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如何实现深部开采技术的“弯道超车”？——访中国工程院院士、北京科技大学教授蔡美峰

发布日期：2017-01-19

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    经过多年来的持续高强度开发，我国许多金属矿山已经进入深部开采阶段。而随着“三深一土”战略的实施，加强对深部资源的勘查开发，已成为未来发展的主要方向。
    我国深部矿产资源高效开发状况如何？目前还存在哪些瓶颈？该从哪些方面进行突破？在最近举行的矿业投融资暨采选实用技术学术会上，中国矿业报记者采访了中国工程院院士、北京科技大学教授蔡美峰。
    中国矿业报：我国当前金属矿产资源的状况如何，人均占有量在世界上居于什么水平？
    蔡美峰：我国矿产资源总量较丰富。目前，我国已发现171种矿产资源，探明有储量的矿产168种，已探明矿产资源储量潜在价值约占世界矿产资源总价值的14.6%，居世界第3位。然而，我国矿产资源人均占有量远远低于世界平均水平。45种主要矿产资源，我国人均储量居世界第80位，仅为世界平均水平的58%。
    国民经济需要的大宗支柱矿产品种，如铁、锰、铜、铅、锌、铝土矿等金属矿产，均不能满足需求。每年60%以上铁精矿、70%以上铜精矿和50%铝土矿须从国外进口。主要金属矿产资源如此高的国外依存度，对我国国民经济发展构成了潜在的严重威胁。更重要的是，我国优势矿产的优势也正在减弱以至丧失，如钨、锡、钼、锑、萤石、重晶石等，其可供储量对2020年需求的保证程度分别仅为89%、35%、85%、55%、15%、26%。

    中国矿业报：我国金属矿产资源的开采现状及其面临的问题有哪些？
    蔡美峰：经过新中国成立以来60多年的开采，我国浅部矿产资源逐年减少和枯竭，矿产资源特别是金属矿产资源开采正处于向深部全面推进阶段。2000年以前，我国只有2个金属矿山开采深度达到1000米。进入21世纪以来，发展速度很快，目前已有16座地下金属矿山采深达到或超过1000米。其中，吉林夹皮沟金矿、云南会泽铅锌矿和六苴铜矿、河南灵宝釜鑫金矿均超过1500米。
    而当前国外采深1000米以上的金属矿山112座。按数量排名，处于前几位的国家是：加拿大28座，南非27座，澳大利亚11座，美国7座，俄罗斯5座。我国已经超过澳大利亚，居世界第3位。但是，如果按照现在的发展速度，我国在较短时间内深井矿山数量就会居世界第一。
    在国外112座深井矿山中，采深超过3000米的有16座，其中12座位于南非，全部为金矿。我国16座深井矿山中，金矿8座，有色金属矿山7座。国内外情况基本相似，深井矿山中，黄金矿山数量最多。
    近期在三山岛金矿西岭矿区1600米~2600米深度，探明了一个金金属储量400吨的大型金矿床，为我国在胶东半岛深部等类似矿集区找到更大规模金矿床指明了方向。随着“三深一土”战略的实施及勘探技术和装备的进步，我国在3000米~5000米深部找到一批大型金矿床是完全有可能的。据统计，未来10年内，我国将有1/3以上金属矿山开采深度达到或超过1000米。深部开采是我国金属矿产资源开发面临的最主要问题，其中，黄金矿山首当其冲。
    未来矿产资源开发涉及绿色开采、深部开采、智能化采矿三大主题，其中深部开采是统领全局的主题。在深部开采中，包括绿色开发、智能化采矿在内的所有采矿新理念、新模式、新技术都必须有创新性的发展，才能保证深部安全高效开采的实现。
    而深部开采将面临诸多的关键难题：一是深部高应力问题。深部高应力可能导致破坏性的地压活动，包括岩爆、塌方、冒顶、突水等由采矿开挖引起的动力灾害。二是岩性恶化问题。浅部的硬岩到深部变成软岩，弹性体变成潜塑性体，这给支护和采矿安全造成很大负担，严重影响采矿效率和效益。三是深井高温环境问题。岩层温度随深部以1.7℃/100米~3.0℃/100米的梯度增加。深井的高温环境条件严重影响工人的劳动生产效率。而为了进行有效降温，又必将大大增加采矿成本。同时，随着开采深度的增加，矿石和各种物料的提升高度显著增加，提升难度和提升成本大大增加，并对生产安全构成威胁。

    中国矿业报：要实现深部矿产资源的安全高效开发，必须解决好哪些方面的制约？
    蔡美峰：为了解决深部开采一系列关键技术难题，必须广泛吸收各学科的高新技术，开拓先进的非传统的采矿工艺和技术，创造更高效率、更低成本、最少环境污染和最好安全条件的采矿模式。
    一是深井高应力条件下的岩爆预测与防控。采矿开挖前地层处于自然平衡状态，采矿开挖引起地应力向开挖空间释放，形成“释放荷载”，导致围岩变形和应力集中，产生扰动能量。当岩体中聚集的扰动能量达到很高水平，并且在围岩出现破裂等情况下突然释放，就产生冲击破坏，即岩爆。这是对岩爆机理的准确认识。基于上述岩爆诱发机理，岩爆预测应与采矿过程紧密结合，根据未来开采计划，采用数值模拟等办法，定量计算出未来开采诱发扰动能量的大小、时间和在岩体中的空间分布状况及其随开采过程中的变化规律，就可以借助地震学中地震能量与震级的关系式，对未来开采诱发岩爆的发展趋势及其震级规律做出预测。同样基于岩爆的诱发机理，岩爆防控应主要从优化采矿方法、开采布局和开采顺序入手，减少和控制开采过程中扰动能量的聚集，从而减轻和控制岩爆的发生。同时，采取吸收能量、防冲击的支护措施，阻止和减弱岩爆的冲击破坏作用。
    二是深井高温环境控制与降温治理。地下岩层温度随深度的增加而梯度上升，通常千米以上深井岩层温度将超过人体温度。根据我们最新调查，我国超过700米的深金属矿有100多座，超过700米后岩温普遍超过35℃。高温导致工作面条件严重恶化，劳动生产率和设备作业效率大大下降，并可造成严重灾害事故。国内外常用的矿井降温技术有非人工制冷和人工制冷两大类。矿井通风是主要的非人工制冷降温技术，但井深超过千米后，常规通风不能达到安全规程对井下工作面环境温度要求。人工制冷降温包括水冷和冰冷两种。水冷是在地面或地下制出冷水送到井下工作站，通过高低压换热器和空冷器使风冷却后，将冷风送到工作面降温。冰冷在井上制出粒状冰或泥状冰，送至井下融冰池融冰，融冰形成的冷水送至工作面进行喷雾降温。
    人工制冷和非人工制冷都是被动式降温技术。为高效解决深井降温问题，必须发挥主动式降温技术，重点在以下两个方面：一是深井高温岩层隔热技术。研发新型高效的隔热新材料、新技术、新工艺，对岩层高温进行隔离，在此基础上，再采用人工制冷降温技术等，就会使井下巷道和采矿工作面取得良好的降温效果。二是深井地热开发技术。地热是一种天然能源，目前能源系统正在借助采矿技术进行地热开采的战略研究。如果将深井采矿和深部地热开发有机结合起来，就为采矿工程深井降温找到了一条具有颠覆性的技术途径，可以实现深部能源开发与资源开发的共赢。
    所以，就目前的采矿技术和开采成本而言，在地下3000米以下进行矿产资源开发并不是非常经济的做法。EGS/E深地地热开采技术将采矿技术用于地热开发，既能极大地提高深部地热开发效率，又能极大地降低深地采矿的成本，为解决未来的能源问题以及深部采矿的经济性问题开辟了有效途径。二者的理想结合和双赢，将是能源领域和矿业领域科技创新的重大突破，具有颠覆性的效果。我国有希望在这两个方面取得具有中国标记的领先世界的突破性进展。

    中国矿业报：随着科技的发展，非传统的采矿技术已逐渐替代传统采矿技术。目前，在非传统采矿技术方面有哪些进展？
    蔡美峰：传统的爆破采矿技术不但破坏围岩稳定性，而且矿石、废石一起采，大大增加了提升和选矿的工作量和成本。从长远目标出发，采用机械掘进、机械凿岩方法，以连续切割掘进、采矿技术取代传统爆破采矿工艺进行采矿是一个重要方向。机械切割开采空间不需实施爆破而明显提高围岩稳固性，并且不受爆破安全境界限制，扩大开采境界；机械切割能准确地开采目标矿石，使采矿损失率和矿石贫化率降到最低。但采矿机作业受金属矿床形态多变及复杂地质条件的限制，切割头的寿命及费用是实施该技术需要解决的关键问题。在这里，要介绍几种非传统采矿技术及其进展。
    高压水射流破岩掘进与采矿技术：高压水射流技术是上世纪70年代发展起来的一种清洗、切割新技术。从高压喷嘴射出的高速水射流具有很大的能量，在目标靶上可产生巨大的冲击力，用来切割岩石、破碎岩石等。目前该技术已用于软岩和中等硬岩，大量应用水射流技术研制的采煤机、切割机和清洗机相继问世，并进行了工业试验和推广应用。但在破碎坚硬矿岩时，需要使用更高的水射流压力才能实现，而目前的水射流发射装置系统尚不能承受如此高的压力。为了解决硬岩破岩问题，高压水射流需向超高压大功率化方向发展，需要进一步发展和完善超高压水射流部件和设备，为在金属矿硬岩中应用创造条件。
    激光破岩掘进与采矿技术：激光破岩是利用高能激光束产生的热量对岩石局部迅速加热，当温度足够高时，就会产生一系列复杂的物理化学反应，并随温度升高依次实现破碎、分解、融化和汽化三种破岩形式。采矿破岩只要实现破碎即可，当高能激光作用于岩石表面时，岩石局部迅速受热膨胀，导致局部热应力升高。当热应力高于岩石极限强度时，岩石就会发生热破碎，实现切割破岩。岩石表面的微裂缝和孔隙等使其极限强度降低，因而会加剧这种热破碎作用。
    等离子破岩掘进与采矿技术：这种技术首先向岩体内钻孔，然后将同轴电极紧密地装入钻孔中，并在电极前端充满电解质溶液。接通连接同轴电极的电容器组，在高电能的作用下，电解质很快转变成高温高压的等离子气体。高温高压的离子气体迅速膨胀形成强大的冲击波，导致类似于化学炸药产生的爆破效果，其产生的压力可超过2GPa，足以破裂坚硬岩石。

    中国矿业报：绿色开采是矿山开采的发展方向。当前，我国在积极倡导绿色生态采矿模式，您认为该模式主要有哪几方面？
    蔡美峰：一是无废开采模式。无废开采的目标是最大限度地减少废料的产出、排放，提高资源综合利用率，减轻或杜绝矿产资源开发对生态和环境的破坏。矿山无废开采模式遵从工业生态学的观点，以采矿活动为中心，将矿山生态环境、资源环境和经济环境联系起一个有机的工业系统，以最小的排放量获取最大资源量和经济效益。采矿活动结束后通过最小的末端治理使矿山环境与生态环境融为一个整体。为了实现无废开采，应大力提高采选技术水平，大力降低矿石贫化率等，实现废料产出最小化，从源头上控制废石产出率。同时，尽可能提高选矿回收率，减少尾矿排放量，将矿石资源中由于选冶水平低而不能利用的成分减到最少。加强综合回收，实现废弃物的资源化，提高废弃物的整体利用水平，努力实现矿山故土废弃物的零排放、零堆存。
    二是原地溶浸采矿模式。这是一种集采选一体化的技术，通过钻孔或爆破在矿体中形成注液通道，直接将溶浸液体注入矿体中。溶浸液浸出的富矿液回收后经集液通道送到地表进行处理。该方法省去了采矿作业，由浸矿液直接回收金属，可大大减少采矿作业和提升的工作量，是较理想和较能实现大规模现场应用的无废采矿方法，对深部矿床开采具有较强的适应性。但目前该工艺可回收的大宗金属品种太少，只有铀、铜和金三种，需要大力研究采用该工艺回收mg电子金属矿种的技术。
    三是地下采选一体化模式。在矿石提升地面之前，在井下进行预选和预富集，抛去大部分废石，可以明显降低矿石提升量。另外，西方国家正试验采用水力提升方式替代箕斗、罐笼等传统提升方式，矿石在地下预选后进行破碎和磨矿，然后用泵扬送到地面选矿场。由于不需要开挖竖井，可大大减少井巷工程投资，使采矿工程的安全性得到极大提高。将选矿平台建在井下，地下选矿后直接向地面输送精矿，可大量减少废石的提升量，是解决提升难题的一个重要途径。同时，废石与尾矿留在井下用于采空区充填，实现原地利用，并减少排出地面后对生态环境的污染、破坏。而且，地面无选矿厂和尾矿库，省去了征地建尾矿库和管理尾矿库的费用，可谓一举多得。
    四是遥控智能化无人采矿模式。这是最好的应对不断恶化的深部开采条件和环境条件，最大限度提高采矿效率、保证开采安全的最根本、最有效、最可靠的方法。目前，国内外仍处于建设“无人矿山”的初级阶段。在此阶段，无人采矿的核心技术仍然是采矿工艺和生产组织管理的自动化与智能化。新一代高级无人采矿技术必将涉及采矿工艺及生产过程自身的变革。

    中国矿业报：总体来看，我国采矿技术与西方国家相比还有怎样的差距？我们应该如何实现赶超？
    蔡美峰：西方国家上世纪80年代就开始实施井下工作面的无人采矿，而目前我国不少矿山就连全盘机械化作业还做不到。但从总体上看，我国的采矿技术在许多方面已接近或达到国际先进水平。矿山整体差距主要体现在大量矿山的采矿设备比较落后，先进采矿设备主要从国外进口，价格昂贵，这是制约我国采矿进步的关键问题。
    为了解决上述问题，我国必须加大科技投入，以引进-消化吸收-再创新为基础，立足自主创新。首先在自动化采矿装备研制方面取得突破，在较短时间内实现大型自动化采矿装备国产化。这就为加速我国自动化智能采矿技术的推广应用创造了可靠的条件。同时，对一批新建的大型地下金属矿山，从设计一开始就高起点投入，投产后就能实现自动化遥控智能化采矿作业。这批矿山建成后，产量会占我国地下金属矿山产量很大一部分，可以从整体上带动我国自动化、遥控智能化采矿水平上一个台阶。此外，我国从事采矿科技研究和矿山从事工程科技应用与管理的人数多、力量强，只要集中力量，就可以在采矿新技术、新工艺研究与应用方面取得突破，为无人采矿从“初级阶段”向“高级阶段”过渡创造条件。所以，相对西方矿业发达国家，我国的采矿工程科技在不远的将来，实现“弯道超车”是大有希望的。
    原文链接：http://www.zgkyb.com/fangtan/20170106_37991.htm

（编辑：牛小萌）

如何实现深部开采技术的“弯道超车”？——访中国工程院院士、北京科技大学教授蔡美峰

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