鉱山工学

工学分野における採鉱は、地中から鉱物を採掘することです。鉱山工学は、鉱物処理、探査、掘削、地質学、冶金学、地質工学、測量など、他の多くの分野と関連しています。鉱山技師は、鉱物資源の探査と発見から、実行可能性調査、鉱山設計、計画の開発、生産と操業、鉱山の閉鎖まで、鉱山運営のあらゆる段階を管理することができます。^{[本文では未検証]}

先史時代から現代に至るまで、鉱業は人類の存在に重要な役割を果たしてきた。文明の始まり以来、人々は地表または地表近くで見つかった石や陶器、そして後には金属を使用してきた。これらは初期の道具や武器の製造に使用された。例えば、北フランスと南イングランドで見つかった高品質のフリントは、火をつけたり岩を砕いたりするために使用された。 ^{[1]フリント鉱山は、石の層に沿って地下に坑道や坑道が続く}白亜質地域で発見されている。考古学的記録に残る最古の鉱山は、エスワティニの「ライオン洞窟」である。この場所は、放射性炭素年代測定によると約43,000年前のもので、旧石器時代の人々が鉄を含む鉱物ヘマタイトを採掘し、それを粉砕して赤色顔料の黄土色を生産していた。^{[2] [3]}

古代ローマ人は鉱山工学の革新者だった。彼らは、水力採鉱のために導水路で坑口まで大量の水を送るなど、大規模な採鉱方法を開発した。露出した岩石は火入れによって攻撃された。火入れでは、火を使って岩を熱し、水流で急冷した。熱衝撃で岩にひびが入り、取り除くことができた。一部の鉱山では、ローマ人は逆オーバーショット水車などの水力機械を使用していた。これらはスペインのリオティントの銅鉱山で広く使用されており、1つのシーケンスは16個の水車をペアで配置したもので、約80フィート（24メートル）水を持ち上げていた。^[4]

黒色火薬は1627年にハンガリー王国（現在のスロバキア）のバンスカー・シュチャヴニツァで初めて採鉱に使用されました。 ^[5] これにより、岩や土を爆破して鉱脈を緩めて露出させることができ、火をつけるよりもはるかに速くできました。産業革命により、爆発物の改良や蒸気動力のポンプ、リフト、ドリル など、採鉱技術がさらに進歩しました。

認定鉱山技師になるには、大学または短大の学位が必要です。トレーニングには、鉱山工学の工学士(B.Eng. または BE)、理学士(B.Sc. または BS)、技術士(B.Tech.)、または応用科学士(BASc.) が含まれます。国や管轄区域によっては、鉱山技師として認可されるには、工学修士(M.Eng.)、理学修士(M.Sc または MS)、または応用科学修士(MASc.) の学位が必要になる場合があります。

他の分野、主に工学分野（例：機械、土木、電気、地理情報学、環境工学）または科学分野（例：地質学、地球物理学、物理学、地理情報学、地球科学、数学）から来た鉱山技師もいます。通常、異なる定量的な学部課程を卒業後、鉱山工学の M.Eng、MS、M.Sc.、MASc. などの大学院の学位を取得します。

鉱山工学研究の基本的な科目には通常、次のものが含まれます。

• 数学;微積分、代数、数値解析、統計
• 地球科学、地球化学、地球物理学、鉱物学、地理情報学
• 力学;岩石力学、土質力学、地質力学
• 熱力学;熱伝達、物質移動
• 水文地質学
• 流体力学;流体静力学、流体動力学
• 地球統計学、空間分析
• 制御工学;制御理論、計測
• 露天採掘;露天掘り
• 地下採掘（軟岩）
• 地下採掘（硬岩）
• コンピューティング; DATAMINE、MATLAB、Maptek (Vulcan)、Golden Software (Surfer)、MicroStation、Carlson
• 掘削と発破
• 固体力学;破壊力学

米国では、約14の大学が鉱業と鉱物工学の学士号を提供しています。トップクラスの大学^には、ウェストバージニア大学、サウスダコタ鉱山技術学校、バージニア工科大学、ケンタッキー大学、アリゾナ大学、 モンタナ工科大学、コロラド鉱山学校などがあります。^[6]これらの大学のほとんどが修士号と博士号を提供しています。

カナダには、鉱山工学またはそれに相当する学士課程が19あります。^[7] マギル大学工学部は、鉱山工学の学士（B.Sc.、B.Eng.）と大学院（M.Sc.、Ph.D.）の両方の学位を提供しています。^{[8] [9]}バンクーバーのブリティッシュコロンビア大学は、鉱山工学の応用科学学士（BASc.）^[10]と、鉱山工学の大学院（MASc.またはM.EngとPh.D.）を提供しています。^{[11] [昇進? ]}

ヨーロッパでは、ほとんどのプログラムはボローニャ・プロセスに従って統合され（BSとMSが1つに）、修了までに5年かかります。ポルトガルでは、ポルト大学が鉱業と地質環境工学の修士課程を提供しており^[12]、スペインではマドリード工科大学が鉱山工学の学位を提供しており、鉱山技術、採鉱作業、燃料と爆薬、冶金のコースがあります。^[13]英国では、カムボーン鉱山学校が鉱山工学とその他の鉱山関連分野で幅広いBEngとMEngの学位を提供しています。これはエクセター大学を通じて行われます。^[14]ルーマニアでは、ペトロシャニ大学（旧称ペトロシャニ鉱山大学、稀にペトロシャニ石炭大学）が鉱山工学、鉱山測量、地下鉱山建設の学位を取得できる唯一の大学であるが、ジュー渓谷炭鉱の閉鎖後、これらの学位はほとんどの高校卒業生の興味を失っていた。^[15]

南アフリカの主要教育機関としては、プレトリア大学があり、同大学では4年間の工学士（鉱山工学）のほか、岩石工学や数値モデリング、爆発物工学、換気工学、地下採掘法、鉱山設計など様々な専門分野の大学院課程を提供しています。^[16]また、ウィットウォーターズランド大学では、4年間の工学士（B.Sc.(Eng.)）の鉱山工学課程を提供しています。 ^[17]また、大学院課程（M.Sc.(Eng.)およびPh.D.）の鉱山工学課程を提供しています。^[18]

鉱山技師の中には、哲学博士(Ph.D.、DPhil)、工学博士(D.Eng.、Eng.D.)などの博士号プログラムに進む人もいます。これらのプログラムには独自の研究要素がかなり含まれており、通常は学術界への入り口と見なされています。

ロシア連邦では、全連邦管区の85の大学が鉱物資源分野の専門家を養成している。36の大学が固体鉱物の抽出と処理（鉱業）の専門家を養成している。49の大学が液体および気体鉱物（石油とガス）の抽出、一次処理、輸送の専門家を養成している。37の大学が地質調査（応用地質学、地質探査）の専門家を養成している。鉱物資源分野の専門家を養成する大学のうち、7つは連邦大学、13つはロシアの国立研究大学である。^[19]ロシアの大学における鉱物資源分野の人材養成は現在、次の主な専門分野の養成（専門学位）で行われている：鉱山技師の資格を伴う「応用地質学」（5年間の養成）；鉱山技師の資格を伴う「地質探査」（5年間の養成）；鉱山技師の資格を伴う「鉱業」（5.5年間の養成）鉱山技師の資格を持つ「鉱業または石油・ガス生産における物理的プロセス」（5.5 年の研修）、「石油・ガス工学と技術」（5.5 年の研修）。大学は、プロファイル（プログラム名）を作成することにより、研修の方向と専門分野における高等教育の主要な専門教育プログラムを開発し、実施します。たとえば、専門分野「鉱業」の枠組みの中で、大学は「露天掘り」、「鉱床の地下採掘」、「測量」、「鉱物濃縮」、「採鉱機械」、「技術安全と鉱山救助」、「鉱山と地下建設」、「発破作業」、「鉱業の電化」などの古典的なプログラム名に固執することが多い。過去10年間、さまざまな要因の影響を受けて、「鉱業と地質情報システム」、「鉱業生態学」など、新しいプログラム名が登場し始めた。このように、大学は専門家向けの新しいトレーニングプログラムを作成する自由を利用して、将来を見据え、鉱山技術者の新しい職業を予測しようとすることができる。専門家の学位を取得した後、すぐに大学院に入学することができる（博士課程プログラムに類似、4年間のトレーニング）。^[19]

鉱業の給与は通常、必要なスキルのレベル、職位の場所、エンジニアがどのような組織で働いているかによって決まります。^[要出典]

インドの鉱山技師は他の多くの職業と比較して比較的高い給与を得ており、^[20]平均給与は15,250ドル^{[関連性あり? ]}です。しかし、カナダ、米国、オーストラリア、英国などの他の地域の鉱山技師の給与と比較すると、インドの給与は低いです。米国では、推定6,150人の鉱山技師が雇用されており、平均年間賃金は103,710ドルです。^[21]

採掘作業には相当の資本支出が必要となるため、採掘作業が価値があるかどうかを評価するために、通常は一連の採掘前活動が行われます。

鉱物探査とは、鉱物の位置を特定し、その濃度（品位）と量（トン数）を評価して、採掘に適した鉱石かどうかを判断するプロセスです。鉱物探査は、鉱物探査よりもはるかに集中的で、組織化され、複雑で、専門的です。ただし、サービス探査が頻繁に利用され、地質学者や測量士が採掘作業の必要な事前実行可能性調査に参加します。鉱物探査と埋蔵量の推定により、収益性の条件を決定し、必要な採掘の形態と種類を提案できます。^{[引用が必要]}

鉱物の発見は、鉱物地図、学術的地質報告書、または政府の地質報告書の調査から行うことができます。その他の情報源には、地質分析や地元の口コミなどがあります。鉱物研究には通常、堆積物、土壌、掘削コアのサンプル採取と分析が含まれます。土壌のサンプル採取と分析は、最も一般的な鉱物探査ツールの1つです。^{[22] [23]}その他の一般的なツールには、衛星や航空調査、磁気測定やガンマ線分光測定の地図を含む空中地球物理学などがあります。^[24]鉱物探査が公共の土地で行われない限り、土地の所有者が探査プロセスで重要な役割を果たし、鉱床の最初の発見者である可能性があります。^[25]

有望な鉱物が見つかった後、鉱山地質学者と技術者が鉱石の特性を決定します。これには、サンプルの組成を決定するために鉱石の化学分析が含まれる場合があります。鉱物の特性が特定されたら、次のステップは鉱石の量を決定することです。これには、鉱床の範囲と鉱石の純度の決定が含まれます。^[26]地質学者は追加のコアサンプルを掘削して、鉱床または層の境界を見つけ、存在する貴重な物質の量を推定します。

鉱物の識別と埋蔵量が適切に決定されたら、次のステップは鉱床の回収の実現可能性を判断することです。鉱床の発見直後に行われる予備調査では、鉱物の需要と供給、その鉱物の一定量を回収するために移動する必要がある鉱石の量、および作業に関連するコストの分析などの市場条件を調べます。この事前実行可能性調査により、採掘プロジェクトが収益性があるかどうかが判断されます。収益性がある場合は、鉱床のより詳細な分析が行われます。鉱床の全範囲が判明し、エンジニアによって調査された後、実行可能性調査では、初期資本投資のコスト、採掘方法、作業コスト、投資を回収するまでの推定期間、総収益と純利益率、土地の再販価格の可能性、埋蔵量の合計寿命、アカウントの全額、将来のプロジェクトへの投資、および土地所有者または所有者の契約が検討されます。さらに、環境への影響、埋め立て、考えられる法的影響、およびすべての政府許可が考慮されます。^{[27] [28]}これらの分析ステップにより、鉱山会社とその投資家が鉱物の採掘を進めるべきか、それともプロジェクトを放棄すべきかが決定されます。鉱山会社は、自ら開発するのではなく、埋蔵量の権利を第三者に売却することを決定する場合があります。あるいは、採掘を進める決定は、市場条件が好転するまで無期限に延期される可能性があります。

既存の鉱山で働く鉱山技師は、鉱山内のどこに設備や人員を追加するかを決定することで、運営の改善、さらなる鉱物探査、運営資本化を担当する技師として働くことがあります。また、技師は監督や管理、設備や鉱物の販売員として働くこともあります。エンジニアリングや運営に加えて、鉱山技師は環境、健康、安全の管理者や設計技師として働くこともあります。

採掘行為には、鉱物学、地質学、および資源の場所に応じて、さまざまな抽出方法が必要です。鉱物の硬度、鉱物の層別化、およびその鉱物へのアクセスなどの特性によって、抽出方法が決まります。

一般的に、採掘は地表または地下から行われます。また、同じ埋蔵地で地表と秘密裏に採掘が行われることもあります。採掘活動は、鉱物を採取するためにどのような方法が採用されるかによって異なります。

露天採掘は、世界の鉱物生産量の 90% を占めています。露天採掘とも呼ばれる露天採掘では、地表近くの地層から鉱物が採掘されます。鉱石の採取は、土地から自然のままの状態で材料を除去することによって行われます。露天採掘により、土地の特性、形状、地形、地質構造が変化することがよくあります。

露天採掘では、切断、割断、破砕機械を使用して鉱物を採掘および掘削します。破砕を容易にするために、通常は爆薬が使用されます。石灰岩、砂、砂利、粘板岩などの硬い岩石は、通常、ベンチ状に採掘されます。

露天掘りは、機械式ショベル、トラックドーザー、フロントエンドローダーを使用して、粘土やリン酸塩などの柔らかい鉱物を除去します。この方法では、より滑らかな石炭層も抽出できます。

砂金採掘では、浚渫採掘によって湖、川、小川、さらには海の底から鉱物を取り除くこともできます。さらに、溶解剤を鉱石に使用し、ポンプで鉱石を取り出すことで、地表からその場で採掘を行うことができます。ポンプで汲み上げた物質は、さらに処理するために浸出されます。水圧採掘は、表土または鉱石自体を洗い流すための水ジェットとして利用されます。^[29]

爆破

爆薬は、発破と呼ばれるプロセスで岩石層を破壊し、鉱石の収集を助けるために使用されます。発破は、一般的に、爆発した爆薬の熱と巨大な圧力によって岩塊を粉砕および破壊します。採鉱で使用される爆薬の種類は高性能爆薬であり、その組成と性能特性はさまざまです。鉱山技師は、効率と安全性を最大化するためにこれらの爆薬を選択して適切に配置する責任があります。発破は、インフラストラクチャの開発や鉱石の生産など、採鉱プロセスの多くの段階で発生します。高性能爆薬の代替品は、1931年に発明され、^[30] 1932年から石炭鉱山で広く使用されているCardox発破カートリッジです。カートリッジには「エナジャイザー」が含まれており、これが液体二酸化炭素を加熱して破裂ディスクを破裂させ、次に超臨界流体の物理的な爆発を引き起こします。

浸出

浸出とは、特定の物質をキャリアから液体（通常は溶媒ですが、常にそうとは限りません）に抽出または消失させることです。主に希土類金属の抽出に使用されます。

浮遊

浮選（フローテーションとも綴る）は、鉱物の相対的な浮力に関連する現象です。最も広く使用されている金属分離方法です。

静電分離

電気特性の違いによって鉱物を分離します。

重力分離

重力分離は、重力による成分の分離が十分に実用的な場合に、懸濁液または乾燥粒​​状混合物の 2 つの成分を分離する工業的な方法です。

磁気分離

磁気分離は、磁力を利用して混合物から磁気の影響を受けやすい物質を抽出するプロセスです。

油圧分離

水圧分離は、密度の違いを利用して鉱物を分離するプロセスです。水圧分離以前は、鉱物は均一なサイズに粉砕されていました。均一なサイズと密度を持つ鉱物は水中で沈降する速度が異なり、これを利用して目的の鉱物を分離することができます。

鉱山における健康と安全に対する法的配慮は、19 世紀後半に始まりました。20 世紀には、包括的かつ厳格な施行法と義務的な健康と安全の規制が制定されました。どのような役割であっても、鉱山技師は鉱山の安全に関するすべての法律に従わなければなりません。

アメリカ合衆国議会は、1977年連邦鉱山安全衛生法（通称鉱山労働者法）を可決し、労働省傘下に鉱山安全衛生局（MSHA）を設立した。この法律は、鉱山労働者に違反報告に対する報復に対する権利を与え、金属鉱山と非金属鉱山を含む石炭鉱山の規制を統合し、MSHAに報告された違反を審査する独立した連邦鉱山安全衛生審査委員会を設立した。 ^[31]

連邦規則集第30条（CFR第30条）に規定されているこの法律は、稼働中の鉱山で働くすべての鉱夫を対象としている。稼働中の鉱山で働く鉱山技師は、他の鉱山労働者と同じ権利、違反、義務的な健康および安全規則、および義務的なトレーニングの対象である。鉱山技師は法的に「鉱夫」として識別される。^[32]

この法律は鉱山労働者の権利を定めている。鉱山労働者は危険な状態をいつでも報告し、検査を要求することができる。鉱山労働者は、検査、検査前会議、検査後会議に参加する鉱山労働者の代表者を選出することができる。鉱山労働者と鉱山労働者の代表者は、すべての検査と調査の間、その時間に対して報酬を受け取る。^[33]

鉱物の採掘プロセスから発生する廃棄物や非経済的な物質は、鉱山周辺における主な汚染源です。採掘活動は、その性質上、鉱物が存在する場所とその周辺の自然環境を乱す原因となります。したがって、鉱山技術者は、鉱物の生産と加工だけでなく、採掘中および採掘後の採掘地域の変化による環境への被害の軽減にも 配慮する必要があります。

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 この記事には、CC BY 4.0 ライセンスの下で利用可能な Petrov, VL によるテキストが組み込まれています。

• Eric C. Nystrom、Seeing Underground: Maps, Models, and Mining Engineering in America。ネバダ州リノ：リノ大学出版局、2014年。^{[ ISBN不明]}
• フランクリン・ホワイト。『金の心を持つ鉱夫：鉱物科学と工学の教育者の伝記』。フリーゼン・プレス、ビクトリア。2020年。ISBN 978-1-5255-7765-9（ハードカバー）ISBN 978-1-5255-7766-6（ペーパーバック）ISBN 978-1-5255-7767-3（電子書籍）

• SME（鉱業、冶金、探査協会）は、月刊誌「鉱業工学」を発行しています。
• 米国労働省: 鉱山および地質技術者
• 英国地質調査所鉱物処理
• トルコの鉱山技術者
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