L'exploitation minière souterraine des métaux est un projet d'ingénierie des systèmes qui englobe le développement, la préparation des chantiers et l'extraction du minerai, et le dynamitage est nécessaire à chaque étape. C'est pourquoi le dynamitage sûr et efficace demeure un sujet de recherche fondamental pour les professionnels du secteur minier.
Aujourd'hui, les mines métalliques traversent une phase de transition cruciale : passage de gisements superficiels à des gisements profonds, de conditions d'exploitation faciles à des conditions difficiles, et de minerais à haute teneur à des minerais à faible teneur. Cette évolution engendre des défis inédits en matière de théorie, de technologie et d'équipement. Dans ce contexte, la recherche sur les technologies clés d'exploitation minière souterraine revêt une importance particulière. Actuellement, les progrès majeurs se concentrent sur cinq domaines : le forage et le dynamitage des roches, le transport et le levage, le renforcement des massifs rocheux, le remblayage en pâte et la télécommande. Cet article présente la trajectoire de développement et les avancées les plus récentes dans chacun de ces domaines.
1. Technologie de forage et de dynamitage des roches
Le forage et le dynamitage sont des technologies fondamentales dans l'exploitation minière des métaux, mais ils ont historiquement constitué un point faible. L'amélioration continue de leur efficacité est donc cruciale pour une exploitation minière sûre et performante. Cette technique demeure la principale méthode de concassage du minerai en souterrain. Elle a évolué du forage manuel aux foreuses pneumatiques, puis hydrauliques, aux jumbos de forage (y compris les systèmes de forage à cônes et à fond de trou), et enfin aux robots de forage. Globalement, la tendance est claire : de la mécanisation à l'automatisation, à l'intelligence artificielle et à des opérations plus propres.
Après de longues recherches, de nombreux pays ont mis au point des équipements de forage adaptés à une grande variété de conditions. Ces dernières années, grâce à l'amélioration de ces équipements, des pays comme les États-Unis et le Canada ont introduit des techniques de forage et de dynamitage à ciel ouvert dans les mines souterraines. Le forage par sous-niveaux de profondeur moyenne a progressivement cédé la place aux méthodes de forage profond de grand diamètre, avec d'excellents résultats. Par exemple, la Suède a développé une série de jumbos de forage de tunnels caractérisés par une grande efficacité, une sécurité d'utilisation et une faible pollution. Parallèlement, la Chine a développé de manière indépendante des jumbos de forage à trois bras entièrement informatisés, intégrant les opérations de mobilité, de forage et de chargement. Ces systèmes sont faciles à utiliser, plus sûrs et moins coûteux à construire. Ces équipements ont permis d'améliorer la qualité et l'efficacité du forage, de réduire la pénibilité du travail et les risques opérationnels, et d'accroître les niveaux d'automatisation, d'intelligence et de performance environnementale.
En raison de la grande variabilité des conditions d'exploitation minière souterraine et des exigences différentes liées au développement des galeries et à l'abattage, les méthodes de dynamitage dans les mines souterraines traditionnelles se sont considérablement diversifiées. Parmi les techniques couramment utilisées figurent le dynamitage à retard de quelques millisecondes, le dynamitage par compression et le dynamitage lisse, qui améliorent tous, à des degrés divers, la qualité du dynamitage.
Grâce aux progrès techniques constants, le dynamitage conventionnel évolue vers le dynamitage de précision, le dynamitage écologique et le dynamitage intelligent. Le dynamitage de précision repose sur une conception optimisée des paramètres de forage, des recherches sur la consommation d'énergie et une planification du dynamitage basée sur la simulation. Le dynamitage écologique utilise principalement de nouveaux agents combustibles au lieu d'explosifs conventionnels, ne produisant aucun gaz de tir et améliorant significativement la qualité de l'air souterrain. Le dynamitage intelligent intègre une conception de tir optimisée, des équipements intelligents, une prédiction intelligente des vibrations et la reconnaissance automatique des trous de mine restants pour former un système de dynamitage intelligent.
À l'ère de l'innovation rapide, les technologies de concassage de roches s'étendent au-delà du dynamitage conventionnel pour intégrer des méthodes mécaniques et physiques non explosives. Par exemple, les haveuses continues permettent de concasser mécaniquement les minerais et roches de dureté moyenne à tendre avec une grande efficacité et dans des conditions de travail optimales, contribuant ainsi à la maîtrise de la pression au sol. Les techniques de jet d'eau à haute pression et de fracturation thermique pallient les limitations du concassage mécanique et éliminent la poussière et les étincelles, améliorant considérablement l'environnement de travail. Cependant, en raison de leur forte consommation d'énergie, de leur coût élevé et de l'usure importante des outils qu'elles engendrent, ces méthodes restent peu répandues en Chine. De plus, la Chine a investi relativement tard dans la recherche et le développement en technologies de l'information et en intelligence artificielle pour le secteur minier, et les technologies clés d'exploitation minière intelligente dépendent encore fortement de sources étrangères. Par conséquent, l'exploitation minière véritablement continue dans les mines de roches dures n'est pas encore une réalité.
2. Technologie du transport et du levage
Les systèmes de transport et d'extraction occupent une place primordiale dans la production minière souterraine. Ils assurent la liaison entre tous les maillons de la production et garantissent la stabilité de l'exploitation. Le transport du minerai dans les chantiers d'exploitation a évolué, passant de la manutention manuelle au transport ferroviaire, puis au transport sans rails, d'un modèle dominé par le rail avec un complément de transport sans rails à un modèle dominé par le transport sans rails avec un complément de transport ferroviaire. L'utilisation souterraine d'engins mobiles sans rails a débuté dans les années 1960. Grâce aux améliorations constantes apportées à ces engins, l'exploitation minière sans rails s'est rapidement développée, transformant les procédés miniers souterrains et devenant la tendance actuelle.
Pour le transport de minerai sur de courtes distances dans les chantiers d'exploitation, les chargeuses-transporteuses-déchargeuses sont couramment utilisées en raison de leur facilité d'utilisation, de leur fiabilité, de leur efficacité et de leur maniabilité. Pour le transport souterrain sur de longues distances, les camions souterrains sont largement utilisés à l'international, mais restent moins répandus au niveau national. À mesure que la profondeur d'exploitation augmente, les distances de levage s'allongent et les technologies de levage sont confrontées à des défis toujours plus importants, parallèlement à la hausse des coûts de transport des matériaux. Par conséquent, le développement de technologies de levage de minerai pour les puits profonds revêt une importance particulière. La tendance générale à l'avenir est à une exploitation à plus grande échelle, avec des charges plus lourdes et une automatisation accrue.
Après une longue période de développement, la plupart des mines profondes utilisent désormais un système d'extraction par puits à plusieurs étages, assisté par transport ferroviaire, convoyeurs à bande ou engins sans rails. À la mine d'or de TauTona, en Afrique du Sud, par exemple, un système d'extraction par puits à trois étages est utilisé, avec transfert entre les puits par bande ou engin sans rails. Les systèmes traditionnels de convoyeurs à bande ouverts sont de conception simple, mais sujets aux émissions de poussière et aux déversements de matériaux, polluant ainsi les milieux souterrains ; leur capacité de franchissement est également limitée et leur sécurité moindre. Pour pallier ces problèmes, SiCON a développé des systèmes de convoyeurs à bande fermés qui empêchent les déversements et la production de poussière. Les vitesses de transport peuvent dépasser 3 m/s et l'inclinaison du convoyeur peut atteindre 36 degrés. Avec des optimisations supplémentaires, ce système est prometteur pour le transport et l'extraction du minerai dans les mines profondes.
Actuellement, le levage hydraulique est principalement utilisé dans l'exploitation minière en eaux profondes. Ces dernières années, certains chercheurs ont tenté d'appliquer cette technique aux mines souterraines profondes. Ce procédé, qui peut fonctionner en continu, est plus compatible avec les systèmes de levage automatisés et intelligents. Cependant, il nécessite des systèmes de concassage et de broyage souterrains dans les puits profonds, ce qui rend son déploiement pratique difficile à ce stade. Parallèlement, des concepts innovants tels que le levage par ascenseur à sustentation magnétique ont également émergé, mais ils requièrent encore des recherches approfondies. Ces nouvelles technologies, méthodes et procédés insufflent un nouvel élan au transport et au levage dans les mines et stimulent fortement l'innovation dans ce domaine.
3. Technologie de renforcement des massifs rocheux
Dans les mines métalliques, le renforcement des roches est principalement appliqué aux massifs rocheux fragiles, fracturés et soumis à de fortes contraintes. Les techniques de renforcement se divisent en soutènement passif et soutènement actif. Le soutènement passif ne modifie pas la structure interne de la roche et se contente de résister passivement à la déformation des roches environnantes ; on peut citer comme exemples le soutènement traditionnel en bois, le revêtement en maçonnerie et le soutènement par arcs métalliques. Le soutènement actif, quant à lui, modifie la structure interne de la roche et améliore activement sa résistance ; on peut citer comme exemples le boulonnage d'ancrage et le boulonnage par câbles, le boulonnage-injection, le soutènement par béton projeté et boulonnage, et le soutènement par treillis boulonné et béton projeté. Parmi ces techniques, le boulonnage-injection, le béton projeté et le treillis boulonné sont des méthodes de soutènement composites, et le soutènement par béton projeté et boulonnage est devenu une technique de renforcement majeure dans les mines métalliques.
L'association de boulons pleine longueur et de boulons scellés pour former un boulonnage scellé sur toute la longueur a considérablement amélioré la résistance de l'ancrage et offre une grande valeur pratique ainsi qu'un potentiel d'application important. Le béton projeté a également évolué, passant de la projection à sec à la projection humide, ce qui améliore l'environnement de travail et réduit l'écaillage de la roche. Une intégration efficace du béton projeté et du boulonnage permet de contrôler la déformation libre de la roche environnante dans une certaine limite, de redistribuer les contraintes dans cette roche et de prévenir efficacement la séparation des couches et les chutes de pierres.
Avec les progrès technologiques rapides, les industries minières, tant nationales qu'internationales, utilisent de plus en plus d'équipements de boulonnage et de projection de béton de pointe. À l'international, une série de foreuses à boulonner, de véhicules de projection de béton humide et d'engins de pose de treillis ont été développés. En Chine, les équipements développés localement comprennent désormais des foreuses à boulonner sur pneus et sur chenilles, des machines de projection de béton humide pour l'exploitation minière et des unités de projection de béton humide à deux bras. Ces systèmes améliorent l'efficacité, réduisent la pénibilité du travail et renforcent la sécurité des opérations, tout en faisant progresser la mécanisation et l'intelligence dans le renforcement des roches. Après plusieurs vagues d'innovations techniques, le renforcement des roches est passé du soutènement passif simple traditionnel au nouveau soutènement composite actif, et les développements futurs se poursuivront dans une perspective de mécanisation et d'intelligence accrues afin d'améliorer encore la sécurité et la productivité.
4. Technologie de remblayage à la pâte
L'exploitation minière des métaux peut engendrer de graves problèmes environnementaux, notamment la pollution par les déchets solides, la contamination de l'eau et de l'air, ainsi que l'occupation des sols. Grâce aux progrès réalisés dans les technologies et les équipements de remblayage, le remblayage par pâte offre une nouvelle approche pour relever les défis traditionnels de l'exploitation minière et atténuer ses impacts environnementaux. Cette méthode consiste à transformer les déchets solides miniers, tels que les résidus miniers, en une boue structurale saturée, non exsudative et d'aspect pâteux, puis à l'utiliser pour le remblayage. Elle permet de traiter simultanément deux risques majeurs : les installations de stockage des résidus et les cavités souterraines, favorisant ainsi un développement minier durable.
Comparé au remblayage hydraulique conventionnel avec du sable, le remblayage en pâte présente trois caractéristiques essentielles : absence de ségrégation, de décantation et de déshydratation. La Chine a mis en place la première plateforme d'essais de remblayage en pâte à l'échelle industrielle au monde, couvrant environ 2 000 m² et équipée de plus de 200 équipements. Cette plateforme se distingue par sa haute précision industrielle, sa couverture fonctionnelle complète et son fonctionnement intelligent. Elle permet de tester l'intégralité du processus de remblayage en pâte, de détecter les paramètres clés et d'orienter la conception des systèmes et les pratiques d'ingénierie. En particulier, son système d'essais en boucle, avec des conduites de diamètres, de directions et de débits variés, fournit des résultats plus proches des conditions réelles que les méthodes traditionnelles.
Le fondement théorique commun à toutes les étapes du remblayage en pâte est la rhéologie des pâtes minières. Axée sur les équations constitutives de cette rhéologie, la recherche combine calculs théoriques, essais rhéologiques et simulations numériques afin de répondre aux exigences d'ingénierie lors des quatre étapes du procédé : épaississement des résidus, mélange de la pâte, transport de la pâte et durcissement du remblai. La technologie d'épaississement vise à obtenir une concentration stable et appropriée des résidus, jetant ainsi les bases d'une préparation de pâte de qualité. La technologie de mélange assure un mélange homogène des matériaux, favorisant la fluidité lors du transport par canalisation et l'homogénéisation des propriétés mécaniques. La technologie de transport vise une faible consommation d'énergie et une usure réduite. La technologie de remblayage recherche une distribution uniforme de la résistance dans le remblai et un taux de contact suffisant avec le toit. Ces quatre étapes correspondent aux quatre technologies clés du remblayage en pâte.
Le remblayage en pâte incarne les principes de sécurité, d'économie, de protection de l'environnement et d'efficacité. Pilier technique essentiel des systèmes d'exploitation minière écologique pour les mines métalliques, il a été désigné technologie de démonstration par les autorités nationales compétentes en Chine et demeure un sujet de recherche majeur à l'échelle mondiale dans le secteur minier.
5. Technologie de télécommande
Avec les progrès technologiques, l'exploitation minière est passée de l'exploitation manuelle à l'exploitation mécanisée, puis à l'exploitation automatisée et intelligente. Dans ces deux types de systèmes, la télécommande est une technologie essentielle. Elle jouera donc un rôle irremplaçable dans l'exploitation minière moderne et constitue un outil technique clé pour le développement futur du secteur.
À l'échelle internationale, la télécommande est une technologie de contrôle relativement mature et représente une orientation claire pour le développement des mines souterraines. Ses applications typiques incluent le forage, le chargement et l'extraction de minerai à distance. Cependant, cette technologie n'est généralement adoptée que lorsque le niveau industriel global d'un pays est élevé, et elle n'est pas encore déployée à grande échelle en Chine.
Les éléments clés de la technologie de télécommande se répartissent en trois domaines : la perception à distance de l’environnement minier, le pilotage à distance des procédés d’extraction et la supervision et le contrôle à distance des systèmes miniers. Ensemble, ces capacités permettent la détection et l’analyse automatiques, l’exploitation sans personnel, la répartition à distance des tâches, l’alerte précoce automatique et la prise de décision à distance.
