聚焦我國金屬礦業(yè)未來發(fā)展三大主題

—— 綠色開發(fā) 深部開采 智能采礦

　　近年來，我國礦業(yè)雖然在生產(chǎn)工藝、機(jī)械裝備、資源回收、綜合利用、數(shù)字礦山、礦業(yè)信息化等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但是在9000多座金屬礦山中，真正能代表國家金屬礦業(yè)水平、達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平的現(xiàn)代化礦山還為數(shù)不多；相當(dāng)數(shù)量的中型礦山，其裝備技術(shù)仍處于上世紀(jì)70年代水平；大量的小型礦山，其機(jī)械化水平低、管理粗放、環(huán)境安全等問題依然突出。

　　當(dāng)前，我國金屬礦業(yè)承受較大壓力，其中主要面臨以下四個(gè)方面的問題：第一，國家的工業(yè)化、城市化對(duì)金屬的需求量仍持續(xù)大幅攀升。第二，資源形勢(shì)嚴(yán)峻，大宗礦產(chǎn)的對(duì)外依存度已高達(dá)50%以上。第三，由礦產(chǎn)、土地、水體、森林構(gòu)成的礦區(qū)環(huán)境系統(tǒng)嚴(yán)重惡化。第四，礦業(yè)科技水平特別是采掘裝備與信息化水平相對(duì)落后。因此，筆者認(rèn)為，我們必須站在世界礦業(yè)科技前沿的高度，去審視我國金屬礦業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，否則就會(huì)失去發(fā)展動(dòng)力，甚至失去發(fā)展先機(jī)。為了加速金屬礦業(yè)現(xiàn)代化，大幅提升金屬礦業(yè)的國際競(jìng)爭(zhēng)力，筆者對(duì)未來金屬礦業(yè)提出以下三大發(fā)展主題：綠色開發(fā)、深部開采、智能采礦。這三大主題也將引領(lǐng)金屬礦業(yè)未來的發(fā)展方向。

　　綠色開發(fā)遵循礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式

　　現(xiàn)代礦業(yè)的發(fā)展是把雙刃劍，在為人類提供大量工業(yè)原料的同時(shí)，也給人類的生存環(huán)境帶來了嚴(yán)重破壞。因此，礦業(yè)工作者必須認(rèn)真負(fù)起社會(huì)責(zé)任，徹底否定“大開采、低利用、高排放”的傳統(tǒng)礦業(yè)發(fā)展模式，堅(jiān)定地走礦區(qū)“綠色開發(fā)”的道路。

　　何謂礦區(qū)“綠色開發(fā)”？即把礦區(qū)的資源與環(huán)境作為一個(gè)整體，在充分回收、有效利用礦產(chǎn)資源的同時(shí)，協(xié)調(diào)地開發(fā)、利用和保護(hù)礦區(qū)的土地、水體、森林等各類資源，實(shí)現(xiàn)資源—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境三者統(tǒng)一協(xié)調(diào)的開發(fā)過程，也是可持續(xù)發(fā)展理念在礦業(yè)中的延伸。

　　礦區(qū)“綠色開發(fā)”要靠科技創(chuàng)新來提供有力支撐。其科技創(chuàng)新內(nèi)涵主要有：其一，礦區(qū)資源的綠色開發(fā)設(shè)計(jì)。礦區(qū)環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)應(yīng)由過去的“先破壞、后修復(fù)”的被動(dòng)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)樨灤┯诘V區(qū)開發(fā)全過程的動(dòng)態(tài)的、超前的主動(dòng)發(fā)展模式。為此，傳統(tǒng)的礦山設(shè)計(jì)應(yīng)該轉(zhuǎn)變?yōu)榈V區(qū)資源綠色開發(fā)設(shè)計(jì)（包括礦床開采設(shè)計(jì)、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)和礦山閉坑規(guī)劃設(shè)計(jì)），使礦山在生產(chǎn)、流通和消費(fèi)過程中，能更好地推行減量化、資源化和再利用。其二，固體廢料產(chǎn)出最小化和資源化。當(dāng)前，我國金屬礦山的廢石、尾砂、廢渣等固體廢物堆存量已達(dá)180多億噸，每年的采掘礦巖總量還以超過10億噸的速度在增長(zhǎng)。因此，大力開發(fā)和推行廢石、尾砂回填采空區(qū)的工藝技術(shù)，推行尾砂、廢石延伸產(chǎn)品的規(guī)?；庸だ?，還有相當(dāng)大的發(fā)展空間。要從源頭上控制廢石產(chǎn)出率，采用合理的采礦方法，降低礦石損失貧化率，強(qiáng)化露天邊坡的管理與控制，減少廢石剝離量等，努力去實(shí)現(xiàn)廢石產(chǎn)出最小化。其三，礦產(chǎn)資源的充分開發(fā)與回收。當(dāng)前，我國露天礦的采礦回收率為80%~90%，而地下礦只有50%~60%。我國金屬礦床主要采用地下開采方式，并大量采用傳統(tǒng)的兩步驟回采模式，所留礦柱的礦量高達(dá)35%~45%，由于礦柱不能及時(shí)回收并受到破壞，造成資源大量損失。因此，要大力創(chuàng)新采礦技術(shù)來遏制這一情況。其四，礦產(chǎn)資源有價(jià)元素的綜合利用。我國金屬礦業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)、采選回收率低，廢石和尾礦中大量有價(jià)元素的利用率也很低。因此，要加大技術(shù)創(chuàng)新力度，其中包括復(fù)雜難處理礦的高效選別技術(shù)、廢石和尾礦中有價(jià)元素提取技術(shù)、選礦在線檢測(cè)與過程自動(dòng)控制技術(shù)以及高效、節(jié)能和大型化選礦設(shè)備研制等。其五，礦區(qū)水資源的保護(hù)、利用與水害防治。由于礦區(qū)水資源的保護(hù)與利用直接影響人類的健康、安全和生態(tài)環(huán)境。因此，要加強(qiáng)汞、鎘、鉛、鉻、砷等污染水體的防治技術(shù)、區(qū)域、流域的水污染防治綜合技術(shù)、廢水處理與污水回用技術(shù)等技術(shù)創(chuàng)新的研發(fā)力度。其六，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與復(fù)墾。當(dāng)前，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)嚴(yán)重滯后，礦山廢棄土地的復(fù)墾率只有12% 發(fā)達(dá)國家高達(dá)70%~80%。廢棄物中殘存大量硫化物氧化所產(chǎn)生的酸性水，夾帶大量的重金屬離子，嚴(yán)重污染水系和土地。因此，必須采取超前防治措施，對(duì)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行積極的調(diào)控、恢復(fù)和重建，同步開展生態(tài)環(huán)境修復(fù)，以實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)、共生協(xié)調(diào)和發(fā)展協(xié)調(diào)。

　　深部開采開拓金屬礦業(yè)的前沿領(lǐng)域

　　業(yè)內(nèi)一般界定為：當(dāng)金屬礦山開采深度達(dá)到800米~1000米時(shí)，視為礦山轉(zhuǎn)入了深部開采。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國外金屬礦開采深度超過1000米的礦山有80多座，其中數(shù)量最多的是南非。而我國過去沒有大規(guī)模進(jìn)行深部資源勘探，主要以開采600米以上礦床為主。近5年來，由于深部找礦工程的實(shí)施，有160多個(gè)礦山在深部找到了價(jià)值超過1萬多億元的礦產(chǎn)資源。由此可見，我國深部資源潛力較大，深部開采是礦業(yè)發(fā)展的必然選擇。

　　深部開采是我國涉足較晚的領(lǐng)域，深部開采環(huán)境與淺部不同，突出表現(xiàn)為“三高”，即高應(yīng)力、高井溫、高井深。這導(dǎo)致采礦過程出現(xiàn)各種深井災(zāi)害，帶來許多技術(shù)難題。為此，未來采礦科研工作，要逐步轉(zhuǎn)向深部開采，這是金屬礦業(yè)的前沿研究領(lǐng)域。未來深部開采的科研工作主要凸顯以下三個(gè)方面：其一，拓寬深部開采的科研思路?！叭摺杯h(huán)境是致災(zāi)因素，筆者認(rèn)為，能否將其轉(zhuǎn)化為可以利用的因素，從而去破解一些更大的科學(xué)技術(shù)問題呢？比如，高應(yīng)力是否有利于堅(jiān)硬礦巖的致裂破碎，從而提高礦石破碎質(zhì)量？可否用來創(chuàng)造一種高應(yīng)力誘導(dǎo)致裂的破巖新技術(shù)和誘導(dǎo)致裂破碎的連續(xù)采礦法呢？高井溫是否有利于深部貧礦原地破碎溶浸采礦？是否可用熱管技術(shù)導(dǎo)出深井高溫進(jìn)行發(fā)電呢？高井深是否可以作為新的動(dòng)力源，用于開發(fā)水動(dòng)力采礦設(shè)備？是否可利用高壓水頭實(shí)現(xiàn)深井礦物的水力提升或深井高壓注漿、水力充填呢？其二，關(guān)于深井開采的重要科學(xué)問題。近年來，我國深部開采取得了一些科研成果，也積累了一定經(jīng)驗(yàn)。但是，在礦床埋藏深、巖溫高、巖爆傾向大、品位低、開采強(qiáng)度大的條件下，如何實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效、清潔生產(chǎn)？許多科學(xué)問題還有待深入研究。例如，深部開采巖體力學(xué)行為與成災(zāi)機(jī)理、深井高應(yīng)力礦巖誘導(dǎo)致裂的研究、深部采動(dòng)圍巖二次穩(wěn)定控制理論、深井開采中高溫環(huán)境控制研究以及深井原創(chuàng)性采礦模式研究等。其三，關(guān)于深部開采的重大工程技術(shù)問題。深部開采是一個(gè)特殊的作業(yè)環(huán)境，面臨安全、工效、成本、資源回收等新的挑戰(zhàn)。我國先后開展了《千米深井礦山300萬噸級(jí)強(qiáng)化開采綜合技術(shù)》、《礦井深部開采安全保障技術(shù)及裝備開發(fā)》和《千米深井地壓與高溫災(zāi)害監(jiān)控技術(shù)與裝備》等科技攻關(guān)；為了使深部采礦技術(shù)走向前沿，我們需要開展許多工程技術(shù)問題的研究，如：深井高應(yīng)力礦巖誘導(dǎo)致裂落礦連續(xù)采礦技術(shù)，深井高應(yīng)力環(huán)境下的采礦系統(tǒng)與工程結(jié)構(gòu)，深井高濃度漿體和膏體輸送與充填技術(shù)，研制以深井高壓水頭為動(dòng)力的礦山設(shè)備，深井選礦、排廢與細(xì)粒精礦水力理升技術(shù)，深井上行無（少）廢開采技術(shù)，深井遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)化采礦示范工程等。

　　智能采礦走向金屬礦業(yè)的未來目標(biāo)

　　在礦床開采中，以開采環(huán)境數(shù)字化、采掘裝備智能化、生產(chǎn)過程遙控化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化和經(jīng)營(yíng)管理信息化為特質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保為目標(biāo)的采礦工藝過程，稱為智能采礦。未來礦山的智能采礦是21世紀(jì)礦業(yè)發(fā)展的重要方向和前瞻性目標(biāo)。

　　我國在智能采礦領(lǐng)域已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步?！笆晃濉逼陂g，國家開展了《地下采礦設(shè)備高精度定位和無人操縱鏟運(yùn)機(jī)的模型技術(shù)研究》、《數(shù)字化采礦關(guān)鍵技術(shù)與軟件開發(fā)》等重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目；“十二五”又啟動(dòng)了《地下金屬礦智能開采技術(shù)》863項(xiàng)目等。

　　但是，實(shí)現(xiàn)智能采礦是一個(gè)復(fù)雜的、高技術(shù)的系統(tǒng)工程，面臨許多科技難題。在我國，當(dāng)前最突出的有兩大問題：第一，井下大型采掘設(shè)備的制造水平低，缺少成熟的、智能化的鑿巖鉆車、鏟運(yùn)機(jī)和礦用汽車等現(xiàn)代裝備，以及井下精確定位導(dǎo)航技術(shù)。另外，現(xiàn)有礦山的信息化、自動(dòng)化水平相對(duì)較低。第二，在采礦生產(chǎn)管控一體化綜合信息平臺(tái)開發(fā)方面相對(duì)滯后。這導(dǎo)致在資源評(píng)價(jià)與管理、開采優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)計(jì)劃編制等生產(chǎn)技術(shù)方面，開采環(huán)境監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警等安全管理方面，以及可視化與智能決策等生產(chǎn)過程管控方面，技術(shù)手段落后，信息難以共享，不能為科學(xué)決策與管理提供有效的技術(shù)支撐。

　　在推進(jìn)智能采礦的過程中，礦山數(shù)字化是基礎(chǔ)，它為礦山資源評(píng)價(jià)、開采設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化、生產(chǎn)安全和管理決策等提供新的技術(shù)平臺(tái)，這需要多目標(biāo)的科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新；它所涉及的領(lǐng)域非常廣泛，因此，需要包括數(shù)字、地質(zhì)學(xué)、巖體力學(xué)、現(xiàn)代采礦學(xué)、信息與系統(tǒng)工程、機(jī)器人與自動(dòng)控制理論、現(xiàn)代工程管理等多學(xué)科交叉，要有自動(dòng)化、信息化、智能化等高技術(shù)的強(qiáng)力支撐。

　　智能采礦已經(jīng)成為世界礦業(yè)共同關(guān)注和優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)前沿，它的實(shí)現(xiàn)將給礦業(yè)帶來深遠(yuǎn)影響：實(shí)現(xiàn)采礦作業(yè)室內(nèi)化，使大批礦工遠(yuǎn)離井下工作面；實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程遙控化，可全面提高井下的技術(shù)裝備水平；實(shí)現(xiàn)礦床開采規(guī)?；?，有利于推進(jìn)集中強(qiáng)化開采；實(shí)現(xiàn)技術(shù)隊(duì)伍知識(shí)化，使傳統(tǒng)礦業(yè)將向知識(shí)型產(chǎn)業(yè)過渡；推動(dòng)礦業(yè)的全面升級(jí)，將帶動(dòng)機(jī)械制造與信息技術(shù)等產(chǎn)業(yè)鏈的延伸和發(fā)展。

　　智能采礦是研究成果不斷積累、集成的過程，也是各類礦山結(jié)合實(shí)際應(yīng)用相關(guān)成果、逐步提升采礦水平的過程，雖有很長(zhǎng)的路要走，但時(shí)不我待，在世界礦業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)中，我們要穩(wěn)步推進(jìn)金屬采礦的智能化。

來源：中國冶金報(bào)

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