院士：如何實現(xiàn)深部開采技術(shù)的“彎道超車” —— 文章正文2017-01-09

經(jīng)過多年來的持續(xù)高強度開發(fā)，我國許多金屬礦山已經(jīng)進入深部開采階段。而隨著“三深一土”戰(zhàn)略的實施，加強對深部資源的勘查開發(fā)，已成為未來發(fā)展的主要方向。

我國深部礦產(chǎn)資源高效開發(fā)狀況如何？目前還存在哪些瓶頸？該從哪些方面進行突破？在最近舉行的礦業(yè)投融資暨采選實用技術(shù)學術(shù)會上，中國礦業(yè)報記者采訪了中國工程院院士、北京科技大學教授蔡美峰。

中國礦業(yè)報：我國當前金屬礦產(chǎn)資源的狀況如何，人均占有量在世界上居于什么水平？

蔡美峰：我國礦產(chǎn)資源總量較豐富。目前，我國已發(fā)現(xiàn)171種礦產(chǎn)資源，探明有儲量的礦產(chǎn)168種，已探明礦產(chǎn)資源儲量潛在價值約占世界礦產(chǎn)資源總價值的14.6%，居世界第3位。然而，我國礦產(chǎn)資源人均占有量遠遠低于世界平均水平。45種主要礦產(chǎn)資源，我國人均儲量居世界第80位，僅為世界平均水平的58%。

國民經(jīng)濟需要的大宗支柱礦產(chǎn)品種，如鐵、錳、銅、鉛、鋅、鋁土礦等金屬礦產(chǎn)，均不能滿足需求。每年60%以上鐵精礦、70%以上銅精礦和50%鋁土礦須從國外進口。主要金屬礦產(chǎn)資源如此高的國外依存度，對我國國民經(jīng)濟發(fā)展構(gòu)成了潛在的嚴重威脅。更重要的是，我國優(yōu)勢礦產(chǎn)的優(yōu)勢也正在減弱以至喪失，如鎢、錫、鉬、銻、螢石、重晶石等，其可供儲量對2020年需求的保證程度分別僅為89%、35%、85%、55%、15%、26%。

中國礦業(yè)報：我國金屬礦產(chǎn)資源的開采現(xiàn)狀及其面臨的問題有哪些？

蔡美峰：經(jīng)過新中國成立以來60多年的開采，我國淺部礦產(chǎn)資源逐年減少和枯竭，礦產(chǎn)資源特別是金屬礦產(chǎn)資源開采正處于向深部全面推進階段。2000年以前，我國只有2個金屬礦山開采深度達到1000米。進入21世紀以來，發(fā)展速度很快，目前已有16座地下金屬礦山采深達到或超過1000米。其中，吉林夾皮溝金礦、云南會澤鉛鋅礦和六苴銅礦、河南靈寶釜鑫金礦均超過1500米。

而當前國外采深1000米以上的金屬礦山112座。按數(shù)量排名，處于前幾位的國家是：加拿大28座，南非27座，澳大利亞11座，美國7座，俄羅斯5座。我國已經(jīng)超過澳大利亞，居世界第3位。但是，如果按照現(xiàn)在的發(fā)展速度，我國在較短時間內(nèi)深井礦山數(shù)量就會居世界第一。

在國外112座深井礦山中，采深超過3000米的有16座，其中12座位于南非，全部為金礦。我國16座深井礦山中，金礦8座，有色金屬礦山7座。國內(nèi)外情況基本相似，深井礦山中，黃金礦山數(shù)量最多。

近期在三山島金礦西嶺礦區(qū)1600米~2600米深度，探明了一個金金屬儲量400噸的大型金礦床，為我國在膠東半島深部等類似礦集區(qū)找到更大規(guī)模金礦床指明了方向。隨著“三深一土”戰(zhàn)略的實施及勘探技術(shù)和裝備的進步，我國在3000米~5000米深部找到一批大型金礦床是完全有可能的。據(jù)統(tǒng)計，未來10年內(nèi)，我國將有1/3以上金屬礦山開采深度達到或超過1000米。深部開采是我國金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)面臨的最主要問題，其中，黃金礦山首當其沖。

未來礦產(chǎn)資源開發(fā)涉及綠色開采、深部開采、智能化采礦三大主題，其中深部開采是統(tǒng)領全局的主題。在深部開采中，包括綠色開發(fā)、智能化采礦在內(nèi)的所有采礦新理念、新模式、新技術(shù)都必須有創(chuàng)新性的發(fā)展，才能保證深部安全高效開采的實現(xiàn)。

而深部開采將面臨諸多的關鍵難題：一是深部高應力問題。深部高應力可能導致破壞性的地壓活動，包括巖爆、塌方、冒頂、突水等由采礦開挖引起的動力災害。二是巖性惡化問題。淺部的硬巖到深部變成軟巖，彈性體變成潛塑性體，這給支護和采礦安全造成很大負擔，嚴重影響采礦效率和效益。三是深井高溫環(huán)境問題。巖層溫度隨深部以1.7℃/100米~3.0℃/100米的梯度增加。深井的高溫環(huán)境條件嚴重影響工人的勞動生產(chǎn)效率。而為了進行有效降溫，又必將大大增加采礦成本。同時，隨著開采深度的增加，礦石和各種物料的提升高度顯著增加，提升難度和提升成本大大增加，并對生產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

中國礦業(yè)報：要實現(xiàn)深部礦產(chǎn)資源的安全高效開發(fā)，必須解決好哪些方面的制約？

蔡美峰：為了解決深部開采一系列關鍵技術(shù)難題，必須廣泛吸收各學科的高新技術(shù)，開拓先進的非傳統(tǒng)的采礦工藝和技術(shù)，創(chuàng)造更高效率、更低成本、最少環(huán)境污染和最好安全條件的采礦模式。

一是深井高應力條件下的巖爆預測與防控。采礦開挖前地層處于自然平衡狀態(tài)，采礦開挖引起地應力向開挖空間釋放，形成“釋放荷載”，導致圍巖變形和應力集中，產(chǎn)生擾動能量。當巖體中聚集的擾動能量達到很高水平，并且在圍巖出現(xiàn)破裂等情況下突然釋放，就產(chǎn)生沖擊破壞，即巖爆。這是對巖爆機理的準確認識?；谏鲜鰩r爆誘發(fā)機理，巖爆預測應與采礦過程緊密結(jié)合，根據(jù)未來開采計劃，采用數(shù)值模擬等辦法，定量計算出未來開采誘發(fā)擾動能量的大小、時間和在巖體中的空間分布狀況及其隨開采過程中的變化規(guī)律，就可以借助地震學中地震能量與震級的關系式，對未來開采誘發(fā)巖爆的發(fā)展趨勢及其震級規(guī)律做出預測。同樣基于巖爆的誘發(fā)機理，巖爆防控應主要從優(yōu)化采礦方法、開采布局和開采順序入手，減少和控制開采過程中擾動能量的聚集，從而減輕和控制巖爆的發(fā)生。同時，采取吸收能量、防沖擊的支護措施，阻止和減弱巖爆的沖擊破壞作用。

二是深井高溫環(huán)境控制與降溫治理。地下巖層溫度隨深度的增加而梯度上升，通常千米以上深井巖層溫度將超過人體溫度。根據(jù)我們最新調(diào)查，我國超過700米的深金屬礦有100多座，超過700米后巖溫普遍超過35℃。高溫導致工作面條件嚴重惡化，勞動生產(chǎn)率和設備作業(yè)效率大大下降，并可造成嚴重災害事故。國內(nèi)外常用的礦井降溫技術(shù)有非人工制冷和人工制冷兩大類。礦井通風是主要的非人工制冷降溫技術(shù)，但井深超過千米后，常規(guī)通風不能達到安全規(guī)程對井下工作面環(huán)境溫度要求。人工制冷降溫包括水冷和冰冷兩種。水冷是在地面或地下制出冷水送到井下工作站，通過高低壓換熱器和空冷器使風冷卻后，將冷風送到工作面降溫。冰冷在井上制出粒狀冰或泥狀冰，送至井下融冰池融冰，融冰形成的冷水送至工作面進行噴霧降溫。

人工制冷和非人工制冷都是被動式降溫技術(shù)。為高效解決深井降溫問題，必須發(fā)揮主動式降溫技術(shù)，重點在以下兩個方面：一是深井高溫巖層隔熱技術(shù)。研發(fā)新型高效的隔熱新材料、新技術(shù)、新工藝，對巖層高溫進行隔離，在此基礎上，再采用人工制冷降溫技術(shù)等，就會使井下巷道和采礦工作面取得良好的降溫效果。二是深井地熱開發(fā)技術(shù)。地熱是一種天然能源，目前能源系統(tǒng)正在借助采礦技術(shù)進行地熱開采的戰(zhàn)略研究。如果將深井采礦和深部地熱開發(fā)有機結(jié)合起來，就為采礦工程深井降溫找到了一條具有顛覆性的技術(shù)途徑，可以實現(xiàn)深部能源開發(fā)與資源開發(fā)的共贏。

所以，就目前的采礦技術(shù)和開采成本而言，在地下3000米以下進行礦產(chǎn)資源開發(fā)并不是非常經(jīng)濟的做法。EGS/E深地地熱開采技術(shù)將采礦技術(shù)用于地熱開發(fā)，既能極大地提高深部地熱開發(fā)效率，又能極大地降低深地采礦的成本，為解決未來的能源問題以及深部采礦的經(jīng)濟性問題開辟了有效途徑。二者的理想結(jié)合和雙贏，將是能源領域和礦業(yè)領域科技創(chuàng)新的重大突破，具有顛覆性的效果。我國有希望在這兩個方面取得具有中國標記的領先世界的突破性進展。

中國礦業(yè)報：隨著科技的發(fā)展，非傳統(tǒng)的采礦技術(shù)已逐漸替代傳統(tǒng)采礦技術(shù)。目前，在非傳統(tǒng)采礦技術(shù)方面有哪些進展？

蔡美峰：傳統(tǒng)的爆破采礦技術(shù)不但破壞圍巖穩(wěn)定性，而且礦石、廢石一起采，大大增加了提升和選礦的工作量和成本。從長遠目標出發(fā)，采用機械掘進、機械鑿巖方法，以連續(xù)切割掘進、采礦技術(shù)取代傳統(tǒng)爆破采礦工藝進行采礦是一個重要方向。機械切割開采空間不需實施爆破而明顯提高圍巖穩(wěn)固性，并且不受爆破安全境界限制，擴大開采境界；機械切割能準確地開采目標礦石，使采礦損失率和礦石貧化率降到最低。但采礦機作業(yè)受金屬礦床形態(tài)多變及復雜地質(zhì)條件的限制，切割頭的壽命及費用是實施該技術(shù)需要解決的關鍵問題。在這里，要介紹幾種非傳統(tǒng)采礦技術(shù)及其進展。

高壓水射流破巖掘進與采礦技術(shù)：高壓水射流技術(shù)是上世紀70年代發(fā)展起來的一種清洗、切割新技術(shù)。從高壓噴嘴射出的高速水射流具有很大的能量，在目標靶上可產(chǎn)生巨大的沖擊力，用來切割巖石、破碎巖石等。目前該技術(shù)已用于軟巖和中等硬巖，大量應用水射流技術(shù)研制的采煤機、切割機和清洗機相繼問世，并進行了工業(yè)試驗和推廣應用。但在破碎堅硬礦巖時，需要使用更高的水射流壓力才能實現(xiàn)，而目前的水射流發(fā)射裝置系統(tǒng)尚不能承受如此高的壓力。為了解決硬巖破巖問題，高壓水射流需向超高壓大功率化方向發(fā)展，需要進一步發(fā)展和完善超高壓水射流部件和設備，為在金屬礦硬巖中應用創(chuàng)造條件。

激光破巖掘進與采礦技術(shù)：激光破巖是利用高能激光束產(chǎn)生的熱量對巖石局部迅速加熱，當溫度足夠高時，就會產(chǎn)生一系列復雜的物理化學反應，并隨溫度升高依次實現(xiàn)破碎、分解、融化和汽化三種破巖形式。采礦破巖只要實現(xiàn)破碎即可，當高能激光作用于巖石表面時，巖石局部迅速受熱膨脹，導致局部熱應力升高。當熱應力高于巖石極限強度時，巖石就會發(fā)生熱破碎，實現(xiàn)切割破巖。巖石表面的微裂縫和孔隙等使其極限強度降低，因而會加劇這種熱破碎作用。

等離子破巖掘進與采礦技術(shù)：這種技術(shù)首先向巖體內(nèi)鉆孔，然后將同軸電極緊密地裝入鉆孔中，并在電極前端充滿電解質(zhì)溶液。接通連接同軸電極的電容器組，在高電能的作用下，電解質(zhì)很快轉(zhuǎn)變成高溫高壓的等離子氣體。高溫高壓的離子氣體迅速膨脹形成強大的沖擊波，導致類似于化學炸藥產(chǎn)生的爆破效果，其產(chǎn)生的壓力可超過2GPa，足以破裂堅硬巖石。

中國礦業(yè)報：綠色開采是礦山開采的發(fā)展方向。當前，我國在積極倡導綠色生態(tài)采礦模式，您認為該模式主要有哪幾方面？

蔡美峰：一是無廢開采模式。無廢開采的目標是最大限度地減少廢料的產(chǎn)出、排放，提高資源綜合利用率，減輕或杜絕礦產(chǎn)資源開發(fā)對生態(tài)和環(huán)境的破壞。礦山無廢開采模式遵從工業(yè)生態(tài)學的觀點，以采礦活動為中心，將礦山生態(tài)環(huán)境、資源環(huán)境和經(jīng)濟環(huán)境聯(lián)系起一個有機的工業(yè)系統(tǒng)，以最小的排放量獲取最大資源量和經(jīng)濟效益。采礦活動結(jié)束后通過最小的末端治理使礦山環(huán)境與生態(tài)環(huán)境融為一個整體。為了實現(xiàn)無廢開采，應大力提高采選技術(shù)水平，大力降低礦石貧化率等，實現(xiàn)廢料產(chǎn)出最小化，從源頭上控制廢石產(chǎn)出率。同時，盡可能提高選礦回收率，減少尾礦排放量，將礦石資源中由于選冶水平低而不能利用的成分減到最少。加強綜合回收，實現(xiàn)廢棄物的資源化，提高廢棄物的整體利用水平，努力實現(xiàn)礦山故土廢棄物的零排放、零堆存。

二是原地溶浸采礦模式。這是一種集采選一體化的技術(shù)，通過鉆孔或爆破在礦體中形成注液通道，直接將溶浸液體注入礦體中。溶浸液浸出的富礦液回收后經(jīng)集液通道送到地表進行處理。該方法省去了采礦作業(yè)，由浸礦液直接回收金屬，可大大減少采礦作業(yè)和提升的工作量，是較理想和較能實現(xiàn)大規(guī)?，F(xiàn)場應用的無廢采礦方法，對深部礦床開采具有較強的適應性。但目前該工藝可回收的大宗金屬品種太少，只有鈾、銅和金三種，需要大力研究采用該工藝回收更多金屬礦種的技術(shù)。

三是地下采選一體化模式。在礦石提升地面之前，在井下進行預選和預富集，拋去大部分廢石，可以明顯降低礦石提升量。另外，西方國家正試驗采用水力提升方式替代箕斗、罐籠等傳統(tǒng)提升方式，礦石在地下預選后進行破碎和磨礦，然后用泵揚送到地面選礦場。由于不需要開挖豎井，可大大減少井巷工程投資，使采礦工程的安全性得到極大提高。將選礦平臺建在井下，地下選礦后直接向地面輸送精礦，可大量減少廢石的提升量，是解決提升難題的一個重要途徑。同時，廢石與尾礦留在井下用于采空區(qū)充填，實現(xiàn)原地利用，并減少排出地面后對生態(tài)環(huán)境的污染、破壞。而且，地面無選礦廠和尾礦庫，省去了征地建尾礦庫和管理尾礦庫的費用，可謂一舉多得。

四是遙控智能化無人采礦模式。這是最好的應對不斷惡化的深部開采條件和環(huán)境條件，最大限度提高采礦效率、保證開采安全的最根本、最有效、最可靠的方法。目前，國內(nèi)外仍處于建設“無人礦山”的初級階段。在此階段，無人采礦的核心技術(shù)仍然是采礦工藝和生產(chǎn)組織管理的自動化與智能化。新一代高級無人采礦技術(shù)必將涉及采礦工藝及生產(chǎn)過程自身的變革。

中國礦業(yè)報：總體來看，我國采礦技術(shù)與西方國家相比還有怎樣的差距？我們應該如何實現(xiàn)趕超？

蔡美峰：西方國家上世紀80年代就開始實施井下工作面的無人采礦，而目前我國不少礦山就連全盤機械化作業(yè)還做不到。但從總體上看，我國的采礦技術(shù)在許多方面已接近或達到國際先進水平。礦山整體差距主要體現(xiàn)在大量礦山的采礦設備比較落后，先進采礦設備主要從國外進口，價格昂貴，這是制約我國采礦進步的關鍵問題。

為了解決上述問題，我國必須加大科技投入，以引進-消化吸收-再創(chuàng)新為基礎，立足自主創(chuàng)新。首先在自動化采礦裝備研制方面取得突破，在較短時間內(nèi)實現(xiàn)大型自動化采礦裝備國產(chǎn)化。這就為加速我國自動化智能采礦技術(shù)的推廣應用創(chuàng)造了可靠的條件。同時，對一批新建的大型地下金屬礦山，從設計一開始就高起點投入，投產(chǎn)后就能實現(xiàn)自動化遙控智能化采礦作業(yè)。這批礦山建成后，產(chǎn)量會占我國地下金屬礦山產(chǎn)量很大一部分，可以從整體上帶動我國自動化、遙控智能化采礦水平上一個臺階。此外，我國從事采礦科技研究和礦山從事工程科技應用與管理的人數(shù)多、力量強，只要集中力量，就可以在采礦新技術(shù)、新工藝研究與應用方面取得突破，為無人采礦從“初級階段”向“高級階段”過渡創(chuàng)造條件。所以，相對西方礦業(yè)發(fā)達國家，我國的采礦工程科技在不遠的將來，實現(xiàn)“彎道超車”是大有希望的。