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報告書&レポート

2012年9月13日 川井隆宏*1、上田哲士1、増田信行2、山冨二郎3 金属資源技術部深海底調査課、2:JOGMEC 研究主幹、3:東京大学大学院工学系研究科システム創生学専攻
2012年55号

MassMin 2012 参加報告

 2012年6月11日から14日の4日間にかけて、カナダのSudburyにてMass Miningをテーマとする国際学会MassMin2012が開催された(写真1)。本学会は1982年にアメリカ合衆国のDenverで開催されて以来、南アフリカ共和国のJohannesburg (1992)、オーストラリアのBrisbane (2000)、チリのSantiago (2004)、スウェーデンのLulea (2008)で開催されており、本会議で6回目の開催となり、今回のテーマは「Advancing the State-of-the-Art in Mass Mining」であった。会場となったLaurentian大学は比較的小規模の大学ではあるが、鉱山産業との強いつながりをもっており、カナダにおいて鉱山学(Mining Engineering)を学べる大学の一つである。
 Mass Miningとは、大規模な露天掘・坑内掘採鉱を指し、露天掘であれば1日粗鉱生産量が30,000トン(年間1億トン)以上で、坑内掘であれば1日粗鉱生産量が10,000トン(年間3,300万トン)以上で、石炭鉱山は除外される(Brown 2004)。
 本会議では計86編の論文発表の他、12件の陸上採鉱機械の野外展示(写真2)や38件の鉱山関連の企業ブース(写真3)があった。また、学会最終日には、フィールドトリップがあり、鉱石運搬用ダンプのLHD(Load Haul dump)の遠隔操作技術を手掛けたDr. Greg BaidenがCTOとしてロボット開発に携わっているPenguine Automatic Systems社を訪問し、遠隔操作ロボットを見学した。学会参加者としては世界35カ国から研究者、鉱山会社、機器メーカー、コンサルタント会社等々から950人以上が参加した。鉱山会社は大規模坑内掘鉱山を操業しているCodelco、Rio Tinto、Freeport-McMoRan Copper & Gold、機器メーカーは大型油圧機器を扱うCatapilarなどが参加していた。
 今大会の論文発表の傾向としては、ほとんどが坑内掘のMass Miningに関するもので、実際の鉱山におけるBrock Caving 法やSublevel Caving法の適用事例、新規開発や拡張計画、岩盤力学的研究などの紹介があった。金属採鉱の分野では最近、大規模露天掘の深部化が進み、坑内採掘への移行を検討している鉱山が多くみられる。そのためBlock Caving法、Panel Caving法、Sublevel Caving法などの大規模坑内掘が注目されており、それを裏付けるような論文発表が数多くあった。また、上記以外の話題として、海底鉱物資源や、月の資源開発など、次世代のニューフロンティアに関する講演もあった。
 本稿では本学会で発表された論文等を中心に下記に報告する。

写真1.メイン会場
写真1.メイン会場

写真2.陸上採鉱機械の野外展示
写真2.陸上採鉱機械の野外展示

写真3.鉱山関連の企業ブース
写真3.鉱山関連の企業ブース

1. Caving法における最大粗鉱生産能力と生産計画

1.1. 最大粗鉱生産能力
 Caving法における年間粗鉱生産量の最大能力(MPC: Maximum Production Capacity)は、Block Caving法、Panel Caving法、Sublevel Caving法で共通して以下の計算式で表すことができる(Ovale, 2012)。

 MPC = (W or H) * Vp * γ * RO

 MPC (t/a) = Maximum production capacity
 W (m) = Width of ore body in case of Sublevel Caving
 H (m) = Height of ore body in case of Block Caving or Panel Caving
 Vp (m2/a) = Preparation rate. Preparation of Base in Block Caving and Preparation of Side in Sublevel Caving
 γ (t/m3) = In-situ density of material
 RO (fraction of 1) = Operational recovery

 MPCをコントロールするパラメータのうち鉱体の幅、高さを表すW,Hは、カットオフ品位が変わらない限り最初に設定した数値から変化することはない。また、採鉱対象物の密度γや、鉱石の採鉱実収率ROについては経験に基づき妥当な数値が設定されているため、最初に設定した数値が途中で変わることはない。それゆえプロジェクトが開始された後はMPCをコントロールするパラメータは唯一Vpで表されるPreparation rateだけである。
 Preparation rateはBlock Caving法及びPanel Caving法では、1年間に掘さくできるDraw BellまたはDraw Pointの数を表し、m2/aの単位で示される(注:年間のアンダーカット面積)。
 一方でSLCは1年間に掘さくできるProduction Driveの合計断面積である。
 MPCの計算例としてBlock Caving法、Panel Caving法、Sublevel Caving法における計算例を以下の表に示す。

表1 SLC,PC,BC採鉱のMPC計算例

Parameter unit Kiruna Mine
SLC
Oyu Tolgi Project Panel Caving El Teniente NML
Project
Panel caving
Chuquicamata UG Project Macro-Block caving
Min.H Max.H
 W
 H

 Vp

 Density

 Ro
 MPC
 MPC

 M
 m
 m2/a
 m3/t

 Mt/a

 t/d

 80

 78,400

 4.5

 0.85

 24.0

 66,000

 
 340

 40,000

 2.65

 0.85

 30.6

 84,000

 
 230

 125,000

 2.7

 0.85

 65.7

 180,000

 350

 82,000

 2.7

 0.85

 65.7

 180,000

 217

 103,000

 2.7

 0.85

 51.1

 140,000

(出典:Ovalle, 2012)

1.2. 生産計画の検討
 MPCが求められたら、次はMPCを用いて生産計画について検討することになる。ここでは検討の例として、1,070Mtの鉱体でPC採鉱する場合を想定する。この時のMPCが67Mt/aであれば、鉱体の最短寿命は16年になる。図1で縦軸のMPCと、横軸の最短寿命の交差する点をHinge Pointと呼ぶが、この点は生産計画を決定する際、重要な役割を果たす。
 実際の生産計画を検討する際には、操業初期の生産量がMPCに向けて増えていく拡大段階(ランプアップ,Ramp-up)と、操業末期の縮小段階(ランプダウン,Ramp-down)を考慮する必要がある。この拡大と縮小のスピードが早いか遅いかで生産計画は異なるが、いずれの場合でも、縮小段階の始まりは必ずHinge Pointを通る。
 また、経済性の観点からは、よりランプアップスピードが早い生産計画が経済的であり、逆にHinge Pointに至るまでゆっくり成長するような生産計画は非常に非経済的である。なぜなら初期費用はMPCを考慮して設定されているためである。
 従い、調和的な生産計画は、成長段階と減退段階を足した期間よりも、MPCで採鉱した期間(Steady State Life)が長くなるかまたは同じになるかである(図2)

図1.最短寿命の生産計画

図1.最短寿命の生産計画

(出典:Ovalle, 2012)
図2.調和的な生産計画

図2.調和的な生産計画

(出典:Ovalle, 2012)

2.Caving法による開発計画

 Mass Miningの開発計画としてFreeport-McMoRan Copper & GoldのGrasberg鉱山、Rio Tintoの出資を受けたIvanhoe MinesのOyu Tolgoi鉱山、CodelcoのChuquicamata鉱山について述べる。

2.1.Grasberg鉱山
 Grasberg露天掘鉱山はインドネシア、パプア島西部にあり、約160,000t/dの生産能力を持つ銅鉱山であり、PT Freeport Indonesiaが操業を行っている。この鉱山の露天掘部門は2016年までに閉山し、その後、坑内掘のGrasberg Block Cave(GBC)鉱山への移行が計画されている。GBC鉱山の1日あたりのMPCは160,000t/dで、2022年までの達成を目指している。GBC鉱山の鉱石埋蔵量は約10億トンで、品位はCu 0.98%, Au 0.77g/tである。計画では、Draw Bellの大きさは20m×30mで、700,000m2のフットプリント中に2,400点のDraw Pointを設置する。
 鉱石はディーゼル駆動のLHDによりOrepassに移送され、3台のジャイレトリクラッシャに投入される。破砕された鉱石は、貯鉱場までコンベヤにより運ばれる。
 また、人員資材運搬のために地下に、総延長6㎞の鉄道トンネルが建設される。これらの地下のインフラ設備の建設は2011年から開始され、レールは2012年後半、鉄道ターミナルは2014年中期の完成を目標としている。

図3.GMC鉱山全景レイアウト

図3.GMC鉱山全景レイアウト

(出典:Brannon et al., 2012)

2.2.Oyu Tolgoi鉱山
 Oyu Tolgoi坑内掘鉱山はモンゴルの南ゴビ地域に位置しインフラ設備等の開発段階にある銅鉱山である。採鉱方法はPanel Caving法で、最初のPanel Caving(Lift1を2ブロックにわけてPanel Cavingを実施)に関するF/Sは2012年の第3四半期までに完了する予定である。生産計画は、操業初期の7年間のランプアップ段階を経たのち、最大粗鉱生産能力の約90,000t/dまで拡大するが、操業期間は20年と見込んでいる。2011年末までに直径が6.7mで深さ1,385mまでの立坑などを含むインフラ設備が完成している。

図4. Oyu TolgoiのLift1鉱山レイアウト

図4. Oyu TolgoiのLift1鉱山レイアウト

(出典:Sinuhaji et al., 2012)

2.3.Chuquicamata鉱山
 チリのChuquicamata銅鉱山は100年以上の歴史を持つ露天掘鉱山である。露天掘ピット底から地表まで11kmの運搬距離があるため、一日当たりの鉱石運搬トラックフリートの総移動距離は35,000kmを超える。そのため、運搬費用がかさんできており、Brock Caving法による坑内掘への移行が検討されている。

3.Mass Miningにおける最新技術動向

 Codelcoでは坑内掘採鉱における最大粗鉱生産能力(MPC)を更に高めるための技術開発を試みている。
 Block Caving法による鉱石の運搬には、これまでLHDや鉄道が用いられている。この運搬をより高能率化、低コスト化するために、CodelcoはCatapilarと提携してコンベヤによる連続運搬システムの開発を試みている。
 このシステムでは各Draw Pointの下にMobile-feeder(図5)を設置し、このFeederによりDraw Pointから鉱石を引き抜き,鉱石をコンベヤに移す(図6)。コンベヤに乗った鉱石はサイザータイプの破砕機(図7)に投入され破砕され、破砕後の鉱石は、運搬用のコンベヤを経由して地表へ運ばれる。
 このシステムの初期コンセプトはInca坑内掘鉱山で2007年4月から、2008年12月にかけて運用試験され、LHDの6倍以上の1.8tpd/m2の払出し効率が得られている。2013年の早い時期に、さらに改良を加えた32個のFeederをAndina鉱山に取り付け運用する予定である。

図5. Mobile Feeder (出典:Steinberg et al., 2012)

図5. Mobile Feeder (出典:Steinberg et al., 2012)
図6.コンベヤによる鉱石の運搬イメージ

図6.コンベヤによる鉱石の運搬イメージ

(出典:Steinberg et al., 2012)


図7. サイザータイプの破砕機

図7. サイザータイプの破砕機

(出典:Arancibia et al., 2012)
図8.測量機の作業イメージ

図8.測量機の作業イメージ

(出典:Arancibia et al., 2012)


 また、Codelcoは、現場での作業時間の短縮や、現場作業員のリスク低減を目的とし、危険な現場での測量を遠隔操作で実施することが可能な遠隔操作ロボット(図8)などの導入を試みている。
 この遠隔操作の測量ロボットは、Penguin Automated Systems社で開発されているもので、学会最終日のフィールドトリップで実物を見学することができた。
 ロボットには伸縮可能なアームが装備されており、そのアーム先端にレーザー測量器を取り付け、アームを伸ばし坑道内の任意の場所をスキャンすることで危険な採掘を終了した旧坑内や採掘跡空洞等における測量を可能とし、3Dマップを作製することができる。また、ロボットの移動機構は4対のホイールで、カメラ画像を見ながら左右のホイールに対応したジョイステックで操作するというものである。(写真4,5)

写真4.Penguin社の遠隔操作測量機の試作機

写真4.Penguin社の遠隔操作測量機の試作機

(出典:Arancibia et al., 2012)
写真5.操作盤(奥)と測量された

写真5.操作盤(奥)と測量された

坑内イメージのポスター(手前)


 遠隔操作のための通信には、LHDの通信と同様に、電波を利用しているが、使える波長に限りがあるため、Penguin Automated Systems社では次世代の通信手段として、可視光を用いた通信装置を開発している。この通信装置は、可視光の発信源と受信器が一体となった装置で、2機以上をお互いに向けることにより、双方向で通信することができる。(写真6)
 この通信装置の強みは、電波が使えない水中においても可視光であれば使えること、従来の音波に比べ高速・大容量通信を可能にすることであることから、将来的に海底資源の開発時にも活用が期待できることである。通信可能な距離は、水中で水平距離100m、垂直方向に30m程度であることが試作機の試験で確認されている。

写真6. 可視光による通信機写真    
写真6. 可視光による通信機写真

写真6. 可視光による通信機写真

(左:天井とロボットで通信、右:撮影した映像を光通信で送っている様子)

4.Caving法における重大事故のリスク

 ここではCaving法の坑内掘における重大事故のリスクについて述べる。
 鉱山産業の努力により、坑内掘鉱山における作業時間に遅れを発生させるような事故の割合(LTIF:Lost time injury frequency rate)は年々減少傾向にある。しかしながら、重大事故による死者数については大きな変化はみられない(図9)。死亡者が発生するような重大事故としては、Airblast、Mudrush、Inrushなどがある。

図9. Safety Performance from Ross & Van (2012)

図9. Safety Performance from Ross & Van (2012)

 Airblast(爆風)は過去100年で発生した、死者を伴う事故はUrad鉱山、Northparks鉱山の2例で、死者を伴わない事故についてはSalvador鉱山の1例が公に報告されている。この件数を見ると非常に稀な事故と思われるが、死者が発生しなかったため公にされていないような事故も複数存在し、Airblastの発生確率を少しでもなくすようにリスク管理することは重要である(Ross & Van, 2012)。
 Airblastは坑内掘で大規模崩落が起きた時に、空洞に一気に大量の岩石が落下することによる圧縮空気が突出されることで発生する。そのためリスク管理として、この空洞が発生しないように適切にコントロールしながら採鉱していくことが重要になる。
 MudrushはDraw Pointでの泥水突出のことで1900年から2010年の間に6回の事故により90名の死者がでていることがRio Tintoのリポート(Ludcke, 2011)で報告されている。このデータは死者が1名だけの事故はカウントされていないので実際にはさらに多くの死亡事故が発生している状況である(Ross & Van, 2012)。
 実際、Draw Pointからの泥水突出は操業現場では頻繁に発生している(Ross & Van, 2012)。
 Inrushは洪水や、川、湖、雨水、廃さいダム、埋戻しなどを含むすべての水の出所からの坑内への水の流入のことで、Mudrushも一要素として含まれる。
 Rio Tintoのリポート(Ludcke, 2011)によるとInrushに関連した約100件の事故により、これまで2000名以上の死者が発生しているとのことである。この数値は石炭鉱山での事故もカウントされており、バイアスがかかっているかも知れないが、Caving法ではInrushの危険性は珍しいものではなく、リスク管理が非常に重要であることは間違いないと言える。

5.次世代のニューフロンティア

 これまで坑内掘のMass Miningに関する論文発表を中心に報告した。以下では、次世代のニューフロンティアとしてMassMin2012で講演された内容を述べる。

5.1. 海底鉱物資源
 トロント大学のSteven Scott教授による基調講演で、次世代の鉱物資源の供給源として、海底鉱物資源が紹介された。
 具体的な資源としてメタンハイドレート、コバルトリッチクラスト、マンガン団塊、海底熱水鉱床が挙げられた。また、海底採鉱技術の現状として、ナミビアのダイヤモンド鉱山で稼働する採鉱機、インドネシアの砂錫鉱床で稼働するドレッジャーの紹介の他、海底熱水鉱床開発の先駆的企業であるNautilus Minerals社が、英国のSoil Machine Dynamics社より調達中の海底熱水鉱床用の採鉱機についての紹介があった。
 また、Nautilus Minerals社の最近の動向として、同社HPに2012年6月1日付でプレスリリースされた、パプアニューギニア政府とのトラブルなどについても言及がなされた。

5.2. 月の資源開発
 Shackleton Energy Companyというベンチャー企業が月の資源開発について講演していた。
 宇宙産業の発展に伴い、宇宙での水の需要は増加すると予測されるが、宇宙空間に水を運ぶためには、地球からロケットを打ち上げて輸送する必要があり莫大なコストがかかる。そこで月の極域で存在が確認されている水の開発を目指すとのことである。

おわりに

 はじめに述べたとおりMass Miningは、露天掘であれば、30,000t/d、坑内掘であれば10,000t/d以上の金属採鉱のことである。
 山冨ほか(2008)によると2004年の段階ではMass Miningのほとんどが露天掘であったが、2004年に開催されたMassMin2004において、大規模鉱山での露天掘から坑内掘への転換が報告され始めた。それも、Grasberg、Chuquicamataなどの最大粗鉱生産能力が100,000t/dを超えるような超大型鉱山において、その生産能力を維持したままでの転換が計画され始めたのである。
 このような動きは、大規模露天掘鉱山での採鉱現場の深部化によるコスト増大への対応として必要に迫られての変革ではあるが、近年の採鉱技術の進歩がベースとなった変革であることは間違いないだろう。
 本稿で紹介したCodelcoの鉱石運搬の技術開発検討事例などをみると、坑内掘採鉱における更なる高効率化、低コスト化の技術革新により、今後も坑内掘鉱山全般において、最大粗鉱生産能力は増える傾向が期待される。こうした状況を鑑みるにこの先、超大規模な坑内掘鉱山の時代の到来が予想される。
 一方で、上述のような大規模な露天掘から坑内掘への転換は未だ計画段階にあり、実際の操業に移行したものはない。鉱山開発においては実際に操業してみないとわからないようなことも多いため、このような動きの実現には多くの困難が伴うとして見る向きもある。特に重大事故については坑内掘鉱山の大型化により、一度起きた時の、人的被害、経済的損失もその分大きくなり取り返しがつかなくなるため、事故を発生させない為のリスク管理が、適切に行えるかどうか見極める必要があるだろう。

References

 山冨、村上、増田, 2008.マスマイニングの動向.2008年資源素材学会秋季大会投稿論文.

 Aguayo, A. et al., 2012. Multi-lifts production scheduling at the chuquicamata undergraound project, Proc. of MassMin2012 (Sudbury)

 Arancibia, V. E. et al.,2012. Impact of emergine technologies in the panel caving , Proc. of MassMin2012 (Sudbury)

 Brannon, C. et al., 2012. Design update of the Grasberg block cave mine, Proc. of MassMin2012 (Sudbury)

 Brown, E.T., 2004. Geomechanics: The critical engineering discipline for mass mining, Proc. of MassMin2004 (Santiago), pp. 21−36.

 Ludcke,J., 2011. Report on worldwide underground mining multiple fatalities. Rio Tinto document.

 Ovalle, A. 2012. Mass caving maximum production capacity. , Proc. of MassMin2012 (Sudbury)

 Ross,I.T., and Van, As.A.,2012. Major hazards associated with Block Caving, Proc. of MassMin2012 (Sudbury)

 Scott, S. 2012. Present and future mines on the ocean floor, Proc. of MassMin2012 (Sudbury)

 Sinuhaji, A. et al., 2012. The development of Lift1 mine design at Oyu Tolgoi underground mine, Proc. of MassMin2012 (Sudbury)

 Steinberg, J. et al., 2012. Block cave mine 2020-casestudy on a continuously operated mega mine, Proc. of MassMin2012 (Sudbury)

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