخراج تخریب بلوکی (Block Caving)، تخریب بلوکی واژهای عمومی است و به روش معدنکاری توده‌ای عمیق اشاره دارد که در آن استخراج ماده‌معدنی تا حد زیادی به عمل گرانش بستگی دارد. روش تخریب بلوکی به دلیل هزینه پایین و ظرفیت تولید بالا، اکثرا در مورد توده‌های معدنی بزرگ به کار می‌رود. در این روش به وسیله زیر برش، ناحیه‌ای با ابعاد کافی برداشته می‌شود، به گونه‌ای که توده بالایی به طور طبیعی تخریب شود. تخلیه موادمعدنی خرد شده از قسمت پایینی ستون معدنی سبب می‌شود که عمل تخریب به سمت بالا و تا زمانی که تمام توده بالای افق زیر برش خرد شود، ادامه یابد.
روش استخراج از طبقات فرعی (Sublevel Stoping)، یکی از روش‌های استخراج بدون نگهداری می‌باشد که اغلب در معادن مس، آهن، روی، گوگرد، سرب، طلا، سنگ آهک و نیکل مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش برای استخراج لایه‌های فلزی با شیب بالای ۴۵ درجه مورد استفاده قرار گرفته و شرط لازم برای این روش وجود کمر بالای مستحکم می‌باشد. در ایران معدن سرب و روی کوشک به روش استخراج از طبقات فرعی به صورت مکانیزه استخراج می‌گردد.
روش استخراج معدن زیرزمینی تخریب در طبقات فرعی (Sublevel caving)، این روش جزو روش‌های تخریبی استخراج زیرزمینی به شمار می‌آید در ایران معدن چهار گنبد کرمان به این روش استخراج می‌گردد. از مسا‌ئل مهم در این روش، فاصله طبقات فرعی است. بر اساس تعریف، فاصله بهینه طبقات فرعی فاصله‌ای است که به ازای آن، هزینه‌های استخراج کمینه شود.
روش استخراج VCR (Vertical Crater Retreat)، یکی از روش‌های خاص استخراج از طبقات فرعی و روش انباره‌ای، روش VCR می‌باشد. این روش در کانسار‌های پرشیبی مورد استفاده قرار می‌گیرد، که بتوان در بالا و پایین ماده معدنی یک برش افقی ایجاد کرد. در این روش نیازی به رفتن پرسنل به داخل کارگاه نیست، آماده‌سازی‌ها از راهروهای پایینی و بالایی انجام می‌شود.

ورودی یک معدن افقی در سال ۱۹۰۸ در ویرجینیای غربی
شافت یک معدن استخراج عمودی، که در حال حاضر تبدیل به یک موزه شده‌است.
درگاه آسانسور یک معدن زیرزمینی.
یک مدل سه بعدی از یک معدن زیرزمینی مدرن با مسیرهای دسترسی به شافت
یک نقاشی از یک اتاقک یک معدن استخراج انباره ای در سال ۱۸۴۷
کارگیرهای هیدرولیکی، نوار نقاله و شیرر (برش دهنده) که در استخراج دیوار طولانی استفاده می‌شوند.

استخراج دیواره بلند

استخراج دیواره بلند شکل دیگری از استخراج سطحی است که از استخراج آگری (استخراج به وسیله مته مارپیچ) حاصل شده‌است. در استخراج دیواره بلند، درز رگه زغال‌سنگ توسط یک دستگاه هیدرولیکی با مکانیزم انتقال تیر هیدرولیکی (PTM) باز می‌شود. با استفاده از یک دستگاه تصویربرداری ویدئویی یا یک سنسور اشعه گاما یا سایر سیستم‌های Geo-Radar مانند سنسور تشخیص رابط زغال‌سنگ-سنگ (CID)، اپراتور می‌تواند رابط درز-سنگ را ببیند و پیشرفت مستمر معدن را هدایت کند.

جستارهای وابسته

منابع

↑ Agricola, Georg; Hoover, Herbert (1950). De re metallica. MBLWHOI Library. New York, Dover Publications.
↑ Hartmann HL. Introductory Mining Engineering, p. 11. First chapter.
↑ "In Situ Leach Mining (ISL) of Uranium". World-nuclear.org. Archived from the original on 2010-08-17. Retrieved 2013-06-22.
↑ "Mechanical Seals | How Mechanical Seal Work?".
↑ "Mining, Quarrying & Prospecting: The Difference between Mining, Quarrying & Prospecting". mqp-geotek.blogspot.co.uk. 2010-10-31. Archived from the original on 2015-06-12. Retrieved 2015-06-11.
↑ Landfill Mining Landfill Mining, Preserving Resources through Integrated Sustainable Management of Waste, Technical Brief from the World Resource Foundation
↑ Krook, Joakim; Svensson, Niclas; Eklund, Mats (2012-03-01). "Landfill mining: A critical review of two decades of research". Waste Management. 32 (3): 513–20. doi:10.1016/j.wasman.2011.10.015. ISSN 0956-053X. PMID 22083108.

[1] Agricola, Georg; Hoover, Herbert (1950). De re metallica. MBLWHOI Library. New York, Dover Publications.

[2] Hartmann HL. Introductory Mining Engineering, p. 11. First chapter.

[3] "In Situ Leach Mining (ISL) of Uranium". World-nuclear.org. Archived from the original on 2010-08-17. Retrieved 2013-06-22.

[4] "Mechanical Seals | How Mechanical Seal Work?".

[:0-5] "Mining, Quarrying & Prospecting: The Difference between Mining, Quarrying & Prospecting". mqp-geotek.blogspot.co.uk. 2010-10-31. Archived from the original on 2015-06-12. Retrieved 2015-06-11.

[6] Landfill Mining Landfill Mining, Preserving Resources through Integrated Sustainable Management of Waste, Technical Brief from the World Resource Foundation

[7] Krook, Joakim; Svensson, Niclas; Eklund, Mats (2012-03-01). "Landfill mining: A critical review of two decades of research". Waste Management. 32 (3): 513–20. doi:10.1016/j.wasman.2011.10.015. ISSN 0956-053X. PMID 22083108.