尾鉱ダム

尾鉱ダムは、通常、鉱石を脈石から分離した後の採掘作業の副産物を貯蔵するために使用される土盛り堤防ダムです。尾鉱は液体、固体、または微粒子のスラリーであり、通常、非常に有毒で放射能の可能性があります。固体の尾鉱は、構造自体の一部として使用されることがよくあります。

鉱滓ダムは、地球上で最も大きな人工構造物の一つである。カナダのアルバータ州にあるシンクルード・ミルドレッド・レイク鉱滓堤防は、長さ約18キロメートル（11マイル）、高さ40～88メートル（131～289フィート）の盛土ダムである。このダムとその中にある人工湖は、アサバスカ油砂から石油を採掘するシンクルードの継続的な事業の一環として建設され、維持されている。このダムは体積で地球上で最大のダム構造物であり、2001年時点では、盛土量で世界最大の土構造物であると考えられていた。^[1]

鉱滓ダムと、より一般的な水力発電ダムとの間には重要な違いがあります。鉱滓ダムは永久封じ込めを目的として設計されており、つまり「永久にそこに留まる」ことを意図しています。^[2]銅、金、ウラン、その他の採掘作業では、さまざまな種類の廃棄物が生成されますが、その多くは有毒であり、長期的な封じ込めにはさまざまな課題があります。^[3]

全世界で稼働中の鉱滓貯留池は推定3,500か所あるが、完全な目録はなく、その総数は議論の余地がある。平均的な年では、2～5件の「大規模」鉱滓ダムの決壊と35件の「小規模」決壊が発生すると予想される。^[4] 3,500件という数字が正しいと仮定すると、この決壊率は「従来の貯水ダムの決壊率よりも2桁以上高い」。^{[5] Responsible Mining Foundationによる2020年の}責任ある採掘慣行の評価では、企業はこれらの貯水池の文書化と安全慣行の改善においてほとんど進歩していないか、まったく進歩していないことが判明した。^[6]

貯水ダムとは異なり、鉱滓ダムの高さは、鉱山の存続期間中、通常、増加（上昇）します。通常、基礎ダムまたはスターターダムが建設され、鉱滓と水の混合物で満たされるにつれて、ダムは上昇します。ダムを上昇させるために使用される材料には、鉱滓（その特性が適切である場合）、土砂、または岩石が含まれます。^[7]ジオメンブレンなどのバリアシステムが鉱滓ダムに組み込まれることはますます一般的になっています。不浸透性バリアは浸透を防止または削減し、それによってダムの地質工学的および環境的安定性を高めます。^[8]

ダム嵩上げには上流、下流、センターラインの3種類があり、ダムの新しい頂部と以前の頂部の相対的な位置によって名付けられています。使用される具体的な設計は、地形、地質、気候、尾鉱の種類、およびコストによって異なります。上流尾鉱ダムは、別の尾鉱ダムの上に、しかし頂部からつま先まで台形の盛土を建設し、頂部をさらに上流に移動させるものです。これにより、比較的平坦な下流側と、貯留池内の尾鉱スラリーによって支えられたギザギザの上流側が形成されます。下流設計とは、盛土を連続的に嵩上げして、盛土と頂部をさらに下流に配置することを指します。センターラインダムは、連続した盛土ダムを直接別の盛土ダムの上に建設し、盛土は下流側に支持用に配置され、スラリーは上流側を支えます。^{[9] [10]}

経済的な鉱物の採掘により、尾鉱が地表に蓄積されますが、そのほとんどは尾鉱池に堆積し、広大な土地を占めています。^[11] 重い粒子が軽い粒子の前に沈むため、成層は堆積作用に内在しています。しかし、尾鉱は未開発の資源である可能性もあります。多くの尾鉱には貴重な二次鉱物が含まれているからです。これらは回収可能であり、循環型経済に貢献し、新たな採掘作業の必要性を減らします。尾鉱の鉱物学を分析すると、希土類元素やその他の金属資源など、経済的に価値のある鉱物の存在が明らかになることがあります。これらの資源に対する世界的な需要が高まり続けているため、これは特に重要です。尾鉱の層序を完全に理解することで、回収に最も有望な地域を特定し、環境問題を最小限に抑えながら鉱物の回収を最大化できる処理方法を知ることができます。

尾鉱の成層化とは、粒子サイズの分布と比重の違いにより尾鉱が層状に形成されることである。砂質尾鉱からシルト質尾鉱の密度^[12]は浸透性に影響し、それが尾鉱の排水能力、ひいては浸透線^{[13]に影響する。}浸透線とは、特定の領域に水が流入する経路であり^[13]、尾鉱池の安全性と安定性に影響する。

さらに、尾鉱の密度は、尾鉱が保持できる水の量に影響します。これは、尾鉱の強度と硬さにも影響します。尾鉱が密度が高いほど、透水性係数は小さくなり、保水力が強くなります。尾鉱は、単一の均一な物体ではなく、通常、粒径と鉱物組成が異なる複数の堆積層で構成されています^[14]尾鉱の粒径は、より大きな粒子とより細かい粒子の堆積により大きく変動することがあり、尾鉱の成層化とせん断強度に影響します。より大きな粒子よりも細かい粒子の方が沈殿すると、尾鉱が弱くなり、沈殿層がより多くの水を保持する可能性があります。これにより飽和線が形成され、尾鉱貯蔵施設（TSF）の安全な運用に影響する可能性があります。

尾鉱の鉱物組成により、層がセメント化されます。硫化物に富む層は、保護セメント層を形成します。これらの層は、鉄 (Fe ) を含む硫化物が均一に分布しているシステムでは通常形成されません。したがって、尾鉱の成層化は、尾鉱の層のセメント化に大きな影響を与える鉱物の存在、尾鉱の緻密さと密度に影響を与える粒度分布によって大きく左右されます。ただし、地形、地質学的状況、気候、尾鉱の堆積プロセス、そして最後に TSF に尾鉱が保管されていた期間など、尾鉱の成層化に影響を与える他の要因もあります。

炭素の鉱化は、数百年から数千年かけて起こる自然のプロセスであり、鉱山の尾鉱などの特定の鉱物が大気中の二酸化炭素と反応して固体の炭酸塩を形成します。このプロセスは、大気から二酸化炭素を効果的に隔離して除去します。蛇紋石、オリビン、ブルーサイトなどのマグネシウム含有鉱物を豊富に含む超塩基性鉱山尾鉱は、粉砕により粒径が小さくなるため反応性が高く、歴史的にも現在も大量に生産されており、炭素の鉱化を促進しています。^[15]これらの尾鉱を炭素の鉱化に使用すると、エネルギーを大量に消費することが多い超塩基性岩の抽出と処理に関連するコストを削減できます。これらの尾鉱の鉱物学は、採掘される商品の種類によって大幅に異なる場合があります。^[16]

たとえば、カナダのブリティッシュコロンビア州にあるバプティストニッケルプロジェクトは、尾鉱中の炭素を鉱化できる可能性があることで知られています。同様に、カナダのノースウェスト準州にあるガチョクエダイヤモンド鉱山には、炭素の鉱化の可能性があるキンバーライトパイプがあります。この鉱山の尾鉱には、炭素の鉱化を促進する鉱物の混合物が含まれており、大気中の二酸化炭素濃度の全体的な削減に貢献しています。超塩基性鉱山尾鉱は、炭素の鉱化の有望な手段であり、二酸化炭素を効果的に貯留する手段と、採掘作業からの廃棄物を利用する方法の両方を提供します。

尾鉱の二次鉱化は、鉱山廃棄物に含まれる一次鉱物の変質または風化による新しい鉱物の形成を伴う。これらの二次鉱物は、採掘および製錬活動後の風化プロセスにより尾鉱貯留層内で発生する。この鉱化の重要な要因は硫化鉱物の酸化であり、これにより溶存種の濃度、間隙水の pH および全体的な鉱物組成が変化する。酸化ゾーン内では、硫化物や炭酸塩などの一次鉱物が枯渇し、二次鉱物の形成につながる。これらの二次鉱物は、間隙水中の溶存種の濃度を調節するのに役立つため、非常に重要である。^[17]

この研究は、ニューブランズウィック州フレデリクトンの南約60kmにあるマウントプレザントタングステン鉱山での2年間の採掘作業中に生成された尾鉱中のタングステン二次鉱物に焦点を当てました。当初、尾鉱は水没していましたが、1997年のダム決壊後に大気中の酸素にさらされました。鉱床の主要鉱物は、主に石英、トパーズ、蛍石、雲母、粘土、緑泥石、カリ長石、および鉄マンガン重石などの不透明鉱物で構成されています。尾鉱はそれほど酸化されていませんが、特定の領域では硫酸塩と金属の濃度が高く、pH値が低くなっています。

鉱滓のバイオミネラリゼーションとは、生物、特に微生物が代謝活動を通じて鉱物の形成に寄与するプロセスを指します。チオバチルスのような好酸性 化学栄養細菌は鉱化プロセスに不可欠であり、鉱山鉱滓のバイオミネラリゼーションプロセスで重要な役割を果たします。例としては、カナダのオンタリオ州ティミンズ近郊の廃坑となったカムコティア鉱山で発見されたものが挙げられます。この鉱山は約30年間稼働していません。これらの細菌は、自然生態系に深刻な影響を与える可能性のある有毒で酸性の金属浸出液の生成を触媒します。^[18]

酸化条件下では、好酸性 化学栄養細菌が硫化鉄（Fe (II)）を酸化して硫酸と鉄（Fe (III)）を生成します。これらの細菌は、低 pH で鉄（Fe (II)）の酸化速度を高めます。Acidithiobacillus ferrooxidansなどの特定の種は、好気性環境と嫌気性環境の両方で非常に低い pH で鉄（Fe (III)）を還元することもできます。さらに、硫酸還元細菌（SRB）は、可溶性鉄（Fe (II)）と反応して硫化鉄沈殿物を形成することにより、鉱山尾鉱中の鉄循環に間接的に影響を及ぼす可能性があります。硫酸還元細菌（SRB）は通常、中性の還元条件を好みますが、酸性の鉱山排水環境で発見されており、潜在的な耐酸性があることが示されています。酸素は一般にその活動を阻害しますが、最近の研究では、硫酸還元細菌 (SRB) は酸素を豊富に含んだ条件下でも生存可能であり、酸素が十分に供給された微生物マット内で好気性硫酸還元を行うことさえ可能であることが示唆されています。

最大の 3 つの尾鉱ダムは次のとおりです。

タイプ: TE – 土、ER – 岩盤、PG – コンクリート重力、CFRD – コンクリート面岩盤

鉱滓ダムの構造的崩壊 と、その結果として環境中に放出される有毒金属は、大きな懸念事項である。鉱滓ダムの事故に関する公的報告の水準は低い。多数の事故が全く報告されないまま、または報告されても基本的な事実が欠落している。過去の崩壊に関する包括的なデータベースはない。^[26]公衆参加科学センターの鉱山技師デビッド・M・チェンバースによると、10,000年は、ほとんどの鉱滓ダムが構造的完全性を維持するのに必要な期間の「控えめな見積もり」である。^[27]

• オイルサンド尾鉱池（カナダ）
• 灰の池

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