Ore Loss Mechanisms in Diamond Layout Sublevel Open Stoping for Moderately Dipping Medium-Thick Orebodies

地表深く、金や鉄、その他の金属の膨大な埋蔵量が、垂直ではなく緩やかに傾斜した岩層の中に閉じ込められています。これらは中傾斜の鉱体であり、世界の鉱物資源の大部分を占めています。数十年にわたり、鉱夫たちはこれらの資源を効率的に抽出することに苦労してきました。伝統的な手法では、天井を支えるために大量の岩の柱（ピラー）を残さなければならないことが多く、これは貴重な鉱石を無駄にし、安全上のリスクを生じさせます。他のアプローチでは、採掘された空間を廃石で埋める方法がありますが、このプロセスは時間がかかり、コストが高く、管理が困難です。ダイヤモンド・レイアウト・サブレベル・オープン・ストーピングと呼ばれる新しい技術は、有望な代替案となります。これは重力を利用して砕かれた岩石を回収地点へと引き込み、鉱夫がトンネル内から安全に作業し、より多くの資源を抽出することを可能にします。しかし、この高度な手法を用いてもなお、厄介な問題が残っています。すなわち、かなりの量の鉱石が、掘削された角や壁に沿って取り残されてしまうのです。

核心となる問題は、砕かれた岩石がどのように流動するかという点にあります。水とは異なり、水は滑らかに流れ出しますが、砕かれた岩石は、詰まったり、互いに噛み合ったり、不均一に滑ったりする、ギザギザした破片の混沌とした混合物です。鉱夫がこの材料を引き出そうとすると、一部の材料が動こうとせず、床に張り付いたり、回収が行われるトンネルの間に閉じ込められたりします。この失われた材料は、直接的な金銭的損失であり、地球の資源の浪費を意味します。なぜこのようなことが起こるのかを正確に理解し、それを防ぐ方法を見つけ出すことが、利益の出る鉱山と苦境に立たされる鉱山の分かれ目なのです。中国のノースイースタン大学の研究者たちは、傾斜したトンネル内での岩石の流動に関する具体的なメカニズムを研究することで、この謎を解明しようと取り組みました。彼らは、トンネル床の角度、岩石表面の粗さ、そして回収地点間の距離という3つの要因に焦点を当てました。

これを調査するため、チームは研究所に鉱山の縮小モデルを製作しました。彼らは透明な箱に、実際の金鉱で見られるものと同じサイズと形状の砕かれた岩石を満たしました。床の角度を調整し、表面の質感を滑らかなものから粗いものへと変化させ、さらに回収トンネル間の距離を変えることで、岩石がどのように動くかを正確に観察することができました。また、彼らは数百万個の個々の岩石粒子の動きを追跡するコンピュータ・シミュレーションを実行し、肉眼では見えない力や相互作用を可로化しました。目標は、取り残された岩石の具体的な形状を特定し、どの設定が最も多くの鉱石の回収を可能にするかを判断することでした。

実験の結果、失われる鉱石はランダムに消えるのではなく、3つの明確なパターンを形成することが明らかになりました。1つ目は、摩擦のために床から滑り落ちることができない、トンネルの床に張り付いた岩石の層です。2つ目は、回収トンネルの最端部に詰まってしまう三角形の岩の堆積です。3つ目は、採掘機器がそこまで到達できないために、隣接する2つの回収トンネルの間の空間に残ってしまう岩の隆起です。研究者たちは、トンネル床の角度が極めて重要な役割を果たすことを発見しました。角度が浅すぎると、床に沿って大きく不規則な堆積物が形成されます。逆に角度が急すぎると、トンネルの形状が変わるため、引き出せる岩石の総量が減少します。流れが最適化される「スイートスポット」が存在するのです。

チームは、床面の粗さが角度と同じくらい重要であることを発見しました。床面が粗くギザギザした岩の破片であった場合、材料の移動は大幅に遅くなり、残留物も著しく多く残りました。一方で、床面を滑らかにすると、岩石はより自由に流れ、残される量は減少しました。これは、実際の鉱山において、床面を滑らかにするか、あるいは水を使用して摩擦を軽減することが、回収率の向上につながる可能性を示唆しています。また、回収トンネル間の距離も重要でした。トンネルをより近くに配置すると、それらの間の隆起部分に閉じ込められる岩石は少なくなります。しかし、配置を近づけすぎるとトンネル建設のコストが増大するため、バランスを取る必要があります。

物理モデルとコンピュータ・シミュレーションを通じて、研究者たちはこの種の鉱石を抽出するための最適な条件を突き止めました。彼らは、床面の角度が40度の場合に最も高い回収率が得られることを見出しました。床面が粗い状態でも、約83.6パーセントの利用可能な鉱石を捕捉できました。もし床面がより滑らかであれば、回収率は89パーセント近くに達することもあります。角度を50度とより急にすると、通常床に張り付く岩石は完全になくなりますが、トンネルの形状が変わるため、回収できる鉱石の総量はわずかに減少します。シミュレーションにより、岩石は主にトンネルの上部壁に沿って優先的に流れる一方で、床付近の粒子は圧縮されて固着してしまうことが確認されました。この挙動が、なぜ床の角度と表面の質感が決定的なのかを説明しています。

これらの知見は、単なる理論にとどまりませんでした。研究者たちは得られた洞察を携えて、中国にある稼働中の金鉱へと赴き、現場でのテストを行いました。彼らは3Dスキャン技術を用いて、採掘後に残された空隙をマッピングし、実世界の解析結果をラボでの予測と比較しました。スキャンによって、ラボで特定された3種類の残留岩石が実際に鉱山内に存在していることが確認されました。モデルから算出された理論的な損失率は約34パーセントでしたが、現場で実際に測定された損失率は、それよりわずかに高い38.2パーセントでした。この差は、現実世界における爆破の予測不可能な性質や、モデルでは完全に再現できない岩石の複雑な挙動によるものと考えられます。それでもなお、モデルと現実が密接に一致していることは、このアプローチの妥当性を裏付けています。

本研究は、失われる鉱石の問題を解決する単一の設定は存在しないと結論付けています。代わりに、トンネルの角度、床の滑らかさ、および回収地点の間隔の間の慎重なバランスが必要です。40度から45度の角度を目指し、表面の摩擦を管理することで、鉱山事業は貴重な金属の取り残しを大幅に減らすことができます。この研究は、エンジニアに対して、より多くの地球資源を安全かつ効率的に回収するための、明確でデータに基づいたガイドを提供します。この研究は、砕かれた岩石という混沌とした世界においても、予測可能なパターンが存在し、それらを理解することが産業にとってより良い結果をもたらすことを示しています。