IJzererts uitgelegd: typen, verspreiding en mijnbouwpraktijken

IJzererts en mijnbouw begrijpen

IJzer (Fe) is een rijkelijk en wijd verspreid element in de aardkorst, met een gemiddelde gehalte van 2% tot 3% in sedimentaire gesteentes en 8,5% in basalt en gabbro. De voorraad is in feoneindig in bijna alle regio's van de wereld.

Toch is het grootste deel van dit ijzer niet in een vorm die bruikbaar is voor de huidige ijzerproductie. Alleen dat deel van het totale ijzer in de aardkorst dat zowel economisch als ruimtelijk beschikbaar is voor de staalindustrie, mag correcterwijs ijzererts genoemd worden. Wat echter als ijzererts geldt, verschilt sterk per locatie en tijd. Veel factoren bepalen of een ijzerhoudend mineraal als ijzererts kan worden geclassificeerd, maar essentieel is het een kwestie van economie. Met dit concept in gedachten is een logische definitie van ijzererts voor commerciële doeleinden: 'ijzerhoudend materiaal dat op een bepaalde plaats en tijd economisch kan worden gebruikt onder de toenmalige kosten- en marktprijzen.'

Economische haalbaarheid

Omdat ijzer in veel gebieden aanwezig is, heeft het een relatief lage waarde, waardoor een mijnbouwlocatie een hoog Fe-percentage moet hebben om als ertgraad te gelden. Dankzij verbeterde beneficatie-, concentratie- en agglomeratiemethoden is de variëteit aan ijzerhoudende materialen die nu gebruikt kunnen worden, verbreed. Veel laaggradige materialen die vroeger als oneconomisch werden beschouwd, gelden nu als ijzererts. Doorgaans moet een mijnbouwlocatie ten minste 25% Fe bevatten om economisch winnelijk te zijn.

Primaire ijzermineralen

Meer dan 300 mineralen bevatten ijzer, maar vijf mineralen zijn de primaire bronnen van ijzererts:

• Magnetiet (Fe₃O₄)
• Hematiet (Fe₂O₃)
• Goethiet (Fe₂O₃·H₂O)
• Sideriet (FeCO₃)
• Pyriet (FeS₂)

De eerste drie zijn van groot belang vanwege hun voorkomen in grote, economisch winnbare mijnbouwlocaties. De meeste wereldwijde ijzerertsproductie valt echter onder de eerste twee categorieën.

Hematiet

Hematiet heeft een chemische samenstelling van Fe₂O₃, wat overeenkomt met 69,94% ijzer en 30,06% zuurstof. De kleur varieert van staalgrijs tot matrood of felrood. Het kan aardachtig, compact of kristallijn zijn en heeft een specifiek gewicht van 5,26. Veelvoorkomende variëteiten zijn kristallijn, speculair, martiet (pseudomorf na magnetiet), maghemiet (magnetisch ferrioxide), aardachtig, ocherachtig en compact. Hematiet is een van de belangrijkste ijzerertssoorten met wijdverspreide voorkomens in verschillende gesteentetypes en oorsprongen. Het komt voor in aderafzettingen, magmatische, metamorfische en sedimentaire gesteentes, en als verwerkingsproduct van magnetiet. Sommige laaggradige afzettingen van gedissemineerd kristallijn hematiet zijn met succes behandeld met zwaarte- en flotatietechnieken om hoogwertige concentraten te produceren.

Magnetiet

Magnetiet heeft een chemische samenstelling van Fe₃O₄, overeenkomend met 72,36% ijzer en 27,64% zuurstof. De kleur is donkergrijs tot zwart, met een specifiek gewicht van 5,16 tot 5,18. Het is sterk magnetisch, soms met polariteit, waardoor het als natuurlijke magneet fungeert. Magnetiet komt voor in magmatische, metamorfische en sedimentaire gesteentes. De magnetische eigenschap is cruciaal voor exploratie via magnetische methoden en maakt magnetische scheiding van magnetiet van ganguematerialen mogelijk om hoogwaardige concentraten te produceren. Door voortdurende verbeteringen in magnetische concentratietechnieken en het uitgebreide gebruik van hooggradige producten is magnetiet steeds belangrijker geworden.

Mijnbouw van ijzererts

Mijnbouw (winning), beneficatie en verwerking van ijzererts produceren ijzer en staal. Mijnbouw wordt gedefinieerd als het verwijderen van ertsmateriaal uit een mijnbouwlocatie en omvat alle activiteiten vóór beneficatie. Hooggradige ijzererts (ijzergehalte > 62%) worden slechts gebroken, gescreend en direct naar de ijzerproductie-eenheid (bijv. hoogovens) verzonden. Laaggradige ijzererts met lagere ijzergehalten vereisen beneficatieactiviteiten buiten breken, screenen en wassen om het ijzergehalte te verhogen. Om concurrentiefähig te zijn, moet ijzerertsmijnbouw op zeer grote schaal gebeuren. Er worden twee mijnbouwmethoden veelvoorkomend toegepast: (i) dagbauwmijnbouw, (ii) ondergrondse of schachtmijnbouw.

De keuze voor ondergrondse of dagbauwmijnbouw hangt af van de diepte van het ertslichaam. De meerderheid van het wereldwijde ijzererts wordt uitsluitend met dagbouwtechnieken gewonnen, hoewel er ook werkzame ondergrondse ijzermijnen zijn. Er zijn twee basis dagbouwmethoden: open groef en open snij. Bijna alle grote ijzermijnen in de wereld, met uitzondering van een paar, worden uitgebaat met open groefmethoden.

Benodigde middelen

De mijnbouw van ijzererts vereist massive middelen: zware industriële mijnbouwmachines en een gespecialiseerde arbeidskracht. De apparatuur omvat bulldozers, scrapers, vrachtwagens (zware haulers), dumper, frontladers, hydraulische graafmachines, hydraulische en elektrische schoppen (strippingschoppen, laadschoppen), sleephaken, bakwielgraafmachines, baggermachines, watertanks, gatboormachines (diamantboorkronen), en zware transportbanden. Daarnaast zijn brekers en schermen met bijbehorende apparatuur nodig voor het breken en screenen van erts tot verhandelbaar product.

Planning en ontwikkeling

Het proces van ijzerertsmijnbouw - van de ontdekking van een ertslichaam tot winning en uiteindelijk herstel van het land - bestaat uit verschillende duidelijke stappen. De eerste is de ontdekking van de mijnbouwlocatie, uitgevoerd door prospektering of exploratie om de omvang, locatie en waarde van het ertslichaam te bepalen. Dit leidt tot een mathematische resource-schatting voor grootte en graad van de mijnbouwlocatie.

Mijnbouw begint op grondniveau. Erts wordt geïdentificeerd door diamantboorkernmonsters op een rooster van enkele meters diepte in de aarde. Ijzerertsgesteente bestaat voor een aanzienlijk percentage uit ijzer en de rest zijn onzuiverheden zoals alumina en silica. Deze monsters worden geanalyseerd en gecategoriseerd, zodat mijnbouwingenieurs een nauwkeurig mijnbouwplan kunnen ontwikkelen.

De mijnbouwontwikkeling omvat mijnbouwplanning om de economisch winnbare fractie van de mijnbouwlocatie te evalueren, de metallurgische kenmerken van de ertsen, ertswinnelijkheid, ingenieurskwesties, breken, en infrastructuurvereisten. De fractie van een mijnbouwlocatie die economisch winnbaar is, hangt af van het verrijkingsfactor van de ert in het gebied.

Om toegang te krijgen tot de minerale mijnbouwlocatie is het vaak nodig om afvalmateriaal te mijnen of te verwijderen dat niet van direct belang is. De totale verplaatsing van ert en afval vormt het mijnbouwproces. Vaak wordt meer afval dan ert gemijnbouw gedurende de levensduur van een mijn, afhankelijk van de aard en locatie van het ertslichaam. Afvalverwijdering en -plaatsing is een majeure kostpost.

De algemene voorkomens, grootte en vorm van een ijzerertsmijnbouwlocatie worden tijdens de exploratiefase bepaald. Kennis van de mijnbouwlocatie wordt gedetailleerder door ontwikkelingswerk. Tijdens de ontwikkeling van een mijn is het vaak nodig om in aanzienlijke detail de positie en aard van geologische structuren te bepalen die de ertsverspreiding en -beschikbaarheid beïnvloeden.

Na voldoende gedetailleerde informatie worden diverse combinaties van operationele plannen bestudeerd met behulp van kaarten en profielen. Deze tonen de grootte en vorm van het ertslichaam, ertsamenstellingen en laboratoriumtestresultaten. Uit deze grafische representaties worden de hoeveelheden ertsen en afvalmaterialen bepaald door toepassing van volumengewichtsfactoren. Computers worden algemeen gebruikt voor tonnageschattingen en gedetailleerde mijnbouwplannen. Door deze systemen worden vergelijkende evaluaties van diverse mijnbouwmethoden en plannen gemaakt om het meest gunstige plan voor elke specifieke mijnbouwlocatie te bepalen en de mijnbouw te schematiseren.

Daarom is het noodzakelijk de mijnbouwproductie te plannen om een constante stroom ijzererts te genereren wiens samenstelling consistent dicht bij de doelgraden ligt. Deze behoefte drijft het proces van het ontwikkelen van een exploratieprospect tot een levensvatbaar mijnbouwproject. Omdat de samenstelling van de ertsmijnbouwlocatie vóór mijnbouw slechts grof kan bemonsterd worden, en omdat economische en financiële condities vaak volatiel zijn, is elk mijnbouwplan ten beste tentatief, onderhevig aan herziening in het licht van veranderende kennis over de ertsmijnbouwlocatie naarmate deze progressief wordt blootgelegd tijdens mijnbouwoperaties.

De mijnbouwontwikkeling en -planning stopt niet wanneer de productie begint, vanwege de noodzaak om te reageren op veranderende omstandigheden als gevolg van het onvouwen van kennis over het ertslichaam, gegenereerd door meer boorgaten die meer assays leveren verdeeld over het volume van het ertslichaam tijdens mijnbouw.

De planning, ontwikkeling en exploitatie van een open groefmijn zijn meestal gebaseerd op een rechthoekig blokmodel. Dit blokmodel bestaat uit een set rechthoekige blokken, met afmetingen die overeenkomen met de kleinste wijnbare eenheid, bijvoorbeeld 50 meter vierkant horizontaal bij 10 meter verticaal. Voor elk blok worden schattingen gemaakt van de graad (ijzer, plus elk van de verontreinigingen zoals alumina, silica en fosfor).

Het blokmodel is een evolutief en adaptief informatiesysteem. Het is initieel gebaseerd op interpolatie van gegevens van monsters genomen tijdens exploratieve boringen. Tijdens de ontwikkeling en exploitatie van de mijn wordt het blokmodel continu herzien door invulboringen, gegevens van gatboorgaten voor explosieven, en assays van gemijnbouwde ert na breken en analyseren. Op elk stadium van de exploitatie moeten mijnbouwselectie- en sequentiële beslissingen gebaseerd zijn op de imperfecte blokmodelinformatie die op dat moment beschikbaar is, om ert voor verzending te produceren dat de doelgraad binnen gespecificeerde toleranties matcht.

Open groefmijnbouw

Dagbouwmethoden zijn ontworpen om ert uit oppervlaktemijnbouwlocaties te winnen. Het ertslichaam wordt blootgelegd door een laag aarde af te strepen, soms slechts enkele meters dik. Dit materiaal dat gestript moet worden, heet 'overburden'. Overburden kan bestaan uit ongeconsolideerd materiaal, gesteente, klei, grind en mager ert. De diepte tot waar open groefmijnbouw wordt uitgevoerd, hangt af van de graad van de ert, de aard van de overburden en de stripratio. De stripratio is de hoeveelheid overburden en afval die gehanteerd moet worden per eenheid gemijnbouwde ert. Het wordt beschreven als de eenheid overburden die verwijderd moet worden per eenheid rauwe ert. Stripratio's stijgen met de kwaliteit van de gemijnbouwde ert en kostfactoren gerelateerd aan beneficatie en transport.

De economische stripratio varieert wijd van mijn tot mijn, afhankelijk van diverse factoren. Bij direct verstuurbare ertsen kan het zo hoog zijn als 6:1 of 7:1. Bij laaggradige ert wordt een stripratio van minder dan 1,5:1 vaak als economische limiet beschouwd.

Voor de mijnbouw van ijzererts is het essentieel het mijngebied te ontbloten door eerst de overburden te strippen. De overburden wordt geladen door grote hydraulische schoppen in productievrachtwagens, die het naar contourdumps transporteren. Deze dumps zijn omgevingsgericht ontworpen om de omgeving te matchen.

Bij open groefmijnbouw kan verwijdering van overburden doorgaan gedurende een groot deel van de levensduur van een mijn, naarmate de groefwanden worden teruggesneden om verdieping van de mijn toe te staan voor winning van ert op de bodem. Ongeconsolideerde materialen worden uitgegraven door mechanische schoppen, sleephaken of mechanische scrapers, afhankelijk van lokale omstandigheden. Andere materialen worden doorgaans uitgegraven met mechanische schoppen.

De ert wordt uit grote open groeven gewonnen door progressieve winning langs trappen of berken. De berken bieden toegang tot progressief diepere ert, naarmate ert op hogere niveaus wordt verwijderd. Na opruimen van de grond en overligerend gesteente wordt de ert geboord en ontplofd. Het doel van ontploffing is het blootleggen van het ertslichaam voor winning of het creëren van benaderingen (horizontale gangen) om toegang te krijgen tot het ertslichaam. Ontploffing wordt ook gebruikt om ert te breken.

Borenen ontploffing wordt gedaan om geconsolideerde materialen te breken in afmetingen die gehanteerd kunnen worden door mijnbouwapparatuur en brek- en screenfaciliteiten. Het wordt ook soms gedaan om ertbanken voor mechanische schoppen los te maken om de laadefficiëntie te verhogen.

Het te verwijderen deel van het ertslichaam wordt eerst geboord in een specifiek patroon. De boring wordt uitgevoerd met grote gemotoriseerde boorinstallaties. Het hoofddoel van booroperaties is het creëren van een gat met geschikte diameter, diepte en richting in gesteente voor explosieven voor ontploffingsactiviteiten. Typisch zijn de geboorde ontploffingsgaten 400 mm in diameter en ongeveer 10-12 meter diep. Ongeveer 400 gaten worden geboord in een ontploffingspatroon.

Vóór de ontploffing worden de geboorde gaten gevuld met explosiemengsels. De hoofdvereiste voor een explosief voor mijnbouwontploffing is de vermogen om complete verbranding te bereiken zonder externe zuurstofvoorziening. vroeger bestonden explosieven uit nitroglycerine, koolstofhoudend materiaal en een oxideermiddel. Tegenwoordig zijn de meest voorkomende explosieven mengsels van ammoniumnitraatmeststof en brandstofolie (ANFO). Het explosief wordt ontplofd door een hoge-explosieve ontploffingskap en/of primer. In sommige gevallen worden emulsie- of gelexplosiefcartridges gebruikt.

Na voorbereiding wordt de mijnlocatie van werkers en apparatuur ontruimd, en wordt de ontploffing gedetoneerd. Elk van de gaten wordt met enkele milliseconden interval gedetoneerd, wat resulteert in een stapel rauwe ijzererts die gebroken is tot een formaat van min 2 m x 2 m. De brede gaten in de grond die ontstaan door boren, ontploffen en ertverwijdering worden 'open groeven' genoemd.

Na ontploffing heet het gebarsten ert 'run of mine' (ROM) ert. ROM-ert wordt geladen door enorme elektrische schoppen, hydraulische graafmachines of frontladers op grote dumper, die het naar brek- en screenstations transporteren.

Breken en screenen

Ijzererts van verhandelbare graad moet correct gesizeerd worden vóór laden in de hoogovens. Huidige hoogoventechnologie vereist doorgaans breken en screenen van direct laadbare lump-ert fijnere dan 10 mm en grovere dan 30 mm. De specifieke grootte wordt geselecteerd op basis van de ertskennis en gespecificeerd om hoge stackpermeabiliteit te handhaven en voldoende tijd voor reductie van grover materiaal toe te staan. Gevolgd zijn breken en screenen een integraal onderdeel van ertproducerende faciliteiten.

Veel mijnen hanteren twee tot drie brekstages. Sommige mijnen hebben de primaire breker in de mijn, met transportbanden om het gebroken ert naar secundaire en tertiaire brekers of direct naar de molens te transporteren. De brekstages reduceren het ijzererts van enkele voeten in diameter bij de primaire stage tot zes inch naar een halve of drieachtste inch als eindproduct. Het brekerproduct wordt voorgelegd aan de maling voor verdere grootte-reductie.

Breken omvat doorgaans een primaire kaakbreker met secundaire brekers die in gesloten kringlopen werken met trillingschermen. Apparatuurselectie wordt grotendeels bepaald door de broosheid van de ert. De meeste screenoperaties bij hooggradige ertsen zijn droog, behalve wanneer de fijne fractie effectief geüpgraded kan worden door desliming.

De min 10 mm fijne fractie geproduceerd door breken en screenen wordt meest vaak geagglomereerd door sinteren, of soms gemalen voor pelletiseren.

Het mijnbouwprogramma op individuele mijnen is ontwikkeld om een uniform product te produceren. Hoewel er meerdere hanteringsstappen betrokken zijn in de meeste laad- en verzendsystemen, bieden ze vaak onvoldoende menging om te voldoen aan de kwaliteitsborgingsstandards die nu vereist zijn door staalwerken, met name als zowel grootteconsistentie als chemische standaarden gespecificeerd zijn. Geavanceerde gecombineerde meng- en laadfaciliteiten zijn nu vrijwel universeel aanwezig in ijzerertsmijnen.

Stapelen en herwinnen systemen worden vaak gebruikt. Stapelen resulteert in lagen van ijzererts. Elke opeenvolgende laag vertegenwoordigt een ijzererts dat kan verschillen in grootteconsistentie of chemische samenstelling van aangrenzende lagen. De verlengde hoop wordt opgebouwd tot een hoogte beperkt door de stapelcapaciteit van de stapelmachine. De ert kan dan herwonnen worden voor gebruik door bakwielgraafmachines, frontladers of een scraper-kruistransportband. Verwijdering van ert van het gezicht van de hoop resulteert in een stroom materiaal dat een uniforme mengsel is van ert uit alle lagen. De gemengde ert wordt vervolgens naar klanten verzonden.

De diverse stappen in de mijnbouw zijn weergegeven in Fig 1.

Fig 1 Stappen in open groefmijnbouw van ijzererts

Milieukwesties

Materialen gegenereerd als resultaat van open groefmijnbouw omvatten overburden, afvalgesteente en mijnwater. Overige afvalstoffen kunnen kleine hoeveelheden olie en vet omvatten die tijdens winning zijn gespild. Mijnwater bevat meestal opgeloste of gesuspendeerde bestanddelen vergelijkbaar met die in het ertslichaam zelf. Deze kunnen sporen bevatten van aluminium, antimoon, arseen, beryllium, cadmium, chroom, koper, mangaan, nikkel, selenium, zilver, zwavel, titanium en zink.

Water veroorzaakt diverse problemen in ijzerertsmijnbouwoperaties. Behalve in zeldzame gevallen, zoals heuveltopmijnbouw of mijnbouw onder woestijncondities, moet water verzameld worden in putten, putten of ondergrondse werkingen en uit de mijn gepompt. Dergelijk drainagewater wordt vaak direct gebruikt om waterverliezen in concentratieoperaties te compenseren.