Inżynieria wydobywcza

Kopalnia złota na powierzchni z ciężarówką na pierwszym planie

Górnictwo w dyscyplinie inżynierskiej to wydobywanie minerałów spod, odkrywkowo, nad lub na ziemi. Inżynieria górnicza jest powiązana z wieloma innymi dyscyplinami, takimi jak: przetwórstwo kopalin , poszukiwanie, wydobycie, geologia i metalurgia , geotechnika i miernictwo . Inżynier górnictwa może kierować każdym etapem działalności wydobywczej, od poszukiwania i odkrycia złóż surowców mineralnych, poprzez studium wykonalności , projektowanie kopalni, opracowywanie planów, produkcję i operacji do zamknięcia kopalni .

W procesie wydobycia minerałów powstają pewne ilości odpadów i materiałów nieekonomicznych, które są głównym źródłem zanieczyszczeń w pobliżu kopalń. Działalność górnicza ze swej natury powoduje zaburzenie środowiska naturalnego , w którym i wokół których występują kopaliny . Inżynierowie górnictwa muszą zatem troszczyć się nie tylko o produkcję i przetwarzanie surowców mineralnych , ale także o łagodzenie szkód w środowisku zarówno w trakcie, jak i po wydobyciu w wyniku zmiany obszaru wydobywczego. Takie branże podlegają surowym przepisom kontrolującym zanieczyszczenie i szkody wyrządzane środowisku i są okresowo zarządzane przez odpowiednie departamenty.

Historia inżynierii górniczej

Od czasów prehistorycznych do współczesności górnictwo odgrywało znaczącą rolę w istnieniu rasy ludzkiej . Od początków cywilizacji ludzie używali kamienia i ceramiki , a później metali znajdujących się na powierzchni Ziemi lub w jej pobliżu . Były one używane do produkcji wczesnych narzędzi i broni . Na przykład wysokiej jakości krzemień znaleziony w północnej Francji i południowej Anglii służyły do ​​podpalania i rozbijania skał. Kopalnie krzemienia zostały znalezione w kredowych , gdzie za pokładami kamienia podążały pod ziemią szyby i chodniki. Najstarszą znaną kopalnią w zapisach archeologicznych jest „Jaskinia Lwa” w Eswatini . W tym miejscu, które datowania radiowęglowego ma około 43 000 lat, paleolityczni ludzie wydobywali mineralny hematyt , który zawierał żelazo i był mielony w celu wytworzenia czerwonego pigmentu ochry .

Starożytni Rzymianie byli innowatorami inżynierii górniczej . Opracowali metody wydobywcze na dużą skalę, takie jak wykorzystanie dużych ilości wody doprowadzonej do głowicy kopalni licznymi akweduktami do wydobycia hydraulicznego . Odsłonięta skała została następnie zaatakowana przez podpalenie , w którym do podgrzania skały użyto ognia, który gaszono strumieniem wody. Szok termiczny spowodował pęknięcie skały, umożliwiając jej usunięcie. W niektórych kopalniach Rzymianie używali maszyn napędzanych wodą, takich jak odwrócone koła wodne . Były one szeroko stosowane w miedzi w Rio Tinto w Hiszpanii, gdzie jedna sekwencja składała się z 16 takich kół ułożonych parami, podnoszących wodę na około 80 stóp (24 m).

Czarny proch został po raz pierwszy użyty w górnictwie w Bańskiej Szczawnicy w Królestwie Węgier (dzisiejsza Słowacja ) w 1627 roku. Pozwoliło to na wysadzenie skał i ziemi w celu rozluźnienia i odsłonięcia żył rudy, co było znacznie szybsze niż podpalenie. Rewolucja przemysłowa przyniosła dalsze postępy w technologiach wydobywczych, w tym ulepszone materiały wybuchowe i pompy parowe , windy i wiertła, o ile pozostały one bezpieczne.

Edukacja

Szkoła Górnicza w Kolorado

Istnieje wiele sposobów, aby zostać inżynierem górnictwa , ale wszystkie obejmują dyplom uniwersytecki lub uniwersytecki. Przede wszystkim szkolenie obejmuje tytuł Bachelor of Engineering (B.Eng. or BE), Bachelor of Science (licencjat lub BS), Bachelor of Technology (B.Tech.) lub Bachelor of Applied Science (BASc.) w zakresie inżynierii górniczej . W zależności od kraju i jurysdykcji, aby uzyskać licencję inżyniera górnictwa, magistra ; Master of Engineering (mgr inż.), Master of Science (mgr lub MS) lub tytuł Master of Applied Science (MASc.). Istnieją również inżynierowie górnictwa , którzy wywodzą się z innych dyscyplin , np . _ _ _ _ _ _ _ _ _ ta droga wymaga podjęcia magistra , taki jak mgr inż., MS, mgr inż. lub MASC. w Mining Engineering po ukończeniu innego ilościowego programu licencjackiego w celu uzyskania kwalifikacji inżyniera górnictwa.

Podstawowymi przedmiotami studiów inżynierii górniczej są zazwyczaj:

W Stanach Zjednoczonych około 14 uniwersytetów oferuje tytuł licencjata w dziedzinie górnictwa i/lub inżynierii mineralnej. Najwyżej oceniane uniwersytety to Michigan Technological University , South Dakota School of Mines and Technology , Virginia Tech , University of Kentucky , University of Arizona , Pennsylvania State University i Colorado School of Mines . Pełna lista jest dostępna na stronie smenet.org . Większość z tych uniwersytetów oferuje studia magisterskie i doktoranckie. stopnie również.

W Kanadzie istnieje 19 programów studiów licencjackich w zakresie inżynierii górniczej lub równoważnych. Wydział Inżynierii Uniwersytetu McGill oferuje stopnie licencjackie (licencjackie, licencjackie) i magisterskie (magisterskie, doktoranckie) w dziedzinie inżynierii górniczej. a University of British Columbia w Vancouver oferuje tytuł Bachelor of Applied Science (BASc.) w dziedzinie inżynierii górniczej, a także stopnie naukowe (MASc. lub M.Eng i Ph.D.) w inżynierii górniczej.

W Europie większość programów jest integrowana (BS plus MS w jeden) po Procesie Bolońskim i trwa 5 lat. W Portugalii Uniwersytet w Porto oferuje tytuł magistra inżyniera. w górnictwie i inżynierii geośrodowiskowej, aw Hiszpanii Politechnika w Madrycie oferuje stopnie naukowe z inżynierii górniczej ze ścieżkami z technologii górniczej, operacji wydobywczych, paliw i materiałów wybuchowych, metalurgii. W Wielkiej Brytanii Camborne School of Mines oferuje szeroki wybór stopni inżynierskich i inżynierskich w zakresie inżynierii górniczej i innych dyscyplin związanych z górnictwem. Odbywa się to za pośrednictwem University of Exeter . W Rumunii Uniwersytet Petroşani (wcześniej znany jako Petroşani Institute of Mines lub rzadziej jako Petroşani Institute of Coal ) jest jedyną uczelnią, która oferuje stopień naukowy w zakresie inżynierii górniczej, geodezji górniczej lub podziemnych konstrukcji górniczych, aczkolwiek po zamknięciu kopalniach węgla Jiu Valley , te stopnie naukowe wypadły z zainteresowania większości absolwentów szkół średnich.

W Afryce Południowej do wiodących instytucji należy Uniwersytet w Pretorii , oferujący 4-letnie studia inżynierskie (B.Eng in Mining Engineering) oraz studia podyplomowe z różnych dziedzin specjalistycznych, takich jak inżynieria skał i modelowanie numeryczne, inżynieria materiałów wybuchowych, inżynieria wentylacyjna, metody górnictwa podziemnego i projektowanie kopalń; oraz University of the Witwatersrand oferujący 4-letni tytuł Bachelor of Science in Engineering (licencjat (inż.)) w zakresie inżynierii górniczej, a także programy dla absolwentów (magister (inż.) i doktorat) w Inżynieria wydobywcza.

Niektórzy inżynierowie górnictwa kontynuują studia doktoranckie , takie jak doktor filozofii (doktorat, DPhil), doktor inżynierii (dr inż.). Programy te obejmują bardzo istotny oryginalny element badawczy i są zwykle postrzegane jako punkty wejścia do środowiska akademickiego .

W Federacji Rosyjskiej 85 uniwersytetów we wszystkich okręgach federalnych kształci specjalistów dla sektora surowców mineralnych. 36 uniwersytetów we wszystkich krajach związkowych kształci specjalistów w zakresie wydobycia i przetwarzania minerałów stałych (górnictwo). 49 uniwersytetów we wszystkich okręgach federalnych kształci specjalistów w zakresie wydobycia, wstępnego przetwarzania i transportu minerałów płynnych i gazowych (ropy i gazu). 37 uniwersytetów we wszystkich okręgach federalnych kształci specjalistów w zakresie badań geologicznych (geologia stosowana, badania geologiczne). Wśród uniwersytetów, które kształcą specjalistów dla sektora surowców mineralnych, 7 to uniwersytety federalne, a 13 to krajowe uniwersytety badawcze Rosji. Kształcenie kadr dla sektora surowców mineralnych na uczelniach rosyjskich odbywa się obecnie w następujących głównych specjalizacjach kształcenia (stopień specjalisty): „Geologia Stosowana” z tytułem inżyniera górnictwa (5 lat stażu); „Poszukiwania Geologiczne” z tytułem inżyniera górnika (5 lat stażu); „Górnictwo” z tytułem inżyniera górnika (5,5 roku stażu); „Procesy fizyczne w górnictwie lub wydobyciu ropy i gazu” z tytułem inżyniera górnika (5,5 roku stażu); „Inżynieria i Technologie Nafty i Gazu” z tytułem inżyniera górnictwa (5,5 roku stażu). Uczelnie opracowują i realizują główne programy kształcenia zawodowego szkolnictwa wyższego na kierunkach i specjalnościach kształcenia, tworząc własny profil (nazwa programu). Na przykład w ramach specjalizacji „Górnictwo” uczelnie często stosują klasyczne nazwy programów „Wydobycie odkrywkowe”, „Podziemna eksploatacja złóż kopalin”, „Geodezja”, „Wzbogacanie minerałów”, „Maszyny górnicze ”, „Bezpieczeństwo technologiczne i ratownictwo górnicze”, „Budownictwo górnicze i podziemne”, „Prace strzałowe”, „Elektryfikacja górnictwa” itp. W ciągu ostatnich 10 lat pod wpływem różnych czynników zaczęły pojawiać się nowe nazwy programów pojawiać się takie jak: „Górnictwo i systemy informacji geologicznej”, „Ekologia górnicza” itp. Dzięki temu uczelnie, korzystając ze swobody w kształtowaniu nowych programów kształcenia specjalistów, mogą patrzeć w przyszłość i próbować przewidywać nowe zawody inżynier górnictwa. Po uzyskaniu tytułu specjalisty można od razu zapisać się na studia podyplomowe (analog j doktoranckich , 4 lata szkolenia).

Wynagrodzenie i statystyki

Wynagrodzenia górników są zwykle określane na podstawie wymaganego poziomu umiejętności, zajmowanego stanowiska i rodzaju organizacji, dla której pracuje inżynier. [ potrzebne źródło ] Porównując wynagrodzenia w różnych regionach, należy wziąć pod uwagę koszty utrzymania i inne czynniki.

Inżynierowie górnictwa w Indiach zarabiają stosunkowo wysokie pensje w porównaniu z wieloma innymi zawodami, ze średnią pensją 15 250 USD. Jednak w porównaniu z wynagrodzeniami inżynierów górnictwa w innych regionach, takich jak Kanada, Stany Zjednoczone, Australia i Wielka Brytania, pensje w Indiach są niskie. w Stanach Zjednoczonych zatrudnionych jest około 6150 inżynierów górnictwa, a średnia roczna pensja wynosi 103 710 USD.

Przed wydobyciem

Poszukiwacz przez NC Wyeth , 1906

Eksploracja minerałów to proces znajdowania rud (komercyjnie opłacalnych stężeń minerałów) do wydobycia . Poszukiwanie minerałów jest znacznie bardziej intensywnym, zorganizowanym, zaangażowanym i profesjonalnym procesem niż poszukiwanie minerałów , choć często korzysta się z usług poszukiwawczych.

Pierwszy etap wydobycia obejmuje procesy poszukiwania i eksploracji złoża kopalin. W następnym pierwszym etapie poszukiwań minerałów geolodzy i geodeci odgrywają znaczącą rolę w niezbędnym wstępnym studium wykonalności możliwej operacji wydobywczej. Poszukiwanie minerałów i szacowanie rezerw za pomocą różnych metod poszukiwawczych prowadzi się w celu określenia metody i rodzaju wymaganego wydobycia, oprócz warunków opłacalności. [ potrzebne źródło ]

Odkrycie minerałów

Po dokonaniu odkrycia minerału i ustaleniu, że ma on wystarczającą jakość ekonomiczną do wydobycia, inżynierowie górnictwa będą następnie pracować nad opracowaniem planu skutecznego i wydajnego wydobywania tego minerału.

Odkrycia można dokonać na podstawie badań map mineralnych, akademickich raportów geologicznych lub lokalnych, stanowych i krajowych raportów geologicznych. Inne źródła informacji obejmują eseje dotyczące nieruchomości i lokalne informacje ustne. Badania minerałów zwykle obejmują pobieranie próbek i analizę osadów, gleby i rdzeni wiertniczych. Pobieranie próbek gleby i analiza to jedno z najpopularniejszych narzędzi do poszukiwania minerałów. Typowe narzędzia obejmują zdjęcia satelitarne i lotnicze lub geofizykę lotniczą, w tym mapy magnetometryczne i gamma-spektrometryczne. O ile poszukiwania kopalin nie są prowadzone na terenach publicznych, właściciele tych dóbr mogą odgrywać znaczącą rolę w procesie poszukiwawczym i mogą być pierwotnym odkrywcą złoża kopalin.

Oznaczanie minerałów

Po zlokalizowaniu potencjalnego minerału geolog górniczy i / lub inżynier górnictwa określa następnie właściwości rudy. Może to obejmować analizę chemiczną rudy w celu określenia składu próbki. Po określeniu właściwości minerałów następnym krokiem jest określenie ilości rudy. Wiąże się to z określeniem zasięgu złoża, jak również czystości rudy. Geolog wierci dodatkowe próbki rdzeniowe, aby znaleźć granice złoża lub pokładu i oblicza ilość cennego materiału obecnego w złożu.

Studium wykonalności

Po rozsądnym określeniu identyfikacji minerału i ilości rezerw następnym krokiem jest określenie wykonalności odzyskiwania złoża kopaliny. Wstępne badanie przeprowadzane wkrótce po odkryciu złoża obejmuje analizę warunków rynkowych, takich jak podaż i popyt na minerał, ilość rudy potrzebną do przeniesienia w celu wydobycia określonej ilości tego minerału, a także analizę kosztów związanych z operacja. To wstępne studium wykonalności określa, czy projekt wydobywczy może być rentowny; jeśli tak, to przeprowadzana jest bardziej dogłębna analiza złoża. Po poznaniu i zbadaniu przez inżynierów pełnego zasięgu złoża rudy, studium wykonalności analizuje koszt początkowej inwestycji kapitałowej, metody wydobycia, koszt eksploatacji, szacowany czas zwrotu, dochód brutto i netto Marża zysku , ewentualną cenę odsprzedaży gruntu, całkowity czas życia rezerwy, całkowitą wartość rezerwy, inwestycje w przyszłe projekty oraz właściciela nieruchomości lub umowę właścicieli. Ponadto uwzględnia się wpływ na środowisko, rekultywację, możliwe konsekwencje prawne i wszystkie zezwolenia rządowe. Te etapy analizy decydują o tym, czy firma wydobywcza powinna kontynuować wydobycie minerałów, czy też należy zrezygnować z projektu. Przedsiębiorstwo wydobywcze może zdecydować się na sprzedaż praw do złoża osobie trzeciej, zamiast samodzielnie je zagospodarowywać, lub też decyzja o rozpoczęciu wydobycia może zostać odłożona w nieskończoność do czasu sprzyjających warunków rynkowych.

Operacja górnicza

Inżynierowie górnictwa pracujący w istniejącej kopalni mogą pracować jako inżynier w celu poprawy operacji, dalszej eksploracji minerałów i kapitalizacji operacyjnej poprzez określenie, gdzie w kopalni dodać sprzęt i personel. Inżynier może również pracować w dozorze i zarządzaniu lub jako sprzedawca sprzętu i minerałów. Oprócz inżynierii i operacji inżynier górnictwa może pracować jako kierownik ds. Środowiska, BHP lub inżynier projektu.

Akt wydobywczy wymagał różnych metod wydobycia w zależności od mineralogii , geologii i lokalizacji zasobów. Cechy, takie jak twardość minerału , rozwarstwienie minerału i dostęp do tego minerału, określą metodę wydobycia.

Ogólnie rzecz biorąc, wydobycie odbywa się z powierzchni lub pod ziemią. Wydobycie może również mieć miejsce, gdy na tym samym rezerwacie prowadzone są zarówno operacje powierzchniowe, jak i podziemne. Działalność wydobywcza różni się w zależności od metody stosowanej do usuwania minerału.

Wydobycie powierzchniowe

Górnictwo odkrywkowe obejmuje 90% światowej produkcji tonażowej minerałów. Zwane także górnictwem odkrywkowym , górnictwo odkrywkowe polega na usuwaniu minerałów w formacjach znajdujących się na powierzchni lub w jej pobliżu. Wydobywanie rudy odbywa się poprzez usuwanie materiału z gruntu w jego naturalnym stanie. Wydobycie odkrywkowe często zmienia charakterystykę terenu, jego kształt, topografię i budowę geologiczną.

Górnictwo odkrywkowe obejmuje wydobywanie minerałów, które polega na wydobywaniu minerałów za pomocą maszyn, takich jak cięcie, łupanie i łamanie. Materiały wybuchowe są zwykle używane w celu ułatwienia złamania. Twarde skały, takie jak wapień, piasek, żwir i łupek, są zwykle wydobywane w szeregu ławek.

Wydobycie odkrywkowe odbywa się na bardziej miękkich minerałach, takich jak gliny i fosforany, które są usuwane za pomocą łopat mechanicznych, spycharek gąsienicowych i ładowarek czołowych. W ten sposób można również wydobywać bardziej miękkie pokłady węgla.

Dzięki górnictwu kopalnemu minerały można również wydobywać z dna jezior, rzek, strumieni, a nawet oceanów za pomocą pogłębiarki. Ponadto in situ można prowadzić z powierzchni, stosując środki rozpuszczające na złożu rudy i wydobywając rudę za pomocą pomp. Pompowany materiał jest następnie poddawany ługowaniu w celu dalszego przetwarzania. Wydobywanie hydrauliczne jest wykorzystywane w postaci strumieni wody do spłukiwania nadkładu lub samej rudy.

Proces wydobywania

wybuchowe
materiały są używane do rozbijania formacji skalnych i pomocy w zbieraniu rudy w procesie zwanym wysadzaniem . Wysadzanie ogólnie ciepła i ogromnego ciśnienia zdetonowanych materiałów wybuchowych w celu rozbicia i pęknięcia masywu skalnego. Rodzajem materiałów wybuchowych stosowanych w górnictwie są materiały wybuchowe kruszące które różnią się składem i właściwościami użytkowymi. Inżynier górnictwa jest odpowiedzialny za dobór i właściwe rozmieszczenie tych materiałów wybuchowych, w celu maksymalizacji wydajności i bezpieczeństwa. Strzały występują na wielu etapach procesu wydobywczego, takich jak rozwój infrastruktury, a także produkcja rudy. Alternatywą dla materiału wybuchowego są wynalezione w 1931 r. naboje strzałowe Cardox, a od 1932 r. szeroko stosowane w kopalniach węgla kamiennego. Nabój zawiera „elektryzator”, który podgrzewa ciekły dwutlenek węgla, aż pęknie dysk bezpieczeństwa, po czym następuje fizyczna eksplozja płynu nadkrytycznego .
Wymywanie
Wymywanie to utrata lub ekstrakcja pewnych materiałów z nośnika do cieczy (zwykle, ale nie zawsze, rozpuszczalnika). Stosowany głównie w ekstrakcji metali ziem rzadkich.
Flotacja
Flotacja (również flotacja orkiszowa) obejmuje zjawiska związane ze względną wypornością minerałów. Jest to najczęściej stosowana metoda oddzielania metali.
Separacja elektrostatyczna
Rozdzielanie minerałów za pomocą różnic elektrocharakterystycznych.
Separacja grawitacyjna
Separacja grawitacyjna to przemysłowa metoda rozdzielania dwóch składników, zawiesiny lub suchej mieszanki granulowanej, w przypadku której rozdzielanie składników grawitacyjnie jest wystarczająco praktyczne.
Separacja magnetyczna
Separacja magnetyczna to proces, w którym materiał podatny magnetycznie jest ekstrahowany z mieszaniny za pomocą siły magnetycznej.
Separacja hydrauliczna
Separacja hydrauliczna to proces wykorzystujący różnicę gęstości do oddzielania minerałów. Przed separacją hydrauliczną minerały zostały zmiażdżone do jednolitej wielkości; ponieważ minerały mają jednakowy rozmiar i różną gęstość, będą miały różne prędkości osadzania się w wodzie, co można wykorzystać do oddzielenia docelowych minerałów.

BHP w górnictwie

Zainteresowanie prawne BHP w górnictwie rozpoczęło się pod koniec XIX wieku, aw następnym XX wieku przeszło do kompleksowej i rygorystycznej kodyfikacji egzekwowania i obowiązkowych przepisów BHP. Inżynier górnictwa, niezależnie od zajmowanej roli, musi przestrzegać wszystkich federalnych, stanowych i lokalnych przepisów bezpieczeństwa w kopalniach.

Stany Zjednoczone

Kongres Stanów Zjednoczonych uchwalając Federalną Ustawę o Bezpieczeństwie i Higienie Kopalń z 1977 r. , znaną jako Ustawa Górników, utworzył Mine Safety and Health Administration (MSHA) w ramach Departamentu Pracy Stanów Zjednoczonych .

Ta wszechstronna ustawa zapewnia górnikom prawa przeciwko odwetowi za zgłaszanie naruszeń, skonsolidowane przepisy dotyczące kopalń węgla z kopalniami metali i niemetali oraz powołuje niezależną Federalną Komisję ds. Przeglądu Bezpieczeństwa i Zdrowia w Kopalniach w celu przeglądu zgłoszonych naruszeń przez MSHA.

Ustawa skodyfikowana w Kodeksie przepisów federalnych § 30 (CFR § 30) obejmuje wszystkich górników w czynnej kopalni. Inżynier górnik pracujący w czynnej kopalni podlega takim samym prawom, naruszeniom, obowiązkowym przepisom BHP i obowiązkowym szkoleniom jak każdy inny pracownik kopalni. Inżynier górnictwa może być prawnie zidentyfikowany jako „górnik”.

Ustawa określa prawa górników. Górnik może w każdej chwili zgłosić stan zagrożenia i zażądać kontroli. Górnicy mogą wybrać przedstawiciela górników do udziału w inspekcji, zebraniu przedinspekcyjnym i konferencji poinspekcyjnej. Górnikom i przedstawicielowi górników przysługuje wynagrodzenie za czas poświęcony na wszystkie kontrole i dochodzenia.

Górnictwo i środowisko

Stany Zjednoczone

Rekultywację gruntów dla kopalń odkrywkowych i podziemnych reguluje Ustawa o nadzorze i rekultywacji górnictwa odkrywkowego z 1977 r. Ustawa ta tworzy w ramach Departamentu Spraw Wewnętrznych Biuro Górnictwa Odkrywkowego (OSM). OSM stwierdza na swojej stronie internetowej: „OSM jest odpowiedzialny za zrównoważenie narodowej potrzeby ciągłej krajowej produkcji węgla z ochroną środowiska”.

Prawo wymaga, aby stany utworzyły własne Departamenty Rekultywacji i uchwaliły przepisy dotyczące rekultywacji dla operacji wydobycia węgla. Stany mogą nakładać dodatkowe przepisy i regulować inne minerały oprócz węgla w celu rekultywacji gruntów.

Zobacz też

przypisy

Ten artykuł zawiera tekst Petrova, VL, dostępny na licencji CC BY 4.0 .

Dalsza lektura

  • Eric C. Nystrom, Seeing Underground: mapy, modele i inżynieria górnicza w Ameryce. Reno, NV: University of Reno Press, 2014.
  • Franklina White'a. Miner with a Heart of Gold: biografia nauczyciela nauk o minerałach i inżynierii. Friesen Press, Wiktoria. 2020. ISBN 978-1-5255-7765-9 (oprawa twarda) 978-1-5255-7766-6 (oprawa miękka) 978-1-5255-7767-3 (eBook)

Linki zewnętrzne