أحدث التطورات في التقنيات الرئيسية لتعدين المعادن تحت الأرض
يُعدّ التعدين تحت الأرض نظامًا معقدًا يشمل التطوير، وإعداد مواقع التعدين (تحديد الخام وتأسيسه)، والاستخراج، ويتطلب التفجير في كل مرحلة. لذا، يُعتبر تحقيق تفجير آمن وفعّال هدفًا بحثيًا رئيسيًا لمهندسي التعدين. تشهد مناجم المعادن حاليًا تحولًا حاسمًا من التعدين السطحي إلى التعدين العميق، ومن ظروف سهلة إلى ظروف صعبة، ومن خام عالي الجودة إلى خام منخفض الجودة، مما يخلق تحديات جديدة للنظرية والتكنولوجيا والمعدات. ولذلك، اكتسب البحث في التقنيات الرئيسية للتعدين تحت الأرض أهمية بالغة. تتركز التطورات الحالية في خمسة مجالات: الحفر والتفجير، ونقل المواد ورفعها، وتدعيم الصخور، وملء المعجون، والتحكم عن بُعد. تُقدّم هذه المراجعة ملخصًا للتطورات والتقدم الأخير في كل مجال.
لا تزال عمليات الحفر والتفجير من التقنيات الأساسية في تعدين المعادن، إلا أنها كانت تاريخياً نقطة ضعف. ويُعدّ تحسين كفاءة هذه العمليات أمراً بالغ الأهمية لضمان سلامة وإنتاجية التعدين تحت الأرض. ومع مرور الوقت، تطورت هذه الصناعة من الحفر اليدوي إلى الحفارات الهوائية والهيدروليكية، ثم إلى حفارات جامبو (بما في ذلك الحفارات الدوارة وحفارات الحفر العميق)، وصولاً إلى استخدام روبوتات الحفر. ويتجه هذا التوجه نحو الابتعاد عن الميكنة البسيطة نحو الأتمتة والذكاء الاصطناعي وحماية البيئة.
تم تطوير مجموعة متنوعة من منصات الحفر محليًا ودوليًا، مُكيّفة مع مختلف أنواع التربة. في السنوات الأخيرة، ومع تحسين معدات الحفر، قامت بعض الدول (ولا سيما الولايات المتحدة وكندا) بتكييف أساليب الحفر/التفجير واسعة النطاق في المناجم المكشوفة للاستخدام تحت الأرض: حيث استُبدلت في بعض الحالات الآبار المجزأة متوسطة العمق بآبار عميقة متدرجة ذات أقطار كبيرة، مما حقق نتائج مُرضية. على سبيل المثال، طورت السويد مجموعة من حفارات الأنفاق العملاقة ذات كفاءة حفر عالية، ومستوى أمان مُحسّن، وتلوث أقل؛ أما محليًا، فقد طُوّرت حفارات ثلاثية الأذرع تعمل بنظام تحكم حاسوبي كامل، تجمع بين الحركة والحفر والشحن، مما يوفر سهولة في التشغيل، ومستوى أمان عالٍ، وتكلفة مُخفضة. تُحسّن هذه الأنظمة جودة وكفاءة الحفر، مع تقليل كثافة العمل ومخاطر التشغيل، وتعزيز الأتمتة والذكاء والأداء البيئي.
نظراً لاختلاف ظروف باطن الأرض ومتطلبات حفر الطرق والتعدين، تظل أساليب التفجير متنوعة. وتُستخدم تقنيات مثل التفجير بشحنات تفاضلية صغيرة، والتفجير بالضغط، والتفجير المحيطي (السطح الأملس) على نطاق واسع، وقد حسّنت نتائج التفجير في العديد من الحالات.
تتطور تقنيات التفجير نحو التفجير الدقيق، والتفجير الأخضر، والتفجير الذكي. يعتمد التفجير الدقيق على تصميم دقيق لنمط الثقوب، ودراسات تفصيلية لطاقة المتفجرات، ونمذجة محاكاة التفجير لتحقيق تكسير الصخور المستهدف. يستخدم التفجير الأخضر عوامل احتراق مبتكرة بدلاً من المتفجرات التقليدية، مما يقلل من انبعاثات غازات التفجير الضارة ويحسن جودة الهواء تحت الأرض بشكل ملحوظ. يدمج التفجير الذكي تصميم التفجير الذكي، والمعدات الذكية، ونمذجة الاهتزازات التنبؤية، والتعرف الآلي على الثقوب غير المتفجرة لإنشاء نظام تفجير ذكي.
إلى جانب الطرق المتفجرة، تكتسب تقنيات تكسير الصخور غير المتفجرة اهتمامًا متزايدًا. تُستخدم آلات التعدين المستمر للحفر الميكانيكي في الصخور متوسطة الصلابة والصخور الأقل صلابة، مما يوفر إنتاجية عالية وظروف تحكم أرضية مثالية. يمكن لأساليب التفتيت الفيزيائي، مثل نفث الماء عالي الضغط والتفتيت الحراري، التغلب على بعض قيود القطع الميكانيكي البحت، إذ تُنتج القليل من الغبار ولا تُحدث شررًا، مما يُحسّن ظروف العمل. مع ذلك، فإن ارتفاع استهلاك الطاقة والتكلفة والتآكل الشديد للأدوات قد حدّ من انتشارها على نطاق واسع. إضافةً إلى ذلك، بدأ التطور المحلي في تقنيات المعلومات والذكاء الاصطناعي متأخرًا مقارنةً ببعض الدول الأخرى، لذا لا تزال الأنظمة الذكية الرئيسية للتعدين المستمر للصخور الصلبة تعتمد بشكل كبير على التكنولوجيا الأجنبية. ونتيجةً لذلك، لم يُطبّق التعدين المستمر لرواسب الصخور الصلبة على نطاق واسع محليًا حتى الآن.
تُعدّ أنظمة نقل ورفع المواد بالغة الأهمية للإنتاج تحت الأرض، إذ تُدمج عملية التعدين في نظام متواصل وتضمن التشغيل الطبيعي. وقد تطور نقل الخام من الطرق اليدوية إلى الأنظمة القائمة على السكك الحديدية، ثم إلى الأنظمة غير المزوّدة بمسارات (ذات الإطارات المطاطية). ويتجه التوجه الحالي نحو استخدام المعدات غير المزوّدة بمسارات كوسيلة النقل الأساسية، مع اعتبار الأنظمة المزوّدة بمسارات وسيلة ثانوية، مدفوعًا بتطوير ونضج المعدات غير المزوّدة بمسارات تحت الأرض منذ ستينيات القرن الماضي.
تُستخدم عادةً الجرافات في عمليات النقل لمسافات قصيرة داخل مناجم التعدين، لما توفره من سهولة في التشغيل، وأداء موثوق، وإنتاجية عالية، وقدرة على المناورة. أما في عمليات النقل لمسافات طويلة تحت الأرض، فتُستخدم شاحنات النقل؛ وهي شائعة الاستخدام في الخارج، ولكنها أقل شيوعًا محليًا. ومع ازدياد عمق التعدين، تزداد مسافات الرفع، وتواجه تقنيات الرفع تحديات أكبر، إلى جانب ارتفاع تكاليف رفع الخامات. ولذلك، يُعد تطوير تقنيات رفع الخامات في المناجم العميقة ذا أهمية متزايدة. ويتجه التوجه العام نحو أنظمة أكبر حجمًا ذات أحمال أعلى وأتمتة أكبر.
في التعدين العميق، تجمع العديد من العمليات بين النقل بالسكك الحديدية، أو السيور الناقلة، أو الرافعات غير المزودة بمسارات، مع رفع متعدد المراحل للأعمدة. على سبيل المثال، يستخدم منجم تاوتونا للذهب في جنوب إفريقيا نظام رفع ثلاثي المراحل للأعمدة مع نقل بين الأعمدة بواسطة سيور ناقلة أو معدات غير مزودة بمسارات. تتميز السيور الناقلة المفتوحة التقليدية ببساطة تركيبها، لكنها عرضة لتوليد الغبار والانسكاب، مما يلوث الهواء تحت الأرض ويقلل من السلامة؛ كما أنها ضعيفة الأداء عند صعود المنحدرات. أما أنظمة السيور الناقلة المغلقة الأحدث - مثل حل التصميم المغلق الذي طورته شركة SiCON - فتمنع الانسكاب والغبار، وتحقق سرعات نقل تتجاوز 3 أمتار في الثانية، وتتعامل مع منحدرات تصل إلى 36 درجة. مع التكييف المناسب، تُظهر هذه الأنظمة إمكانات واعدة لنقل خامات المناجم العميقة.
تُستخدم الرفع الهيدروليكي (المائي) بشكل رئيسي في تطبيقات أعماق البحار، وقد استكشف بعض الباحثين استخدامه في المناجم العميقة لما يوفره من تشغيل مستمر وسهولة في التشغيل الآلي. مع ذلك، يتطلب تطبيق الرفع الهيدروليكي تحت الأرض وجود أنظمة تكسير وطحن في الموقع على أعماق كبيرة، مما يجعل التطبيق العملي صعبًا في الوقت الراهن. كما طُرحت مفاهيم مبتكرة، مثل مصاعد الرفع المغناطيسي لرفع الخامات، لكنها تحتاج إلى مزيد من البحث المعمق. تُضفي هذه التقنيات والمفاهيم الجديدة زخمًا جديدًا على نقل الخامات ورفعها في المناجم، مما يدفع عجلة الابتكار في الأساليب والمعدات.
يركز تدعيم الصخور في مناجم المعادن على الطبقات الضعيفة والمتشققة وذات الإجهاد العالي. تُصنف أنظمة الدعم إلى سلبية ونشطة. لا تستطيع الدعامات السلبية (الخشب، والبناء، والأقواس الفولاذية) تغيير البنية الداخلية للصخور، وتقتصر وظيفتها على مقاومة التشوه. أما الدعامات النشطة فتُعدّل كتلة الصخور لزيادة قوتها الذاتية، ومن أمثلتها مسامير الصخور ومسامير الكابلات، والمثبتات المحقونة بالراتنج أو الأسمنت، والخرسانة المرشوشة مع الشبكة، والأنظمة المركبة مثل المسامير المدمجة مع الخرسانة المرشوشة والشبكة. ومن بين هذه الأنظمة، أصبحت تركيبات المسامير المحقونة بالأسمنت والخرسانة المرشوشة من الطرق الأساسية لتدعيم التربة في مناجم المعادن.
أدى استخدام البراغي كاملة الطول والبراغي المُلصقة معًا لتكوين أنظمة مُلصقة كاملة الطول إلى تحسين قوة التثبيت بشكل كبير، ويُظهر إمكانات قوية للتطبيق الميداني. وقد تطورت تقنية الخرسانة المرشوشة من الرش الجاف إلى الرش الرطب، مما حسّن ظروف العمل وقلل من تقشر الصخور. كما أن دمج الخرسانة المرشوشة مع براغي تثبيت الصخور يحدّ بشكل فعال من التشوه الحر للصخور المحيطة، ويعيد توزيع الإجهاد، ويمنع تقشر السطح وسقوط الصخور.
تُسهم التطورات في مجال الميكنة والمعدات في تسريع تبني أنظمة الخرسانة المرشوشة الحديثة باستخدام البراغي. وعلى الصعيد الدولي، تم تطوير مجموعة متنوعة من آلات تثبيت البراغي، وآلات الرش الرطب، وآلات تعليق الشبكات. أما على الصعيد المحلي، فقد تم تطوير آلات تثبيت البراغي المجنزرة والمثبتة على إطارات، وآلات الرش الرطب المستخدمة في المناجم، وآلات رش الخرسانة الرطبة ثنائية الذراع، مما أدى إلى تحسين الكفاءة، وتقليل كثافة العمل، وتعزيز السلامة، ودفع عجلة الميكنة، والخطوات الأولى نحو التشغيل الذكي. وبعد عدة مراحل من التطوير التكنولوجي، انتقل تدعيم الصخور من أساليب الدعم الأحادي السلبية إلى أساليب مركبة فعالة؛ ومن المتوقع أن يركز التطوير المستقبلي على الميكنة والذكاء لزيادة تحسين السلامة والإنتاجية.
تُعدّ النفايات الصلبة الناتجة عن التعدين، وتلوث المياه والهواء، واستغلال الأراضي، من المشكلات البيئية الخطيرة. وتُقدّم تقنية ومعدات التعدين باستخدام المعجون حلاً واعداً للتخفيف من هذه المشكلات. إذ تُحوّل هذه التقنية مخلفات التعدين وغيرها من النفايات الصلبة إلى مادة لزجة مشبعة، غير سائلة، تشبه معجون الأسنان، ويمكن استخدامها لملء تجاويف التعدين وأحواض المخلفات، ما يُعالج خطرين رئيسيين هما تخزين المخلفات وتجاويف التعدين الفارغة، مع دعم التعدين المستدام.
بالمقارنة مع ردم الرمل الهيدروليكي التقليدي، يتميز ردم المعجون بثلاث خصائص أساسية: انعدام التطبق، وانعدام الانفصال، وانعدام النزف. وقد تم إنشاء منصة اختبار ردم المعجون على نطاق صناعي، تغطي مساحة تقارب 2000 متر مربع وتضم أكثر من 200 جهاز، مما يوفر دقة عالية ووظائف شاملة وتحكمًا ذكيًا. وتتيح هذه المنصة إجراء اختبارات شاملة للعملية، وقياس المعايير، وتقديم إرشادات للممارسات الهندسية. والجدير بالذكر أن أنظمة اختبار الأنابيب الحلقية متعددة الأقطار والاتجاهات والتدفقات توفر نتائج اختبار تعكس ظروف الموقع بشكل أفضل من العديد من الطرق التقليدية.
تُعدّ ريولوجيا المعجون الأساس النظري المشترك لجميع خطوات عملية ملء المعجون. ويركز البحث على النماذج التكوينية لريولوجيا المعجون، باستخدام الحسابات النظرية والتجارب الريولوجية والمحاكاة العددية لتلبية الاحتياجات الهندسية عبر أربع مراحل من العملية: التكثيف (التركيز)، والخلط، والنقل، والملء/المعالجة. يُحقق التكثيف تركيزًا ثابتًا في التدفق السفلي لإعداد معجون عالي الجودة؛ ويضمن الخلط مزجًا متجانسًا للمواد لدعم السيولة والخصائص الميكانيكية المتجانسة في الأنابيب؛ ويهدف النقل إلى خفض استهلاك الطاقة وتقليل التآكل؛ ويستهدف الملء توزيعًا متجانسًا للقوة ودرجة عالية من ملء الحفرة والالتصاق بالجدران العلوية. تتوافق هذه التقنيات الأربع مع التحديات التقنية الرئيسية لملء المعجون. تُعدّ تقنية ملء المعجون - التي تتميز بالسلامة والاقتصاد وحماية البيئة والكفاءة - ركيزة تقنية مهمة لأنظمة تعدين المعادن الخضراء.
تطورت تكنولوجيا التعدين من العمل اليدوي إلى العمل الآلي، ثم إلى العمليات الآلية والذكية. وتُعدّ تقنية التحكم عن بُعد عاملاً أساسياً في تمكين الأتمتة والذكاء، وستلعب دوراً لا غنى عنه في التعدين الحديث. عالمياً، يُعتبر التحكم عن بُعد اتجاهاً ناضجاً للمناجم تحت الأرض، ويشمل التحكم عن بُعد في الحفر، والتحكم عن بُعد في الشحن، والتحكم عن بُعد في مناولة الخام، وغيرها. مع ذلك، يعتمد انتشاره على مستوى النضج الصناعي والتكنولوجي العام في كل دولة؛ إذ لم يتم اعتماده على نطاق واسع محلياً بعد.
تتمحور تقنيات التحكم عن بُعد الرئيسية حول ثلاث قدرات أساسية: الاستشعار عن بُعد لبيئة التعدين، والتشغيل عن بُعد لعمليات التعدين، والإدارة عن بُعد لأنظمة التعدين. تُمكّن هذه القدرات مجتمعةً من الإدراك والتحليل الآليين، والعمليات غير المأهولة، والإرسال عن بُعد، والإنذار المبكر التلقائي، واتخاذ القرارات عن بُعد. ويتطلب تحقيق التعدين المعدني تحت الأرض المُدار عن بُعد والمستقل تمامًا مواصلة تطوير وتكامل أنظمة الاستشعار والاتصالات والتحكم والذكاء الاصطناعي.
خلاصة: يُعيد التطور المُتكامل لتقنيات الحفر والتفجير، والنقل والرفع، وتدعيم الصخور، وملء المناجم بالمعجون، والتحكم عن بُعد، تشكيلَ قطاع تعدين المعادن تحت الأرض. ويُسهم التقدم المُحرز في مجال المعدات والمواد والتحكم في العمليات والأنظمة الرقمية في دفع عجلة استخراج أكثر أمانًا وكفاءة واستدامة. وسيكون استمرار البحث والتجارب الميدانية ودمج الأنظمة الذكية أمرًا بالغ الأهمية لمواجهة تحديات رواسب المعادن الأعمق والأكثر تعقيدًا والأقل تركيزًا.
