اهمیت مطالعات ژئومتالورژیکی در زنجیره ارزش مواد معدنی

نیما کریم*- ژئومتالورژی یک روش مطالعاتی با تلفیق اطلاعات زمین‌شناسی، کانی‌شناسی، استخراجی، اقتصادی، زیست‌محیطی و متالورژیکی با هدف تهیه یک مدل فضایی بهینه برای مدیریت تولید در معادن تعریف می‌شود. با توجه به پیچیدگی کانسارهای معدنی از نظر تنوع و توزیع عیار فلز، الزامات سختگیرانه زیست‌محیطی از معدن تا کارخانه و نوسان‌های زیادی که در قیمت مواد معدنی وجود دارد، تقاضا برای ژئومتالورژی و شناخت زنجیره ارزش مواد معدنی در فرآیند بهره‌برداری معدن در حال افزایش است. اساس توسعه مدل‌های ژئومتالورژی بر مبنای مدل‌های پیش‌بینی است که از مرحله اکتشاف معدن با شناسایی کانسار شروع شده و می‌تواند در تعیین محدوده نهایی پیت و برنامه‌ریزی تولید معادن و نیز طراحی دامپ‌های باطله معادن روباز موثر واقع شود. در حقیقت توسعه این مدل‌ها، باعث کاهش ریسک عملیات و افزایش ارزش فعلی خالص پروژه خواهد شد.
مفهوم ژئومتالورژی از سال ۲۰۱۱ بیشتر مورد توجه محققان قرار گرفته است و به دلیل نقش آن در بهبود متغیرهای توسعه پایدار، کاهش مصرف انرژی و آب، افزایش بهره‌وری، کاهش خرابی تجهیزات و ماشین‌آلات، افزایش میزان استخراج کانسنگ، افزایش راندمان تولید محصول در کارخانه‌های فرآوری مواد معدنی، کاهش مصرف مواد شیمیایی در کارخانه‌های فرآوری، شناسایی رفتار باطله‌ها، کاهش تولید، سهولت در مدیریت آن و کاهش تخریب محیط‌زیست، مورد استقبال قرار گرفته است.
امروزه، در بخش استخراج معدن، بهینه‌سازی و طراحی معادن روباز باید در راستای شاخص‌های توسعه پایدار قرار داشته باشد تا ارزش پروژه معدنی از نظر اقتصادی، زیست‌محیطی و اجتماعی مورد سنجش قرار گیرد و محدوده‌ای به عنوان محدوده بهینه انتخاب شود که فاکتورهای معدنکاری پایدار را با کمترین عدم قطعیت در نظر گرفته باشد. به طور کلی ژئومتالورژی از شروع زنجیره ارزش ماده معدنی در مرحله زمین‌شناسی تا تولید محصول نهایی، مدیریت باطله‌های معدن و کارخانه، بستن و بازسازی معدن نقش دارد.
محدودیت در منابع و حجم سرمایه‌گذاری زیاد، پیچیدگی‌های زمین‌شناسی شامل هندسه کانسار و قرارگیری آنها در اعماق زیاد، عیارهای کم کانسنگ به خصوص فلزات، تغییرپذیری کیفیت کانسنگ به دلیل پیچیدگی‌های بافت سنگ‌ها، افزایش هزینه‌های انرژی، تغییر در خصوصیات مکانیکی توده سنگ شامل سختی، سایش، مقاومت، قابلیت خردایش، تولید انبوه کانسنگ و باطله‌های معدنی همراه آن به شیوه استخراج معادن سطحی و شیوه دفن آنها، آلایندگی باطله‌ها، پتانسیل تولید زهاب‌های اسیدی و غیراسیدی، نگهداری باطله‌های کارخانه فرآوری و مونیتورینگ سدهای باطله، نوسان قیمت فلزات، قوانین سختگیرانه محیط‌زیست و مساله چگونگی بستن معادن روباز از جمله مهم‌ترین ریسک‌های صنعت معدنکاری مدرن به شمار می‌آید که یکی از اهداف ژئومتالورژی کاهش ریسک در بخش‌های مختلف آن شامل زمین‌شناسی، اکتشاف و استخراج معدن است تا مدل سازی، طراحی و بهینه سازی محدوده نهایی معادن روباز با حداکثر سود و در راستای معدنکاری پایدار باشد.
مطالعات انجام‌شده روی ۱۰۵ پروژه معدنی در سال ۲۰۰۳ نشان می‌دهد که ۵۶ درصد ریسک‌های فنی به دلیل عدم قطعیت زمین‌شناسی، تخمین ذخیره و طراحی و برنامه‌ریزی تولید، ۱۵ درصد ناشی از آنالیز نمونه‌ها و آزمایش‌های فرآوری و متالورژیکی و ۱۲ درصد ناشی از طراحی کارخانه فرآوری و انتخاب تجهیزات بوده است. همچنین ۳۲ درصد مشکلات عملیاتی معادن ناشی از عدم برنامه‌ریزی تولید بهینه و ۱۷ درصد ناشی از عدم قطعیت زمین‌شناسی بوده است.
اصول معدنکاری پایدار
امروزه، چرخه ارزش ماده معدنی از اکتشاف، طراحی و استخراج تا تولید محصول نهایی قابل فروش در جهت بهبود مستمر پروژه‌های معدنی، کاهش مخاطره‌های اجتماعی، زیست‌محیطی و اقتصادی در راستای اصول معدنکاری پایدار مورد توجه قرار گرفته است. در این خصوص ژئومتالورژی دانشی بین‌رشته‌ای است که با تلفیق داده‌های زمین‌شناسی، اکتشافی، استخراجی، ژئومکانیک، فرآوری، اقتصادی و محیط‌زیستی، باعث کاهش ریسک و افزایش خالص ارزش فعلی پروژه‌های معدنی می‌شود. در حقیقت، ژئومتالورژی ابزاری با هدف بهبود و اصلاح عملکرد تولید در قالب یک مدل پیش‌بینی‌کننده معرفی می‌شود. رویکرد ژئومتالورژیکی موضوع جدیدی نیست؛ برای اولین بار این واژه توسط مک‌کویستون و بکاد در سال ۱۹۶۸ با هدف تاکید بر اهمیت مطالعات زمین‌شناسی قبل از شروع عملیات استخراج معدن و نقش تولید زیاد باطله به عنوان گلوگاه طراحی معدن مطرح شد. در این خصوص اشاره شد که شناخت خصوصیات زمین‌شناسی علاوه بر مسائل فنی و اقتصادی حاکم بر معدنکاری، موجب کاهش ریسک عملیات معدنی نیز خواهد شد.
سوال اساسی این است که آیا زمانی فرا خواهد رسید که باطله‌ای تولید نشود یا به عبارتی امکان بازیابی آنها به صورت کامل وجود دارد؟ پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که در جهان، حدود ۲۰ تا ۲۵ گیگاتن سنگ باطله و حدود ۱۴ بیلیون تن باطله فرآوری در صنایع معدنی تولید می‌شود و ارزیابی هزینه مدیریت تولید زهاب‌های اسیدی با توجه به تخمین‌های منتشرشده نشان می‌دهد که بازسازی یک هکتار از زمین حداقل ۱۰۰ هزار دلار استرالیا خواهد شد. پالاگی و استیلر در سال ۱۹۷۶ در شرکت آناکوندا آمریکا، از واژه‌های شیرین و ترش برای کانسنگ‌هایی با عملکرد متالورژیکی خوب و بد استفاده کردند. به طور جدی، ژئومتالورژی از سال ۲۰۱۱ مورد توجه قرار گرفته و اولین کنفرانس ژئومتالورژی در این سال برگزار شد. به طور کلی در آغاز، ژئومتالورژی بیشتر در حوزه‌های فرآوری مواد معدنی و زمین‌شناسی مطرح شد که امروزه در سایر بخش‌های مهندسی معدن از مدل‌سازی کانسار، اکتشاف، ارزیابی ذخیره، تهیه مدل بلوکی اقتصادی و مدل‌سازی متغیرهای زیست‌محیطی، طراحی معدن و برنامه‌ریزی تولید بهینه معادن کاربرد دارد و به طور کلی نقش بسیار کلیدی در زنجیره ارزش مواد معدنی خواهد داشت.
مطالعات ژئومتالورژی
طی سال‌های اخیر و به دلایل افزایش هزینه‌های انرژی، ملاحظات زیست‌محیطی و مساله گرمایش زمین و همچنین کاهش قابل توجه عیار منابع معدنی به خصوص در معادن روباز، مطالعات گسترده‌ای با رویکرد بهره‌برداری بهینه از معادن روباز در سطح دنیا در حال انجام است. در این خصوص، تحقیقات ژئومتالورژی موجب شده تا پروژهای خاص تحت عنوان P843A Gem III به نام مدل ژئومتالورژیکی و طراحی معدن در سال ۲۰۰۵ در استرالیا شروع شود. این پروژه تحقیقاتی توسط دولت استرالیا و ۲۰ حامی صنعتی (شرکت‌هایی نظیر ریوتینتو، بی‌اچ‌پی، واله، متسو) حمایت می‌شود. در دانشگاه لولئا سوئد نیز تحقیقات زیادی در خصوص برنامه ژئومتالورژی به خصوص طی هشت سال اخیر شروع شده است. تمرکز عمده تحقیقات ژئومتالورژی در دانشگاه تکنولوژی لولئا سوئد روی اثر کانی‌شناسی و بافت کانی‌ها در عملیات فرآوری است. یک برنامه ژئومتالورژی برای معدن سنگ‌آهن مالمبرگت در شمال سوئد ارائه شده است. روشی با استفاده از آنالیزهای میکروپرپ
EPMA، XRF و SATMAGAN برای تبدیل عناصر به کانی‌ها توسعه داده شده است. در پروژه مدل ژئومتالورژیکی و طراحی معدن در استرالیا ابزارهای جدیدی شامل نمودار حاصل از برداشت مغزه اتومات، مطالعه میکروسکوپی، آنالیز بافت بر اساس نرم‌افزار و روش‌های طبقه‌بندی توسعه یافته است. پروژه‌های تحت عنوان PREP در کشور سوئد تعریف شده است که از رویکرد جدید ژئومتالورژیکی مرکب توسعه داده‌شده در دانشگاه لولئا استفاده شده است.
دویچ در سال ۲۰۱۶ در خصوص روش‌های تخمین زمین آماری و داده‌های ژئومتالورژی بیان داشت که با توجه به تاثیر تغییرپذیری عیار درجا، عدم قطعیت کانسار در فرآیند بهینه‌سازی (محدوده نهایی پیت و برنامه‌ریزی تولید)، استفاده از مدلی با مقادیر قابل انتظار برای فرآیند غیرخطی، باعث ناکارآمدی در برنامه‌ریزی تولید خواهد شد که این مساله موجب اختلاف بین طرح و اجرای واقعی خواهد شد. در این رابطه سه موضوع که اغلب نیز پیچیده هستند وجود دارد:
۱) معمولا به دلیل گران بودن آزمایش‌های ژئومتالورژیکی، حجم نمونه‌های مورد آزمایش در مقایسه با سایر متغیرهای زمین‌شناسی و عیاری به طور نسبی کمتر خواهد بود.
۲) خصوصیت عدم جمع‌پذیری بیشتر متغیرهای ژئومتالورژیکی به عنوان مساله دوم در نظر گفته می‌شود.
۳) بسیاری از متغیرهای ژئومتالورژیکی توسط تست‌های آزمایشگاهی در مقیاس‌های مختلف تخمین زده می‌شوند.
پارهاکار فاکس در سال ۲۰۱۸ مقاله‌ای با عنوان پیش‌بینی ریسک‌های ژئومتالورژی زیست‌محیطی با تاکید بر اهمیت ترکیب داده‌های کانی‌شناسی، ژئوشیمیایی و مدیریت باطله‌های معدن را مطرح کرد. این مقاله، بر اهمیت شناسایی خصوصیات مواد قبل از شروع پروژه به منظور کمینه کردن فرصت‌های تولید اسید و زهاب اسیدی مواد فلزی اشاره دارد. کووارد در سال ۲۰۰۹، دونهام در سال ۲۰۰۷ و لوزانو و بنت در سال ۲۰۰۳ با بررسی داده‌های مساله ژئومتالورژی بیان کردند که مدل‌های تخمینی حاصل از کریجینگ به دلیل نرم‌شدگی برای مدل‌سازی پارامترهای زیست‌محیطی در یک کانسار ناهمگن مناسب نیست.
ارتیز در سال ۲۰۱۹ با ارائه مقاله‌ای با عنوان چارچوب مدل‌سازی ژئومتالورژی بر اهمیت شناخت و بهینه‌سازی تاثیر خصوصیات سنگ و تغییرپذیری آن روی فرآیندها در زنجیره ارزش معدنکاری تاکید کرد. تخمین‌ها نشان می‌دهد که بیش از دو میلیون تن باطله در روز در اثر معدنکاری تولید می‌شود. بنابراین هر کاهشی در تولید باطله می‌تواند به طور قابل توجهی این شرایط را بهبود بخشد. به طور مثال، این رویکرد تاثیر بسیار زیادی روی باطله‌های ماسه‌های نفتی کانادا بر جا گذاشته است. مدیریت باطله‌ها و پراکندگی ذرات آن در هوا، یکی از مهم‌ترین موضوع‌های زیست‌محیطی در آلبرتای کانادا به شمار می‌رود. در این خصوص ۷۷ کیلومتر مربع از زمین‌های آلبرتا دستخوش این باطله‌ها قرار گرفته است. رویکرد ژئومتالورژی برای پیش‌بینی رفتار باطله‌ها به کار گرفته شده است.
نتیجه بررسی تحقیقات در زمینه ژئومتالورژی نشان می‌دهد عمده تحقیقات روی مسائلی همچون ارائه مدل‌های ریاضی با هدف بهینه‌سازی انباشت باطله‌های اسیدی و کمینه کردن زهاب اسیدی سنگ، ارائه مدل بهینه‌سازی همزمان ترتیب استخراج بلوک و انباشت باطله، ارائه مدل سه‌بعدی ژئومتالورژیکی با رویکرد فرآوری با متغیر پاسخ بازیابی در سنگ‌آهن، تاکید بر اهمیت بهینه‌سازی خصوصیات سنگ و تغییر‌پذیری آن روی فرآیندها در زنجیره ارزش ماده معدنی، تلفیق پارامترهای ژئومتالورژیکی در برنامه‌ریزی تولید بلند‌مدت با رویکرد زیست‌محیطی، پیش‌بینی ریسک‌های ژئومتالورژیکی زیست‌محیطی با رویکرد مطالعه روی باطله‌های معدن مطرح بوده است.
* کارشناس معدن