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境外矿业文摘

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日志

 
 

世界最深金矿,地下4350米  

2013-04-17 07:26:10|  分类: 技术方法 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2012年03月15日08:57科技新时代杂志

[导读]“姆波尼格”是目前世界上最深的矿井。它的各个矿坑和巷道总长达370千米,蜿蜒延伸到约4000米深的地下。


世界最深金矿:地下4350米相当10个帝国大厦

在姆波尼格金矿,矿工们从地面抵达采矿面需要90分钟时间,返程同样需要那么长时间


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世界最深金矿:地下4350米相当10个帝国大厦

爆破后会产生大量碎石,矿工们需要将这些碎石收集到一起并送到地面


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世界最深金矿:地下4350米相当10个帝国大厦

在轨道上:在南非,矿工们在底下铺设了总长3.2万千米的轨道,以运送矿石和设备

工程师们正在挑战采矿业的各种极限,向更深的地下前进。究竟他们能达到多深的地方呢?

天早上4点钟左右,矿工们就在升降机前排起了长队。这里是南非的姆波尼格金矿,所有矿工都全副武装,戴着头盔、头灯、护目镜和耳塞。三层楼高的升降机每次能运送150名矿工,里面拥挤得就像沙丁鱼罐头一样,所有人都紧贴着挤在一起,就连楼梯上都站满了人。除了身上的装备之外,每名矿工还随身携带着一个银色的小箱子,里面装着一套呼吸设备。一旦矿工在8小时的工作过程中遇到有毒气体,这套设备能提供30分钟可供呼吸的氧气。在最后一名矿工也进入了升降机之后,一名升降机操作员拉上了钢制的滑动门并上了锁,看上去就像是深夜打烊的店铺大门。升降机颤动着下降,将这些矿工送入深深的地下—只有非常非常少的人曾经抵达过这样的深度。

“姆波尼格”在梭托语中是“看我”的意思,是目前世界上最深的矿井。它的各个矿坑和巷道总长达370千米,蜿蜒延伸到约4000米深的地下。它的姐妹矿井Savuka(在祖鲁语中是“我们已经醒来”的意思)和TauTona(在茨瓦纳语中是“狮王”的意思)的深度都超过3500米,这3处矿井被合称为西维兹矿山(West Wits),代表着深井采矿的最前沿。在去年年底突破了3900米的深度后,姆波尼格的工程师们又树立了一个新的目标—地下4350米,10倍于帝国大厦的高度。在那里没有空调,温度可高达57摄氏度。

姆波尼格金矿的电梯以48千米/小时的速度向下运行,在摇晃着抵达2220米深处的一个平台前需要运行3分钟。在抵达平台后,矿工们会从升降机里面走出来,用几分钟时间走到另一个巷道内的下一部升降机,这部升降机负责将矿工们送到最深的操作地点。在3420米的深处,另一名电梯操作员打开电梯的大门,所有矿工鱼贯进入一个有灯光照明的巨大巷道。各种粗大的管道被固定在巷道的墙壁上,将水、新鲜空气和电线送到地下。人员、装备和矿石通过有轨电车在巷道中进行运输,巷道的地面上除了铁轨之外,还有5厘米长的巨大蟑螂。

在发电机、有轨电车和其他机械设备的嘈杂声中,矿工们用Fanagalo语相互喊叫。(这是一种以祖鲁语为基础的语言,在南非被殖民时期发展而来,今天除了矿井下之外,在地面上已经没有人使用这种语言。)一些矿工身上还随身携带着旧可乐瓶,里面装满了一种用高粱酿造的、名为Boosta的早餐能量饮料。

西维兹矿山位于维特沃特斯兰德盆地的背部边缘,是目前已知世界上最大的金矿。2010年,工人们在这里开采出了超过23吨黄金。在100多年的开采过程中,维特沃特斯兰德盆地的各个矿井开采出的黄金总量占同期世界总产量(16.8万吨)的近1/3,帮助南非成为世界黄金生产的主宰。

这种持续性的高产量现在已经遇到了瓶颈,南非的黄金产量正在逐渐下滑。1970年,由于维特沃特斯兰德盆地各矿井的贡献,南非共生产了1000吨黄金,而2010年这个数字下降到了只有190吨,已经少于美国的黄金产量。“最好的黄金资源都已经被开采了出来。”一个名为卓越开采创新中心的研究组织的副总裁Douglas Morrison说,“今天在世界的任何一个地方,黄金的开采都要比过去更困难,面临更大的技术挑战,同时也让开采变得更加昂贵。”

可供开采的矿石数量依然还有很多,但是其中的很多矿石都埋藏在用今天的方法难以抵达的地下深处,这也是为什么工程师们要重新思考采矿的本质的原因:如何挖掘矿石、如何让矿石冷却,还有谁—准确地说是“什么”—将会去进行开采工作。负责西维兹矿山运行的AngloGold Ashanti公司的CEO Mark Cutifani称他的公司正处于“一个多世纪以来我们所能见到的最重大技术进步的最前沿。”

着姆波尼格金矿的采矿面下降是一次令人毛骨悚然的恐怖体验。在现代矿井内,水平巷道从中央竖井向各个方向延伸、进入到各个深度的采矿面。主巷道的直径超过7.5米,墙壁和顶部都是钢筋混凝土混合结构,钢筋与周围的岩石牢牢固定在了一起。但是越接近活动采矿面,环境就会变得越恶劣。过道变得越来越狭窄,矿工们只有弯着腰才能通过,头灯会不断地刮到过道的顶上。最后所有人都只能趴在地上,用膝盖爬着前行。昏暗的灯光落在连接通向不同巷道的楼梯上,看上去就像是地狱的入口。空气中弥漫着大量灰尘,铁锈色的污水从墙壁的裂缝中不断渗出来。

在采矿面上,隧道到了尽头,矿体出现了。在西维兹矿山,两种矿石含有矿工们要寻找的黄金。大约30亿年前由山上的溪流冲刷沉积而成的矿层厚度从几厘米到1.5米不等。暴露的矿层外表光滑,外面包裹着石英石,还掺杂着黄铁矿(也就是所谓的“傻瓜的黄金”)的斑点。真正的黄金藏在那些颜色更黑的石头中,这些矿石会被爆破成乒乓球台大小的石块,运送到地面,然后粉碎、精炼。最终得到的黄金被戴到某个人的手指上,或者被储存在某个银行的地下金库里。用矿工们的话来说,就是从一个地下洞穴进入了另一个地下洞穴。

开采:随着矿井深度越来越深,环境变得越来越热,也更危险。因此可以用小型、廉价的开采机器人再采矿面上进行开采,而无需让矿工冒险。南非一个研发组织近期开发了一种钻孔概念机器人


这种持续性的高产量现在已经遇到了瓶颈,南非的黄金产量正在逐渐下滑

  为了开采黄金,西维兹矿山的矿工们使用一种名为“钻孔爆破”的技术。他们首先用手持空气钻在矿层表面钻出直径2.5厘米的小孔,再在孔里填满以硝酸铵为基础的炸药,然后根据爆炸的规模清空巷道甚至整座矿,由地面人员遥控进行爆破。要在极深的地下进行钻孔和爆炸,矿工们需要战胜两个挑战:高热和增加的岩石应力。几个世纪前,南非的采矿业设定了地下工作温度不能超过28.4摄氏度的规定。而在西维兹矿山,一些矿井的深度已经超过了3000米,在没有空调的情况下温度高达50摄氏度。为了让工作环境能够忍受,工程师们每天从附近的一个小镇将大量的冷水送到井下,在水温升高后再将其泵送回去—这个过程会消耗大量的电能。在TauTona矿井,位于几千米深地下的空调系统管道每秒钟会循环550升水。为了减少降温过程消耗的水量,姆波尼格的工程师使用了冰块。在上世纪90年代初期,他们引入了IDE技术,由一家以色列水处理公司帮助建造了一处试验工厂,利用真空迫使水变成冰浆。今天,姆波尼格矿井已经建成了9座巨大的制冰厂,每座工厂每小时能制造出33吨冰浆,所有这些冰浆都被送入地下两个巨大的冰坝,这两处冰坝的容积分别为180万和220万立升。冰浆被加入到水中,一起在管道中循环,为整座矿井降温。第三座冰坝正在3420米深的地下建造,以满足即将进行的超深地下开采的需求。

  而减缓岩石中的应力已经被证明远比使矿井中保持合适的温度困难得多。在南非地下进行的爆破引发的大地震颤和小型地震是如此频繁,以致全世界的地震学家经常前往西维兹矿山,收集能帮助他们理解地震的数据。矿工们钻探和爆破的深度越深,岩石中产生的应力也越大。此外,由于大量的矿石被取走,也让剩下的岩石承受了巨大的压力。

  南非的研发组织科学与工业研究协会(CSIR)的地质物理学家Ray Durrheim称,在积聚的应力大到一定程度之后,“岩石会剧烈地爆炸,突然将能量释放出来,这个过程就像是拉紧的弓弦弹回来一样迅猛,那些在采矿面上工作的人们很难幸存下来。”

  直到25年前,西维兹矿山每年都会由于岩石炸裂导致几十名矿工丧生。在那之后,采矿计划发生了重大改变。首先矿石开采不再集中于一个地点,而是在矿井内的各个区域均匀进行。其次是留下了更多的岩石柱作为支撑,与此同时还进行大规模的回填—将在地面上粉碎提取过的废弃岩石再运回井下,填充那些被采空的区域。更重要的是,所有深井现在都安装了先进的监控系统—在井下岩石上钻孔安装的大量电池大小的传感器构成了庞大的监控网络,它们收集地震信号并将其传送到地面的电脑。地质物理学家对这些数据进行分析,将那些处于高危险状态的矿区封闭。

  2010年,南非共有128名矿工死亡,其中包括63名金矿矿工,这里面又有4个人在西维兹矿山。尽管这个数字与发达国家相比仍然显得很高,但是与南非自己相比,2010年的矿工死亡率只有1986年的1/6。这是一个巨大的进步。

  年前,Durrheim预计矿工们利用现有的钻孔-爆破的方法能到达5000米的深度。但是,没有足够的数据能证明,在超过这个深度后传统方法是否依然能起作用。但实际情况是,很多矿藏的埋藏深度都要超过这个深度。西维兹矿山的矿藏深度也许要一直延伸到7500米的深处,而矿工们工作的极限大概在10000米的地方—在这个深度热量和不稳定的岩石结构让开采活动无法进行。

  为了继续向下向这个极限靠近,工程师们开始重新考虑矿井的每一项功能。挑战之一是如何将矿工和材料送到更深的地下并返回—这需要比目前快得多的速度。到目前为止,由于重量的限制,单根升降机钢缆最多只能抵达2950米深处,而如果向下延伸到10000米,仅钢缆的重量就会达到30吨,已经达到了升降机的最大载重量。由于单个竖井的深度限制,姆波尼格与它的姐妹矿都至少有两个竖井。通过两部升降机并走过几千米长的巷道,矿工们从地面需要90分钟才能抵达采矿面,而再返回地面还需要同样长的时间,这也意味着矿工们每天只有5个小时的有效工作时间。各种矿井都曾经考虑过、并已经放弃了让矿工居住在井下以减少在地面与采矿面之间往返所浪费的时间的想法。实际上,Durrheim说,需要彻底改变的是目前用升降机运送矿工的机制。

  “磁悬浮列车已经在世界上的很多地方得到了应用。”他说,“从工程的角度看,没什么理由可以阻碍它用同样的方式垂直运行。”作为与CSIR联合项目的一部分,维特沃特斯兰德大学的工程师正在考虑用磁场来控制电梯运行的方法。由于摩擦力很小,这种磁力电梯不仅能以快得多的速度上下,而且还可以将多个轿厢连接在一起,一次运送更多矿工。

  另一个挑战是找到新的破碎矿石的方法。“尽管很多人一直在试图制造能粉碎坚硬岩石的机械,”Durrheim说,“但是到目前为止还没有一种设备能比‘钻孔-爆破’的方法更有效。”但是这种情况也许很快会被改变。包括AngloGold Ashanti和Rio Tinto等在内的采矿巨头都在研发新的、在超深矿井中使用的采矿方法。一家名为Herrenknecht的德国公司已经制造出了一种巨型机械蠕虫,这种机械蠕虫目前在世界范围内得到应用,在地下钻洞以修建隧道和铁路系统,目前正在修建的56千米长、穿越阿尔卑斯山的哥达基线隧道就在采用这种机械蠕虫。这家公司目前还设计了3000吨重的同类机械,只不过用于在垂直方向工作。这种名为竖井钻孔系统(SBS)的设备就像圆锯一样带有一个切割盘,能在下面的岩石上切出1.5米深的壕沟。切割盘能围绕着垂直轴线旋转,从而切割出完整的竖井。切碎的岩石落到传送带上,被运送到地面。

  如果SBS系统成功通过测试并投入使用,每天能向下挖掘10.5米的矿井,是目前速度的3倍以上(现在每天最快也只能挖掘3米),此外它还能免除矿工们每次爆破后需要从底部清理碎石的工作。而且它在前进的同时还能向新挖出的矿井壁上喷射混凝土,在矿工进入之前就完成矿井壁的封闭工作。

  与此同时,采矿设备制造商Atlas Copco和Aker Wirth已经制造了两种自行采掘设备的原型机,从主矿井向周围挖掘水平巷道。例如,60米长的Aker Wirth公司的原型机能在最高80摄氏度的温度下工作,而且挖掘速度是目前的钻孔-爆破方法的两倍。“对于矿工们来说,这些设备就是倚天剑和屠龙刀。”Rio Tinto公司负责井下采掘技术创新的总经理Fred Delabbio说。“到目前为止,还没有人曾成功开发过能对付坚硬岩石的井下设备。一旦成功,那将是这个领域的一场革命,无论速度还是安全性都会有很大提高。”

  AngloGold Ashanti公司负责采矿与战略项目的副总裁Shaun Newberry称,尽管这些机械能帮助矿工们前往更深的地下,但与此同时其他配套方法也必须跟上。“我们依然依靠力量粉碎岩石,这种方法必须改变。”他说,“我们能否通过向岩石中注入化学物质将需要的金属释放出来呢?能否用电流、声波,甚至是细菌来进行开采呢?或者是干脆在地下就将矿石熔解?”

  假如矿井最终到达了更极端的深度,Newberry说,那么问题将会变成:“谁在里面工作?”“我们不可能简单地让工人忍受越来越恶劣的环境。”他说,“实际上,随着深度的增加,愿意在里面工作的矿工会越来越少,直至最后彻底消失。”CSIR采矿技术革新中心的负责人、电子工程师Declan Vogt认为,随着技术的发展,矿业公司最终会用电脑控制价格能够承受、酒瓶大小的机器人在南非狭窄的金矿矿层中进行开采工作。Newberry则构想了一支庞大的机械蚂蚁大军,每只机械蚂蚁都能喷射细菌,溶解并收集黄金以供日后提炼。“长期以来,我们一直在进行技术进步,但是”他说,“我们必须让这种进步发生质的变化,我们要有疯狂的想法。”

  100年前人类挖掘的矿井深度纪录还停留在1440米的时候,让矿工们在一个3倍于此的深度开采黄金的想法听起来就像是天方夜谭。同样地,Newberry说,今天的姆波尼格金矿在100年后也会被认为不过是一个小小的浅坑,就像是在地球表面干燥的土地上挖了一个洞那么普通。前矿工、目前在劳伦森大学工程学院担任教授的Greg Baiden说,在进行极深矿井开采之前,人类很可能首先探测其他区域,例如海洋。

  几家矿业公司正在海床上寻找可开采的矿藏。AngloGold Ashanti与钻石巨头De Beers建立的一家合资公司正在靠近新西兰和加拿大的海域寻找高储量的金矿。一年前,一家名为Nautilus的公司刚刚从巴布亚新几内亚政府手中获得了世界上首座深海矿井的开采权,这座海底矿已经探明蕴藏着大量的黄金和铜。明年开采行动开始后,履带前进、带有储存罐和切割头的水下机器人将在1600米深的海底进行工作。机器人挖掘出的矿浆会被泵送到海面的船只上,并最终运送到地面进行提炼。

  采矿公司的目光并没有只盯着地下,他们还看着高山。安第斯山脉就是一处非常有希望的处女地。小行星是另一个可行的目标,尤其是考虑到地球上一些最大的矿藏是小行星撞击地球带来的,就更让人浮想联翩。此外,已知含有大量包括金、银、铂等稀有金属的月球是另外一个希望之地。“月球的重力只有地球的1/6,因此在月球我们能进入更深的地下。”Baiden说,“月球上矿产的数量也许比地球上还要多。”但是在我们抵达这些遥远的目标之前,这个行业还只能一米一米地向更深的地下前进。姆波尼格的矿工们还是只能每天背着沉重的工具,忍受着在升降机中漫长的等待和各种机械刺耳的噪音,满身灰尘而疲倦地往返于地面与井下。


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