(Fr.: extraction; Du.: Gewinnung; Eng.: mineral production), het ontginnen van delfstoffen en als zodanig het doel van de mijnbouw.
Olie- en gaswinning geschiedt door het boren van in hoofdzaak verticale gaten tot 5 km diep. Door toepassing van moderne methoden is het winnen van delfstoffen door middel van dagbouw steeds meer gelijkenis gaan vertonen met de burgerlijke genie en de civiele techniek waarbij eveneens enorme hoeveelheden los of vast terrein verwerkt worden; dezelfde problemen treden op met grondwater en het evenwicht van de grondmassa’s. Het verschil ligt vooral in doelstelling: wanneer de burgerlijke genie een terreinverandering aanbrengt is deze rechtstreeks het doel, terwijl bij de mijnbouw uitgegraven groeven of holten of de opgestapelde steriele bijprodukten meestal als hinderlijk beschouwd worden.
Van groeven spreekt men wanneer het de winning betreft van bijv. bruinkool in dagbouw en stoffen, veelal bouwstoffen (klei, zand, grind, zandsteen, kalksteen, marmer, leisteen, mergel, basalt, graniet, porfier enz.), die overvloedig voorkomen dichtbij het aardoppervlak zodat zij meestal met eenvoudige middelen kunnen worden gewonnen. Indien de materialen voor de bouwnijverheid bestemd zijn, vormen vooral fysische eigenschappen (korrelgrootte, vorm, hardheid, slijtvastheid enz.) doorslaggevende factoren; dit geldt niet voor de grondstoffen voor kalk- en cementfabricage die vooraf chemisch behandeld worden.
De eigenlijke mijnbouw richt zich naar grondstoffen die een hoge intrinsieke waarde hebben en waarbij vooral de chemische samenstelling doorslaggevend is, bijv. het metaalgehalte van een erts of de verbrandingswaarde en het asgehalte van een brandstof. In het algemeen moeten voor de winning dure selectieve methoden worden toegepast en grote hoeveelheden ganggesteente worden verwijderd.
Volgens hun bestemming kan men de voornaamste delfstoffen als volgt rangschikken.
1. Bouwstoffen.
2. Zouten en andere grondstoffen voor de chemische industrie: steenzout NaCl, kali KCl, trona Na2CO3, salpeter NaNO3, gips CaSO4⋅2H2O en anhydriet CaSO4, calciumfosfaat Ca3(PO4)2, bariet BaSO4, fluoriet of vloeispaat CaF2, borax Na2B4O7, pyriet FeS2 enz.
3. Metallische delfstoffen (ertsen):
a. ijzererts;
b. aluminium (bauxiet);
c. niet-ijzermetalen (koper, zink, lood, nikkel, tin, kobalt, cadmium);
d. legeringselementen (mangaan, chroom, molybdeen, wolfraam, vanadium, niobium, tantaal, titaan);
e. edele metalen (goud, zilver, platina en zijn begeleidingsmetalen);
f. diverse zachte metalen (kwik, antimoon, bismut enz.);
g. een groot aantal metalen die ofwel zeldzaam voorkomen (o.a. radioactieve), ofwel moeilijk uit hun verbindingen of van gelijkaardige metalen zijn te scheiden (alkalische metalen Si, Ti, Zr, Ge, Se, Te, elementen van de lanthaanreeks enz.).
4. Fossiele brandstoffen en bitumineuze gesteenten (met inbegrip van aardolie en aardgas).
5. Diverse delfstoffen met bijzondere eigenschappen die in kleine hoeveelheden voorkomen, waaronder ook de edelstenen en ‘halfedelstenen’.
Deze zeer onvolledige opsomming, waarbij men in ruimere zin ook grondwater zou kunnen noemen, toont aan dat het merendeel van de grondstoffen voor de industrie door de mijnbouw wordt gewonnen. Naar gelang de techniek vordert en zich meer specialiseert heeft de industriële wereld steeds meer behoefte aan al die grondstoffen. Men schat dat het verbruik van de meeste metalen tussen 1970 en 2000 met een factor 2...10 vermenigvuldigd zal moeten worden. De bodem van de geïndustrialiseerde landen blijkt óf minder rijk aan delfstoffen te zijn óf raakt uitgeput; verder kan het loonpeil de winning van sommige delfstoffen economisch verhinderen. Bodemschatten die zoveel millioenen jaren onaangeroerd zijn gebleven en die nu met moderne methoden in exponentieel stijgend tempo worden weggeruimd, zijn niet onuitputtelijk. Men kan zich de vraag stellen in hoeverre de voorraden voldoende zijn om de stijgende behoefte te dekken. Voor bouwstoffen zijn er weinig problemen, ook met de zoutvoorraden kan gedurende vele eeuwen worden volstaan. Men ontgint dan ook de gemakkelijkst toegankelijke afzettingen en verder die, welke zich lenen tot de goedkoopste extractiemethode, zonder veel zorg om het behoud van de voorraden.
Met ertsen is het anders gesteld. Alhoewel bepaalde elementen wijd verspreid in de aardkorst voorkomen, kunnen zij slechts worden gewonnen op enkele vindplaatsen waar de concentratie voldoende is. Andere grondstoffen, zoals aluminosilicaten (veldspaat en kleimineralen) zijn rijk aan aluminium, dat echter gebonden is in een vorm die een economische verwerking thans onmogelijk maakt. De voorraden ijzerertsen kunnen nog voor verscheidene eeuwen in de behoefte voorzien; wel worden voor het ogenblik veel afzettingen als niet rendabel beschouwd, maar wanneer de rijkste soorten uitgeput geraken komen de minderwaardige aan de beurt. Wat aluminium betreft, vormen niet zozeer de voorraden bauxiet een probleem maar veeleer de aanzienlijke hoeveelheden energie die voor de verwerking nodig zijn. Van verscheidene andere metalen zijn de voorraden vergeleken met het huidige of op korte termijn te verwachten verbruik, klein: zij reiken, voor zover geen nieuwe bronnen of vervangingsprodukten worden gevonden, slechts voor enkele tientallen jaren. Daarbij komt nog dat vele ertsen die vroeger in koloniën of weinig ontwikkelde landen met goedkope werkkrachten werden gewonnen, nu aan de markt gebracht worden door politiek onafhankelijk geworden landen die veelal steeds hogere eisen stellen om hun bodemschatten ter beschikking te brengen van de wereldeconomie. Zo niet met schaarste, moet toch met gevoelige prijsstijgingen in de komende jaren gerekend worden. Voor metalen kan een politieke koersverandering in één producerend land of de opening van een grote mijn voldoende zijn om het aanbod gevoelig te beïnvloeden. Ook de technische evolutie kan de vraag soms zeer snel doen veranderen. Daarom is het niet te verwonderen dat de prijzen van deze metalen en van hun ertsen aan grote en plotselinge schommelingen onderhevig zijn, niettegenstaande de inspanningen van regeringen of producenten om ze te stabiliseren.
Classificatie van afzettingen.
Naar gelang de oorsprong van de ertsen maakt men onderscheid tussen magmatische, sedimentaire en metamorfe afzettingen (voorts zie Ertsgenese).
Mijnbouwkundig zal men de afzettingen eerder indelen naar hun vorm. Sedimentaire afzettingen komen dikwijls voor als uitgestrekte lagen met een dikte van enkele decimeters tot enkele meters; zij kunnen door tektonische bewegingen onderbroken worden, allerlei hellingen krijgen en zelfs omgekipt worden. Zeer steile lagen gelijken wel op aders van magmatische oorsprong die in het algemeen minder regelmatig zijn en een lensvormige structuur vertonen. Lagen en aders kan men beschrijven als plaatvormige lichamen, waarvan de dikte klein is ten opzichte van de uitgestrektheid.
De ontginningsmethoden zijn afhankelijk van de dikte, de helling en het aantal lagen of aders. Speciale problemen doen zich voor wanneer een laag dikker is dan ca. 10 m, verschillende aders elkaar kruisen, een intrusie grote afmetingen heeft, of het metaalvoerende mineraal als ontelbare adertjes (stockwerk) over een grote ruimte verspreid is.
Delfstofwinningsmethoden.
Hierbij zijn te onderscheiden: de winning van delfstoffen in vloeibare of gasvorm (zie Petroleum: winning), de winning van vaste stoffen in dagbouw of onder water, en de ondergrondse mijnbouw. De vloeibare delfstoffen zijn gering qua aantal; sommige vaste delfstoffen kunnen door oplossen of smelten vloeibaar gemaakt worden. Zo kan steenzout van de bovengrond uit gewonnen worden door zoet water langs verticale boringen naar de zoutlaag te pompen. Het water stroomt door de zoutmassa heen en lost het zout op. Het zoutwater wordt door een concentrisch met de watertoevoerende buis gelegen leiding opgepompt. Op die wijze ontstaan grote ondergrondse ruimten, waarvan vorm en grootte moeilijk vast te stellen zijn. Omdat grondzakkingen niet uitgesloten zijn, wordt deze winningsmethode onder bewoonde gebieden meestal slechts onder beperkende bepalingen toegelaten.
De nuttige bestanddelen van sommige koper- of uraanertsen kunnen in zwavelzuurhoudende wateren opgelost worden. Dit proces wordt meestal vanuit bestaande ondergrondse galerijen of op storthopen toegepast. De kosten blijven dan voornamelijk beperkt tot het behandelen van de oplossingen.
Op een wijze die analoog is aan de zoutwinning wordt in de Verenigde Staten (Louisiana) zwavel uit de grond gepompt (fraschproces). Door de buitenleiding van de concentrische buizen wordt oververhitte stoom in de laag geblazen om de zwavel vloeibaar te maken; de gesmolten massa stroomt door de binnenbuis naar boven, zonodig ondersteund door perslucht.
Bij steenkool of bruinkool zou een belangrijk deel van de chemische energie die zij bevatten kunnen worden gewonnen door ondergrondse vergassing. Daartoe zou, als in een bovengrondse gasgenerator, lucht of lucht met waterdamp in de kolenlaag geblazen moeten worden. Ondanks de zorgvuldige uitwerking van verschillende procédés (hydrolinking, elektrolinking, percolatie) en veel experimenteren heeft deze winningstechniek geen ingang kunnen vinden door technische moeilijkheden, zoals de oncontroleerbare verplaatsing van de vuurzones, de kortsluitingen waardoor gevormde gassen door zuurstof bevattende lekstromen verbrand worden, het gedrag van het nevengesteente enz.
Winning in dagbouw.
Voor de winning van delfstoffen uit ondiepe afzettingen zijn hoofdzakelijk twee technieken te onderscheiden (tevens zie Dagbouw).
In rotsgronden en waar een ader diep in de grond duikt krijgt de groeve de vorm van een grote trechter (kuilwinning) met trapvormige wanden (underhand stoping) met trappen van 3...20 m hoogte. Op iedere trap worden erts en nevengesteente met springstoffen gewonnen (mijngaten evenwijdig met de verticale wanden) en met (diesel)elektrische schoppen op spoorwagens of vrachtwagens geladen en weggevoerd óf rechtstreeks naar de bovengrond, óf naar een meestal diepgelegen centraal punt waar een breker opgesteld is, óf waar een schacht (glory hole), een ondergrondse mijn of een zijdelingse tunnel uitkomt. Hoe dieper de uitgraving en hoe vlakker de wanden, des te groter wordt de hoeveelheid steriel materiaal; dit bepaalt meestal de grens van de economische winning.
Bij een betrekkelijk regelmatige laag (kolen, ijzererts) en in zachtere gronden heeft de mijn de vorm van een rechte gracht. Aan de ene zijde wordt door middel van reusachtige graafmachines (elektrische schoppen met een laadbak tot 45 m3, draglines, emmerkettingen of emmerwielen tot 18 m diameter) de losse deklaag weggenomen (strip mining) zodat erts wordt blootgelegd op de bodem van de gracht en door meestal kleinere machines wordt afgevoerd op wagens of transportbanden. Het aan de frontzijde weggenomen steriele materiaal wordt aan de achterkant door middel van transportbanden, laadbruggen enz. weer opgestapeld, zodat de hele uitgraving zich evenwijdig met zichzelf verplaatst. Dikwijls wordt het ontgonnen oppervlak weer bruikbaar gemaakt voor de landbouw.
Alluviale of eluviale afzettingen (goud, diamant, tin) kunnen dikwijls langs de rand van valleien met ‘monitors’ of waterkanonnen losgespoten worden.
Winning onder water.
Alluviale afzettingen op de bodem van rivieren of valleien te land of op zee langs de kust worden dikwijls onder water, door emmerbaggermolens, gewonnen. De ertsbehandelingsinstallatie of de eerste trap ervan wordt op de baggermolen zelf ingericht. Om deze methode, die meestal goedkoper is dan het werk ‘op het droge’, te kunnen toepassen, zet men soms bepaalde delen van een vallei onder water door middel van dammen (tinmijnbouw in Indonesië). Ook diamant wordt in Z.-Afrika uit steeds grotere diepte gebaggerd. Er wordt eveneens (tot ca. 30 m diep) in zee gebaggerd. De winning van petroleum geschiedt door middel van offshore-boringen in zee (zie Offshoretechniek).
Behalve het baggeren uit ondiepe zeeën groeit de belangstelling voor de winning van delfstoffen op of onder de oceaanbodem. Men heeft op diepten van ca. 4000 m mangaanknollen van enkele cm dikte kunnen aantonen die niet alleen onuitputtelijk lijkende voorraden aan mangaan maar ook andere metalen bevatten, of van ‘rode kleien’ met een zeker gehalte aan koper, kobalt en nikkel. Verder schijnen zouten en metalen in submariene vulkanische uitwerpingen geconcentreerd te zijn in bepaalde zones aan de grens tussen naast elkaar schuivende continentale blokken. Men heeft een aantal vooruitstrevende technieken bedacht: van boren met buigzame stangen tot automatische of op afstand bestuurde onderzeeboten, graaf- en boormachines om deze potentiële rijkdommen te verkennen en zo mogelijk te exploiteren.
Ondergrondse mijnbouw.
Ondergrondse winningsmethoden zijn uiteraard duurder dan dagbouw en zij kunnen dan ook slechts toegepast worden wanneer de delfstoffen een betrekkelijk hoge economische waarde hebben. De winningsmethoden zijn zeer verscheiden en dienen aangepast te worden aan de vorm en aan de omvang van het ertslichaam, aan de hardheid van erts en nevengesteente en aan factoren als temperatuur en bedreiging door water, gevaarlijke gassen en stofdeeltjes.
In dunne of gemiddelde lagen werkt men dikwijls volgens een langfront-methode. De winning geschiedt langs een rechtlijnig (soms trapvormig) front van 50...400 m lengte, dat men dagelijks evenwijdig met zichzelf verplaatst. De delfstof wordt gewonnen met persluchthamers, met ploegen (zachte kolen, fosfaat), met snijmachines of snijwalsen (harde kolen, kali) of met springstoffen (metaalertsen), al naar de hardheid. De ontstane ruimte laat men instorten (breukbouw) of vult men op (vulbouw). De methode leent zich goed voor mechanisatie en concentratie van de produktie, maar vergt meestal een dure ondersteuning om de pijlergang tussen winningsfront en breukveld of opvulling open te houden.
In gemiddelde en dikke lagen (1,5...6 m) wordt pilaarbouw toegepast (room and pillar). In het erts gedolven kamers (6...12 m breed) versnijden de laag in vierkante of langwerpige pilaren (6...25 m dik) die het hoofdaandeel hebben in de ondersteuning van het dak. Naar gelang de waarde van het erts en de hoedanigheid van het nevengesteente worden de pilaren prijsgegeven (men maakt ze dan zo klein mogelijk) of teruggewonnen. De methode vergt mobiele machines en werkploegen. Voorts zie Dakcontrole. De zeer dikke lagen (meer dan 3 m) kunnen in schijven worden verdeeld, ofwel evenwijdig met de gelaagdheid (schuine schijven) ofwel dwars hierop (horizontale schijven). Dit laatste kan ook gedaan worden voor ophopingen met een onregelmatige vorm. Iedere schijf wordt dan afzonderlijk als een laag met gemiddelde dikte gewonnen. Men kan eerst de onderste schijf winnen, en naar de bovenste overgaan nadat men de afgewerkte zorgvuldig met zand of steenafval opgevuld heeft, of ook van bovenaf beginnen, en op de bodem van iedere schijf een vloer aanleggen (planken, metalen tralie) die als dak voor de volgende zal dienen. Deze schijfmethoden zijn duur, maar zijn soms de enige die toegepast kunnen worden voor dikke ertsophopingen in niet stabiel terrein.
In zeer machtige afzettingen worden driedimensionale ruimten soms ineens geschapen; men spreekt van kamers of van blokken al naar deze ruimten tijdens de winning toegankelijk blijven of niet. De kamers worden soms met rechte trappen zoals bij een dagbouwgroeve gewonnen; in vele gevallen echter worden in het dak ‘omgekeerde’ trappen gehouwen, en laat men de kamer vollopen met een deel van het gewonnen erts (magazijnbouw) dat later afgevoerd wordt. Soms brengt men onmiddellijk vulmateriaal van buiten aan. In geval van zeer slecht terrein wordt de gehele ruimte voorzien van een driedimensionaal ondersteuningsbouwsel, gevormd door kubische of rechthoekige mazen (square sets). De ertsmassieven die tussen de kamers bleven staan worden prijsgegeven, dan wel later, na opvullen van de kamers en stabilisatie van het terrein, gewonnen.
Bij blokkenbouw wordt de ertsmassa door een dicht net (ca. 15 m) van evenwijdige schietgalerijen doorzeefd. Van hieruit wordt het erts in verticale of schuine schijven naar de lege ruimte afgeschoten. Bij zeer stevig terrein (sub-level stoping) blijft de ruimte inderdaad leeg, en valt het erts naar het diepste punt van de kamer in trechters die uit het gesteente gehouwen worden, waaruit het afgetapt en geladen wordt. Bij slechter terrein (sub-level caving) vallen erts en nevengesteente (of dekterrein) gelijktijdig naar beneden. Het erts moet dan langs de schietgalerijen door laadmachines afgevoerd worden. Bij gemakkelijk loskomend erts kan het zelfs gebeuren dat het erts, met een minimum aan schietwerk, onder de druk van het terrein los breekt (block-caving) en langs de trechter onderaan afgetapt kan worden totdat steriel materiaal van hoger gelegen lagen zich vertoont.
Vanzelfsprekend zijn de winningsmethoden veelvuldig, zoals de afzettingen zelf, en het is niet mogelijk ze alle in een enkele classificatie onder te brengen. Zo bestaan bijv. combinaties van aftapmethoden met schijvenwinning in lange fronten, of met pilaarbouw.
De ervaring van de mijningenieur, zijn vernuft en de wetenschappelijke analyse van het probleem zijn voor ieder geval nodig om het beste compromis te vinden tussen arbeids- en machinekosten, verbruik aan ondersteuningsmateriaal en opvulling, rendement en selectiviteit van de ontginning, zuiverheid van het erts en recuperatie van de reserves.