地下金属採掘における主要技術の最近の進歩
地下金属採掘は、開発、採掘場の準備（鉱石の定義と定着）、そして採掘を含む複雑なシステムであり、各段階で発破が不可欠です。そのため、安全かつ効率的な発破を実現することは、鉱山技術者にとって中心的な研究目標です。現在、金属鉱山は浅部採掘から深部採掘へ、容易な採掘条件から困難な採掘条件へ、そして高品位鉱石から低品位鉱石へと、重要な過渡期にあり、理論、技術、設備の両面で新たな課題が生じています。そのため、地下採掘の主要技術の研究は特に重要になっています。現在の進歩は、掘削と発破、資材の輸送と揚重、岩盤補強、ペースト充填、遠隔操作の5つの分野に集中しています。本稿では、各分野における開発と最近の進歩を概説します。
掘削と発破 掘削と発破は金属鉱山における中核技術であり続けていますが、歴史的には弱点にもなっていました。掘削と発破の効率向上は、安全で生産性の高い地下採掘に不可欠です。業界は長年にわたり、手作業による掘削から空気圧式および油圧式の掘削機、そして大型掘削機（回転式掘削機やダウンザホール掘削機を含む）へと進化し、現在では掘削ロボットへと発展を遂げています。単純な機械化から、自動化、知能化、そして環境保護へと進む傾向にあります。
国内外で、様々な地盤条件に適応した多様な掘削リグが開発されている。近年、掘削機材の改良に伴い、一部の国（特に米国とカナダ）では、大規模な露天掘り／発破工法を地下での使用に採用している。セグメント化された中深度ボーリングホールは、場合によっては大口径の段階的深孔に置き換えられ、良好な結果が得られている。例えば、スウェーデンは、高い掘削効率、安全性の向上、汚染の低減を実現するトンネル用ジャンボ掘削機を開発しており、国内では、機動性、掘削、充填作業を統合した完全コンピュータ制御の3アーム式ジャンボ掘削機が開発され、操作が簡単で安全性が高く、コストが削減されている。これらのシステムは、掘削品質と効率を向上させるとともに、労働集約性と運用リスクを軽減し、自動化、インテリジェンス化、環境性能の向上に貢献している。
地下の状況や道路掘削・採掘の要件はそれぞれ異なるため、発破方法も多様化しています。小差圧発破、スクイーズ発破、コンター（平滑面）発破などの技術は広く使用されており、多くの状況で発破結果の向上に役立っています。
発破技術は、精密発破、グリーンブラスト、そしてインテリジェントブラストへと進化しています。精密発破は、精密な孔パターン設計、詳細な爆発エネルギー研究、そして発破シミュレーションモデリングを基盤として、狙い通りの岩石破砕を実現します。グリーンブラストは、従来の爆薬に代わる革新的な燃焼剤を使用することで、有害な発破ガスを排除し、地下の空気質を大幅に改善します。インテリジェントブラストは、スマートな発破設計、インテリジェントな設備、予測振動モデリング、そして未充填孔の自動識別を統合し、インテリジェントな発破システムを構築します。
爆発法に加え、非爆発性の岩盤破砕技術も注目を集めています。中硬岩および軟岩の機械掘削には連続採掘機が使用され、高い生産性と良好な地盤制御条件を実現します。高圧水ジェットや熱破砕といった物理的破砕法は、純粋な機械切削の限界を克服し、粉塵や火花の発生が少なく、作業環境を改善します。しかしながら、高いエネルギー消費量、高コスト、そして深刻な工具摩耗が、広範な導入を阻んでいます。さらに、国内の情報技術やAI技術の開発は他国に比べて遅れており、硬岩の連続採掘に不可欠なインテリジェントシステムは、依然として海外の技術に大きく依存しています。その結果、硬岩鉱床の連続採掘は国内ではまだ広く導入されていません。
材料輸送と巻上げ 輸送・巻上げシステムは地下生産に不可欠であり、採掘プロセスを連続システムに統合し、正常な操業を確保します。鉱石輸送は、手作業から鉄道輸送、そして無軌道（ゴムタイヤ式）輸送へと進化してきました。現在では、1960年代以降の無軌道地下輸送設備の開発と成熟に伴い、無軌道輸送設備が主要輸送手段となり、有軌道輸送システムが副次的な輸送手段となっています。
採掘坑内の短距離運搬には、操作性、信頼性、生産性、機動性に優れたローダーが一般的に使用されます。長距離の坑内運搬には、一般的に運搬トラックが使用されます。これらは海外では広く普及していますが、国内ではあまり普及していません。採掘深度が深くなるにつれて、ホイスト距離が長くなり、ホイスト技術はより大きな課題に直面し、鉱石の揚重コストも上昇します。そのため、深坑における鉱石ホイスト技術の開発はますます重要になっています。全体的な傾向としては、より大規模なシステム、より高い負荷、そしてより高度な自動化が求められています。
深部採掘では、多くの作業において、鉄道輸送、ベルトコンベア、または無軌道ローダーと多段式シャフトホイストが組み合わされています。例えば、南アフリカのTauTona金鉱山では、コンベアまたは無軌道機器によるシャフト間搬送を備えた3段式シャフトホイストシステムが採用されています。従来の開放型ベルトコンベアは構造が単純ですが、粉塵の発生や飛散が発生しやすく、地下の空気を汚染し安全性を低下させます。また、上り坂での性能も劣っています。SiCON社が開発した密閉型設計ソリューションなどの新しい密閉型ベルトコンベアシステムは、飛散や粉塵の発生を防ぎ、3 m/sを超える輸送速度を実現し、最大36°の傾斜にも対応できます。適切な調整を行えば、このようなシステムは深部鉱山における鉱石輸送に有望です。
油圧（水）ホイストは主に深海で使用され、連続運転が可能で自動化が容易なことから、深海鉱山での活用を研究する研究者もいます。しかし、地下で油圧ホイストを適用するには、深海での粉砕（破砕・粉砕）システムが必要となるため、現時点では実用化は困難です。磁気浮上式エレベーターを用いた鉱石ホイストなどの革新的なコンセプトも提案されていますが、更なる詳細な研究が必要です。これらの新しい技術とコンセプトは、鉱山の輸送とホイストに新たな刺激を与え、方法と設備の革新を牽引しています。
岩盤補強 金属鉱山における岩盤補強は、脆弱で、亀裂が入りやすく、応力の大きい地層に重点を置いています。支持システムは、受動支持と能動支持に分類されます。受動支持（木材、石積み、鋼製アーチ）は、岩盤内部の構造を変えることはできず、変形に抵抗するだけです。能動支持は、岩盤を改変してその固有の強度を高めます。例としては、ロックボルトやケーブルボルト、樹脂またはセメントグラウトアンカー、メッシュ付き吹付コンクリート、ボルトと吹付コンクリートおよびメッシュを組み合わせた複合システムなどがあります。これらのうち、セメントグラウトボルトと吹付コンクリートの組み合わせは、金属鉱山における地盤補強の主要手法となっています。
フルレングスボルトとボンドボルトを組み合わせたフルレングスボンドシステムは、定着強度を大幅に向上させ、現場での適用に大きな可能性を示しています。吹付コンクリート技術は、ドライミックス吹付からウェットミックス吹付へと進化し、作業環境の改善と岩盤の剥離の低減を実現しました。吹付コンクリートとロックボルトを組み合わせることで、周囲の岩盤の自由変形を効果的に抑制し、応力を再分散させ、表面剥離や落石を防止します。
機械化と設備の進歩により、近代的なボルト・ショットクリートシステムの導入が加速しています。国際的には、様々なボルトジャンボ、ウェットスプレーリグ、メッシュハンギングマシンが開発されています。国内では、タイヤ式およびキャタピラ式のボルトジャンボ、鉱山グレードのウェットスプレーマシン、双腕式ウェットスプレーコンクリートリグが開発され、効率性の向上、労働強度の低減、安全性の向上を実現し、機械化の進展とインテリジェントな運用に向けた第一歩を踏み出しました。幾度かの技術的改良を経て、岩盤補強は受動的な単支持工法から能動的な複合工法へと移行しており、今後の開発では、安全性と生産性をさらに向上させるために、機械化とインテリジェント化が重視されることが期待されます。
ペースト充填 鉱業に伴う固形廃棄物、水質汚染、大気汚染、そして土地の占有は深刻な環境問題です。ペースト充填採鉱技術と設備は、これらの問題を軽減する有望なアプローチを提供します。ペースト充填は、尾鉱やその他の鉱山固形廃棄物を、飽和した非滲出性の歯磨き粉のような構造スラリーに変換します。このスラリーは、採鉱場や尾鉱堆積場の充填に使用でき、尾鉱貯蔵と採鉱場の空洞化という2つの主要な危険に対処すると同時に、持続可能な採鉱を支援します。
従来の水硬性砂充填法と比較して、ペースト充填法は、成層化、分離、滲出の3つの「ノー」特性を備えています。約2,000平方メートルの敷地に200台以上の機器を擁する産業規模のペースト充填試験プラットフォームが構築され、高精度、包括的な機能、インテリジェントな制御を提供します。このプラットフォームは、全プロセス試験、パラメータ測定、そしてエンジニアリング実務ガイダンスを可能にします。特に、多様な直径、多様な方向、多様な流量に対応するループパイプ試験システムは、多くの従来の方法よりも現場状況をより正確に反映した試験結果を提供します。
ペースト充填プロセスの各段階に共通する理論的基礎はペーストレオロジーです。研究では、理論計算、レオロジー実験、数値シミュレーションを用いてペーストレオロジーの構成モデルに焦点を当て、濃縮、混合、輸送、充填/硬化の4つのプロセス段階にわたるエンジニアリングニーズに対応しています。濃縮では安定したアンダーフロー濃度を実現し、適切なペーストを調製します。混合では均一な材料混合を確保し、パイプラインの流動性と均質な機械的特性をサポートします。輸送ではエネルギー消費量の削減と摩耗の低減を目指します。充填では均一な強度分布と高度な坑井充填および上壁への付着を目指します。これら4つの技術は、ペースト充填における主要な技術的課題に対応しています。安全性、経済性、環境保護、効率性を特徴とするペースト充填技術は、環境に優しい金属鉱山システムにとって重要な技術的柱です。
遠隔制御と自動化 鉱業技術は、手作業から機械化、そして今や自動化とインテリジェント化へと進化してきました。遠隔制御技術は、自動化とインテリジェント化の中核を成す技術であり、現代の鉱業においてかけがえのない役割を果たすでしょう。世界的に見て、遠隔制御は地下鉱山において成熟した技術であり、遠隔掘削制御、遠隔充填制御、遠隔鉱石処理制御などが含まれます。しかしながら、広範な導入は各国の産業および技術の成熟度に依存しており、国内ではまだ本格的な導入には至っていません。
主要な遠隔制御技術は、鉱山環境のリモートセンシング、採掘プロセスの遠隔操作、採掘システムの遠隔ガバナンスという3つの機能に集約されます。これらを組み合わせることで、自動認識・分析、無人操業、遠隔ディスパッチング、自動早期警報、遠隔意思決定が可能になります。完全自律型かつ遠隔管理型の地下金属採掘を実現するには、センシング、通信、制御システム、そしてAIの継続的な開発と統合が不可欠です。
結論 掘削と発破、輸送と巻上げ、岩盤補強、ペースト充填、遠隔操作技術の複合的な進歩は、地下金属採掘を変革しつつあります。機器、材料、プロセス制御、デジタルシステムの進歩は、より安全で効率的、そして持続可能な採掘を促進しています。より深く、より複雑で、より低品位の金属鉱床の課題に対処するには、継続的な研究、現地試験、そしてインテリジェントシステムの統合が不可欠です。
