استخراج مس، کانه مس، معدن مس

لینک دانلود کل 33 صفحه متن و تصاویر

مس از کانه تا فرآورده

مس در طبیعت:
مس در طبیعت به صورت مس خالص، سولفیدی یا اکسیدی موجود است که بیشتر به حالت کانی‌های سولفیدی چون کالکوپیریت، بورنیت و کالکوزیت یافت می‌شود. مس طبیعی در حالت آزاد به‌صورت توده‌های بزرگ یا به شکل ذرات پراکنده در سنگ‌های آذرین در قشر زمین بوجود آمده است. در واقع این نوع مس در طبیعت زیاد نیست و فقط در بعضی نقاط دنیا مانند نواحی دریاچه‌ی «سوپریور» در ایالات متحده‌ی آمریکا، در کشور بولیوی، چین، شیلی و ایران دیده شده‌ است.
عیار چنین مسی اگر به‌صورت توده‌ای باشد، بیش از 92% و اگر به‌صورت ذرات پراکنده باشد در حدود 1.5-1% می باشد.
   مس در طبیعت:
مس در طبیعت به صورت مس خالص، سولفیدی یا اکسیدی موجود است که بیشتر به حالت کانی‌های سولفیدی چون کالکوپیریت، بورنیت و کالکوزیت یافت می‌شود. مقدار درصد مس شامل 0.5% مس در معادن روباز تا 1-2% در معادن زیرزمینی است - فرجی، 1371.
مس طبیعی در حالت آزاد به‌صورت توده‌های بزرگ یا به شکل ذرات پراکنده در سنگ‌های آذرین در قشر زمین بوجود آمده است. در واقع این نوع مس در طبیعت زیاد نیست و فقط در بعضی نقاط دنیا مانند نواحی دریاچه‌ی «سوپریور» در ایالات متحده‌ی آمریکا، در کشور بولیوی، چین، شیلی و ایران دیده شده‌ است.
عیار چنین مسی اگر به‌صورت توده‌ای باشد، بیش از 92% و اگر به‌صورت ذرات پراکنده باشد در حدود 1.5-1% می باشد.
کانه‌های اکسیدی مس بیشتر در قشری از زمین که نزدیک به سطح است، پیدا می شود و در اثر تغییرات جوی و واکنش‌های آرام شیمیایی که در رگه‌های سولفیدی کانه‌دار مس صورت می‌گیرد، بوجود می‌آیند. از طرف دیگر آب‌های طبیعی که حاوی CO2 می باشد، بر روی کانه‌های سولفیدی اثر کرده و بتدریج آن‌ها را به کربنات، اکسید، سولفات و گاهی اوقات آن‌ها را به سیلیکات مس تبدیل می‌کند. کانه‌های سولفیدی مس که مهم‌ترین ماده‌ی اصلی مس را تشکیل می‌دهند، در حدود 95% از محصولات مس دنیا را شامل می‌شوند.
بیشترین تجمعات کانی‌‌زایی مس جهان، در میشیگان و آریزونای آمریکا، آلمان، روسیه و استرالیا دیده می‌شود.  
 
کانی‌زایی آزوریت و مالاکیت       
آثار کانی‌زایی مالاکیت
خصوصیات کانسارهای فلزی:
   کانسارهای فلزی گسترش وسیع و شکل متنوعی دارند. این کانسارها در مقایسه با لایه‌های زغال، سخت‌ترند، بنابراین برای حفر این قبیل موادمعدنی، بایستی از روش آتشباری استفاده کرد.
   کانسارهای فلزی به اشکال مختلف دیده می‌شوند. برخی از آن‌ها لایه‌ای شکلند مانند بعضی از معادن آهن. یکی از عمومی‌ترین اشکال کانسارهای فلزی حالت رگه‌ای است. در چنین حالاتی، ماده‌ی معدنی به‌صورت یک رگه در داخل شکستگی و شکاف سنگ‌های درون‌گیر را پر می‌کند. ضخامت رگه معمولاً ثابت نیست و در قسمت‌های مختلف آن تغییر می‌کند.
   گاهی از اوقات، ماده‌ی معدنی منشا ماگمایی دارد و به‌صورت توده‌ای تجمع می‌یابد. مواد فلزی را به شکل‌های دیگر نیز می‌توان مشاهده کرد.
   یکی از خصوصیات کانسارهای فلزی این است که برخلاف کانسارهای رسوبی، سنگ درون‌گیر ماده‌ی معدنی دقیقاً مشخص نیست، یعنی تغییرات عیار ما در سنگ‌های ناحیه تدریجی است و به‌عبارت دیگر، سنگ درون‌گیر، بتدریج به ماده‌ی معدنی تبدیل می‌شود. در چنین حالاتی، بایستی حدود ماده‌ی معدنی را با اندازه‌گیری‌ مرتب عیار آن در سنگ‌ها، تعیین کرد (مدنی، 1366)

 کانه‌های مس:
   مس در ساختمان بلورین 250 کانی می‌نشیند ولی تنها شماری اندک از آن‌ها از نقطه‌نظر اقتصادی اهمیت دارند. از این میان، شماری از کانی‌ها که فراوان‌ترین کانه‌‌های اصلی مس می‌باشند، از اهمیت ویژه برخوردارند. همانند: کالکوپیریت CuFeS2، کالکوسیت Cu2S، کوولین CuS، بورنیت Cu5FeS4، مس طبیعی Native Copper، مالاکیت Cu2(CO3)(OH)2 و آزوریت Cu3(CO3)2(OH)2.
   برخی دیگر از کانی‌های مس گرچه فراوانند ولی به صورت کانه یا عنصر جنبی در فرآوری و استخراج بدست می‌آیند. همانند تترائدریت Cu12Sb4S13، آنارژیت Cu3AsS4 و بورنونیت CuPbSbS3.
   در فرآیند پیدایش، اکسیداسیون و انباشتگی دوباره‌ی مس کانی‌های مس نظم خاصی می‌گیرند. به‌گونه‌ای که وجود یک کانی می‌تواند مبین وقوع یکی از پدیده‌ها در زون خاص باشد. کانی‌های زون هیپوژن شامل: کالکوپیریت، بورنیت، تترائدریت، بورنونیت، بورونیت و انارژیت بوده که عوامل درونی، فشار و دما سبب پیدایش آن‌ها می‌شود. کانه‌های زون سوپرژن از محلول‌های حاصل از شستشوی کانه‌های هیپوژن بدست می‌آیند. این کانی‌ها عبارتند از کالکوسیت، کوولیت و بورنیت. کانه‌های زون اکسیدی بر اثر اکسیداسیون کانی‌های زون هیپوژن و زون سوپرژن به وجود می‌آیند. این کانی‌ها عبارتند از مالاکیت، آزوریت، کوپریت، تنوریت، مس طبیعی و کریزوکولا.
   لازم به‌ذکر است بعضی از کانی‌ها هم می‌توانند به زون هیپوژن و هم به زون سوپرژن متعلق باشند مثل کالکوسیت و بورنیت (خوئی و همکاران، 1378)

 
فراوان‌ترین کانه‌‌های اصلی مس       
تصویر شماتیک از چگونگی بوجودآمدن ذخایر مس پورفیری
     انواع ذخایر مس:
   1- ذخایر مس پورفیری:
   این ذخایر، کانسارهای استوک‌ورک تا افشان بزرگ و عیار پایین مس هستند که ممکن است دربردارنده‌ی مقادیر ناچیز اما قابل بازیافت مولیبدن، طلا و نقره نیز باشند. این ذخایر معمولاً کانسارهای مس - مولیبدن- یا مس - طلا هستند. ارزش این کانسارهای تابعی از روش‌های معدنکاری حجیم، اعم از روباز و یا درصورت زیرزمینی بودن، استخراج بلوکی است. بیشتر این کانسارها دارای 0.4 تا 1% مس و تناژی تا 1000 میلیون تن هستند.
   عیار و تناژ یک ذخیره، مقدار کل فلز ذخیره را مشخص می‌کند، اما افت پیاپی قیمت مس سبب شده تا در سال‌های اخیر به عیار اهمیت بیشتری داده‌ شود.
   استخراج انتخابی در این معادن، امری ناممکن است و سنگ میزبان، استوک‌ورک و افشان باید یک‌جا استخراج شود و از این راه برخی از بزرگ‌ترین حفره‌های ساخت بشر در پوسته‌ی زمین ایجاد شده است. یک کانسار نمونه‌ی مس پورفیری، توده‌ی نفوذی مرکب، استوانه‌ای و استوک‌مانندی است که رخنمونی کشیده یا نامنظم با ابعادی در حدود 2×1.5 کیلومتر دارد و اغلب، سنگ‌هایی متوسط‌دانه با بافتی همسان‌دانه آن را دربرمی‌گیرد. بخش مرکزی توده‌ی نفوذی که بخش پورفیری آن است، دارای بافت پورفیری است که به یک دوره‌ی سردشدگی سریع اشاره دارد و منجر به تشکیل زمینه‌ی ریزدانه در سنگ می‌شود (مر و همکاران، 1379)


2- ذخایر سولفیدی مس:
   بیشتر این نهشته‌ها در محیط‌های دریایی یا دلتایی غیرآتشفشانی یافت می‌شوند. این نهشته‌ها، از نظر زمانی و مکانی پراکندگی گسترده از پروتروزوئیک تا ترشیاری دارند و تناژ آن‌ها می‌تواند از چندصد میلیون تن تا مقادیر نیمه اقتصادی متغیر باشد. به‌طور کلی از نظر شکل، عدسی‌مانند تا چینه‌سان بوده و درازا در آن‌ها دست‌کم ده برابر پهناست. در بیشتر موارد، بیش از یک لایه‌ی ماده‌ی معدنی وجود دارد.
   عیار بیشتر کانسارهای بهره‌برداری شده یا در دست بهره‌برداری از 1.18 تا 5% مس تغییر می‌کند. اما کانسارهایی با عیار کمتر، پشتوانه ای معتبر هستند. تناژ نیز می‌تواند بسیار زیاد باشد.
   بیشتر کانسارهای اصلی در شیل‌های آهکی احیاشده‌ی پیریتی سرشار از مواد آلی، یا هم‌ارز دگرگونی آنها یافت می‌شوند، اما تقریباً 3/1 باقی‌مانده‌ی آن‌ها در ماسه‌سنگ‌هاست. این سنگ‌های میزبان، در رسوب‌های بی‌اکسیژن‌پارالیک دریایی (یا رسوب‌های دریاچه‌ای شور بزرگ‌مقیاس) یافت می‌شود که بلافاصله بر روی رسوب‌های تخریبی قاره‌ای سرخ و اکسیدشده، واقع است. این‌گونه‌ نهشته‌ها در توالی‌های سنگی، پس از نخستین پیدایش لایه‌های سرخ (2400 میلیون سال) قرار دارند و سن آن‌ها تا امروز می‌رسد. مهم‌ترین و فراوان‌ترین نهشته‌ها در سنگ‌های پروتروزوئیک بالایی و پالئوزوئیک بالایی قرار دارد که در نواحی خشک و نیمه‌خشک محیط‌های کافتی قاره‌ای، حداکثر دارای عرض‌های 20 تا 30 از دیرینه‌استوا تشکیل شده‌اند. در بسیاری مناطق، این سنگ‌ها دارای میان‌لایه‌هایی از سنگ‌های تبخیری است. در مرز اکسایش – کاهش، توالی بالارونده‌ی کانی‌ها در منطقه‌ی مینرالیزه، شامل همه‌ی کانی‌های زیر یا برخی از آن‌هاست:
   هماتیت، مس آزاد، کالکوسیت، بورنیت،‌ کالکوپیریت، گالن، اسفالریت و پیریت(مر و همکاران، 1379)
   
3- ذخایر Stratabound:
   این ذخایر، تولیدکننده‌های اصلی سرب و روی و گاه فلوریت و باریت هستند. در برخی میدان‌های معدنی، به‌ویژه نواحی معدنی ایرلند مرکزی، مس دارای اهمیت است.
   از نظر عیار در تعدادی از معادن جهان، نقره و مس و همین‌طور کادمیم و ژرمانیم، فرآورده‌های جنبی مهمی به‌شمار می‌روند.
   فلزاتی که در نهشته‌های تیپ ماسه‌سنگی به مقدار قابل توجه وجود دارند عبارت‌اند از: اورانیوم، وانادیم، مس، نقره، سلنیم و مولیبدن. یک ذخیره ممکن است دربردارنده‌ی یک یا شماری بیشتر از این فلزها به هر نسبتی باشد، البته به‌جز وانادیم و مس که معمولاً استثناء هستند. مقدار اورانیم، وانادیم و مس به‌گونه‌ای شگفت‌آور در یک ذخیره و نیز میان ذخایر مختلف متغیر است و میزان نوسان عیار برخی کان‌تن‌ها ارایه‌ی یک عدد میانگین کلی را ناممکن می‌سازد (مر و همکاران، 1379)


پی‌جویی و اکتشاف ماده‌ی معدنی:
   از نقطه‌نظر عملیاتی که سبب می‌شود یک کانسار به صورت معدن درآید، می‌توان دو مرحله‌ی مختلف پی‌جویی یا اکتشاف ناحیه‌ای و اکتشاف منطقه‌ای را از یکدیگر متمایز کرد. هدف از عملیات پی‌جویی آن است که با توجه به معیارها و نشانه‌های مختلف و با استفاده از روش‌های پی‌جویی موقعیت کانسار و وضعیت عمومی آن مشخص شود.
   پس از اینکه در نتیجه‌ی فعالیت‌های مرحله‌ی پی‌جویی، مناطق امیدبخش ناحیه مشخص گردید،‌ عملیات اکتشاف منطقه‌ای آغاز می‌گردد. این عملیات در منطقه‌ای که در مقایسه با نواحی مورد پی‌جویی کوچک است،‌ متمرکز می‌شود و بدین ترتیب،‌ انتخاب مرکز عملیات آسان‌تر می‌گردد.
   هدف از اکتشاف منطقه‌ای آن است که اطلاعات کاملی درباره‌ی شکل‌، ابعاد،‌ کیفیت، ذخیره و مشخصات فنی منطقه و وضعیت اجتماعی و به‌طور کلی هر اطلاعاتی که برای منطقه لازم است،‌ فراهم گردد. این اطلاعات باید به‌ اندازه‌ای روشن و کامل باشد که طراحان بتوانند حتی بدون رویت مستقیم منطقه،‌ طرح معدن را تهیه کنند. توجه به وضعیت اجتماعی منطقه و نواحی اطراف آن، مسئله‌ی تامین نیروی انسانی آینده‌ی معدن را ساده‌تر می‌کند.
   یکی از نکات مهمی که بایستی در این مرحله تعیین شود، عمق اکتشاف است. به عبارت دیگر، بایستی مشخص کرد که عملیات اکتشافی تا چه عمقی باید صورت گیرد و به مسائل متعددی از قبیل مشخصات ماده‌ی معدنی، ارزش اقتصادی آن، فن معدن‌کاری، نیاز به ماده‌ی معدنی و مسائل نظیر آن بستگی دارد (مدنی، 1366)


نمایی از دستگاه‌های حفاری اکتشافی
در واقع هدف از اکتشاف منطقه‌ای،‌ بررسی و شناسایی مسائلی است که برای تعیین مشخصات صنعتی یک کانسار لازم است. اولین هدف، تعیین مشخصات کمی و کیفی توده‌ی معدنی و شناسایی شرایط طبیعی و اقتصادی و نحوه‌ی پیدایش آن است. مشخصات کمی کانسار، با داشتن حجم آن تعیین می‌شود و بنابراین در این قسمت، بایستی شکل و ابعاد آن را مشخص کرد.
برای تعیین مشخصات کیفی، نه تنها بایستی ترکیب شیمیایی و کانی‌شناسی توده را در نظر گرفت، بلکه بایستی خواص تکنولوژیکی و عیار آن را نیز مشخص کرد. در واقع مشخصات کیفی و کمی کانسار بایستی در ارتباط با هم مورد مطالعه قرار گیرند.
ضمن اکتشاف منطقه‌ای باید مسائل متعددی نظیر پدیده‌های زمین‌شناسی، معدنی و اقتصادی را درنظر گرفت. مشخصات یک توده‌ی معدنی در مقیاس وسیعی تغییر می‌کند و به‌خصوص این تغییر در مشخصاتی نظیر عیار و شکل بیشتر مشهود است. به‌عنوان مثال، در کانسارهای لایه‌ای تغییرات شدید کمتر دیده می‌شود و حال آنکه در دودکش‌های آتشفشانی، کانسارهای شاخه‌ای شکل و مناطق رگه‌های مرکب، غالباً تغییرات زیادی به چشم می‌خورد. مشخصات کیفی نیز عموماً متغیر است و بعضی اوقات به‌طور ناگهانی از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر تغییر می‌کند و این امر در کانسار فلزات کمیاب و گرانبها بیشتر دیده ‌می‌شود. به‌‌طور کلی تمام روش‌های اکتشافی بر مبنای تعیین این نوع تغییرات استوار است. بدین ترتیب، وظیفه‌ی اصلی متخصصین اکتشاف‌، مطالعه‌ی آن دسته از فرآیندهای زمین‌شناسی است که در کیفیت، شکل،‌ فرم و پیدایش کانی موثر است (مدنی، 1366)


پی‌جویی و اکتشاف مس:
در پی‌جویی ذخایر معدنی مس از تکنیک‌ها و تئوری‌های زمین‌شناسی و ژئوفیزیکی فراوانی استفاده می‌شود. کاربرد قوائد زمین‌شناسی در درجه‌ی نخست اهمیت قرار دارد چرا که هر کار اکتشافی در آغاز بر درک و تجزیه و تحلیل صحیح پیدایش ماده‌ی معدنی و گزینش ناحیه‌ی مناسب اکتشاف استوار است ذخایر بزرگ رسوبی و پورفیری با داشتن زون‌های گسترده‌ی دگرسانی و با توجه به رنگ کانی‌ها و پدیده‌های نمادین کانسار با داده پردازهای ماهواره‌ای به آسانی قابل دسترسی است ولی در صورت پوشیده بودن کانسار در زیر توده‌های بی‌بار گزینش استراتژی اکتشافی برای رسیدن به آن الزامی است. بنابراین اکتشاف باید برپایه‌ی نظریات زمین‌شناسی، ژئوفیزیکی، ژئوشیمیایی و نمونه‌گیری سه بعدی از طریق حفاری باشد (خوئی و همکاران، 1378)
   به‌طور معمول در اکتشاف کانسارهای مس با توجه به تیپ کانی‌سازی می‌توان از داده‌های ژئوفیزیکی هوایی استفاده نمود. برای مثال، کانسارهای نوع ماسیوسولفید را می‌توان مستقیماً با روند الکترو مغناطیس (EM) مشخص نمود. در این حالت محدوده‌ی کانی‌سازی را به‌صورت یک توده‌ی کاملاً رسانا در نقشه‌ی مقاومت ویژه می‌توان مشاهده نمود.
   برای سایر انواع کانی‌سازی مس مانند نوع پورفیری، اسکارن، رگه‌ای که به نوعی مرتبط با توده‌های نفوذی و عوامل ساختاری گسل‌ها یا کنتاکت لایه‌ها می‌باشند، توده‌ی معدنی را به‌طور مستقیم نمی‌توان مشخص نمود، بلکه با استفاده از داده‌های ژئوفیزیک هوایی محل توده‌های نفوذی و گسل‌های عبوری‌ از نزدیکی و یا مرتبط با آن‌ها و نیز نواحی آلتراسیون تعیین گشته و براساس آن‌ها نواحی جهت پی‌جویی معرفی می‌گردند. در حقیقت در این حالت از ژئوفیزیک به‌طور غیرمستقیم برای پی‌جویی و یافتن ذخایر مس استفاده می‌شود (گفتگوی شفاهی با آقای حسن خیرالهی، کارشناس بخش ژئوفیزیک هوایی سازمان زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی کشور، اسفند 1383)  

استخراج مواد معدنی:
استخراج روباز قدیمی‌ترین روش استخراج از معادن است. بیش از دو سوم موادمعدنی جامد جهان به طریق روباز استخراج می‌شوند. اصولاً به‌دلایل فنی و اقتصادی سعی می‌شود که کانسارهای سطحی و بسیاری از کانسارهای نزدیک به سطح، به طریق روباز استخراج شوند. زیرا مزایای معادن روباز، هزینه‌ی کم استخراج، نبود مسائل مربوط به نگهداری، تهویه و روشنایی فضاهای زیرزمینی، استخراج روباز را پرجاذبه می‌سازد.
اغلب معادن سنگ‌های ساختمانی، فلزات کم‌عیار کلیه معادن لیگنیت و پاره‌ای از معادن زغال‌سنگ به طریق روباز استخراج می‌شوند.
در معادن روباز امکان به‌کار انداختن ماشین‌آلات بزرگ و به‌طور کلی مکانیزه کردن عملیات استخراجی آسان‌تر است و بدین وسیله می‌توان هزینه‌های استخراجی را کاهش‌داد. همچنین راندمآن‌هایی که از معادن روباز بدست می‌آید گاهی چندین برابر (تا 20 برابر و بیشتر) معادن زیرزمینی است. به‌عبارت دیگر یک کارگر به ازای یک شیفت کار در یک معدن روباز چندین برابر همکار خود در معادن زیرزمینی تولید می‌کند.
عامل اصلی تعیین ابعاد معدن روباز شکل کانسار است ولی غالباً برای استخراج کامل ماده‌ی معدنی خاک‌برداری لازم می‌شود و بنابراین وسعت معدن عملاً بیش از ابعاد کانسار می‌شود. در کارگاه استخراج معدن روباز مهم‌ترین عامل تعیین کننده‌ی ابعاد معدن، پس از شرایط طبیعی و توپوگرافی، مقدار استخراج روزانه و میزان سرمایه‌گذاری است. عمر معدن روباز مانند معادن زیرزمینی به مقدار ذخیره و محصول بستگی دارد.
متداول‌ترین روش استخراج معادن روباز روش استخراج پله‌ای است. در این روش کانسار را به‌صورت پله پله درآورده و آن‌گاه پله‌ها مورد استخراج قرار می‌دهند
روش استخراج، نوع و محل فضای کارگاه استخراج را تعیین و عملاً ابعاد هندسی فضای لازم را مشخص می‌کند. کارگاه استخراجی منبع اصلی سوددهی یک معدن بوده و به‌همین دلیل با انتخاب صحیح روش استخراج می‌توان به اقتصاد معدن کمک ‌کرد (بصیر، 1371)

استخراج مس:
چرخه‌ی بهره‌برداری مس به‌صورت روباز شامل حفاری، انفجار، بارگیری و حمل ماده‌ی معدنی است. کانه‌های خرد شده و روباره‌ها توسط بیل‌های بزرگ برقی یا دیزلی که در کنار زون سطح فرسایش یافته و عریان‌شده‌ی کانسار به‌کار می‌آیند، بارگیری می‌شوند. خردکننده‌های متحرک مجهز به نوار نقاله در برخی معادن روباز نصب می‌شوند تا ماده‌ی معدنی خرد شده را به کارخانه‌ی مربوطه منتقل کنند که این کار باعث صرفه‌جویی قابل ملاحظه‌ای در هزینه‌هاست. در سال‌های اخیر به‌کارگیری واگن برای حمل و نقل ماده‌ی معدنی کارگاه، به‌دلیل بالا بودن هزینه‌ی نگهداری و طولانی بودن مسیر حمل و نقل که گاه تا چند مایل می‌رسد، منتفی شده است.
روند کلی به سوی بارگیری کامیون‌های حمل و نقل که ظرفیت آن‌ها به 170 تن و بیشتر می‌رسد، سوق داده شده است. فزون بر این عمل سیستم کنترل کامپیوتری حمل و نقل در افزایش بهره‌وری تاثیر بسزایی داشته است.
بخشی درخور توجه از بهره‌برداری مس جهان از طریق روش‌های زیرزمینی است که معمولاً نیروی کار و هزینه‌ی بیشتری از روش روباز را می‌طلبد. مس بهره‌برداری شده از معدن زیرزمینی در کشورهای گروه اقتصادی بازار به 3/84 میلین تن می‌رسد که 52% آن در شیلی است، بیشتر معدن‌کاری‌های زیرزمینی به دو روش غارزنی و تونل‌های تقویت شده صورت می‌گیرد. روش غارزنی نیز خود بر دو نوع است غارزنی به روشSublevel Cewmy و غارزنی به روش Block Caving)خوئی و همکاران، 1378)