Industria mineraria Attività volta al recupero selettivo di minerali e altri materiali dalla crosta terrestre, escluse le sostanze organiche di recente formazione. Si tratta di una delle più antiche attività umane e, quasi fin dall'inizio dell'età della Pietra, permise all'uomo di sfruttare alcuni materiali per la fabbricazione di utensili, dapprima rudimentali, ma col passare del tempo sempre più efficienti e sofisticati. L'inizio dell'attività mineraria può essere fatto risalire al momento in cui i nostri progenitori iniziarono a recuperare particolari tipi di roccia per foggiare armi e attrezzi primitivi. Inizialmente l'estrazione di minerali consisteva semplicemente nel realizzare piccole buche in cerca di selci o altri tipi di roccia utili. In seguito, il progressivo esaurimento dei giacimenti superficiali indusse gli uomini a realizzare scavi sempre più profondi, che man mano si trasformarono in vere e proprie miniere sotterranee. La più antica miniera in sotterraneo di cui si abbia notizia, una miniera di ocra rossa situata a Bomvu Ridge, nello Swaziland, in Africa meridionale, risale probabilmente a circa 40.000 anni fa, a prova del fatto che l'attività mineraria ebbe inizio molto prima dell'agricoltura.

Macchinari da miniera Questo cingolato, detto "mammut", è dotato di un argano molto potente che solleva il minerale estratto e lo carica sui camion da trasporto.Hutchison Library

Una parte dei materiali usati nella società moderna è costituita direttamente da minerali estratti dalle miniere, un'altra invece viene prodotta sfruttando minerali coltivati. Persino le attività primarie come l'agricoltura, la pesca e la silvicoltura non potrebbero essere praticate senza fare ricorso agli attrezzi e ai macchinari realizzati con i prodotti estratti dalle miniere; per questo motivo l'industria mineraria può essere considerata l'attività industriale di base per eccellenza.

Esistono quattro metodi fondamentali di estrazione dei minerali. In primo luogo, essi possono essere estratti da miniere o da cave a cielo aperto, che sono di gran lunga le più diffuse; in secondo luogo, è possibile realizzare miniere in sotterraneo a cui si accede attraverso pozzi o gallerie; in terzo luogo, l'estrazione di minerali e di combustibili può essere eseguita mediante pozzi di trivellazione; infine si può praticare l'attività estrattiva subacquea, mediante dragaggio. Attualmente molte ricerche sono volte al potenziamento di quest'ultima tecnica, per poter raggiungere i fondali degli oceani.

L'attività mineraria comporta sempre la rimozione di materiali dalla crosta terrestre, spesso in grandi proporzioni, anche per poter estrarre solo piccole quantità del prodotto desiderato: pertanto ha sempre conseguenze dannose sull'ambiente, in modo particolare nella zona di estrazione. In effetti, l'estrazione di minerali viene considerata una delle maggiori cause del degrado ambientale. I progressi compiuti nel settore dell'ingegneria mineraria, tuttavia, consentono di limitare i danni ambientali e di effettuare interventi di recupero del sito una volta che l'attività estrattiva è stata portata a termine; le attuali ricerche sull'argomento, inoltre, sono volte alla progettazione di metodi e tecniche per rendere minimo l'impatto sull'ambiente.

L'attività mineraria ha normalmente lo scopo di estrarre minerali o combustibili fossili. I minerali sono sostanze naturali caratterizzate da una composizione chimica definita e da proprietà coerenti, che si trovano in masse omogenee in giacimenti di varie dimensioni e sono tra i principali costituenti delle rocce. I combustibili fossili più importanti sono invece gli idrocarburi, che di solito non sono considerati minerali. Una risorsa mineraria è una parte della crosta terrestre in cui è presente una concentrazione insolitamente elevata di un dato minerale o combustibile. Questa diventa una riserva mineraria quando il minerale, o uno dei suoi costituenti, ad esempio un metallo, può essere estratto con le moderne tecnologie a un costo che garantisce un profitto ragionevole sul capitale investito.

Da giacimenti e riserve è possibile estrarre una grande varietà di materiali, che possono essere classificati come segue:

Minerali metallici, dai quali si estraggono i metalli preziosi (oro, argento e i metalli del gruppo del platino), i metalli usati in siderurgia (ferro, nichel, cobalto, titanio, vanadio e cromo), i metalli-base (rame, piombo, stagno e zinco), i metalli leggeri (magnesio e alluminio), i metalli radioattivi detti anche combustibili nucleari (uranio, radio e torio) e i metalli speciali come litio, germanio, gallio e arsenico.

Minerali industriali, che comprendono: il quarzo, il salgemma, il carbonato di potassio, l'amianto, il talco, i feldspati, lo zolfo e i fosfati.

Materiali da costruzione, che comprendono: la sabbia, il ghiaietto, gli inerti, le argille da mattoni, la pietra da calce e lo scisto usato per fabbricare il cemento; questo gruppo include anche l'ardesia per i tetti e le pietre lisce, come il calcare, il granito, il travertino e il marmo.

Pietre preziose, che comprendono: diamanti, rubini, zaffiri e smeraldi.

Combustibili fossili, che comprendono: carbon fossile, lignite, torba, petrolio e gas naturali (anche se questi ultimi generalmente non vengono considerati un prodotto minerario).

Questi materiali, ovviamente, sono solo alcuni dei numerosi che vengono estratti dalle miniere. Un giacimento minerario può avere forme diverse; può affiorare in superficie oppure essere sepolto in profondità. In alcune delle miniere d'oro più profonde del Sudafrica, l'attività estrattiva comincia a una profondità di pozzo di 1500 m per arrivare fino a oltre 3500 m. Le miniere possono raccogliere materiali sciolti, non conglomerati, come i sedimenti nel letto di un fiume, oppure inglobati in una roccia solida, più dura di qualsiasi calcestruzzo.

2 MINIERE A CIELO APERTO

Miniera di rame a cielo aperto I giacimenti più superficiali di rame danno luogo a miniere a cielo aperto come questa. Estratto in forma metallica o minerale (ad esempio bornite e calcopirite), il rame viene poi sottoposto a trattamenti di rimozione delle impurità, generalmente costituite da solfuri, carbonati, ferro e silicati.Francois Gohier/Photo Researchers, Inc.

Rappresentano senza dubbio il settore più importante dell'industria mineraria, dato che coprono oltre il 60% dei casi e che possono riguardare qualsiasi materiale.

Le miniere a cielo aperto sono possibili quando esistono giacimenti superficiali e generalmente si presentano come grandi sterri a terrazze di forma più o meno circolare, che arrivano sempre più in profondità e diventano sempre più larghi mano a mano che si proseguono le operazioni di scavo. Esempi classici di questo tipo sono le miniere di diamanti del Sudafrica.

Pala gigante da carbone Nelle miniere a cielo aperto si usano spesso grosse cucchiaie per livellare o muovere il terreno. Queste hanno denti prominenti e affilati che, guidati da potenti macchine, penetrano efficacemente nei suoli più consolidati.UPI/THE BETTMANN ARCHIVE

Per costruire queste miniere si comincia con la perforazione della roccia superficiale e il brillamento delle mine che la frantumano. La roccia frantumata viene rimossa dallo sterro e caricata su autocarri per mezzo di enormi escavatori a cucchiaia, elettrici o idraulici, o mediante pale a caricamento frontale. Queste macchine per movimento di terra caricano normalmente dai 5 ai 25 m³ di materiale per volta, ma possono caricare fino a 50 m³. Nelle miniere più moderne talvolta il materiale di sterro viene scaricato direttamente su un impianto di frantumazione mobile, collegato con un nastro trasportatore che elimina la roccia frantumata.

Il materiale classificato come minerale utile viene portato all'impianto di trattamento, mentre il materiale di scarto viene smaltito nelle discariche. Una terza categoria di materiale di qualità inferiore può essere ammucchiata per essere eventualmente trattata in un secondo tempo.

A mano a mano che la profondità degli scavi aumenta, cresce anche il costo di sfruttamento del giacimento: molte miniere dunque nascono a cielo aperto e vengono convertite in scavi sotterranei quando una percentuale eccessiva del materiale estratto è inutilizzabile.

2.1 Coltivazioni a cielo aperto previo sbancamento

Questo metodo di estrazione viene usato soprattutto, ma non esclusivamente, per il carbon fossile e la lignite. La principale differenza tra queste coltivazioni e le comuni miniere a cielo aperto sta nel fatto che il materiale di sterro scavato per portare alla luce il giacimento di carbone viene rimesso nella cavità stessa, anziché essere trasportato in lontane discariche. Queste miniere perciò si spostano da un punto all'altro della zona in cui si trova un giacimento, e ogni volta lo sterro viene ricoperto in modo che la superficie del terreno recuperi per quanto possibile l'aspetto che aveva prima che lo sbancamento avesse inizio. Al contrario della comune miniera a cielo aperto, che normalmente diventa sempre più grande, questo tipo di miniera raggiunge la massima dimensione in un arco di tempo piuttosto breve, mantenendola poi costante.

In queste coltivazioni si impiegano le stesse attrezzature usate nelle comuni miniere a cielo aperto (in particolare per l'estrazione del carbon fossile); per lo sbancamento del materiale di sterro usato come terreno di copertura si utilizzano alcune macchine per movimento di terra estremamente potenti come, ad esempio, gli escavatori a noria e gli escavatori a benna trainata.

2.2 Cave

Le cave sono sostanzialmente miniere a cielo aperto, e richiedono il medesimo tipo di attrezzatura. I minerali estratti sono in genere sfruttati come materiali da costruzione, con una minima parte costituita da materiale di scarto. Ciò implica, tuttavia, un forte impatto ambientale, poiché una volta esaurita l'attività mineraria rimane un enorme scavo non ricoperto. Inoltre, dal momento che la maggior parte dei prodotti estratti dalle cave (ad esempio sabbie, ghiaie, argille, marne) è poco costosa, queste sono di solito situate in luoghi relativamente prossimi ai mercati, in modo da ridurre al minimo i costi di trasporto che, se elevati, renderebbero l'attività antieconomica. Molte cave sono quindi realizzate nei pressi di aree urbane, e perciò le operazioni di scavo devono essere progettate con cura, in modo da causare il minimo disagio possibile alle persone che abitano nelle vicinanze. Una volta terminata l'attività di estrazione, gli scavi vengono convertiti in discariche per i rifiuti urbani, talvolta acquistando, soprattutto nelle grandi città, un valore economico maggiore di quello dei materiali estratti.

3 GIACIMENTI ALLUVIONALI

Questi giacimenti, detti anche giacimenti detritici o di sedimentazione, sono costituiti da particelle di minerali mescolate a sabbia o ghiaietto. Poiché hanno origine alluvionale, sono generalmente situati nel letto di un fiume o nelle vicinanze di corsi d'acqua. La natura dei processi di concentrazione che portano alla formazione di un giacimento alluvionale è tale che i materiali estratti sono assai concentrati e non ricoperti da strati rocciosi. Il procedimento di estrazione perciò consiste in un movimento di terra relativamente semplice e per separare il minerale di interesse dagli scarti si possono anche adottare sistemi di recupero non chimici. Il materiale di sterro estratto durante l'attività mineraria può essere riutilizzato per colmare lo scavo, quando il processo di estrazione si è spostato in altre zone.

4 MINIERE IN SOTTERRANEO

Miniere di carbone Per estrarre il carbone da giacimenti che si trovano a una profondità superiore ai 30 metri si possono realizzare tre tipi di miniere: pozzi, costituiti da una coppia di condotti verticali che raggiungono i gacimenti più profondi; gallerie inclinate, che conducono a depositi di carbone disposti di traverso; miniere di mezza costa, che raggiungono vene di carbone situate nel fianco di una montagna attraverso un unico tunnel.© Microsoft Corporation. Tutti i diritti riservati.

Le miniere in sotterraneo possono essere suddivise in miniere di roccia dolce e miniere di roccia dura. La roccia viene classificata come "dolce" quando non richiede l'uso di esplosivo nella fase di scavo, ma può essere tagliata con gli utensili e i macchinari moderni. Il tipo più comune di roccia dolce è il carbon fossile, ma sono dolci anche il salgemma, la potassa, la bauxite e molti altri minerali. Nelle miniere scavate nella roccia dura, al contrario, l'uso di esplosivi è solitamente indispensabile.

4.1 Coltivazioni in sotterraneo di roccia dolce: carbon fossile

Nella maggior parte dei paesi europei, le miniere di carbon fossile sono le prime a cui si pensa quando si parla di industria mineraria. Fino alla metà del XX secolo si usavano esplosivi e macchine perforatrici anche in queste miniere, ma a partire dal 1950 circa questi metodi furono quasi completamente abbandonati. Oggi infatti si preferisce usare il cosiddetto "metodo a parete lunga": nel giacimento vengono tagliate due gallerie parallele, distanti circa 300 m l'una dall'altra; tra le due gallerie principali viene quindi scavata una galleria di raccordo e una parete di questa diventa il fronte di abbattimento del carbone. Ai lati della galleria di avanzamento, in prossimità del fronte di abbattimento, vengono collocati robusti piloni idraulici che sostengono una volta di protezione del personale e delle attrezzature; davanti ai piloni è situato un trasportatore a catena, le cui fiancate sostengono un escavatore continuo, che taglia il carbone mediante un tamburo dentato in rotazione contro il fronte di abbattimento. Quando vengono tagliati, i pezzi di carbone cadono sul trasportatore a catena, che li porta fino al termine della parete di estrazione. Qui il carbone viene posto su un nastro trasportatore e trasferito al pozzo, oppure direttamente fuori dalla miniera. Quando la parete della galleria è stata abbattuta completamente, l'intero sistema di sostegno viene spostato in avanti e l'escavatore inizia a tagliare nella direzione opposta. Nella parte di galleria privata del sistema di sostegno idraulico la volta crolla, per cui questo metodo d'estrazione provoca sempre sprofondamenti del suolo sovrastante.

In Sudafrica, negli Stati Uniti e in Australia è molto usato il metodo di coltivazione a camere e pilastri, in cui speciali macchine per cantieri sotterranei scavano un reticolo di gallerie separate da pilastri di carbone lasciati in piedi affinché sostengano la volta. Questo metodo di estrazione lascia una percentuale significativa di carbone inutilizzata sotto forma di pilastri, ma solitamente provoca problemi sensibilmente minori di cedimento del terreno sovrastante.

4.2 Coltivazioni in sotterraneo di roccia dura: metalli e minerali

Nella maggior parte di queste miniere la roccia viene frantumata con un esplosivo, oppure mediante macchine perforatrici idrauliche o ad aria compressa. Gli esplosivi vengono posti nei fori eseguiti dalle macchine e fatti esplodere in modo da rompere la roccia. Il materiale frantumato viene caricato su carrelli, spesso azionati da motori diesel e montati su pneumatici, che lo scaricano nei cosiddetti "fornelli di gettito" o "discenderie" (piccoli canali molto ripidi, scavati appositamente, che comunicano con un livello inferiore). La roccia cade quindi sul fondo del pozzo, dove viene prelevata da benne e portata, all'esterno della miniera, all'impianto di trattamento (se si tratta di minerali grezzi) o alla discarica (se si tratta del materiale di scarto).

Per poter estrarre i minerali è necessario scavare una rete di gallerie d'accesso che normalmente vengono realizzate nella roccia che circonda il giacimento. Questo lavoro è detto "sviluppo" e nelle grandi miniere, come la miniera di platino di Rustenberg in Sudafrica, possono essere creati ben 4 km di gallerie al mese. La rimozione del minerale stesso è detta "coltivazione in sotterraneo" e la scelta del metodo da utilizzare per questa fase dipende dalla forma e dall'orientamento del giacimento. Nei giacimenti tabulari piatti è necessario installare impianti altamente meccanizzati per il caricamento e il trasporto della roccia frantumata. Quando, al contrario, i giacimenti sono molto scoscesi, una grande parte del lavoro di spostamento della roccia può essere effettuata sfruttando la forza di gravità. Nel metodo di coltivazione a frana, la forza di gravità viene utilizzata anche per rompere la roccia: il blocco da rompere viene intagliato alla base e fatto crollare sotto il suo stesso peso. La coltivazione in sotterraneo è il metodo di estrazione più pericoloso ed è per questa ragione che i minatori optano, quand'è possibile, per gli scavi a cielo aperto.

5 COLTIVAZIONE A DRAGAGGIO

Il dragaggio in acque poco profonde è probabilmente il metodo di coltivazione più economico che esista. In specchi d'acqua che non superano i 65 m di profondità, per recuperare i sedimenti incoerenti si possono utilizzare draghe dotate di teste da taglio montate all'estremità di condotti aspiranti oppure draghe a catena di cucchiaie o di tazze. Le coltivazioni oceaniche rappresentano invece una grande sfida per il futuro: allo stato attuale esse sono situate sulle piattaforme continentali, in acque relativamente poco profonde, perché le nuove tecniche per l'estrazione di minerali dal fondo degli oceani sono ancora a livello sperimentale. Nei fondali oceanici, a profondità di 2500-3500 m, sono stati scoperti i cosiddetti noduli di manganese, blocchi di roccia isolati che contengono abbondanti quantità di manganese e percentuali significative di altri metalli, come il rame e il nichel.

6 COLTIVAZIONE MEDIANTE POZZI DI TRIVELLAZIONE

Pozzi minerari La principale via di accesso a una miniera sotterranea è il pozzo, attraverso cui passa l’ascensore per gli operai, detto gabbia, e il carrello di estrazione del minerale, detto skip. Un pozzo di ventilazione parallelo a quello principale garantisce una corretta aerazione impedendo l’accumulo di gas tossici. Una serie di passaggi trasversali a diversi livelli, infine, mette in comunicazione il giacimento con i cantieri in cui il minerale estratto viene sottoposto alle prime lavorazioni.© Microsoft Corporation. Tutti i diritti riservati.

Numerosi materiali possono essere estratti trivellando il terreno senza ricorrere allo scavo di pozzi o di gallerie. Ciò vale per tutte le sostanze liquide, di cui petrolio e acqua sono gli esempi più comuni. Inoltre, tutte le sostanze idrosolubili possono essere estratte pompando acqua all'interno del giacimento mediante un pozzo di trivellazione, in modo che queste possano sciogliersi per formare una coltivazione disciolta. In alternativa, è possibile applicare un altro metodo, generalmente chiamato "lisciviazione in loco", che consiste nell'utilizzare un solvente diverso dall'acqua, particolarmente adatto a sciogliere un determinato minerale presente nella roccia.

6.1 Coltivazione dello zolfo

Lo zolfo rappresenta un caso a parte perché avendo punto di fusione relativamente basso (108 °C) può essere facilmente liquefatto ed estratto mediante pompaggio in superficie. Il procedimento utilizzato per estrarre lo zolfo è relativamente semplice. Una certa quantità di acqua salata calda viene pompata in un tubo inserito all'interno del pozzo che è stato trivellato nel giacimento di zolfo (si usa acqua salata perché ha punto di ebollizione più elevato e perciò può essere riscaldata oltre la temperatura di fusione dello zolfo). Non essendo idrosolubile, lo zolfo fonde senza sciogliersi e può essere estratto con un'operazione di pompaggio eseguita mediante un tubo situato all'interno di quello stesso usato per l'acqua. Un terzo tubo, a sua volta posto dentro il secondo, introduce nel pozzo aria compressa, con lo scopo di facilitare il pompaggio. Miniere di questo tipo esistono in Polonia, dove il metodo fu messo a punto, e al largo della Louisiana, nel golfo del Messico.

6.2 Coltivazioni disciolte

Il metodo di estrazione delle sostanze idrosolubili, le più comuni delle quali sono il salgemma e la potassa, è la trivellazione delle saline, seguita dall'inserimento nel pozzo di una serie di tubazioni simili a quelle utilizzate per lo zolfo, attraverso le quali si introduce acqua nel giacimento; per azione dell'acqua il sale si scioglie e la soluzione che ne deriva può essere estratta dal pozzo mediante pompaggio, per poi recuperare il sale in superficie. Questo metodo di coltivazione è utilizzato in molte delle numerose miniere di salgemma italiane.

6.3 Lisciviazione in loco

La lisciviazione normalmente viene considerata un metodo alternativo per estrarre alcuni metalli, in particolare l'uranio e il rame. Comporta sempre l'impiego di due pozzi di trivellazione distinti: il primo per iniettare il solvente nel giacimento e il secondo per recuperare le soluzioni "gravide". Il giacimento deve essere poroso, in modo che il solvente possa fluire da un pozzo di trivellazione all'altro, dissolvendo in tal modo il minerale o il metallo che si desidera estrarre. È inoltre preferibile che la roccia che circonda il giacimento sia impermeabile, per avere un maggiore controllo del solvente. Quando possibile, dovrebbero essere usati solventi non tossici, dal momento che essi potrebbero penetrare nelle rocce limitrofe. La lisciviazione in loco presenta diversi vantaggi dal punto di vista ambientale: innanzi tutto l'azione di abbattimento della roccia è molto limitata, e in secondo luogo le successive operazioni di sgombro del terreno sono molto semplici da attuare. Le miniere di uranio del Texas meridionale sono un esempio di questo tipo di coltivazione.

7 SICUREZZA NELLE MINIERE

Pozzo minerario profondo Un minatore esegue una perforazione a più di 1500 m di profondità, dove i pericoli sono tanti e di diversa natura: dalle esalazioni di gas tossici, alla polvere esplosiva, ai crolli. Per ridurre la probabilità di questi incidenti vengono normalmente installati nelle miniere sistemi di aerazione e rinforzi di acciaio che sorreggano le pareti.Ted Clutter/Photo Researchers, Inc.

In tutti i tipi di miniera è necessario affrontare problemi relativi alla sicurezza, ma misure particolari devono essere adottate per gli scavi sotterranei, che sono i più pericolosi. Il pericolo deriva dalla natura stessa della miniera: si tratta, infatti, di una costruzione nella roccia naturale, che non è un buon materiale per questo tipo di operazioni; in particolare, è statisticamente dimostrato che le miniere di roccia dolce sono più pericolose di quelle di roccia dura.

La principale causa di incidenti in miniera è il distacco di grossi pezzi di roccia dalle pareti delle gallerie e dei pozzi. Dello stesso tipo sono gli incidenti provocati da pezzi di roccia che cadono per altre cause, ad esempio dagli impianti di trasporto. La seconda causa di incidenti è costituita dai macchinari mobili. Altri pericoli sono rappresentati dagli esplosivi, dalle inondazioni improvvise e dalle esplosioni di grisù, o gas di miniera, che si possono verificare in tutte le miniere, ma sono più comuni in quelle di carbone.

Anche la profondità stessa della miniera può rappresentare un serio pericolo, perché il peso delle rocce che sovrastano le gallerie di estrazione può vincere la resistenza della roccia e determinarne il crollo improvviso (un fenomeno noto come "colpo di tensione"). Da molti anni sono in corso studi tendenti a migliorare il metodo di coltivazione delle miniere in modo da eliminare o ridurre al minimo la possibilità che si verifichino tali evenienze.

Oltre che al pericolo di incidenti, i minatori sono sottoposti al rischio di contrarre malattie, soprattutto nelle miniere in sotterraneo. Tutte le miniere producono polveri che, se inalate, possono causare gravi malattie polmonari, quali la silicosi e l'asbestosi, e in generale disturbi dell'apparato respiratorio. I fumi degli esplosivi, che contengono ossidi di azoto, sono estremamente tossici; possono inoltre essere presenti altri gas tossici, come l'acido solfidrico e il monossido di carbonio. Molte miniere, e in particolare quelle di uranio, presentano anche il pericolo di radiazioni, poiché le loro rocce emettono radon, un elemento gassoso radioattivo.

A causa dei pericoli inerenti al lavoro in miniera, esistono norme di sicurezza estremamente severe nella maggior parte dei paesi in cui l'industria mineraria è molto sviluppata: particolare attenzione è posta alla qualità dell'aria, al sostegno degli strati coltivati, agli esplosivi, all'illuminazione e al rumore.

bibliografia essenziale
Queste fonti forniscono ulteriori informazioni su Industria mineraria.

Spesso però gli incidenti in miniera sono causati da errori umani: non si può dunque trascurare un'adeguata formazione per tutti coloro che svolgono la loro attività nei giacimenti, a tutti i livelli. Grande attenzione naturalmente è posta ai metodi di progettazione delle miniere, per cercare di costruire strutture sempre più sicure: ad esempio, i sistemi di sostegno usati nelle miniere di carbone che impiegano il metodo a parete lunga hanno contribuito in modo decisivo a ridurre gli incidenti dovuti ai crolli.

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