科技如何保护南非矿工 | 《大众科学》

本文最初发布于 Undark。

Thabang Ditibane 张开双臂，比划着四年前杀死一名南非矿工同伴的石块的大小。

“我听到了声音，转过头，那块石头已经砸碎了他的头，”在约翰内斯堡以北的伊兰德矿（Eland mine）担任钻孔工的 Ditibane 说。说话时，Ditibane 站立在一个 6 英尺高的沟槽里，沟槽里亮着一串蛇形灯。头顶是数千吨的岩石。

事故发生在另一座矿井；岩石突然坍塌进入隧道。这种被称为“地面塌落”（falls of ground，简称 FOGs）的事件，长期以来一直是南非矿井意外死亡的主要原因。根据南非矿产委员会（Minerals Council South Africa）的说法，该国主要的行业组织，自 19 世纪末工业化开采开始以来，已有超过 80,000 名南非矿工在工作中丧生。超过 100 万人受重伤。根据世界矿业和金属理事会（International Council on Mining and Metals）的说法，尽管该国的记录在近几十年有了显著改善，但其矿井仍然是世界上最危险的矿井之一。

工会代表希望行业能投入更多资源来改善安全。“他们没有在健康和安全方面投入足够多的资金。他们更多地投资于盈利，”南非矿工工会（National Union of Mineworkers）发言人 Livhuwani Mammburu 说。

专家表示，南非的矿井已经不像过去那么危险了。自 20 世纪 90 年代初以来，日益严格的监管审查、劳工运动和投资者压力促使该行业更加安全地开采。“零伤害”（Zero Harm）现在是行业、劳工组织和政府的既定目标。

根据统计数据，今年以来，地面塌落的死亡人数已大幅下降。但根据一些专家和行业高管的说法，要真正实现零事故的目标，需要新技术，包括先进的雷达，理论上可以在地面塌落发生之前就探测到。借鉴雷达在露天矿中预警山体滑坡的成功经验，一些专家表示，新工具有可能使死亡人数进一步下降。

目前尚不清楚这些工具能走多远。矿业部门已表示愿意继续投资研发，但成本将是任何公司决定采用此类技术的因素。而且地质构造总会在地下带来悲剧性的意外，尤其是在南非，矿石的开采深度可达地表以下近 2.5 英里。

“我们欢迎任何旨在挽救矿业生命的技术，”Mammburu 说。

顾名思义，地面塌落是一个可怕的景象：头顶的岩石突然坍塌。采矿引起的扰动、重力以及地质本身的薄弱都可能起到作用。

约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学（University of the Witwatersrand）的岩石工程师 Bryan Watson 说，岩石体“不像人们预期的那样均质”。他说，看似坚实的岩石质量中充满了裂缝和空隙。Watson 解释说，地壳中心的熔岩会挤压上来，利用薄弱之处将其撑开。当矿工在这些裂缝和岩石薄弱区域下方挖掘时，他补充道，“就会形成一个空隙，岩石会落入其中。”

自然地震也可能引发地面塌落，采矿活动在断层线附近引起的微小震动也可能引发。（此类地震事件也可能导致岩爆，即加压岩石爆炸，以高达约 20 英里/小时的速度抛射碎片。）Watson 说，采矿相关的爆破，如果操作不当，有时会产生不自然的裂缝，导致岩石松动，可能压死工人。

像 Ditibane 这样的钻孔工，几乎全是黑人，他们传统上承担着一些最大的风险。矿工们在又热又拥挤的环境中工作，使用液压凿岩机在岩壁上钻孔。然后，其他矿工将炸药放入这些孔中，清理矿井进行爆破。之后，矿工将碎石运往地表，进行加工以提取黄金或铂金。在伊兰德矿，一名钻孔工在南非。已经安装了网以防止落石造成的伤害。视觉：Ed Stoddard for Undark

在种族隔离时期——当时占绝大多数的黑人移工被残酷剥削——矿工们经常在缺乏安全保护的情况下工作。1986 年，800 名南非矿工在工作中死亡。自 1994 年种族隔离结束以来，南非的矿井逐渐变得更安全。2019 年，死亡人数降至历史最低点 51 人——平均下来仍几乎每周一人。在 Covid-19 大流行期间，这些数字再次上升，但远未达到种族隔离时期的水平。根据 Undark 对行业和政府数据的计算，从 2000 年到 2021 年，落石占矿井死亡人数的 39%，是主要的死亡原因。

提高安全记录的因素多种多样。1996 年通过的法规迫使矿井实施新的安全标准，并接受更频繁的检查。

许多矿业公司的激励机制也发生了变化。投资者更加关注安全，在一些公司，首席执行官的薪酬现在与安全记录挂钩。事故还可能导致矿井因监管机构调查而长时间停产。“所有这些成本现在都被视为极其严重，以及对公司声誉的影响，还有个人声誉和高管业绩的影响，”南非前矿业总监 May Hermanus 说。

像 Ditibane 这样的钻孔工，几乎全是黑人，他们传统上承担着一些最大的风险。

为了防范地面塌落，矿井会在地下矿井的顶部安装安全网和锚栓。过去十年，这种过去选择性使用的做法已经变得普遍。其原理很简单：网可以捕捉掉落的松散岩石。

最近，行业组织承认需要进一步的改革。2021 年 7 月，矿产委员会公布了一项旨在消除地面塌落死亡的行动计划。其分析显示，“2003 年至 2011 年间，地面塌落死亡人数急剧下降，之后在 2012 年至 2020 年间趋于平稳。”

Northam Platinum Holdings Limited 的首席执行官 Paul Dunne 表示，安全状况有所恶化。“所有首席执行官对此都不满意，”他说。Dunne 的公司在南非经营三座铂金矿，他说地面塌落的风险最高。“这就是为什么我们选择解决这个问题。”

现在，一些专家正在寻找更有效的工具——一种在地面塌落发生之前就能预测其发生的方法。

2013 年，犹他州盐湖城附近的一个露天铜矿——宾厄姆峡谷矿（Bingham Canyon Mine）——的一堵墙垮塌了。据分析该事件的地质学家团队称，这场滑坡倾泻了 1.65 亿吨岩石，足以覆盖纽约市中央公园 65 英尺深。他们在报告中写道，这次事件“可能是北美历史上最大的非火山山体滑坡。”

但当时没有人。在滑坡发生前，IDS GeoRadar 开发的一款雷达探测到了日益加剧的不稳定。“为预测滑坡，采矿作业已于前一天关闭，因此没有人员伤亡，”这家意大利公司市场部经理 Francesca Guerra 在给 Undark 的电子邮件中写道。

现在，IDS 和其他公司一直在努力将这种无需穿透岩石即可探测运动的技术应用到地下。IDS 表示，该技术已在全球部署，在南非也用于“特殊项目”。

然而，将此类雷达移到地下存在挑战。特别是，在地面上使用的雷达重达两吨以上。

他们在报告中写道，这次事件“可能是北美历史上最大的非火山山体滑坡。”

最近，总部位于南非的 Anglo American Platinum 与澳大利亚技术公司 Geobotica 合作，开发了一款手持式地下雷达。

“这个想法源于在露天矿使用雷达技术取得的成功，”Anglo 的首席岩土工程师 Riaan Carstens 说。“它被部署的地方，使用效果很好，几乎消除了斜坡失稳造成的死亡。然后人们就提出了这样的问题：我们能否在地下空间使用这项技术来警告附近可能发生地面塌落的人员？”

Geobotica 已将其缩小到一个重约 7 盎司的矩形设备。

Geobotica 首席执行官 Lachie Campbell 表示，该设备会产生一个信号，该信号通过空气传播并从岩石表面反射回来。然后雷达会接收到一些反射信号。“我们从雷达发出一个非常明确的波形信号，”他说，“它以一定的角度返回，如果岩石不动，这个角度总是相同的。但如果岩石稍微移动一点，它就会以略微不同的角度返回。”这些微小的移动，如果没有这种专用设备是无法探测到的，但却能预示着即将发生的塌方。

这个过程被称为干涉测量。将此类技术应用于地下的挑战包括功率强度。

“我们在低功耗芯片上以数字方式创建雷达信号，而不是使用传统的雷达组件，”Campbell 在给 Undark 的电子邮件中写道。他表示，这些进步使他们能够有效地将一个 2.2 吨的柴油动力拖车系统“缩小到可以放进口袋，并且一次充电就能运行数月。”

在一次视频通话中，Campbell 展示了这款像手机一样的雷达如何能够在他停止呼吸时检测到心率变化，就像心电图一样。Campbell 说，在地下，雷达可以过滤掉人的移动，专注于岩石。

“这是你可以预测岩石何时会坍塌的唯一方法，”他说。“你需要亚毫米级的精度。”

意大利公司 IDS 也在努力将雷达小型化以用于地下。该公司表示，他们目前的型号 HYDRA-U “专为单人快速便捷地运输和部署在关键区域而设计。”安装在三脚架上时约 4 英尺高，它连接到一个手提箱大小的电源。

这种技术是否会得到广泛应用尚不清楚。南非矿业公司表示，这些举措值得探索，但价格可能是一个问题。“这些先进新技术涉及的成本，我们必须确保其可行性，”Harmony Gold 的投资者关系主管 Jared Coetzer 说，该公司在该国管理着八个地下矿。“我们当然愿意考虑所有可行的选择，以帮助减少任何事故。”