鉄鉱石の基礎知識：種類、分布、採掘方法

鉄鉱石と鉄鉱石採掘の理解

鉄（Fe）は地殻に豊富に存在し、広く分布する元素です。堆積岩中では平均2〜3%、玄武岩や斑れい岩では8.5%を占めます。その供給は世界のほぼすべての地域で実質的に無尽蔵です。

しかし、この鉄の大部分は現在の製鉄プロセスで利用可能な形で存在していません。したがって、地殻中の総鉄のうち、経済的かつ地理的に製鉄業界が利用できる部分のみを正しく「鉄鉱石」と呼ぶことができます。ただし、何が鉄鉱石を構成するかは場所や時代によって大きく異なります。鉄含有鉱物が鉄鉱石として分類されるかどうかを決める要因は多岐にわたりますが、基本的には経済性の問題です。この概念を念頭に置くと、商業目的での鉄鉱石の論理的な定義は「特定の場所と時点で、その時のコストと市場価格の条件下で経済的に利用可能な鉄含有物質」となります。

鉄は多くの場所に存在するため、相対的に低価値であり、鉱床が鉱石グレードと見なされるには高いFe含有率が必要です。選鉱、濃縮、焼結の改良された方法の登場により、現在利用可能な鉄含有物質の種類が広がり、かつては非経済的とされた多くの低品位鉱石タイプが今では鉄鉱石として扱われています。一般的に、鉱床は少なくとも25%のFeを含む必要があり、経済的に採掘可能と見なされます。

300種以上の鉱物に鉄が含まれていますが、鉄鉱石の主要な供給源となるのは以下の5鉱物です。(1)磁鉄鉱（Fe₃O₄）、(2)赤鉄鉱（Fe₂O₃）、(3)針鉄鉱（Fe₂O₃・H₂O）、(4)菱鉄鉱（FeCO₃）、(5)黄鉄鉱（FeS₂）。最初の3つは、大規模で経済的に採掘可能な鉱床として産出するため主要な重要性を持ちます。しかし、世界中で採掘される鉄鉱石の大半は最初の2つのカテゴリーに分類されます。

赤鉄鉱

赤鉄鉱の化学組成はFe₂O₃で、鉄69.94%、酸素30.06%に相当します。色は鋼灰色から鈍い赤、鮮やかな赤まで様々で、土状、緻密、結晶質のいずれかの形態をとり、比重は5.26です。一般的な変種には結晶質、鏡鉄鉱、擬磁鉄鉱（磁鉄鉱の擬態）、マグヘマイト（磁性酸化鉄）、土状、黄鉄鉱、緻密などがあります。赤鉄鉱は最も重要な鉄鉱石の一つです。多くの岩石タイプに広く産出し、起源も多様です。脈状鉱床、火成岩、変成岩、堆積岩に伴って産出し、磁鉄鉱の風化生成物としても形成されます。一部の低品位散在性結晶質赤鉄鉱鉱床は、重力選別と浮選技術の両方で処理され、高品質の精鉱を生産することに成功しています。

磁鉄鉱

磁鉄鉱の化学組成はFe₃O₄で、鉄72.36%、酸素27.64%に相当します。色は暗灰色から黒色、比重は5.16〜5.18です。強い磁性を持ち、ときに極性を帯びて天然磁石として振る舞います。磁鉄鉱は火成岩、変成岩、堆積岩に産出します。磁鉄鉱の磁気的性質は重要で、磁気探鉱を可能にし、磁鉄鉱を脈石物質から磁力選別して高品位精鉱を生産することを可能にします。磁力濃縮技術の継続的な改良と高品位製品の用途拡大により、鉄源としての重要性が増しています。

鉄鉱石の採掘

鉄鉱石の採掘（抽出）、選鉱、処理によって鉄と鋼が生産されます。採掘とは鉱床から鉱石物質を取り除くことで、選鉱以前のすべての活動を含みます。高品位鉄鉱石（鉄含有量62%以上）は単に破砕、篩分けされ、直接製鉄ユニット（高炉など）へ出荷されます。低品位鉄鉱石は破砕、篩分け、洗浄以外の選鉱活動によって鉄含有量を高める必要があります。競争力を持つためには、鉄鉱石採掘は非常に大規模に行う必要があります。一般的に用いられる採掘方法は2つあります。(1)露天掘り、(2)地下採掘（坑道採掘）。

地下採掘か露天掘りかの決定は、鉱体の地表からの近さに依存します。世界中で採掘される鉄鉱石の大半は露天掘り技術によって独占的に行われています。しかし、世界には操業中の地下鉄鉱山も存在します。地表鉱床から鉄鉱石を抽出するための基本的な露天掘り方法は2つあります。オープンピット法とオープンカット法です。世界の大規模鉄鉱山のほぼすべてが、わずかな例外を除きオープンピット法で操業されています。

鉄鉱石採掘プロセスには莫大な資源が必要です。重機と熟練労働力が含まれます。使用機器にはブルドーザー、スクレーパー、大型ダンプトラック、ダンパー、フロントエンドローダー、油圧ショベル、油圧・電動ショベル（剥離ショベル、積込みショベル）、ドラグライン、バケットホイールエキスカベーター、ドラグ、散水車、穿孔機（ダイヤモンドビットロータリードリル）、重荷重コンベアなどがあります。さらに破砕機と篩分け機および関連機器が、商品鉱石への破砕・篩分けに必要です。

計画と開発

鉄鉱石鉱床の発見から鉄鉱石の抽出、最終的に土地を自然状態に戻すまでのプロセスは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、試掘や探鉱によって鉱体の範囲、位置、価値を特定・定義します。これにより、鉱床の規模と品位を推定する数学的資源評価が行われます。

鉄鉱石採掘は地表レベルから始まります。数メートル間隔のグリッドでダイヤモンドコアドリルを行い、地中数メートルの鉱石を特定します。鉄鉱石岩石はかなりの割合の鉄と、アルミナやシリカなどの不純物で構成されます。これらのサンプルは分析・分類され、採掘技術者が正確な採掘計画を立てられるようにします。

鉱山開発には、経済的に採掘可能な鉱床部分の評価、鉱石の冶金的特性、鉱石回収率、工学的懸念、破砕、インフラ要件などの採掘計画が含まれます。経済的に採掘可能な鉱床の割合は、その地域の鉱石の濃集係数に依存します。

関心対象でない廃石を採掘・除去して鉱床に到達することがしばしば必要です。鉱石と廃石の総移動量が採掘プロセスを構成します。鉱体の性質と位置によっては、鉱山の寿命中に鉱石よりも多くの廃石が採掘されることがよくあります。廃石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産状、規模、形状は探鉱段階で決定されます。鉱床の知識は開発作業によってより詳細に把握されます。鉱山開発中には、鉱石分布と可採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です。

十分な詳細情報が得られると、地図と断面図を用いて様々な操業計画の組み合わせが検討されます。これらは鉱体の大きさと形状、鉱石組成、実験室試験結果を示します。これらのグラフィック表現から、体積重量係数を適用して鉱石と廃石の量が決定されます。コンピュータは埋蔵量推定と詳細採掘計画の作成に一般的に使用されます。これらのシステムを通じて、様々な採掘方法と計画の比較評価が行われ、各鉱床に最も有利な計画を決定し、採掘スケジュールを立てます。

したがって、目標品位に近い組成の鉄鉱石を安定して供給できるよう採掘生産を計画する必要があります。この必要性が、探鉱案件を実行可能な採掘プロジェクトへ発展させるプロセスを駆動します。鉱床の組成は採掘前に粗くサンプリングするしかなく、経済・財務条件も変動しやしいため、あらゆる採掘計画はせいぜい暫定的で、採掘作業で鉱床が徐々に露出するにつれて得られる知識の変化に応じて修正されます。

鉱山開発と計画は生産開始後も止まりません。採掘が進むにつれてより多くのボーリング孔からより多くの分析値が得られ、鉱体の体積全体に分布する知識が展開されることで条件が変化するため、それに対応する必要があるからです。

露天掘り鉱山の計画、開発、操業は通常、矩形ブロックモデルに基づきます。このブロックモデルは、最小採掘単位に対応する寸法（例：水平50m四方、垂直10m）の矩形ブロックの集合で構成されます。各ブロックについて、品位（鉄とアルミナ、シリカ、リンなどの各有害元素）が推定されます。

ブロックモデルは進化し適応する情報システムです。当初は探鉱ボーリングで採取したサンプルデータの補間に基づきます。鉱山の開発・操業中、インフィルドリリング、発破用穿孔データ、破砕・分析された採掘鉱石のアッセイデータによって継続的に改訂されます。いかなる操業段階でも、採掘選択と採掘順序の決定は、その時点で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、許容公差内で目標品位に一致する出荷用鉱石を生産することを目指します。

露天掘り採掘

露天掘り採掘方法は地表鉱床から鉱石を抽出するために設計されています。鉱床は表土層を剥ぎ取ることで露出させます。この剥離が必要な物質を「覆土（オーバーバーデン）」と呼びます。覆土は非固結物質、岩石、粘土、砂利、痩せ鉱石などで構成されることがあります。露天掘りの深さは鉱石の品位、覆土の性質、剥離比に依存します。剥離比とは、採掘される鉱石単位あたりに処理しなければならない覆土と廃石の量です。粗鉱石単位あたりに除去しなければならない覆土の単位として記述されます。剥離比は採掘される鉱石の品質と、選鉱・輸送に関連するコスト要因によって増加します。

経済的剥離比は鉱山によって大きく異なり、多くの要因に依存します。ダイレクトシッピング鉱石の場合、6:1や7:1まで高くなることがあります。低品位鉱石の場合、1.5:1未満の剥離比が経済的限界と見なされることが多いです。

鉄鉱石採掘では、まず覆土を剥離して採掘区域を露出させることが不可欠です。覆土は大型油圧ショベルで生産用トラックに積み込まれ、等高線ダンプへ運ばれます。これらのダンプは周辺環境に調和するよう環境配慮された設計です。

露天掘りでは、鉱山の寿命の大部分にわたって覆土除去が続き、ピット壁が切り戻されて坑底の鉱石を回収できるように深く掘り進めます。非固結物質は動力ショベル、ドラグライン、動力スクレーパーで掘削され、現地条件によって使い分けられます。その他の物質は一般に動力ショベルで掘削されます。

鉱石は大規模オープンピットから、ベンチ（段）に沿って漸進的に採掘されます。ベンチは上部の鉱石が除去されるにつれて、より深い鉱石へのアクセスを提供します。表土と覆岩が除去された後、鉱石は穿孔・発破されます。発破の目的は、鉱体を採掘用に露出させるか、鉱体にアクセスするためのアプローチ（水平坑道）を作ることです。発破は鉱石を破砕するためにも使用されます。

穿孔と発破は、固結物質を採掘機器および破砕・篩分け施設で扱えるサイズに破砕するために行われます。また、パワーショベルの前方で鉱石バンクを緩め、積込み効率を高めるためにも行われます。

除去対象の鉱体部分はまず特定のパターンで穿孔されます。穿孔は大型機械化穿孔リグで行われます。穿孔作業の主目的は、岩石に発破用爆薬を装填するのに適した直径、深さ、方向の孔を作ることです。典型的な発破孔は直径400mm、深さ10〜12m程度です。1発破パターンあたり約400孔が穿孔されます。

発破前に穿孔孔は爆薬混合物で充填されます。鉱山発破用爆薬の主な要件は、外部酸素供給なしで完全燃焼を達成する能力です。過去にはニトログリセリン、炭質物質、酸化剤で構成されていました。現在最も一般的なのは硝酸アンモニウム肥料と燃料油の混合物（ANFO）です。爆薬は高性能雷管やプライマーで起爆されます。場合によってはエマルジョンやゲル状爆薬カートリッジが使用されます。

準備が整うと、作業員と機器を現場から退避させ、発破を実施します。各孔はミリ秒単位で順次起爆され、2m×2m以下のサイズに破砕された粗鉄鉱石の山が形成されます。穿孔、発破、鉱石除去によって地中にできる広い穴を「オープンピット」と呼びます。

発破後、破砕された鉱石をラン・オブ・マイン（ROM）鉱石と呼びます。ROM鉱石は巨大な電動ショベル、油圧エキスカベーター、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まれ、破砕・篩分けステーションへ運ばれます。

破砕と篩分け

商品グレードの鉄鉱石は高炉投入前に適切な粒度に調整する必要があります。現在の高炉技術では、直接装入ラム鉱石は10mmより細かく30mmより粗い粒度に破砕・篩分けすることが一般的です。具体的な粒度は鉱石の特性に基づいて選定され、高い透気性を維持し、粗粒子の還元に十分な時間を確保するように指定されます。したがって、破砕と篩分け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を坑内に設置し、コンベアで破砕鉱石を二次・三次破砕機や直接製粉工程へ搬送します。破砕段階では、一次段階で数フィートの直径だった鉄鉱石を、最終製品として6インチから1/2インチまたは3/8インチまで縮小します。破砕機製品はさらなる粒度縮小のため製粉作業へ送られます。

破砕には一般的に一次ジョークラッシャーと、振動スクリーンと閉回路で運転される二次破砕機が用いられます。機器選定は鉱石の脆さによって大きく決まります。高品位鉱石の篩分け作業は乾式がほとんどですが、微粉分画が脱泥によって効果的にアップグレードできる場合は湿式が用いられます。

破砕・篩分けで生成される10mm以下の微粉は、主に焼結によって凝集されるか、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計画は均一な製品を生産するよう立案されます。多くの積込み・出荷システムには複数のハンドリングステップがありますが、多くの場合、製鉄所が現在要求する品質保証基準、特に粒度均一性と化学成分基準の両方が指定されている場合には、十分な混合が得られません。高度なブレンド・積出し設備が現在、鉄鉱山でほぼ普遍的に設置されています。

スタッキング・リクレーミングシステムがよく使用されます。スタッキングにより鉄鉱石が層状に積み重ねられます。各層は隣接層と粒度均一性や化学組成が異なる場合があります。細長い山はスタッキングマシンの能力で限界高さまで積み上げられます。その後、バケットホイールエキスカベーター、フロントエンドローダー、スクレーパークロスコンベアでリクレームされます。山の面から鉱石を取り出すと、すべての層からの鉱石が均一にブレンドされた物質流となります。ブレンドされた鉱石は顧客へ出荷されます。

採掘の各ステップは図1に示されています。

図1 鉄鉱石露天掘り採掘のステップ

環境問題

露天掘り採掘の結果として発生する物質には、覆土、廃石、坑内水があります。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。坑内水には通常、鉱体自体で見られるのと同様の溶解・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、亜鉛の微量成分が含まれることがあります。

水は鉄鉱石採掘作業で様々な問題を引き起こします。山頂採掘や砂漠地帯での採掘など稀なケースを除き、水は集水ピット、井戸、地下坑道に集められ、坑外へ汲み出す必要があります。この排水はしばしば選鉱作業での水損失を補うために直接利用されます。