鉄鉱石と鉄鉱石の採掘を理解する

鉄鉱石と鉄鉱石の採掘について

鉄（Fe）は、地球の地殻に豊富に分布する元素であり、平均して堆積岩で2％から3％、玄武岩と斑れい岩で8.5％の範囲で構成されています。その供給は、世界のほぼすべての地域で本質的に無制限です。

しかし、この鉄のほとんどは、現在の製鉄慣行で使用できる形ではありません。したがって、経済的にも空間的にも鉄鋼業が利用できる地球の地殻内の全鉄のその部分だけが、正しく鉄鉱石と呼ばれる可能性があります。しかし、鉄鉱石を構成するものは場所によって、また時々大きく異なります。鉄含有鉱物が鉄鉱石として分類できるかどうかを決定する多くの要因がありますが、基本的にそれは経済学の問題です。この概念を念頭に置いて、商業目的の鉄鉱石の論理的な定義は、「現在のコストと市場価格の条件下で特定の場所と時間に経済的に使用できる鉄鉱石」です。

鉄は多くの地域に存在するため、比較的価値が低く、したがって鉱床は鉱石グレードと見なされるためにFeの割合が高い必要があります。選鉱、濃縮、凝集の改善された方法の出現により、現在使用できる鉄含有材料の種類が広がり、かつては不経済であると考えられていた多くの低品位材料タイプが現在鉄鉱石と見なされています。通常、経済的に回収可能と見なされるには、デポジットに少なくとも25％のFeが含まれている必要があります。

300以上の鉱物に鉄が含まれていますが、5つの鉱物が鉄鉱石の主要な供給源です。それらは、（i）マグネタイト（Fe3O4）、（ii）ヘマタイト（Fe2O3）、（iii）ゲータイト（Fe2O3.H2O）、（iv）菱鉄鉱（FeCO3）、および（v）黄鉄鉱（FeS2）です。最初の3つは、経済的に採掘可能な大規模な鉱床で発生するため、非常に重要です。ただし、世界中で採掘されている鉄鉱石のほとんどは、最初の2つのカテゴリに分類されます。

ヘマタイトは、69.94％の鉄と30.06％の酸素に対応するFe2O3の化学組成を持っています。スチールグレーからくすんだ赤または明るい赤までの色があり、土、コンパクト、または結晶のいずれかであり、比重は5.26です。一般的な品種は、結晶性、スペキュラー、マルタイト（マグネタイトの後の仮像）、マグヘマイト（磁性酸化鉄）、土質、黄土色、およびコンパクトと呼ばれます。赤鉄鉱は最も重要な鉄鉱石の1つです。それは多くの種類の岩石で広く発生し、起源はさまざまです。これは、鉱脈堆積物、火成岩、変成岩、堆積岩に関連して発生し、磁鉄鉱の風化の産物として発生します。播種性結晶性ヘマタイトの一部の低品位堆積物は、重力技術と浮選技術の両方でうまく処理され、高品質の濃縮物が生成されています。

マグネタイトの化学組成はFe3O4で、72.36％の鉄と27.64％の酸素に相当します。色は濃い灰色から黒色で、比重は5.16から5.18です。それは強い磁性を持ち、時には極性を持っているので、自然の磁石として機能します。磁鉄鉱は、火成岩、変成岩、堆積岩で発生します。マグネタイトの磁気特性は重要です。それは、磁気法による探査を可能にし、脈石材料からマグネタイトを磁気分離して高品質の濃縮物を生成することを可能にするからです。磁気濃縮技術の継続的な改善と高級製品の使用拡大により、鉄の供給源としてますます重要になっています。

鉄鉱石の採掘

鉄鉱石の採掘（抽出）、選鉱、および処理により、鉄鋼が生産されます。鉱業は、鉱床から鉱石材料を取り除くことと定義され、選鉱前のすべての活動を含みます。高品位の鉄鉱石（鉄含有量が62％を超える）は、単純に粉砕され、ふるいにかけられ、製鉄ユニット（高炉など）に直接出荷されます。鉄含有量の少ない低品位鉄鉱石は、鉄含有量を増やすために、破砕、選別、洗浄以外の選鉱活動が必要です。競争力を高めるには、鉄鉱石の採掘を非常に大規模に行う必要があります。一般的に採用されている2つのマイニング方法があります。それらは、（i）露天掘り、（ii）地下または立坑採掘です。

地下または露天採掘技術を採用するかどうかの決定は、鉱体が地表に近接しているかどうかに依存します。世界中で採掘されている鉄鉱石の大部分は、露天採掘技術のみによるものです。しかし、世界にはいくつかの地下の鉄鉱山も操業しています。表面堆積物から鉄鉱石を抽出するために設計された2つの基本的な露天採掘方法があります。これらは露天掘りと露天掘りの方法です。世界のほぼすべての大規模な鉄鉱石鉱山は、いくつかを除いて、オープンピット方式で稼働しています。

鉄鉱石を採掘するプロセスには、膨大なリソースが必要です。これらのリソースには、重工業の採掘設備と熟練した労働力が含まれます。使用される機器には、ブルドーザー、スクレーパー、運搬トラック（大型運搬装置）、ダンパー、フロントエンドローダー、油圧ショベル、油圧および電気ショベル（ストリッピングショベル、ローディングショベル）、ドラグライン、バケットホイールショベル、浚渫船、ウォータータンカー、ブラストホールドリルが含まれます（ダイヤモンドビットロータリードリル）、および頑丈なコンベヤー。鉱石を商品化できる製品に粉砕および選別するには、粉砕機と関連機器を備えたスクリーンが必要です。

計画と開発

鉄鉱石鉱床体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鉄鉱石の採掘プロセスは、いくつかの異なるステップで構成されています。 1つ目は、鉄鉱石鉱床の発見です。これは、鉱体の範囲、場所、価値を見つけて定義するための調査または探査を通じて実行されます。これは、預金のサイズとグレードを推定するための数学的リソース推定につながります。

鉄鉱石の採掘は地上から始まります。鉱石は、地球の数メートル先のグリッドにダイヤモンドを掘削したコアサンプルによって識別されます。鉄鉱石は鉄のかなりの割合を占め、残りはアルミナやシリカなどの不純物です。これらのサンプルは、鉱山技師が鉱山計画を正確に作成できるように分析および分類されています。

鉱山の開発には、鉱床の経済的に回収可能な部分、鉱石の冶金学的特性、鉱石の回収可能性、工学的懸念、破砕、およびインフラストラクチャ要件を評価するための鉱山計画が含まれます。経済的に回収可能な鉱床の割合は、その地域の鉱石の濃縮係数によって異なります。

エリア内の鉱床にアクセスするには、多くの場合、すぐには関心のない廃棄物を採掘または除去する必要があります。鉱石と廃棄物の全体的な動きが採掘プロセスを構成します。多くの場合、鉱体の性質と場所によっては、鉱山の存続期間中に鉱石よりも多くの廃棄物が採掘されます。廃棄物の除去と配置は、採掘作業の主要なコストです。

鉄鉱石鉱床の一般的な発生、サイズ、および形状は、探査段階で決定されます。預金の知識は、開発作業を通じてより詳細に決定されます。鉱山の開発中に、鉱石の分布と入手可能性に影響を与える地質構造の位置と性質をかなり詳細に決定することがしばしば必要になります。

十分な詳細情報が得られた後、この目的のために作成された地図とセクションを使用して、運用計画のさまざまな組み合わせが検討されます。これらは、鉱体のサイズと形状、鉱石の組成、および実験室での試験結果を示しています。これらのグラフィック表現から、鉱石と廃棄物の量は、体積重量係数の適用によって決定されます。コンピューターは、トン数の見積もりの​​作成や詳細な採掘計画の作成によく使用されます。これらのシステムを使用して、さまざまな採掘方法と計画の比較評価が行われ、特定の鉱床ごとに最も有利な計画が決定され、鉱床の採掘がスケジュールされます。

したがって、一貫して目標グレードに近い組成の鉄鉱石の安定した流れを生成するように鉱山生産を計画する必要があります。この必要性は、探鉱の見通しを実行可能な鉱業プロジェクトに発展させるプロセスを推進します。鉱床の組成は採掘前に粗くサンプリングすることしかできず、経済的および財政的状況は非常に不安定である傾向があるため、鉱床に関する知識の変化に照らして修正される可能性があるため、鉱山計画はせいぜい暫定的です。採掘作業中に徐々に露出するため。

より多くのドリル穴が鉱体の体積全体に分散されたより多くのアッセイを提供するにつれて生成される鉱体に関する知識の展開の結果として変化する条件に対応する必要があるため、鉱山の開発と計画は生産開始時に停止しません採掘されます。

露天掘り鉱山の計画、開発、運用は通常、長方形のブロックモデルに基づいています。このブロックモデルは、最小の採掘可能な単位に対応する寸法の長方形のブロックのセットで構成されています。つまり、水平方向に50メートル、垂直方向に10メートルです。ブロックごとに、グレード（鉄に加えて、アルミナ、シリカ、リンなどの各汚染物質）が推定されます。

ブロックモデルは、進化する適応型の情報システムです。これは当初、探索的掘削中に採取されたサンプルからのデータの補間に基づいています。鉱山の開発と操業中、ブロックモデルは、インフィル掘削、爆発物を配置するために掘削された発破孔からのデータ、および破砕され分析される採掘された鉱石の分析によって継続的に改訂されます。操業のどの段階でも、採掘の選択と順序付けの決定は、現在入手可能な不完全なブロックモデル情報に基づいて行われ、指定された許容範囲内で目標グレードに一致する出荷用の鉱石を生産します。

露天掘り

露天採掘法は、露天掘りから鉱石を抽出するように設計されています。鉱床は、時にはわずか数メートルの厚さの地球の層を剥ぎ取ることによって露出します。剥ぎ取る必要のあるこの材料は「表土」として知られています。表土は、未固結の材料、岩石、粘土、砂利、および希薄な鉱石の材料で構成されている場合があります。露天掘り採掘が行われる深さは、鉱石の品位、表土の性質、およびストリッピング比によって異なります。ストリッピング率は、採掘された鉱石の単位ごとに処理しなければならない表土と廃棄物の量です。これは、採掘された原油の単位ごとに除去しなければならない表土の単位として説明されています。ストリッピング率は、採掘される鉱石の品質と、選鉱および輸送に関連するコスト要因とともに増加します。

経済的ストリッピング率は、多くの要因に応じて、鉱山ごとに大きく異なります。直送鉱石の場合、6：1または7：1の高さになる可能性があります。低品位鉱石の場合、1.5：1未満のストリッピング比が経済的限界と見なされることがよくあります。

鉄鉱石の採掘では、最初に表土を剥ぎ取って採掘エリアを明らかにすることが不可欠です。表土は、大型の油圧ショベルによって生産トラックに積み込まれ、生産トラックが輪郭ダンプに運搬します。これらのゴミ捨て場は、周辺地域と一致するように環境的に設計されています。

露天掘りの採掘では、鉱山の深化によって底部の鉱石を回収できるようにピットの壁が切り取られるため、表土の除去は鉱山の寿命の大部分にわたって継続する可能性があります。未固結の材料は、地域の状況に応じて、パワーショベル、ドラグライン、またはパワースクレーパーによって掘削されます。他の材料は一般的にパワーショベルで掘削されます。

鉱石は、階段またはベンチに沿って漸進的に抽出することにより、大きなオープンピットから採掘されます。ベンチは、上位レベルの鉱石が除去されるにつれて、次第に深い鉱石へのアクセスを提供します。土とその上にある岩石が取り除かれた後、鉱石は掘削され、爆破されます。発破の目的は、採掘のために鉱体を露出させること、または鉱体にアクセスするために使用できるアプローチ（水平通路）を作成することです。ブラストは鉱石を砕くためにも使用されます。

掘削と発破は、固結した材料を、採掘設備や破砕およびスクリーニング設備で処理できるサイズに粉砕するために行われます。積み込みの効率を上げるために、パワーショベルの前に鉱石の土手を緩めることも時々行われます。

除去される鉱体の部分は、最初に特定のパターンで掘削されます。掘削は、大型の機械式掘削リグを使用して行われます。掘削作業の主な目的は、爆破活動のために配置される爆薬のために、岩石に適切な直径、深さ、および方向の穴を作成することです。通常、ドリルで開けられた発破孔は直径400 mm、深さ約10〜12メートルです。約400個の穴が爆風パターンで開けられます。

爆風の前に、開けられた穴は爆発性混合物で満たされます。鉱山の爆破に使用される爆薬の主な要件は、外部の酸素供給なしで完全燃焼を達成する能力です。過去には、爆破に使用された爆薬は、ニトログリセリン、炭素質材料、および酸化剤で構成されていました。今日、使用される最も一般的な爆発物は、硝酸アンモニウム肥料と燃料油（ANFOと呼ばれる）の混合物です。爆発物は、高爆発性の爆破キャップおよび/またはプライマーによって爆発します。場合によっては、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。

準備が整うと、鉱山現場から労働者と設備が取り除かれ、爆風が爆発します。それぞれの穴はわずか1ミリ秒間隔で爆発し、その結果、マイナス2 m x2mのサイズに分解された粗鉄鉱石の山ができます。掘削、発破、鉱石の除去によって作成された地面の広い穴は、「オープンピット」と呼ばれます。

発破後、破砕された鉱石はランオブマイン（ROM）鉱石として知られています。 ROM鉱石は、巨大な電気ショベル、油圧ショベル、またはフロントエンドローダーによって大容量のダンプトラックに積み込まれ、破砕およびスクリーニングステーションに運ばれます。

粉砕とスクリーニング

販売可能なグレードの鉄鉱石は、高炉に装入する前に適切なサイズにする必要があります。現在の高炉技術では、一般に、10mmより細かく30mmより粗い直接装入塊鉱石の破砕と選別が必要です。選択される特定のサイズは、鉱石の特性に基づいており、高いスタック透過性を維持し、粗い材料の還元に十分な時間を与えるように指定されています。したがって、破砕とスクリーニングは鉱石生産施設の不可欠な部分です。

多くの鉱山では、2〜3段階の破砕を採用しています。一部の鉱山では、一次破砕機が鉱山に配置されており、コンベヤーを使用して、破砕された鉱石を二次および三次破砕機に、または直接工場に輸送します。破砕段階では、鉄鉱石が一次段階での直径数フィートから、最終製品として6インチから1/2インチまたは3/8インチに減少します。粉砕機製品は、さらなるサイズ縮小のために粉砕操作に供給されます

破砕には通常、振動スクリーンを備えた閉回路で動作する二次破砕機を備えた一次ジョー破砕機が含まれます。機器の選択は、主に鉱石の砕けやすさによって決まります。高品位鉱石のスクリーニング作業のほとんどは、スライム除去によって微粉画分を効果的にアップグレードできる場合を除いて、乾燥しています。

破砕とふるい分けによって生成されたマイナス10mmの微粉は、最も一般的には焼結によって凝集するか、場合によってはペレット化のために粉砕されます。

個々の鉱山での採掘プログラムは、均一な製品を生産するために開発されています。ほとんどの積み込みおよび出荷システムには複数の処理ステップが含まれますが、特にサイズの一貫性と化学的基準の両方が指定されている場合、製鉄所が現在要求している品質保証基準を満たすのに十分な混合を提供しないことがよくあります。洗練された混合とロードアウトの機能が、現在、鉄鉱石鉱山でほぼ普遍的に提供されています。

スタッキングおよび再生システムは非常に頻繁に使用されます。積み重ねると、鉄鉱石が層状になります。連続する各層は、隣接する層とはサイズの一貫性や化学組成が異なる可能性のある鉄鉱石を表しています。細長いパイルは、スタッキングマシンのスタッキング能力によって制限される高さまで構築されます。その後、鉱石はバケットホイールエクスカベーター、フロントエンドローダー、またはスクレーパークロスコンベヤーで使用するために再生利用できます。パイルの表面から鉱石を除去すると、すべての層からの鉱石が均一にブレンドされた材料の流れが生じます。その後、ブレンドされた鉱石が顧客に発送されます。

マイニングのさまざまなステップを図1に示します。

図1鉄鉱石の露天掘りの手順

環境問題

露天掘りの結果として生成される材料には、表土、廃石、および鉱山の水が含まれます。その他の廃棄物には、抽出中にこぼれた少量のオイルやグリースが含まれる場合があります。鉱山の水には通常、鉱体自体に見られるものと同様の溶解または懸濁成分が含まれています。これらには、微量のアルミニウム、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、亜鉛が含まれる場合があります。

水は鉄鉱石の採掘作業でさまざまな問題を引き起こします。丘の上の採掘や砂漠の条件下での採掘などのまれな場合を除いて、水は排水溜め、井戸、または地下の作業場に集められ、鉱山から汲み出される必要があります。このような排水は、濃縮作業での水の損失を補うために直接利用されることがよくあります。