Добыча железной руды: процесс, типы и методы извлечения

Добыча железных руд

Железная руда — минерал и порода, из которой экономически извлекают металлическое железо. Обычно богата оксидами железа, цвет от темно-серого, ярко-желтого, темно-фиолетового до ржаво-красного. Железо встречается в виде магнетита (Fe₃O₄), гематита (Fe₂O₃), геотита (FeO(OH)), лимонита (FeO(OH)·nH₂O) или сидерита (FeCO₃).

Этапы добычи

Процесс: обнаружение залежей → извлечение руды → рекультивация земли. Состоит из шагов:

1. Обнаружение залежей — проспектирование/разведка для определения границ, расположения и ценности рудного тела. Математическая оценка ресурсов (размер, качество). Разведка и оценка: идентификация и квантификация рудных тел геологическими, геофизическими, металлургическими методами. Простейшая разведка — бурение в удаленных районах для проб. Данные логируют, картографируют, анализируют, интерпретируют (часто с моделями).
2. Планирование шахты — после оценки разрабатывают детальный план: какие рудные тела добывать и в какой последовательности для поставки требуемого продукта за 적절한 стоимость. Планирование — важный шаг перед разработкой и продолжается ежедневно при эксплуатации.
3. Доступ к руде — часто нужно проехать/удалить пустую породу (overburden), не представляющую интереса. Движение руды и пустой породы составляет добычу. Часто пустой породы больше, чем руды, в зависимости от природы и расположения залежи. Удаление и размещение overburden — основная статья затрат.

Методы добычи

Два типа по способу выемки: открытая (surface mining) и подземная (underground mining). Железную руду почти исключительно добывают открытым способом. Преобладают открытые карьеры (open pit) и открытые выработки (open cut). Несколько подземных шахт также работают. Выбор зависит от глубины залегания рудного тела. Открытые методы — наименее затратные. Overburden и коэффициент отвал/руда важны для решения о добыче. Stripping ratio — единица overburden на единицу сырой руды. Типичный открытый карьер на рис. 1.

Рис. 1 Типичный открытый карьер железной руды

По методам добычу делят на ручную и механизированную. Крупные рудники — механизированные; ручная — на мелких.

Ручная добыча

Ограничена всеuvial (плодистыми) рудами. Реефные руды тоже вручную в малом масштабе. Плодистая зона разрабатывают кирками, ломами, лопатами, затем ручным ситированием отделяют +10 мм плодистую руду, складывают. Отвалы возвращают в карьер. Для реефных руд: бурят скважины 0,6 м глубиной, 30–40 мм диаметром ручными буровиками с портативными компрессорами. Расстояние ~0,6 м, заряжают 150–200 г пороха или гелевиты. Разорванную руду ручным ситированием, ставят в самосвалы для отгрузки.

Механизированная добыча

Крупные рудники — механизированные. Извлечение из поверхностных залежей. Все операции механизированны, систематическое формирование котлованов (benches) бурением и взрывными работами.

Процесс добычи

Извлечение из открытого карьера. Overburden (растительность, грунт, порода) снимают (stripping) для доступа к залегшей руде. Overburden постоянно удаляют в течение жизни шахты, отрезая вертикальную стену для углубления карьера. Формируют bench-и для бурения, взрыва, транспортировки руды на дробление. Высота bench зависит от: требуемого объема, формы/размера/глубины рудного тела, геологических нарушений, твердости/компактности, типа/размера техники. Длина фурса зависит от: контуров залежей, объема, вариации качества, требований к блендингу, грузоподъемности погрузчиков. Ширина bench определяется размером крупнейшей техники.

Бурение в bench-ах для добычи руды механизированными буровиками, специфичными для метода. Цель — создать скважину нужного диаметра, глубины, направления для закладки взрывчатки. Скважины бурят по определенному рисунку, зависящему от высоты bench, диаметра скважины, буровой техники, породы, типа взрывчатки. Обычно вертикальные, могут быть наклонными для лучших результатов.

Цель взрыва — открыть рудное тело и разрушить руду. Взрывчатка должна обеспечивать полное горение без внешнего кислорода. Раньше: нитроглицерин, углеродистый материал, окислитель. Иногда эмульсионные/гелевые картриджи. Сейчас наиболее распространено — смесь нитрата аммония и топливного масла (ANFO). Взрывают высоковзрывным капсюлем/праймером. Сейчас используют НОНЕЛ (nonel) — шок-трубный детонатор. Вместо электропроводов — полая пластиковая трубка передает импульс, иммунна к блуждающим токам. Тонкая трехслойная трубка с реактивным покрытием внутри; при воспламенении распространяет низкоэнергетический сигнал (как пыльная взрывная волна) ~2000 м/с с минимальным воздействием снаружи. Патеентованные технологии: амортизирующий диск (CD) и буфер задержки зажигания (DIB) для надежности и точности.

Участки для открытой добычи выбирают по горному плану, маркируют. Руду добывают прогрессивной экстракцией по ступеням/bench-ам. Bench-и дают доступ к более глубоким рудам при удалении верхних уровней. После очистки грунта и породы руду бурят и взрывают. Участок к удалению бурят установками в нужном рисунке. Скважины заряжают взрывчаткой, заряжают и взрывают. Взрыв разрушает материал до размера для выемки.

После взрыва сломанную руду погрузчики/экскаваторы/фронтальные погрузчики загружают в крупные самосвалы для транспортировки на дробление и мойку. Транспорт обеспечивают шахтными дорогами. Надземные ленточные конвейеры для больших расстояний между карьерами/дробилками и погрузочными пунктами. Широкие ямы от бурения/взрыва/выемки — «открытые карьеры».

Дробление и мойка руд

На дробно-мойных заводах обрабатывают руду. Обработка: от простого дробления, ситования, разделения фракций до процессов обогащения (повышения качества). Физические процессы удаляют примеси по разнице плотности или размера (гравитационное/размерное разделение). Мокрое или сухое. Дальнейшая переработка, мойка, ситование механизированы.

Обработанную руду накапливают и блендят для соответствия качеству перед отгрузкой в вагоны или самосвалы клиентам.

Экологические вопросы

Отходы открытой добычи: overburden, отвалы, шахтные воды с взвесями и растворенными веществами. Малые количества нефти/смазок при извлечении. Шахтные воды содержат растворенные/взвешенные компоненты, похожие на рудное тело: следы Al, Sb, As, Be, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Se, Ag, S, Ti, Zn и др.