معدن چیست و کلیاتی در مورد معدن
استخراج مواد معدنی با ارزش و تولید نفت و گاز عمده فعالیت‌های استخراج منابع هستند که مواد اولیه را برای حمایت از زیرساخت‌های اقتصادی ما فراهم می‌کنند. به طور کلی معدن به محلی گفته می‌شود که توسط عملیات حفاری، مواد معدنی مورد نیاز از آن به دست می‌آید.
معدن و تاریخ تمدن
معدنکاری، شاید به عنوان دومین تلاش برای بقای بشر بوده باشد. خوشبختانه که کشاورزی اولین کار بود. این دو صنعت در صنایع تمدن اولیه با هم رتبه بندی شده‌اند. از ابتدای تمدن تاکنون تغییر چندانی در اهمیت این صنایع ایجاد نشده است. اگر ماهیگیری و زراعت را به عنوان بخشی از کشاورزی و تولید نفت و گاز به عنوان بخشی از معدن در نظر بگیریم، کشاورزی و استخراج معادن همچنان منابع اصلی مورد استفاده تمدن مدرن را تأمین می‌کنند. از دوران ماقبل تاریخ تا به امروز، معدنکاری نقش مهمی در بقای انسان داشته است. تاریخ استخراج معادن جذاب است. این کار به موازات تاریخ تمدن است، با بسیاری از دوره های مهم فرهنگی مرتبط و شناسایی شده توسط مواد معدنی مختلف یا مشتقات آنها: عصر حجر، عصر برنز، عصر آهن ، عصر فولادو عصر هسته‌ای.
بسیاری از نقاط عطف تاریخ از جمله سفر مارکو پولو به چین، سفر واسکو داگاما در آفریقا و هند، کشف کلمبوس در جهان جدید و هجوم‌های مدولاندی که منجر به استقرار کالیفرنیا، آلاسکا، آفریقای جنوبی ، استرالیا وکانادا شد به خاطر دستیابی به معادن به دست آمده‌اند.
مقدمه استخراج
فراوانی مواد معدنی روشی را برای ایجاد ثروت فراهم می‌کند. مواد معدنی را می‌توان در بازار آزاد عرضه کرد و به کشورهای صاحب آنها این امکان را می‌دهد که ارزهایی را با قیمت کم، از کشورهایی که این منابع را ندارند به دست آورند. داشتن معادن به طور کلی منجر به این می‌شود که کشورهای غنی از مواد معدنی، اگر دانش و سیاست‌های درست بهره‌برداری از آن را بلد باشند، جز قدرت‌های اقتصادی جهان باشند در حالی که کشورهای محروم از این منابع معمولاً از سطح پایین زندگی رنج می‌برند. توانایی استفاده از منابع معدنی به عنوان وسیله‌ای برای ایجاد ثروت این امکان را فراهم می‌کند که یک کشور بتواند کل بازار را در یک ماده معدنی خاص، یعنی ایجاد یک کارتل اقتصادی در آن ماده معدنی، کنترل کند.
معدن و محیط زیست
معدنکاری همیشه یک فعالیت مخل محیط زیست بود است، اما صنایع معدنی معاصر در برخی از حساس‌ترین جنگل‌های زیست محیطی در مناطق خاوری و مناطق گرمسیری واقع شده‌اند. استخراج نفت، گاز و مواد معدنی حدود ۷ درصد از جنگل زدایی جهانی در مناطق نیمه گرمسیری را باعث می‌شود.
در کشورهای ثروتمندتر، توسعه نفت، گاز، زغال سنگ و مواد معدنی همچنان در حال تخریب و تهدید جنگل‌ها است، مانند مناطق اصلی کانادا و تایگای روسیه که زیرساخت‌های حمل و نقل نفت در حال برنامه ریزی و توسعه است. توسعه زیرساخت‌های ماسه‌های قیر در مناطق اصلی کانادا منجر به پاکسازی و تخریب بیش از ۷۵۰،۰۰۰ هکتار از مناطق جنگلی از سال ۲۰۰۰ تاکنون شده است.
استخراج نفت، زغال سنگ، گاز و مواد معدنی پوشش جنگل را کاهش می‌دهد، همچنین منجر به تأثیرات طولانی مدت مانند آلودگی، توسعه زیرساخت‌ها و افزایش فعالیت‌های انسانی می‌شود.
اصطلاحات
معدن: حفاری انجام شده در زمین برای استخراج مواد معدنی
استخراج: فعالیت، اشتغال و صنعت مربوط به استخراج مواد معدنی
مهندسی معدن: عملی که اصول مهندسی را برای توسعه، برنامه ریزی، بهره برداری، تعطیلی و احیای معادن به کار می‌برد.
مواد معدنی: عنصر معدنی یا ترکیبی غیر آلی با ساختار داخلی نامنظم و ترکیب شیمیایی مشخص، فرم بلوری و خصوصیات فیزیکی
سنگ معدن: کانسار معدنی که دارای کاربرد و ارزش کافی برای استخراج در معدن است.
ضایعات: مواد مرتبط با کانسار سنگ معدن که باید استخراج شود تا از سنگ معدن خارج شود و سپس باید دور ریخته شود
سنگ معدن فلزی: سنگ معدن فلزات آهنی (آهن ، منگنز ، مولیب دنوم و تنگستن)، فلزات پایه (مس ، سرب ، روی و قلع)، فلزات گرانبها (طلا ، نقره ، فلزات گروه پلاتین) و مواد معدنی فعال رادیویی (اورانیوم ، توریم و رادیوم)
مواد معدنی غیر فلزی (همچنین به عنوان مواد معدنی صنعتی نیز شناخته می‌شوند): سنگ معدن‌های غیر سوختی که با تولید فلزات ارتباط ندارند. اینها شامل فسفات، پتاس، هالیت، ترونا، شن، سنگ آهک، گوگرد و بسیاری دیگر است.
سوخت‌های فسیلی (همچنین به عنوان سوخت های معدنی شناخته می‌شوند): این سوخت‌ها دارای یک ویژگی مشترک هستند و آن قدمت بسیار بالای آنها می‌باشد بیشتر دانشمندان معتقدند نفت از انباشته شدن بقایای جانوران و گیاهان در کف دریاهای قدیمی به وجود آمده‌است. این مواد بین لایه‌های رسوبی قرار گرفته و بر اثر گرما و فشار زیاد و تغییرات شیمیایی طیّ میلیون ها سال به نفت تبدیل شده‌اند.
سوخت‌های فسیلی به‌طور کلی ۳ دسته‌اند: زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی
مراحل کار در یک معدن
توالی کلی فعالیت‌ها در معدن مدرن اغلب با پنج مرحله از زندگی معدن تعریف می‌شود: کاوش، اکتشاف، توسعه، بهره برداری و احیای مجدد. پیش بینی و کاوش، پیش تولید یک معدن واقعی است، و گاهی اوقات با هم ترکیب می‌شوند. زمین شناسان و مهندسان معدن اغلب مسئولیت این دو مرحله را با هم تقسیم می‌کنند، زمین شناسان بیشتر با اولی درگیر می‌شوند ، مهندسان معدن بیشتر با مرحله دوم یعنی کاوش
به همین ترتیب، توسعه و بهره برداری مراحل نزدیک به هم هستند. به دلیل تقاضای جامعه برای ایجاد محیطی تمیزتر و قوانین سختگیرانه برای معادن، آبادسازی و احیای اراضی سایت به بخشی ضروری از چرخه زندگی یک معدن تبدیل شده است. روند کلی توسعه معدن با در نظر گرفتن کاربری‌های آینده زمین، توسعه پایدار نامیده می‌شود. این مفهوم در کتابی تحت عنوان آینده مشترک ما (کمیسیون جهانی محیط زیست و توسعه ، ۱۹۸۷) به عنوان توسعه‌ای تعریف شده است که نیازهای حال حاضر را برطرف می‌کند بدون اینکه توانایی تولید نسل‌های آینده برای تأمین نیازهای خود را به خطر بیندازد. ایده‌های ارائه شده در آن به طور گسترده‌ای به عنوان یک راهکار عملی برای تأمین نسل‌های آینده مورد تأیید قرار گرفته است.
روش مستقیم کشف، که معمولاً به رسوبات سطحی محدود می‌شود، شامل بررسی بصری رسوب یا قطعات (شناور) است که از منشأ خارج شده‌اند. با استفاده از عکسبرداری هوایی، نقشه‌های زمین شناسی و ارزیابی ساختاری یک منطقه، متخصص زمین شناسی شواهد را با روش‌های مستقیم برای یافتن ذخایر معدنی جمع آوری می‌کند. نقشه برداری دقیق و تجزیه و تحلیل ساختاری به علاوه مطالعات میکروسکوپی نمونه‌ها زمین شناس را قادر می‌سازد تا کانی سازی سطح و نهفته را پیدا کند.
ارزشمندترین ابزار علمی به کار رفته در جستجوی غیرمستقیم ذخایر معدنی پنهان، ژئوفیزیک است، دانش تشخیص ناهنجاری‌ها با استفاده از اندازه‌گیری‌های فیزیکی متغیرهای گرانشی، لرزه‌ای، مغناطیسی، الکتریکی، الکترومغناطیسی و رادیومتریک زمین.
روش‌های هوایی، با استفاده از هواپیما و ماهواره انجام می‌شود. روی سطح زمین، و در زیر زمین، از روش‌هایی که زیر توپوگرافی را بررسی می‌کنند استفاده می‌شود.
از شیمی خاک، تجزیه و تحلیل کمی نمونه‌های خاک، سنگ و آب و ژئوبوتانی، تجزیه و تحلیل الگوهای رشد گیاه، نیز می‌توان به عنوان کاوش و پیش بینی نام برد.
مرحله دوم در حیات یک معدن، اکتشاف است، این مرحله اندازه و ارزش یک کانسار معدنی را با دقت بسیار تعیین می‌کند، با استفاده از تکنیک‌های مشابه، اما تصفیه شده‌تر از آن‌هایی که در کاوش استفاده می‌شود. مرزبندی بین کاوش و اکتشاف خیلی دقیق نیست.
با استفاده از اندازه‌گیری‌های مختلف برای به دست آوردن تصویر بهتر از میزان و درجه بندی سنگ معدن، مهندسین برای اکتشاف مدام به مکان‌های سطح و زیر سطح تغییر مکان می دهند.
نمونه‌های موجود ممکن است تحت تکنیک‌های ارزشیابی شیمیایی، متالورژی، اشعه ایکس، طیف سنجی یا اندازه‌گیری رادیومتری قرار بگیرند که به منظور افزایش دانش در مورد کانسار معدنی است. ارزیابی نمونه‌ها زمین شناس یا مهندس معدن را قادر می‌سازد تا تناژ و درجه، یا غنای رسوب معدنی را محاسبه کند.
در مرحله سوم، توسعه اتفاق می‌افتد.کارهای توسعه مقدماتی خاص، مانند کسب حقوق آب و مواد معدنی، خرید زمین‌های مناسب، ترتیب تأمین اعتبار و تهیه برنامه‌های اجازه و بیانیه اثرات زیست محیطی (EIS)، معمولاً قبل از هرگونه توسعه مورد نیاز است.
هنگامی که این مراحل محقق شد، تأمین تعدادی از الزامات مانند مجرای دسترسی، منابع نیرو، سیستم‌های حمل و نقل مواد معدنی، تاسیسات فرآوری مواد معدنی، مناطق دفع زباله، دفاتر و سایر امکانات پشتیبانی انجام می‌شوند.
بهره برداری، مرحله چهارم استخراج است و از نظر کمی با بازیابی واقعی مواد معدنی از زمین همراه است. اگرچه توسعه ممکن است ادامه یابد، اما در این مرحله تأکید بر تولید است. معمولاً قبل از بهره برداری فقط توسعه کافی انجام می‌شود تا اطمینان حاصل شود که تولید آغاز شده بدون وقفه در طول عمر معدن ادامه دارد .
روش استخراج برای بهره برداری عمدتا توسط خصوصیات کانسار معدنی و محدودیت‌های اعمال شده توسط ایمنی، فناوری، نگرانی‌های زیست محیطی و اقتصاد تعیین می‌شود.
مرحله نهایی در بهره برداری از اکثر معادن، احیای مجدد و بازیابی مقادیر مشخصی آب و خاک است. بهترین زمان برای شروع فرآیند احیای معدن قبل از آغاز اولین کاوش‌ها است. به عبارت دیگر، مهندسان معدن باید طوری برنامه ریزی کنند که فرآیند احیای مجدد در نظر گرفته شود و هزینه کل استخراج معادن به علاوه احیا به حداقل برسد، نه فقط هزینه استخراج معدن.
فلسفه جدید در صنعت پایداری صنعت معدن، یعنی تأمین نیازهای اقتصادی و زیست محیطی حال حاضر و تقویت توانایی نسل‌های آینده برای تأمین نیازهای خود. در برنامه ریزی برای احیای هر معدن، نگرانی‌های بسیاری وجود دارد که باید رفع شود. اولین مورد ایمنی سایت معدن است
عملیات واحد معدن
مراحل کمک مستقیم به استخراج مواد معدنی، عملیات تولید است که چرخه تولید عملیات را تشکیل می دهد. مراحل جانبی که از چرخه تولید پشتیبانی می‌کنند، عملیات کمکی نامیده می‌شوند. چرخه تولید از کارکردهای واحدی استفاده می‌کند که به طور معمول برای شکستن مواد دسته بندی می‌شوند. شکستگی عموماً شامل حفاری و انفجار است، و حمل و نقل مواد شامل بارگیری یا حفاری و حمل و نقل (حمل و نقل افقی) و گاهی اوقات بلند کردن سنگ‌های سنگین هستند.
در استخراج مدرن سطح، سوراخهای انفجار ۳ تا ۱۵ اینچ. (۷۵ تا ۳۸۰ میلی متر) توسط مته‌های دوار یا کوبه‌ای برای قرار دادن مواد منفجره در هنگام از بین بردن سنگ‌های تلفیقی ایجاد می‌شوند. بار انفجاری سپس وارد شده و منفجر می‌شود تا میزان بار سنگین یا سنگ معدن را به اندازه مناسب برای حفاری کاهش دهد. مواد شکسته شده توسط بیل، درگ لاین یا لودر در واحدهای حمل بار( معمولا کامیون) برای حمل و نقل بارگیری می‌شود. از واگن‌های راه آهن برای حمل و نقل نیز استفاده می‌شود و نوار نقاله تسمه‌ای اغلب پس از خرد شدن ماده مورد استفاده قرار می‌گیرد. خاک و زغال سنگ اغلب به همان روش منتقل می‌شوند، اگرچه انفجار گاهی اوقات غیرضروری است. در استخراج معدن، بلوک‌ها اغلب بدون انفجار، با استفاده از اره‌های سیمی یا سایر دستگاه‌های مکانیکی آزاد می‌شوند.
در استخراج زیرزمینی، چرخه تولید مشابه است، اگرچه تجهیزات مورد استفاده ممکن است در اندازه‌های کوچک‌تری باشند.
از دریل‌های کوچکتر استفاده می‌شود، کامیون‌ها گاهی اوقات با اتومبیل‌های شاتل جایگزین می‌شوند و نوار نقاله تسمه‌ای بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. ذغال سنگ، نمک، پتاس و ترونا اغلب بدون استفاده از مواد منفجره استخراج می‌شوند.
علاوه بر عملیات چرخه تولید، عملیات کمکی خاصی نیز باید در بسیاری از موارد انجام شود. در زیر زمین، این عملیات معمولاً شامل پشتیبانی سقف، تهویه مطبوع، منبع تغذیه، پمپاژ، تعمیر و نگهداری، روشنایی، ارتباطات و تحویل هوای فشرده، آب و تجهیزات مورد نیاز می‌شود. در استخراج سطحی، عملیات کمکی اولیه شامل مواردی است که ثبات شیب، پمپاژ، منبع تغذیه، تعمیر و نگهداری، دفع زباله و تأمین مواد به مراکز تولید را فراهم می‌کنند.
چگونه مواد معدنی را استخراج می‌کنند؟
استخراج فرآیندی است که برای خارج کردن منابع ارزشمند از زمین استفاده می‌شود. این کار برای بدست آوردن منابعی انجام می‌شود که از طریق مصنوعی قابل رشد و تولید نیستند. به طور خاص، استخراج برای به دست آوردن منابع تجدید ناپذیر مانند سوخت‌های فسیلی، مواد معدنی و حتی آب استفاده می‌شود.
روش‌های اصلی مورد استفاده برای استخراج مواد معدنی از زمین عبارتند از:
استخراج زیرزمینی
استخراج سطحی (روباز)
استخراج پلاسری
محل و شکل رسوب، مقاومت سنگ، عیار سنگ ، هزینه های استخراج و قیمت بازار در حال حاضر کالا از عوامل تعیین کننده انتخاب روش استخراج است.
استخراج زیرزمینی با هزینه نسبتاً زیاد و مکرر برای رساندن به ذخایر عمیق‌تر، شامل حفر زمین و ایجاد تونل و شافت‌هایی است که به ذخایر منابع می‌رسند. سنگ معدن‌های فلزی با کیفیت‌تر که در رگه‌های عمیق زیر سطح زمین وجود دارند، می‌توانند با استفاده از روش‌های زیرزمینی که گران‌تر هستند، استخراج شوند
سنگ حفاری شده و منفجر می‌شود ، سپس توسط کامیون، نوار نقاله تسمه‌ای یا آسانسور به سطح زمین منتقل می‌شود. هنگامی که در سطح قرار گرفت، مواد به آسیاب ارسال می‌شود تا سنگ معدن از سنگ زباله جدا شود.
استخراج سطحی شامل حذف گیاه و خاک بوده و بستر بالقوه‌ای برای امکان دسترسی به ذخایر منابع است به طور معمول این نوع استخراج برای رسوبات نسبتاً کم عمق و غیر گرانبها استفاده می‌شود. سنگ معدن‌های فلزی با درجه پایین‌تر که در نزدیکی سطح قرار دارند می‌توانند با استفاده از روش‌های استخراج سطحی که معمولاً هزینه کمتری نسبت به روش‌های زیرزمینی دارند، استخراج شوند.
بسیاری از مواد معدنی صنعتی نیز از این طریق استخراج می‌شوند، زیرا این سنگ معادن معمولاً کم ارزش هستند و در سطح زمین یا در نزدیکی آن قرار می‌گیرند. در یک معدن سطحی، سنگ سخت باید حفر شده و منفجر شود، اگرچه برخی از مواد معدنی به اندازه کافی نرم هستند که بدون انفجارهم قابل استخراج باشند.
استخراج پلاسر برای بازیابی مواد معدنی ارزشمند از رسوبات موجود در مجاری رودخانه‌ها، شن‌های ساحلی یا ذخایر رودخانه‌های خیلی قدیمی استفاده می‌شود بیش از نیمی از تیتانیوم جهان از طریق استخراج ماسه‌های ساحلی و شن و ماسه‌ها به دست می‌آید. در عملیات پلاسیر، مواد استخراج شده، شسته شده و به صورت محلول در می‌آیند تا مواد معدنی سنگین‌تری متمرکز شوند.
به عبارت دیگر استخراج از پلاسر به طور کلی در بستر رودخانه‌ها، ماسه‌ها یا سایر محیط‌های رسوبی انجام می‌شود و شامل الک کردن مواد با ارزش از رسوبات است همچنین، “جستجوی طلا” می تواند بخشی از فرآیند استخراج از طریق پلاسر باشد. در عملیات پلاسر، مواد رسوبی استخراج شده شستشو داده می‌شود تا مواد معدنی مورد نظر خارج شود. علاوه بر طلا، سنگ‌های قیمتی، پلاتین، قلع و سایر مواد را می‌توان از طریق استخراج پلاسر به دست آورد.
