Green Low-Carbon Technology for Metalliferous Minerals

Metalliferous minerals play a central role in the global economy. They will continue to provide the raw materials we need for industrial processes. Significant challenges will likely emerge if the climate-driven green and low-carbon development transition of metalliferous mineral exploitation is not managed responsibly and sustainably. Green low-carbon technology is vital to promote the development of metalliferous mineral resources shifting from extensive and destructive mining to clean and energy-saving mining in future decades. Global mining scientists and engineers have conducted a lot of research in related fields, such as green mining, ecological mining, energy-saving mining, and mining solid waste recycling, and have achieved a great deal of innovative progress and achievements. This Special Issue intends to collect the latest developments in the green low-carbon mining field, written by well-known researchers who have contributed to the innovation of new technologies, process optimization methods, or energy-saving techniques in metalliferous minerals development

Thermal conductivity of mine backfill

Energy conservation is a national strategy for every country. To avoid shortage of energy and high prices, the green sustainable energy resources have become the center of attention. Mining as a prominent industry in Canada consumes a huge amount of energy, so any reduction in energy consumption would result in higher production and profit. In 2005, Hassani of McGill University proposed the use of mine stopes as the heat exchange area for the production of low temperature geothermal energy, since the extraction of ore/ rocks and the backfilling is a part of normal mining operation, then the very low cost associated with the implementation of such system, will make it very viable for mining industry. This work is in collaboration with energy research team of professor Hassani of McGill University (EMERG). This is a part of an overall research program on low temperature geothermal energy from mines. The research was focused primarily on investigating and obtaining a range values for thermal conductivity of different mine backfills, as well as the effect of some of the associated physical parameters. More than 800 samples and 2000 measurements were done on different backfills with different physical properties. This preliminary investigation indicates that pulp density, binder consumption, curing time, and sodium silicate content have negligible to slight influence on the thermal conductivity of backfill. However parameters such as saturation, and to a lesser extent porosity and the thermal conductivity of the inert material, have more significant influence

Mining Safety and Sustainability I

Safety and sustainability are becoming ever bigger challenges for the mining industry with the increasing depth of mining. It is of great significance to reduce the disaster risk of mining accidents, enhance the safety of mining operations, and improve the efficiency and sustainability of development of mineral resource. This book provides a platform to present new research and recent advances in the safety and sustainability of mining. More specifically, Mining Safety and Sustainability presents recent theoretical and experimental studies with a focus on safety mining, green mining, intelligent mining and mines, sustainable development, risk management of mines, ecological restoration of mines, mining methods and technologies, and damage monitoring and prediction. It will be further helpful to provide theoretical support and technical support for guiding the normative, green, safe, and sustainable development of the mining industry

Volume II: Mining Innovation

Contemporary exploitation of natural raw materials by borehole, opencast, underground, seabed, and anthropogenic deposits is closely related to, among others, geomechanics, automation, computer science, and numerical methods. More and more often, individual fields of science coexist and complement each other, contributing to lowering exploitation costs, increasing production, and reduction of the time needed to prepare and exploit the deposit. The continuous development of national economies is related to the increasing demand for energy, metal, rock, and chemical resources. Very often, exploitation is carried out in complex geological and mining conditions, which are accompanied by natural hazards such as rock bursts, methane, coal dust explosion, spontaneous combustion, water, gas, and temperature. In order to conduct a safe and economically justified operation, modern construction materials are being used more and more often in mining to support excavations, both under static and dynamic loads. The individual production stages are supported by specialized computer programs for cutting the deposit as well as for modeling the behavior of the rock mass after excavation in it. Currently, the automation and monitoring of the mining works play a very important role, which will significantly contribute to the improvement of safety conditions. In this Special Issue of Energies, we focus on innovative laboratory, numerical, and industrial research that has a positive impact on the development of safety and exploitation in mining

A field study of beaching behaviour and the in-situ moisture regime of tailings during active deposition

This research investigated the in-situ beaching and drying behaviour of platinum tailings in relation to proposed mechanisms described in literature and predicted from laboratory behaviour. Successive field depositions allowed the impact of finer grinds, slurry density and beach length to be investigated and compared to flume tests, indicating beach length to be a key parameter. By monitoring gravimetric water contents following deposition the quantity of water released during sedimentation showed that the beach acts as a natural “machine” thickener. After sedimentation the water content was observed to decrease, at a rate correlated with Reference Evapotranspiration, reaching a steady state condition. Field capacity values determined from laboratory experimentation and numerical modelling correlated closely with this steady state condition; restricting further moisture loss due to the relative abundance of moisture to replenish deficits. Liquidity indices demonstrated that as a result only the head of the beach dries sufficiently to impound the waste

Investigating the Hydrogeotechnical and Microstructural Properties of Cemented Paste Backfill Using the CUAPS Apparatus

Dans l'industrie minière et des minéraux, un grand volume et une large variété de résidus miniers qui se composent de fractions grossières et fines et pouvant être soit réactifs (production d'acide) ou non réactifs sont produits à travers le monde chaque jour. La plupart des opérations minières utilise la fraction grossière des résidus miniers pour le remblayage souterrain alors que les fines sont généralement déposées en surface dans des parcs à résidus ou derrière des digues de retenue. Il est toutefois bien connu que les digues de retenue sont à risque de rupture dû à une fuite, l'instabilité, la liquéfaction et d'un défaut de conception. En outre, les rejets générateurs d‘acidité peuvent causer des dommages importants à l'environnement sous la forme de drainage minier acide en libérant des métaux lourds, s'ils ne sont pas correctement gérés. Pour résoudre ces problèmes, la solution de gestion des résidus miniers est d'adopter une approche qui est techniquement appropriée, économiquement viable, écologiquement durable et socialement responsable. Le remblai cimenté en pâte (RCP) est l'une des plus récentes méthodes novatrices de gestion des résidus et se compose généralement d'un mélange des résidus miniers tout-venant sans deslamage (70-85% solides), un liant hydraulique (3-7% en poids) pour répondre aux critères de stabilité requise et d'eau de mélange (20-25% d'eau). La plupart des travaux de recherche a été jusqu'à présent effectuée en focalisant sur les propriétés physico-chimiques, minéralogiques, mécaniques et microstructurales des RCP. La plupart du temps, des moules en plastique conventionnels non drainés sont généralement utilisés pour déterminer les paramètres de conception du remblai minier en pâte qui dépendent du pourcentage solides, de la granularité des résidus, du type de liant et de sa teneur, et du temps de cure. Toutefois, des études récentes ont montré que pour une même recette de remblai utilisée au laboratoire et in situ après un temps de cure donné, la performance mécanique du remblai préparé au laboratoire était toujours inférieure à celle du remblai in situ. La raison principale derrière ce phénomène est que la cure du remblai en pâte in situ se serait faite sous l'action des contraintes effectives qui se seraient progressivement développées dans le chantier remblayé en raison de leur consolidation (sous poids propre ou par surcharge) et ainsi, entraîne l'amélioration du taux de d‘acquisition de la résistance mécanique finale. La mise en place et les propriétés des remblais in situ ne peuvent être reproduits à l'aide des moules classiques. Par conséquent, il existe un besoin évident de développer de nouveaux équipements et de nouvelles procédures d'essais capables de reproduire de façon réaliste les conditions de cure in situ des remblais cimentés en pâte dans un environnement de laboratoire contrôlé. Dans ce cas le but étant d'être en mesure d'atteindre des résistances mécaniques les plus élevées possibles et/ou au moins équivalentes pour une meilleure conception de remblai. Cette thèse est composée principalement de quatre articles/manuscrits de journaux avec comité de révision par les pairs. Le premier article essaye d'investiguer les différences dans les propriétés hydromécaniques des RCP observées entre les échantillons qui curent dans les conditions de laboratoire et in situ par le biais de la première version d'un nouvel appareil d‘essais en laboratoire appelé CUAPS (système de cure sous pression appliquée). Il aborde substantiellement les propriétés physiques, hydrotechniques et géochimiques d‘échantillons de RCP préparés avec des résidus catégorisés comme grossiers (15 wt% ­< grains de moins de 20 μm < 35 wt%) provenant d'une mine polymétallique européenne. Le deuxième article présente davantage l'évaluation de l'appareil CUAPS modifié qui permet d‘estimer certaines propriétés hydromécaniques des RCP incluant la compression anisotrope (consolidation 1-D) et la perméabilité. L'appareil CUAPS modifié capture bien la déformation axiale qui se produit dans le remblai pendant sa compression (soit par surcharge ou par son poids propre) et cela permet de réaliser des essais de consolidation unidimensionnelle, mais aussi des essais de dissipation de la pression interstitielle, de perméabilité (mesure de la conductivité hydraulique saturée), de cure sous contrainte effective appliquée et de cure sous différents taux de compression. Les résultats préliminaires illustrent bien l'efficacité, l'utilité et la capacité de cet appareil CUAPS modifié dans l'optique de l'optimisation réaliste des recettes de RCP à être utilisées pour le remblayage souterrain. Le troisième article focalise particulièrement sur les propriétés de consolidation unidimensionnelle à l'aide de l'appareil CUAPS modifié. Les échantillons de remblai en pâte ont été préparés avec des résidus catégorisés comme fins (35 wt% ­< grains de moins de 20 μm < 60 wt%). Le quatrième et dernier article présente les résultats de l'étude sur les effets des conditions de cure (consolidée et non consolidée) sur les propriétés microstructurales du RCP au moyen de la porosimétrie par intrusion de mercure (PIM) et la détermination de la surface spécifique. Quelques modèles empiriques de prédiction de la résistance en compression uniaxiale (UCS) en fonction de certains paramètres de la microstructure des RCP ont été proposés. Cette thèse de doctorat a non seulement permis une meilleure compréhension des propriétés des remblais en pâtes préparés en laboratoire, mais il a également permis d'évaluer avec succès l'appareil CUAPS modifié qui peut être un outil précieux pour la collecte de données équivalentes à celles du remblai in situ mais à l'échelle du laboratoire. Ce travail est considéré comme une étude originale qui a investigué le comportement en consolidation unidimensionnelle des échantillons de RCP à différents temps de cure et aussi le comportement d'échantillons de RCP curés sous une série d'incréments de pressions en permettant le développement graduel de la contrainte effective dû au drainage (simulant les chantiers souterrains remblayés). Cette recherche a donc contribué à une meilleure compréhension du comportement de ce matériau relativement complexe qu'est le RCP et a mis au point une procédure d‘essai pour évaluer la performance mécanique qui pourrait être considérée lors du processus de conception de tout remblai cimenté en pâte. Enfin, l'appareil CUAPS modifié aidera les chercheurs et les opérateurs des remblais à mieux comprendre les propriétés de consolidation des CPB frais ou durcis qui devraient être préparés en laboratoire. In the mining and mineral industry worldwide, large volumes and many varieties of mine tailings consisting of coarse and fine fractions that are either reactive (acid generating) or non-reactive are produced every day. Most mining operations use the coarse fraction of the tailings for underground backfill, while the fines are usually deposited on the surface into tailings impoundments or dams. However, it is well known that these dams are at risk of failure due to leakage, instability, liquefaction and inadequate design. Moreover, unless they are properly managed, acid-generating tailings can cause significant environmental damage by generating acid mine drainage that releases heavy metals. Overcoming such problems requires tailings management approaches that are technically suitable, economically viable, environmentally sustainable and socially responsible. Cemented paste backfill (CPB), an engineering material, is used in a recent, innovative tailings management method. Typically, CPB is a mixture of total mill tailings without removing the fines, or desliming (70–85 wt% solids), and single, binary and ternary hydraulic binders (3–7 wt%) in order to meet stability requirements and combined with mixing water (20–25 wt%). Most studies to date have focused on the physicochemical, mineralogical, mechanical and microstructural properties of CPB. Conventional undrained plastic moulds (non-perforated) are usually used to determine mine backfill design parameters, depending on the solid mass concentration, grain size grading, binder type and content, and curing time. However, recent studies have shown that for identical backfill recipes used in the laboratory and in situ after a given curing time, the performance (i.e., mechanical strength) of laboratory-prepared CPB samples is consistently lower than that obtained from in situ CPB samples. The primary reason is that in situ backfill material is cured under effective stresses that develop gradually in a stope due to self-weight and/or time-dependent consolidation loads, which accelerate the rate of final strength development. In situ CPB placement and properties cannot be replicated using conventional moulds. Therefore, innovative equipment and test procedures that allow realistic reproduction of in situ curing conditions of CPB materials in a controlled laboratory setting are needed. The aim is to obtain higher or at least equivalent mechanical strength, and consequently a better backfill design

Production and properties of ferrite-rich CSAB cement from metallurgical industry residues

Blast furnace slag from the steel industry is commercially utilized as a cement replacement material without major processing requirements; however, there are many unutilized steel production slags which differ considerably from the blast furnace slag in chemical and physical properties. In this study, calcium sulfoaluminate belite (CSAB) cement clinkers were produced using generally unutilized metallurgical industry residues: AOD (Argon Oxygen Decarburisation) slag from stainless steel production, Fe slag from zinc production, and fayalitic slag from nickel production. CSAB clinker with a target composition of ye'elimite-belite-ferrite was produced by firing raw materials at 1300 °C. The phase composition of the produced clinkers was identified using quantitative XRD analyses, and the chemical composition of the clinker phases produced was established using FESEM-EDS and mechanical properties were tested through compressive strength test. It is demonstrated that these metallurgical residues can be used successfully as alternative raw materials for the production of CSAB cement that can be used for special applications. In addition, it is shown that the available quantities of these side-streams are enough for significant replacement of virgin raw materials used in cement production