ความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีสำคัญสำหรับการทำเหมืองโลหะใต้ดิน
การทำเหมืองแร่โลหะใต้ดินเป็นระบบที่ซับซ้อน ซึ่งรวมถึงการพัฒนา การเตรียมพื้นที่ขุด (การกำหนดและการจัดตั้งแหล่งแร่) และการสกัด และการระเบิดเป็นสิ่งจำเป็นในทุกขั้นตอน ดังนั้น การระเบิดที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพจึงเป็นเป้าหมายหลักของการวิจัยสำหรับวิศวกรเหมืองแร่ ปัจจุบันเหมืองแร่โลหะกำลังอยู่ในช่วงเปลี่ยนผ่านที่สำคัญ จากการทำเหมืองตื้นไปสู่การทำเหมืองลึก จากสภาพการทำเหมืองที่ง่ายไปสู่สภาพที่ยากขึ้น และจากแร่คุณภาพสูงไปสู่แร่คุณภาพต่ำลง ซึ่งสร้างความท้าทายใหม่ๆ สำหรับทฤษฎี เทคโนโลยี และอุปกรณ์ การวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีหลักสำหรับการทำเหมืองใต้ดินจึงมีความสำคัญเป็นพิเศษ ความก้าวหน้าในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่ห้าด้าน ได้แก่ การเจาะและการระเบิด การขนส่งและการยกวัสดุ การเสริมความแข็งแรงของหิน การอุดด้วยวัสดุประสาน และการควบคุมระยะไกล บทความนี้สรุปพัฒนาการและความก้าวหน้าล่าสุดในแต่ละด้าน
การเจาะและการระเบิดยังคงเป็นเทคโนโลยีหลักในการทำเหมืองโลหะ แต่ในอดีตก็เป็นจุดอ่อนเช่นกัน การปรับปรุงประสิทธิภาพการเจาะและการระเบิดมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำเหมืองใต้ดินที่ปลอดภัยและมีประสิทธิผล เมื่อเวลาผ่านไป อุตสาหกรรมได้พัฒนาจากการเจาะด้วยมือไปสู่สว่านลมและไฮดรอลิก ไปสู่เครื่องเจาะขนาดใหญ่ (รวมถึงแท่นเจาะแบบหมุนและแบบลงหลุม) และปัจจุบันกำลังมุ่งสู่หุ่นยนต์เจาะ แนวโน้มกำลังเปลี่ยนจากการใช้เครื่องจักรแบบง่ายๆ ไปสู่ระบบอัตโนมัติ ความชาญฉลาด และการรักษาสิ่งแวดล้อม
มีการพัฒนาแท่นขุดเจาะหลากหลายประเภทที่ปรับให้เข้ากับสภาพพื้นดินที่แตกต่างกันทั้งในประเทศและต่างประเทศ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยอุปกรณ์ขุดเจาะที่ได้รับการปรับปรุง ประเทศบางประเทศ (โดยเฉพาะสหรัฐอเมริกาและแคนาดา) ได้ปรับวิธีการขุดเจาะ/ระเบิดแบบเปิดขนาดใหญ่มาใช้ใต้ดิน โดยในบางกรณี การเจาะรูขนาดกลางแบบแบ่งส่วนได้ถูกแทนที่ด้วยการเจาะรูลึกขนาดใหญ่แบบหลายขั้นตอน ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่น่าพอใจ ตัวอย่างเช่น สวีเดนได้พัฒนาเครื่องจักรขุดอุโมงค์ขนาดใหญ่ที่มีประสิทธิภาพการขุดเจาะสูง ความปลอดภัยที่ดีขึ้น และมลพิษน้อยลง ในประเทศเองก็มีการพัฒนาเครื่องจักรขุดอุโมงค์สามแขนที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์อย่างเต็มรูปแบบ ซึ่งรวมการเคลื่อนที่ การขุดเจาะ และการบรรจุวัสดุเข้าไว้ด้วยกัน ทำให้ใช้งานง่าย ปลอดภัยสูง และลดต้นทุน ระบบเหล่านี้ช่วยปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพการขุดเจาะ ในขณะเดียวกันก็ลดความเข้มข้นของแรงงานและความเสี่ยงในการปฏิบัติงาน ส่งเสริมระบบอัตโนมัติ ความชาญฉลาด และประสิทธิภาพด้านสิ่งแวดล้อม
เนื่องจากสภาพใต้ดินและข้อกำหนดสำหรับการขุดเจาะถนนและการทำเหมืองแตกต่างกัน วิธีการระเบิดจึงยังคงมีความหลากหลาย เทคนิคต่างๆ เช่น การระเบิดแบบประจุขนาดเล็กที่แตกต่างกัน การระเบิดแบบบีบอัด และการระเบิดตามแนวพื้นผิวเรียบ (contour blasting) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายและได้ปรับปรุงผลลัพธ์การระเบิดในหลายสถานการณ์
เทคโนโลยีการระเบิดกำลังพัฒนาไปสู่การระเบิดที่แม่นยำ การระเบิดที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และการระเบิดอัจฉริยะ การระเบิดที่แม่นยำอาศัยการออกแบบรูปแบบรูเจาะที่ละเอียด การศึกษาพลังงานของวัตถุระเบิดอย่างละเอียด และแบบจำลองการจำลองการระเบิดเพื่อให้ได้การแตกหินตามเป้าหมาย การระเบิดที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมใช้สารเผาไหม้แบบใหม่เพื่อทดแทนวัตถุระเบิดแบบดั้งเดิม กำจัดก๊าซระเบิดที่เป็นอันตรายและปรับปรุงคุณภาพอากาศใต้ดินได้อย่างมาก การระเบิดอัจฉริยะผสานรวมการออกแบบการระเบิดที่ชาญฉลาด อุปกรณ์อัจฉริยะ การสร้างแบบจำลองการสั่นสะเทือนเชิงพยากรณ์ และการระบุตำแหน่งรูที่ยังไม่ได้บรรจุโดยอัตโนมัติ เพื่อสร้างระบบการระเบิดอัจฉริยะ
นอกเหนือจากวิธีการใช้ระเบิดแล้ว เทคนิคการทุบหินโดยไม่ใช้ระเบิดกำลังได้รับความสนใจมากขึ้น เครื่องจักรขุดเจาะแบบต่อเนื่องถูกนำมาใช้ในการขุดเจาะเชิงกลในหินที่มีความแข็งปานกลางและอ่อนกว่า ทำให้ได้ผลผลิตสูงและสภาพการควบคุมพื้นดินที่ดี วิธีการแตกหินด้วยแรงทางกายภาพ เช่น การฉีดน้ำแรงดันสูงและการแตกหินด้วยความร้อน สามารถเอาชนะข้อจำกัดบางประการของการตัดเชิงกลอย่างเดียวได้ โดยก่อให้เกิดฝุ่นน้อยและไม่มีประกายไฟ และปรับปรุงสภาพการทำงาน อย่างไรก็ตาม การใช้พลังงานสูง ต้นทุนสูง และการสึกหรอของเครื่องมืออย่างรุนแรงได้จำกัดการนำไปใช้ในวงกว้าง นอกจากนี้ การพัฒนาเทคโนโลยีสารสนเทศและปัญญาประดิษฐ์ในประเทศเริ่มต้นช้ากว่าในบางประเทศ ดังนั้นระบบอัจฉริยะที่สำคัญสำหรับการทำเหมืองหินแข็งแบบต่อเนื่องจึงยังคงพึ่งพาเทคโนโลยีจากต่างประเทศเป็นส่วนใหญ่ ส่งผลให้การทำเหมืองแบบต่อเนื่องสำหรับแหล่งแร่หินแข็งยังไม่ได้รับการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในประเทศ
การขนส่งและการยกวัสดุ ระบบขนส่งและการยกมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตใต้ดิน โดยบูรณาการกระบวนการทำเหมืองเข้ากับระบบต่อเนื่องและรับประกันการดำเนินงานตามปกติ การขนส่งแร่ได้พัฒนาจากวิธีการใช้แรงงานคนไปสู่ระบบราง และจากนั้นไปสู่ระบบไร้ราง (ล้อยาง) ปัจจุบันแนวโน้มมุ่งไปสู่การใช้เครื่องจักรไร้รางเป็นวิธีการขนส่งหลัก โดยมีระบบรางเป็นรอง ซึ่งเป็นผลมาจากการพัฒนาและการเติบโตของอุปกรณ์ใต้ดินไร้รางตั้งแต่ทศวรรษ 1960 เป็นต้นมา
การขนส่งระยะสั้นภายในเหมืองมักใช้รถตัก ซึ่งมีข้อดีคือใช้งานสะดวก ประสิทธิภาพเชื่อถือได้ ผลผลิตสูง และคล่องตัว ส่วนการขนส่งระยะไกลใต้ดินมักใช้รถบรรทุกขนส่ง ซึ่งมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในต่างประเทศ แต่ไม่ค่อยแพร่หลายในประเทศ เมื่อความลึกของการทำเหมืองเพิ่มขึ้น ระยะการยกก็จะไกลขึ้น และเทคโนโลยีการยกก็จะเผชิญกับความท้าทายมากขึ้น พร้อมกับต้นทุนที่สูงขึ้นในการยกแร่ ดังนั้น การพัฒนาเทคโนโลยีการยกแร่ในเหมืองลึกจึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ แนวโน้มโดยรวมคือการพัฒนาระบบขนาดใหญ่ขึ้นที่มีกำลังรับน้ำหนักสูงขึ้นและระบบอัตโนมัติมากขึ้น
ในการทำเหมืองลึก การดำเนินงานหลายอย่างผสมผสานการขนส่งทางราง สายพานลำเลียง หรือรถตักแบบไร้ราง เข้ากับการยกวัสดุขึ้นลงหลายขั้นตอน ตัวอย่างเช่น เหมืองทองคำ TauTona ในแอฟริกาใต้ ใช้ระบบยกวัสดุขึ้นลงสามขั้นตอน โดยมีการขนถ่ายระหว่างปล่องด้วยสายพานลำเลียงหรืออุปกรณ์ไร้ราง สายพานลำเลียงแบบเปิดทั่วไปมีโครงสร้างที่เรียบง่าย แต่มีแนวโน้มที่จะเกิดฝุ่นและหกเลอะเทอะ ซึ่งก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศใต้ดินและลดความปลอดภัย นอกจากนี้ยังมีประสิทธิภาพในการขึ้นเนินต่ำ ระบบสายพานลำเลียงแบบปิดรุ่นใหม่ เช่น โซลูชันแบบปิดที่พัฒนาโดย SiCON สามารถป้องกันการหกเลอะเทอะและฝุ่นละออง มีความเร็วในการขนส่งเกิน 3 เมตร/วินาที และรับมือกับความลาดชันได้ถึง 36° ด้วยการปรับให้เหมาะสม ระบบดังกล่าวจึงมีศักยภาพในการขนส่งแร่ในเหมืองลึก
ระบบยกไฮดรอลิก (น้ำ) ส่วนใหญ่ใช้ในงานในทะเลลึก และนักวิจัยบางกลุ่มได้สำรวจการใช้งานในเหมืองลึก เนื่องจากช่วยให้สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องและง่ายต่อการทำงานอัตโนมัติ อย่างไรก็ตาม การนำระบบยกไฮดรอลิกไปใช้ใต้ดินจำเป็นต้องมีระบบบด (บดและโม่) ในพื้นที่ ทำให้การนำไปใช้งานจริงในปัจจุบันทำได้ยาก แนวคิดใหม่ๆ เช่น ลิฟต์แม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับการยกแร่ ก็ได้รับการเสนอมาแล้ว แต่ยังต้องการการวิจัยอย่างละเอียดเพิ่มเติม เทคโนโลยีและแนวคิดใหม่เหล่านี้กำลังเพิ่มแรงผลักดันใหม่ๆ ให้กับการขนส่งและการยกในเหมืองแร่ ผลักดันให้เกิดนวัตกรรมในวิธีการและอุปกรณ์
การเสริมความแข็งแรงของหิน การเสริมความแข็งแรงของหินในเหมืองโลหะมุ่งเน้นไปที่ชั้นหินที่อ่อนแอ แตกหัก และมีแรงเค้นสูง ระบบค้ำยันแบ่งออกเป็นแบบพาสซีฟและแบบแอคทีฟ การค้ำยันแบบพาสซีฟ (เช่น ไม้ อิฐ โครงเหล็กโค้ง) ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของหินได้ และทำได้เพียงต้านทานการเสียรูปเท่านั้น การค้ำยันแบบแอคทีฟจะปรับเปลี่ยนมวลหินเพื่อเพิ่มความแข็งแรงโดยธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น สลักเกลียวหินและสลักเกลียวเคเบิล สมอที่อัดด้วยเรซินหรือซีเมนต์ คอนกรีตพ่นพร้อมตาข่าย และระบบผสม เช่น สลักเกลียวที่รวมกับคอนกรีตพ่นและตาข่าย ในบรรดาวิธีเหล่านี้ การใช้สลักเกลียวที่อัดด้วยซีเมนต์และคอนกรีตพ่นได้กลายเป็นวิธีการหลักในการเสริมความแข็งแรงของพื้นดินในเหมืองโลหะ
การใช้สลักเกลียวยาวตลอดแนวและสลักเกลียวแบบยึดติดร่วมกันเพื่อสร้างระบบยึดติดยาวตลอดแนว ช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการยึดเกาะอย่างมากและแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่แข็งแกร่งสำหรับการใช้งานภาคสนาม เทคโนโลยีการพ่นคอนกรีตได้พัฒนาจากการพ่นแบบแห้งไปเป็นการพ่นแบบเปียก ซึ่งช่วยปรับปรุงสภาพการทำงานและลดการแตกของหิน การผสมผสานการพ่นคอนกรีตกับสลักเกลียวหินช่วยจำกัดการเสียรูปของหินโดยรอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ กระจายแรงกด และป้องกันการหลุดลอกของพื้นผิวและการถล่มของหิน
ความก้าวหน้าด้านเครื่องจักรและอุปกรณ์กำลังเร่งการนำระบบการเสริมแรงด้วยสลักเกลียวและคอนกรีตพ่นแบบสมัยใหม่มาใช้ ในระดับนานาชาติ มีการพัฒนาเครื่องจักรหลากหลายประเภท เช่น เครื่องตอกสลักเกลียว เครื่องพ่นคอนกรีตเปียก และเครื่องแขวนตาข่าย ในประเทศ มีการพัฒนาเครื่องจักรตอกสลักเกลียวแบบติดตั้งบนล้อและแบบตีนตะขาบ เครื่องพ่นคอนกรีตเปียกสำหรับงานเหมือง และเครื่องพ่นคอนกรีตเปียกแบบสองแขน ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ ลดความเหนื่อยล้า และเพิ่มความปลอดภัย นับเป็นการพัฒนาด้านเครื่องจักรและเป็นก้าวแรกสู่การทำงานอย่างชาญฉลาด หลังจากผ่านการพัฒนาทางเทคโนโลยีมาหลายขั้นตอน การเสริมแรงหินได้เปลี่ยนจากวิธีการรองรับแบบเดี่ยวแบบพาสซีฟไปสู่วิธีการแบบผสมผสานแบบแอคทีฟ การพัฒนาในอนาคตคาดว่าจะเน้นไปที่เครื่องจักรและระบบอัจฉริยะเพื่อเพิ่มความปลอดภัยและประสิทธิภาพการผลิตให้ดียิ่งขึ้น
การถมหลุมเหมืองด้วยวัสดุประสาน ของเสียจากเหมืองแร่ มลพิษทางน้ำและอากาศ และการใช้ที่ดิน เป็นปัญหาสิ่งแวดล้อมที่ร้ายแรง เทคโนโลยีและอุปกรณ์การทำเหมืองแบบถมหลุมด้วยวัสดุประสานเป็นแนวทางที่มีศักยภาพในการบรรเทาปัญหาเหล่านี้ การถมหลุมเหมืองด้วยวัสดุประสานจะเปลี่ยนกากแร่และของเสียของแข็งอื่นๆ จากเหมืองให้เป็นสารละลายข้นที่อิ่มตัว ไม่แยกตัว และมีลักษณะคล้ายยาสีฟัน ซึ่งสามารถนำไปใช้ถมหลุมเหมืองและอ่างเก็บกากแร่ ช่วยแก้ปัญหาอันตรายหลักสองประการ ได้แก่ การจัดเก็บกากแร่และหลุมเหมืองที่ว่างเปล่า ในขณะเดียวกันก็สนับสนุนการทำเหมืองอย่างยั่งยืน
เมื่อเปรียบเทียบกับการถมทรายไฮดรอลิกแบบดั้งเดิม การถมด้วยวัสดุที่เป็นเนื้อครีมมีข้อดี 3 ประการคือ ไม่มีการแบ่งชั้น ไม่มีการแยกตัว และไม่มีการไหลซึม มีการจัดตั้งแพลตฟอร์มทดสอบการถมด้วยวัสดุที่เป็นเนื้อครีมขนาดอุตสาหกรรมขึ้น ครอบคลุมพื้นที่ประมาณ 2,000 ตารางเมตร พร้อมอุปกรณ์มากกว่า 200 ชิ้น ซึ่งให้ความแม่นยำสูง ฟังก์ชันการทำงานที่ครอบคลุม และการควบคุมอัจฉริยะ ช่วยให้สามารถทดสอบกระบวนการทั้งหมด การวัดพารามิเตอร์ และการให้คำแนะนำในการปฏิบัติงานทางวิศวกรรม ที่สำคัญ ระบบทดสอบท่อวนแบบหลายขนาด หลายทิศทาง และหลายการไหล ให้ผลการทดสอบที่สะท้อนสภาพสนามได้ดีกว่าวิธีการแบบดั้งเดิมหลายวิธี
พื้นฐานทางทฤษฎีทั่วไปของขั้นตอนต่างๆ ในกระบวนการอุดช่องว่างด้วยปูนซีเมนต์คือ คุณสมบัติทางรีโอโลยีของปูนซีเมนต์ งานวิจัยมุ่งเน้นไปที่แบบจำลองเชิงโครงสร้างสำหรับคุณสมบัติทางรีโอโลยีของปูนซีเมนต์ โดยใช้การคำนวณทางทฤษฎี การทดลองทางรีโอโลยี และการจำลองเชิงตัวเลข เพื่อตอบสนองความต้องการทางวิศวกรรมในสี่ขั้นตอนของกระบวนการ ได้แก่ การทำให้ข้น (ความเข้มข้น) การผสม การขนส่ง และการอุด/การบ่ม การทำให้ข้นช่วยให้ได้ความเข้มข้นของสารละลายที่ไหลลงด้านล่างอย่างคงที่เพื่อเตรียมปูนซีเมนต์ที่มีคุณภาพ การผสมช่วยให้วัสดุผสมกันอย่างสม่ำเสมอเพื่อรองรับการไหลและคุณสมบัติทางกลที่สม่ำเสมอในท่อ การขนส่งมีเป้าหมายเพื่อลดการใช้พลังงานและลดการสึกหรอ การอุดมีเป้าหมายเพื่อการกระจายความแข็งแรงที่สม่ำเสมอและการอุดช่องว่างในระดับสูง รวมถึงการยึดติดกับผนังด้านบน เทคโนโลยีทั้งสี่นี้สอดคล้องกับความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญของการอุดช่องว่างด้วยปูนซีเมนต์ เทคโนโลยีการอุดช่องว่างด้วยปูนซีเมนต์ ซึ่งมีลักษณะเด่นคือ ความปลอดภัย ความประหยัด การรักษาสิ่งแวดล้อม และประสิทธิภาพ เป็นเสาหลักทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับระบบการทำเหมืองแร่โลหะที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
เทคโนโลยีการทำเหมืองด้วยระบบควบคุมระยะไกลและระบบอัตโนมัติได้พัฒนาจากระบบใช้แรงงานคนไปสู่ระบบใช้เครื่องจักร และปัจจุบันกำลังก้าวไปสู่การทำงานแบบอัตโนมัติและอัจฉริยะ เทคโนโลยีการควบคุมระยะไกลเป็นหัวใจสำคัญที่ช่วยให้เกิดระบบอัตโนมัติและความอัจฉริยะ และจะมีบทบาทที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมการทำเหมืองสมัยใหม่ ในระดับโลก การควบคุมระยะไกลเป็นทิศทางที่พัฒนาไปมากแล้วสำหรับเหมืองใต้ดิน ซึ่งรวมถึงการควบคุมการเจาะจากระยะไกล การควบคุมการขนถ่ายจากระยะไกล และการควบคุมการเคลื่อนย้ายแร่จากระยะไกล เป็นต้น อย่างไรก็ตาม การใช้งานอย่างแพร่หลายขึ้นอยู่กับความพร้อมทางอุตสาหกรรมและเทคโนโลยีโดยรวมของประเทศนั้นๆ การนำไปใช้ในวงกว้างยังไม่เกิดขึ้นในประเทศของตนเอง
เทคโนโลยีการควบคุมระยะไกลที่สำคัญนั้นมุ่งเน้นไปที่ความสามารถสามประการ ได้แก่ การตรวจจับสภาพแวดล้อมการทำเหมืองจากระยะไกล การควบคุมกระบวนการทำเหมืองจากระยะไกล และการกำกับดูแลระบบการทำเหมืองจากระยะไกล ความสามารถเหล่านี้ร่วมกันทำให้เกิดการรับรู้และการวิเคราะห์แบบอัตโนมัติ การดำเนินงานแบบไร้คนควบคุม การสั่งการจากระยะไกล การแจ้งเตือนล่วงหน้าอัตโนมัติ และการตัดสินใจจากระยะไกล การพัฒนาและการบูรณาการอย่างต่อเนื่องของระบบตรวจจับ การสื่อสาร ระบบควบคุม และปัญญาประดิษฐ์ (AI) เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้สามารถทำเหมืองโลหะใต้ดินแบบอัตโนมัติและควบคุมจากระยะไกลได้อย่างสมบูรณ์
สรุป การพัฒนาที่ผสานกันของเทคโนโลยีการเจาะและการระเบิด การขนส่งและการยก การเสริมความแข็งแรงของหิน การอุดด้วยวัสดุ และการควบคุมระยะไกล กำลังเปลี่ยนแปลงโฉมหน้าการทำเหมืองแร่โลหะใต้ดิน ความก้าวหน้าในด้านอุปกรณ์ วัสดุ การควบคุมกระบวนการ และระบบดิจิทัล กำลังผลักดันให้การสกัดแร่มีความปลอดภัย มีประสิทธิภาพ และยั่งยืนมากขึ้น การวิจัยอย่างต่อเนื่อง การทดลองภาคสนาม และการบูรณาการระบบอัจฉริยะจะเป็นสิ่งสำคัญในการรับมือกับความท้าทายของแหล่งแร่โลหะที่อยู่ลึกกว่า ซับซ้อนกว่า และมีคุณภาพต่ำกว่า
