حفاری در زمان و مکان
چگونه فناوری، صنعت معدن را دگرگون کرده است؟
در سال ۱۹۵۸ جک کیلبی کارمند تازه‌کار در تگزاس اینسترومنتز به دنبال راهی برای به حداقل رساندن اندازه تولیدات الکتریکی در شرکت بود. نبوغ او در یکی کردن ترانزیستورها، مقاومت‌ها و خازن‌ها در یک تکه ژرمانیوم در نهایت منجر به ایجاد مدارهای مجتمع شد که می‌تواند در خودرو، کامپیوتر، موبایل و تلفن استفاده شود. به طور خلاصه نسل اول صنعت از آب و بخار آب برای تولید استفاده می‌کرد. نسل دوم از انرژی برق برای تولید انبوه استفاده می‌کرد. نسل سوم از الکترونیک و فناوری اطلاعات برای اتوماسیون تولید استفاده می‌کرد. اکنون نسل چهارم در حال ادامه نسل سوم است، که ادامه انقلاب دیجیتالی است که از میانه نسل قبل شروع شده است. مشخصات آن به وسیله همجوشی تکنولوژی‌هایی است که خط بین فیزیک، دیجیتال و بیولوژی را طی می‌کند. معدن، هم از این اشاعه علم بی‌بهره نمانده و روزبه‌روز بر تحولات خود افزوده است. بی‌شک مردان و زنانی که در دوران انقلاب بزرگ صنعتی زیسته‌اند، در تخیل خود نیز نمی‌توانستند این تحولات را متصور شوند. در این یادداشت به برخی از حوزه‌هایی که فناوری به صنعت معدن ورود کرده است می‌پردازیم. در ابتدا از چالش‌های این صنعت و ضرورت ورود علم روز به این حوزه خواهیم گفت. حادثه معدن شیلی در سال ۲۰۱۰ بار دیگر باعث شد که موضوع صنعت معدن در معرض افکار عمومی قرارگیرد. این حادثه نشان داد هنوز هم ذاتاً مشاغل خطرناکی وجود دارد که برای اقتصاد ملی و جهانی ما حیاتی است. در حالی که طی ۳۰-۲۵سال گذشته، مقررات ایمنی بی‌شماری اجرا شده است، به دلایل متعددی، هنوز استخراج از معادن همچنان یکی از خطرناک‌ترین مشاغل است. شایع‌ترین تهدید معدن‌کارانی که در معادن زیرزمینی کار می‌کنند فروریختن تونل‌های معادن است که می‌تواند به دلیل موارد زیر رخ دهد. انفجار نیز تهدید دیگری برای کارکنان این صنعت است. انفجارهای گاز متان زمانی اتفاق می‌افتد که معدن تهویه خوبی نداشته باشد. گاز جمع‌شده در تماس با یک منبع حرارتی منفجر می‌شود. اگرچه انفجارهای گردوغبار زغال کمتر رایج است، اما بسیار گسترده‌تر از انفجارهای متان است و غالباً پس از انفجار گازهای متان آغاز می‌شود. فشار ایجادشده در اثر انفجار کوچک متان هم می‌تواند گردوغبار زغال‌سنگ را در هوا پراکنده کند. هنگامی که گردوغبار مشتعل شد، شعله حاصل می‌تواند به سرعت گسترش یابد و علاوه بر تمام کردن اکسیژن و تمام سوخت موجود، مقدار زیادی گاز سمی نیز تولید کند.
از سوی دیگر روان‌آب‌های سطحی کنترل‌نشده ناشی از بارندگی‌های شدید یا جاری شدن سیلاب می‌تواند به سرعت باعث آب‌گرفتگی معادن شده و ثبات ساختارهای معدن را به خطر اندازد. در نتیجه منجر به فروریختن‌های مرگباری می‌شود که هم برای افراد درون معدن و هم برای افرادی که در بالای زمین هستند و به داخل معدن سقوط می‌کنند خطرناک و مرگبار است. نشست‌های شیمیایی نیز بحران دیگر این شغل است. در معادن از چندین ماده شیمیایی برای نگهداری سنگ‌های معدنی حفرشده استفاده می‌کنند تا بتوانند آنها را از حالت طبیعی به وضعیتی تبدیل کنند تا مورد استفاده تجاری قرار گیرند. اکنون تکنولوژی در خدمت صنعت معدن است که علاوه بر بهینه کردن این صنعت، از افراد و تجهیزات نیز حراست کند.
نقش پهپادها در صنعت معدن
نخستین نقش و به عبارتی پررنگ‌ترین نقش در صنعت معدن بر دوش پهپادها یا هواپیماهای بدون سرنشین است. یکی از کاربردهای پهپاد حضور در جاهایی است که ممکن است برای انسان خطرآفرین باشد. برای مثال از پهپادها برای تعیین زاویه پایداری شیب دیواره معدن استفاده می‌شود. این عملکرد کمک می‌کند که زوایای دیواری معدن به طوری انتخاب شوند که در فرآیندهای پیش از استخراج ماده معدنی، حداقل تلفات ایجاد شود. استفاده از پهپاد در این عملکرد باعث می‌شود که ریسک ارسال یک زمین‌شناس به جایی که خطرات احتمالی زیادی به همراه دارد، از بین برود. از دیگر کاربردهای پهپاد در صنعت معدن می‌توان به بازرسی جاهایی که برای انسان ناامن است، پاکسازی محل انفجار، تصویربرداری سه‌بعدی و تصویربرداری زنده از فرآیندها اشاره کرد. کاربرد پهپاد در اکتشاف معدن یا ایمنی معدن در حال گسترش است، و حاکی از آن است که توانایی پرواز در این صنعت، به سرعت و با موفقیت در حال پیشرفت است. استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین برای استخراج، باعث غلبه بر برخی چالش‌های اساسی شده است. زمین ناپایدار، سقوط سنگ‌ها و مشاهده موانع کار در اطراف، نه‌تنها پایین رفتن و ترسیم معدن را برای شخص دشوار و خطرناک می‌کند، بلکه می‌تواند از کار بیشتر هواپیماهای بدون سرنشین در سطح پایین نیز جلوگیری کند. یک ضربه سطح سخت می‌تواند پروانه پهپاد را شکسته و آن را زمین‌گیر کند.
مزیتی که پهپاد جدید الیوس (Elios Drone) دارد آن است که مجهز به قاب محافظ فیبر کربن یا قفس دوار است که از پروانه‌ها، دوربین و بدنه هواپیماهای بدون سرنشین در برابر آسیب محافظت می‌کند و همچنین هنگام برخورد، آن را در هوا ثابت نگه می‌دارد. این پهپاد قبلاً با موفقیت برای کاوش در معدن پالادیوم لاک د ایلز (Lac des Iles) آمریکای شمالی در انتاریو کانادا مورد استفاده قرار گرفته است. اما تکنولوژی پهپاد فراتر از نقشه‌برداری است، عکس‌های هوایی و ویدئوهای تهیه‌شده بر این اساس می‌توانند در طیف وسیعی از کارد مورد استفاده قرار گیرند. بدیهی است که معدن‌کاری فعالیتی خطرناک است. متاسفانه دسترسی به موقعیت منابع معدنی با موانع و مشکلاتی همراه است. معمولاً معادن در نقاط دورافتاده و صعب‌العبور قرار دارند و خصوصاً در مراحل اولیه فعالیت معدن‌کاری و اکتشاف دسترسی به این مناطق بسیار دشوار است. اما با استفاده از پهپاد تا حد زیادی می‌توان از مخاطرات این مرحله دوری کرد. به عنوان نمونه، در مرحله اکتشاف می‌توان نقشه‌برداری و برداشت تصاویر باکیفیت را با استفاده از پهپاد انجام داد و تیم فنی را از خطرات احتمالی دور نگه داشت. با استفاده از این فناوری در صنعت معدن‌کاری می‌توان از راه دور شناخت خوبی از موقعیت فعالیت، اجرا و گسترش پروژه بدون نیاز به روبه‌رو شدن با مخاطراتی نظیر زمین‌لغزش به دست آورد. همچنین اگر شرایط اضطراری یا مسائل دیگر در طول پروژه به وجود آیند می‌توان با استفاده از پهپاد به این مناطق دسترسی داشت. به این طریق می‌توان بدون نیاز به حضور در محیط خطر، با داشتن اطلاعات کافی از شرایط، بهترین و سریع‌ترین تصمیم را اتخاذ کرد. تقریباً حدود یک‌سوم از هزینه‌های استخراج به منظور عملیات حفاری و آتشباری صرف می‌شود. با استفاده از پهپاد می‌توان این بخش از عملیات معدن‌کاری را تا حد زیادی بهینه‌سازی کرد. اطلاعات به‌دست‌آمده از تصاویر برداشت‌شده با استفاده از پهپاد این امکان را فراهم می‌سازد که بتوان پارامترهای مختلف پله‌های معدن را قبل از انجام عملیات حفاری و آتشباری مورد ارزیابی قرار داد. ایجاد توازن و تعادل بین مقدار مواد منفجره و سنگ در زمان انفجار کار ساده‌ای نیست. با کمک گرفتن از تصاویر دقیق و نقشه‌های برداشت‌شده با استفاده از پهپاد، امکان تعیین نسبت بهینه مواد ناریه به سنگ فراهم می‌شود. قبل از انجام انفجار، با استفاده از تصاویر موقعیت‌دار برداشت‌شده توسط پهپاد، این امکان برای مهندسین معدن و آتشباری فراهم می‌شود که از حفر چاله در موقعیت‌های از پیش طراحی‌شده اطمینان خاطر کسب کنند. تصاویر و ویدئوهای برداشت‌شده پس از اجرای عملیات انفجار، تحلیل خردشدگی سنگ را تسهیل می‌کند. مدیریت دامپ‌های باطله و ماده معدنی تعیین موقعیت، طراحی، پیاده‌سازی و در ادامه مدیریت دامپ‌های باطله و ماده معدنی یکی از مراحل دشوار عملیات معدن‌کاری است. تا قبل استفاده از پهپادها، بخش‌های مختلف این عملیات با کمک تیم نقشه‌برداری زمینی انجام می‌شد که خطرات و حوادث زیادی را دربرداشت. از طرف دیگر، در نقشه‌برداری با پهپاد، نیازی به حضور نقشه‌بردار در محل دپوها نیست و این مهم باعث می‌شود که ضمن انجام نقشه‌برداری دپوها و محاسبه احجام، عملیات معدن‌کاری بدون وقفه ادامه یابد. با استفاده از تکنولوژی پهپاد، عملیات نقشه‌برداری و دپومتری می‌تواند به صورت یک برنامه زمان‌بندی‌شده منظم انجام شود و با این روش امکان به‌روزرسانی دقیق اطلاعات مربوط به احجام برای تیم عملیاتی و مدیریتی میسر می‌شود. برای بارگیری و حمل‌ونقل با استفاده از تکنولوژی پهپاد و محاسبه و بررسی پارامترهایی نظیر اندازه‌گیری احجام استخراجی، نظارت بر ارتفاع پله‌ها و همچنین تولید مدل‌های دیجیتالی شبکه راه‌های معدن می‌توان روند بارگیری و حمل‌ونقل در معدن را اصلاح و بهینه کرد. در بررسی‌های زیست‌محیطی با انجام برداشت‌های منظم و در اختیار داشتن داده‌های هوایی به‌دست‌آمده از این برداشت‌ها، می‌توان با اطمینان خاطر از رعایت مقررات زیست‌محیطی، عملیات معدن‌کاری را ادامه داد. با استفاده از تکنولوژی پهپاد به راحتی می‌توان کاربری بخش‌های مختلف محدوده معدنی و مناطق پیرامونی را به صورت مستمر مورد ارزیابی و نظارت قرار داد و هرگونه تخلف یا تعدی به حریم دارایی‌های معدن و یا بروز مشکلات زیست‌محیطی را به سرعت شناسایی کرد. نظارت و پایش بهنگام تجهیزات و دارایی‌ها به منظور حفظ کیفیت در بالاترین سطح و داشتن درک و شناخت صحیح از دارایی‌ها می‌تواند به عنوان یک چالش مطرح باشد. با کمک گرفتن از فناوری پهپاد، به‌جز پایش بهنگام تجهیزات و دپوها، می‌توان از وضعیت عملیات استخراج معدن نیز اطلاعات و دانش خوبی کسب کرد. به عبارت دیگر، می‌توان چندین فرآیند متفاوت را به سادگی انجام داد. به‌جز اینکه اطلاعات ذخیره‌شده از این طریق بسیار دقیق است، با انجام پروازهای روزانه و مکرر می‌توان اطلاعات به‌روز تمامی بخش‌ها و زوایای سایت را به منظور تجزیه‌وتحلیل سیستم در اختیار داشت. با توجه به استفاده از چندین پیمانکار فرعی در پروژه‌های معدنی، مدیریت زمان و منابع بین آنها بسیار مهم است. با استفاده از داده‌های پهپادی می‌توان به بهترین نحو در مورد تخصیص زمان مناسب برای انجام فعالیت‌های هر کدام از پیمانکاران فرعی تصمیم‌گیری کرد. با توجه به ویژگی‌های پروژه‌های معدنی، تاخیر در عملکرد هر یک از این پیمانکاران می‌تواند بر عملکرد سایر پیمانکاران و در نهایت پیشرفت کلی پروژه تاثیرگذار باشد.
صنعت معدن و تکنولوژی انفجار
استخراج سنگ‌ها معمولاً توسط معدنچیان با حفر سوراخ در سنگ انجام می‌شود. سپس آن سوراخ‌ها را با مواد منفجره پر می‌کنند تا سنگ‌های موجود در سطح و زیر زمین برای استخراج از همدیگر جدا شوند. عمل انفجار برای معادن زیرزمینی خطر آتش‌سوزی در پی دارد و همچنین به طور بالقوه باعث بی‌ثباتی و ریزش معدن می‌شود. پیشرفت‌های جدید در مورد مواد منفجره میکرو که همراه با زمان‌بندی و طراحی به کمک رایانه استفاده می‌شود، در کاهش خطرات ناشی از انفجار بسیار امیدوارکننده است. استفاده از مواد منفجره میکرو در کنترل اندازه قطعات کنده‌شده در کاهش هزینه، زمان و انرژی مورد نیاز برای خرد کردن و آسیاب کردن پایین‌دستی موثر بوده است.
روبات‌ها در خدمت صنعت
روباتیک می‌تواند مزیت‌های فراوانی در فرآیندهای حفاری و استخراج ایجاد کند. مفهوم سیستم پیوسته معدن همگام با تکنولوژی روباتیک رشد خواهد کرد و شاهد بیشترین استخراج در کوتاه‌ترین زمان ممکن خواهیم بود. برای مثال هزاران معدن زیرآب‌رفته در اروپا وجود دارد که می‌تواند ارزش صنعتی داشته باشد. اما چگونه می‌توان با ارزش بودن آنها یا تشکیل معادن جدید زیر آب را تشخیص داد؟ روبات کاوشگر معدن که پروژه‌ای با سرمایه‌گذاری اتحادیه اروپاست می‌تواند در این زمینه کارآمد باشد. برای مثال یک معدن پگماتیت (نوعی سنگ آذرین) در فنلاند در دهه ۶۰ میلادی تعطیل شد و به زیر آب رفت. امروزه دریاچه بالای این معدن مکانی برای جذب غواصان شده است؛ افرادی که شجاعت گشتن در غارهای تودرتوی معدن زیر آب را دارند. از سوی دیگر آزمایش پروژه تحقیقاتی روبات کاوشگر معدن
(UNEXMIN) نیز در همین مکان صورت می‌گیرد. این پروژه نتیجه تلاش تیمی بین‌المللی با سرمایه‌گذاری اتحادیه اروپاست. دانشمندان این پروژه روباتی کوچک و کره‌ای‌شکل با قطر ۶۰ سانتیمتر را با آخرین فناوری‌های روز همراه کرده‌اند. روباتی که در برابر فشار ۵۰۰متری عمق آب هم مقاوم است. یک دکل حفاری خودکار برای حفر سنگ‌های سخت، راه‌حل موثری برای جابه‌جایی سریع دکل به شرکت‌های معدن‌کار ارائه می‌دهد. در حال حاضر انواع مختلفی از دکل‌های خودکار در حال توسعه است، اما امیدوارکننده‌ترین آنها دکل‌های حفاری با باتری است که قادر به اجرای الگوهای حفاری انفجاری با سرعت و دقت بیشتری نسبت به انسان یا سایر تجهیزاتی که توسط انسان اداره می‌شوند، هستند. دکل‌های حفاری باتری‌دار، برخلاف نمونه‌های دیزلی یا گازی آنها، بخارهای مضر اگزوز تولید نمی‌کنند و نیز در کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری موثر بوده و اگر مجهز به شارژرهای سریع یا باتری‌های قابل تعویض باشند، نیاز به عملیات‌های طولانی‌مدت در استخراج معدن را برآورده می‌کنند. دکل‌های حفاری خودکار علاوه بر کارایی بسیار زیاد در الگوهای حفاری توام با انفجار، می‌توانند به جدیدترین پیشرفت‌ها در تیغه‌های برش‌دهنده یا آماده‌سازی پیش‌شرط‌هایی که برش سنگ را آسان‌تر می‌کنند مجهز شوند. این فناوری‌ها شامل تهیه پیش‌شرط‌های سنگ برای حفاری با جت‌های آب، محرک‌های حرارتی و انفجاری و همچنین سایر فناوری‌های در حال توسعه برای تضعیف سنگ است. روباتیک و اتوماسیون از آنجا که به طور مستقیم به هوش مصنوعی مرتبط است، یک حوزه جذاب برای نوآوری در صنعت معدن است. در یک نظرسنجی انجام‌شده توسط Mining IQ، ۷۷ درصد متخصصان معدن اتوماسیون را یک اولویت اصلی دانسته‌اند و ۴۰ درصد آنها بر اینکه این موضوعات در وضع کنونی از همیشه اهمیت بیشتری پیدا کرده است، تاکید کرده‌اند.
استقبال از حامل‌های سنگ معدن خودران
برای دور ماندن مردم از خطرات موجود در مناطق کاری، با استفاده از همان نوع فناوری اتوماسیون که در سایر وسایل نقلیه خودران دیده می‌شود، می‌توان از وسایل انتقال سنگ معدن مانند تسمه‌های نقاله موجود در سطح زمین یا زیر زمین که قادر به کار ۲۴ساعته هستند استفاده کرد. ارتفاع بعضی از این حامل‌های سنگ معدن سطحی بیش از سه طبقه است و با برنامه‌ریزی اتوماسیون به طور موثری کار می‌کنند. حامل‌های سنگ زیرزمینی با اسکنرهای راداری و لیزری مجهز شده‌اند که به آنها امکان می‌دهد در تاریکی از مناطقی عبور کنند که دارای خطرات تنفسی هستند. پیشرفت در فناوری باتری منجر به توسعه وسایل نقلیه الکتریکی باتری‌دار (BEVs- Battery Electric Vehicles) باعث شده استخراج هم در سطح و هم در زیرزمین ساده‌ترشود. ماشین‌ها و تجهیزات الکترونیکی و خودران بر معدن تاثیرگذار خواهند بود. بنابر مطالعات صورت‌گرفته تا سال ۲۰۲۸ بازار مربوط به این تجهیزات ارزشی ۱۵ میلیارددلاری خواهد داشت. دستیابی به کاهش مصرف سوخت، کارایی بیشتر و بهره‌وری بالاتر رقابت برای نوآوری در این حوزه را داغ خواهد کرد. تا همین الان معادنی که به تکنولوژی روی خوش نشان داده‌اند، توانسته‌اند یک افزایش بهره‌وری ۳۰درصدی را تنها از طریق سیستم‌های ترابری خودران تجربه کنند. برقی شدن ماشین‌ها نیز به کاهش ۲۰ تا ۲۵درصدی هزینه‌های تهویه و خنک‌سازی آنها کمک می‌کند.
صنعت دیجیتال و جهان معدن
دیجیتالی شدن، کاتالیزوری است که کمک می‌کند عملیات‌های معدن هوشمندتر شوند. این کار با استفاده از ابزارها و فرآیندهای دیجیتالی که عملیات‌ها را دقیق، تعاملی و هوشمند می‌کنند، اتفاق می‌افتد. برای مثال اصلاح اشکالات فرآوری معدنی همواره پس از بروز آنها اتفاق می‌افتد اما با دسترسی به سیستم‌ها و نرم‌افزارهای دیجیتالی که به سرعت امکان بروز اشکال را نمایان می‌کنند، پیش از بروز اشکال از وقوع آن جلوگیری خواهد شد. سیستم‌های پیشرفته کنترل دیجیتال امکان نظارت مستمر و شبیه‌سازی‌های مجازی را در کنار دیگر ظرفیت‌های متمایزکننده، به وجود خواهد آورد. تحول دیجیتال می‌تواند منجر به ایجاد معدنی تمام اتوماتیک شود که تمام اجزای آن به یکدیگر متصل هستند و به صورت هماهنگ با هم کار می‌کنند. طراحی معادن برای دستیابی به اتوماسیون از اساس متفاوت خواهد شد و به جای روش‌های متفاوت کنونی، راهکارهایی یکپارچه مورد استفاده قرار خواهند گرفت که با شرایط معادن مختلف قابل تطبیق هستند. از همه مهم‌تر اینکه جریان اطلاعات در اختیار متخصصان قرار خواهد داشت تا در هر لحظه بهترین تصمیم‌ها را اتخاذ کنند. تحول دیجیتال کمک می‌کند که تلفات و مصدومیت‌های مربوط به معدن به حداقل برسد. همچنین کاهش قابل توجهی در سرمایه درگیر و هزینه‌های اجرایی خواهد داشت. منابع جدید معدنی که تاکنون امکان استخراج آنها وجود نداشته است، در دسترس قرار خواهند گرفت و آثار زیرمحیطی کمتری از فعالیت‌های معدنی برجای خواهد ماند. مدیران با استفاده از اینترنت اشیای صنعتی و تحلیل داده می‌توانند عملیات انتقال مواد معدنی را با کارایی بیشتری انجام دهند. این عمل از طریق مشخص کردن زمان و دفعات بهینه بارگیری هر کامیون انجام می‌شود که کمک می‌کند مصرف سوخت حداقل شود و هزینه‌های نگهداری و تعمیرات نیز کاهش یابد. حرکت به سمت فناوری ابری تا امروز توانسته بسیاری از صنایع را متحول کند، معدن نیز از این تاثیر مستثنی نیست. فناوری ابری امکان ایجاد پلت فورم یکپارچه فناوری اطلاعات را فراهم می‌کند. چنین پلت فورمی امکان نظارت و کنترل عملیات در سطوح مختلف کسب‌وکار را ایجاد می‌کند. همچنین استفاده از دستگاه‌های متصل به کلود، سطح هماهنگی بین نیروی انسانی را ارتقا داده و موجب بهره‌وری بیشتر در بسیاری از فعالیت‌ها می‌شود. به علاوه اینکه سرویس‌های امنیتی و زیرساختی به کلود منتقل می‌شوند تا ضمن کاهش هزینه‌ها، توان بیشتری در این زمینه‌ها ایجاد شود.
هر عملیاتی که در معدن انجام می‌شود، با تصمیمات حیاتی متعددی مواجه است. هوش مصنوعی بر اساس داده‌هایی که از تجهیزات مختلف گردآوری می‌کند به فرآیند تصمیم‌گیری و حل مساله کمک می‌کند. هوش مصنوعی از توان بالای پردازش کامپیوتری در کنار شبکه‌ای گسترده از سیستم‌های معدن، سنسورها، روبات‌ها و منابع داده برای ارائه یک تصویر لحظه به لحظه از وضعیت فعالیت‌ها استفاده می‌کند. این تصویر تمام اطلاعاتی را که تصمیم‌گیران نیاز دارند در اختیارشان قرار می‌دهد تا تصمیمی را اتخاذ کنند که ایمنی و بهره‌وری بیشتر عملیات را به دنبال داشته باشد.
