鉄鉱石採掘：プロセス、種類、採掘技術

鉄鉱石の採掘

鉄鉱石は、金属鉄を経済的に抽出できる鉱物および岩石の一種です。この鉱石は通常、鉄酸化物を豊富に含み、暗灰色、明黄色、深紫色から赤褐色まで色調が変化します。鉄自体は通常、マグネタイト（Fe₃O₄）、ヘマタイト（Fe₂O₃）、ゲーサイト（FeO(OH)）、リモナイト（FeO(OH)·nH₂O）、シデライト（FeCO₃）の形で見つかります。

採掘プロセスは、鉄鉱石鉱床の発見から鉄鉱石の採掘、そして最終的に土地を自然状態に戻すまでの一連の工程で構成されます。いくつかの明確なステップで構成されます。最初は、鉄鉱石鉱床の発見で、これは鉱床の範囲、位置、価値を特定・定義するための探鉱または探査によって行われます。これにより、鉱床の規模と品位の数学的資源評価が導かれます。探査と評価は、地質学的、地球物理学的、冶金学的手法を用いて鉱体を特定・定量化することで構成されます。最も単純な形では、探査は遠隔地での掘削によるサンプリングを含みます。探査活動から得られたデータは、記録、マッピング、分析、解釈が行われ、しばしばモデルを用いて実施されます。

鉱体が評価された後、詳細な採掘計画が策定されます。この計画は、どの鉱体をどの順序で採掘し、適切なコストで要求される鉄鉱石製品を供給するかを特定します。鉱山計画プロセスは、鉱山開発開始前の重要なステップであり、鉱山が操業開始後は日々継続されます。

ある区域内の鉄鉱石鉱床にアクセスするためには、無関心な廃棄物（オーバーバーデン、覆土とも呼ばれる）を採掘または除去する必要がしばしば生じます。鉱石と廃棄物の総移動量が採掘プロセスを構成します。鉱床の性質と位置によりますが、鉱山寿命中に鉱石より多くの廃棄物が採掘されることがよくあります。オーバーバーデンの除去と配置は採掘作業の主要コストです。

採掘技術

採掘技術は通常、掘削方法に基づいて2タイプに分類されます。露天掘り（表面採掘）と地下採掘（地下採掘）です。鉄鉱石はほぼ専ら露天採掘で採掘されます。鉄鉱石採掘に用いられる最も主要な露天採掘方法は、オープンピット採掘法とオープンカット採掘法です。しかし、世界中で少数の地下鉄鉱山も操業しています。表面採掘か地下採掘かの決定は、鉱体の地表からの近接度に依存します。オープンピットとオープンカット採掘は、鉱石抽出において最も安価な技術です。オーバーバーデンと剥離比は、鉱床を採掘すべきか判断する上で重要です。剥離比は、粗鉱石1単位採掘あたりに除去しなければならないオーバーバーデン単位を表します。典型的なオープンピット鉄鉱山を図1に示します。

図1 典型的なオープンピット鉄鉱山

採掘方法に基づき、鉄鉱石採掘は大きく手掘り採掘と機械化採掘の2カテゴリに分けられます。大規模鉄鉱山は機械化鉱山であり、手掘り採掘方法は小規模鉱山で採用されます。

手掘り採掘法は通常、フロート鉱石に限定されます。鉱脈鉱石の採掘も小規模で手作業で行われます。フロート鉱石区域をツルハシ、バール、シャベルで手掘りし、材料を手作業で篩分けして+10mmフロート鉱石を分離・積み上げます。廃棄物はピットに戻されます。鉱脈鉱石については、深さ0.6m、直径30〜40mmの孔を、携帯用コンプレッサーで駆動する手持ちジャックハンマーで穿孔。孔間隔は約0.6m、各孔に火薬またはゼラチン炭薬150〜200gを装填。爆破破砕鉱石を手作業で篩分け、積み上げてダンパーで出荷。

大規模鉄鉱山の多くは機械化鉱山です。これらでは表面堆積物から鉄鉱石を抽出するために採掘が行われます。これらの鉱山ではすべての操業が機械化され、穿孔と爆破によるベンチの系統的な形成により採掘が必ず行われます。

採掘プロセス

地表のオープンピットから材料を回収します。地表植生、土壌、岩石材料からなるオーバーバーデンを除去（剥離）して埋蔵鉱床に到達します。オーバーバーデンは、ハイウォールを切り戻してピット深化を可能にするため、鉱山寿命中継続的に除去されます。採掘プロセスでは、穿孔、爆破、破砕プラントへの鉱石搬出のために鉱石ベンチが開発されます。ベンチ高さは、生産要求、鉱体の形状・規模・深度、鉱体が受けた地質的攪乱、鉱体の硬度・緻密性、採掘作業に導入される機械の種類・サイズなど複数要因に依存。ベンチ長さは、鉱床等高線、要求生産量、品位変動、ブレンド要件、積載機械能力など様々な要因に依存。ベンチ幅は、導入される最大機械のサイズによって大きく左右されます。

オープンピット採掘におけるベンチ穿孔は、各採掘方法に特化した機械化穿孔機で鉄鉱石生産のために行われます。穿孔作業の主目的は、爆破活動のために爆薬を装填するのに適した直径、深さ、方向の孔を岩石に形成することです。孔穿孔は通常、ベンチ高さ、孔径、導入穿孔機械、岩石性質、使用爆薬種類に依存する特定パターンで行われます。爆孔は通常垂直ですが、より良い爆破結果を得るために傾斜させることもあります。

爆破の目的は、鉱体を露出させて採掘可能にするとともに、鉱石を破砕することです。鉱山で使用される爆薬の主な要件は、外部酸素供給なしで完全燃焼を達成する能力です。初期の爆破で使用された爆薬材料は主にニトログリセリン、炭質材料、酸化剤です。時にはエマルジョンまたはゲル爆薬カートリッジが使用されます。しかし現在、最も一般的な爆薬は硝酸アンモニウムと燃料油の混合物（ANFO）です。爆薬は高性能爆薬雷管および/またはプライマーで起爆。現在ノネルが雷管として使用されています。ノネルは爆発を開始するためのショックチューブ雷管。電線の代わりに中空プラスチックチューブが発火衝動を雷管に伝達するため、迷走電流に関連するほとんどの危険に対して免疫があります。内壁に反応性爆薬化合物でコーティングされた小径3層プラスチックチューブで構成され、着火すると粉塵爆発に類似した低エネルギー信号が伝播。反応はチューブ長に沿って約2000m/秒で伝播し、チューブ外部への擾乱は最小限。ノネル雷管の設計には、クッションディスク（CD）と遅延点火バッファ（DIB）などの特許技術が組み込まれ、すべての爆破用途で信頼性と精度を提供。

採掘計画を用いてオープンピット採掘区域を選定。特定区域をタグ付け。ステップまたはベンチに沿った漸進的採掘により大規模オープンピットから鉱石を採掘。ベンチにより上層除去後に段階的に深部鉱石へアクセス可能。土壌と覆岩除去後、鉱石を穿孔・爆破。除去対象鉱体部分を適切パターンでリグを用いて穿孔。穿孔孔に爆薬混合物を装填・装薬・爆破。爆破により掘削に必要なサイズまで材料破砕。

爆破後、破砕鉱石をショベル、エクスカベーター、フロントエンドローダーで大型ダンプトラックに積み込み、破砕・洗浄プラントへ搬送。鉱山運搬路維持により搬送を促進。ピットと破砕プラント間、破砕プラントと積込サイト間で長距離がある場合は地上ベルトコンベアで鉱石搬送。穿孔、爆破、鉱石除去により地表に形成された広い穴を「オープンピット」と呼ぶ。

鉱石の破砕と洗浄

破砕・洗浄プラントで鉱石処理を実施。鉱石処理は、単純な破砕・篩分・各種粒度分画分離から、鉄鉱石製品品質を選鉱・アップグレードするプロセスまで多岐にわたる。これは、粒子密度や比重、粒度差による不純物除去という物理プロセスによって行われる。処理は湿式または乾式。更なる鉱石ハンドリング、洗浄、篩分操作は破砕・洗浄プラントで機械化される。

処理鉱石は製品品質要求を満たすために貯蔵・ブレンドされ、その後再生され鉄道貨車またはダンパーに積み込まれて顧客へ出荷。

環境問題

オープンピット採掘の結果として発生する廃棄物には、オーバーバーデン、廃石、浮遊固形物と溶解物質を含む坑内水が含まれます。その他の廃棄物には、採掘中に漏出した少量の油とグリースが含まれる場合があります。坑内水には鉱体自体で見られるものと類似の溶解・浮遊成分が含まれます。これらにはアルミニウム、アンチモン、ヒ素、ベリリウム、カドミウム、クロム、銅、マンガン、ニッケル、セレン、銀、硫黄、チタン、亜鉛などの微量元素が含まれる可能性があります。