院士：如何實(shí)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(qiáng)度開發(fā)，我國許多金屬礦山已經(jīng)進(jìn)入深部開采階段。而隨著“三深一土”戰(zhàn)略的實(shí)施，加強(qiáng)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(jìn)行突破？在最近舉行的礦業(yè)投融資暨采選實(shí)用技術(shù)學(xué)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(xué)教授蔡美峰。

中國礦業(yè)報：我國當(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)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(jìn)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(jì)發(fā)展構(gòu)成了潛在的嚴(yán)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(jìn)階段。2000年以前，我國只有2個金屬礦山開采深度達(dá)到1000米。進(jìn)入21世紀(jì)以來，發(fā)展速度很快，目前已有16座地下金屬礦山采深達(dá)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(dāng)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(shí)施及勘探技術(shù)和裝備的進(jìn)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(dá)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(dāng)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(lǐng)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(shí)現(xiàn)。

而深部開采將面臨諸多的關(guān)鍵難題：一是深部高應(yīng)力問題。深部高應(yīng)力可能導(dǎo)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(zāi)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(hù)和采礦安全造成很大負(fù)擔(dān)，嚴(yán)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(yán)重影響工人的勞動生產(chǎn)效率。而為了進(jìn)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(shí)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(guān)鍵技術(shù)難題，必須廣泛吸收各學(xué)科的高新技術(shù)，開拓先進(jìn)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(yīng)力條件下的巖爆預(yù)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(yīng)力向開挖空間釋放，形成“釋放荷載”，導(dǎo)致圍巖變形和應(yīng)力集中，產(chǎn)生擾動能量。當(dāng)巖體中聚集的擾動能量達(dá)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(jī)理的準(zhǔn)確認(rèn)識?；谏鲜鰩r爆誘發(fā)機(jī)理，巖爆預(yù)測應(yīng)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(xué)中地震能量與震級的關(guān)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(yù)測。同樣基于巖爆的誘發(fā)機(jī)理，巖爆防控應(yīng)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(hù)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(dǎo)致工作面條件嚴(yán)重惡化，勞動生產(chǎn)率和設(shè)備作業(yè)效率大大下降，并可造成嚴(yán)重災(zāi)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(fēng)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(fēng)不能達(dá)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(fēng)冷卻后，將冷風(fēng)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)行隔離，在此基礎(chǔ)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?zé)衢_發(fā)技術(shù)。地?zé)崾且环N天然能源，目前能源系統(tǒng)正在借助采礦技術(shù)進(jìn)行地?zé)衢_采的戰(zhàn)略研究。如果將深井采礦和深部地?zé)衢_發(fā)有機(jī)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(shí)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(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)并不是非常經(jīng)濟(jì)的做法。EGS/E深地地?zé)衢_采技術(shù)將采礦技術(shù)用于地?zé)衢_發(fā)，既能極大地提高深部地?zé)衢_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(jì)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(lǐng)域和礦業(yè)領(lǐng)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(biāo)記的領(lǐng)先世界的突破性進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)目標(biāo)出發(fā)，采用機(jī)械掘進(jìn)、機(jī)械鑿巖方法，以連續(xù)切割掘進(jìn)、采礦技術(shù)取代傳統(tǒng)爆破采礦工藝進(jìn)行采礦是一個重要方向。機(jī)械切割開采空間不需實(shí)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(kuò)大開采境界；機(jī)械切割能準(zhǔn)確地開采目標(biāo)礦石，使采礦損失率和礦石貧化率降到最低。但采礦機(jī)作業(yè)受金屬礦床形態(tài)多變及復(fù)雜地質(zhì)條件的限制，切割頭的壽命及費(fèi)用是實(shí)施該技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題。在這里，要介紹幾種非傳統(tǒng)采礦技術(shù)及其進(jìn)展。

高壓水射流破巖掘進(jìn)與采礦技術(shù)：高壓水射流技術(shù)是上世紀(jì)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(biāo)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(yīng)用水射流技術(shù)研制的采煤機(jī)、切割機(jī)和清洗機(jī)相繼問世，并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)和推廣應(yīng)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(shí)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(jìn)一步發(fā)展和完善超高壓水射流部件和設(shè)備，為在金屬礦硬巖中應(yīng)用創(chuàng)造條件。

激光破巖掘進(jìn)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(dāng)溫度足夠高時，就會產(chǎn)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，并隨溫度升高依次實(shí)現(xiàn)破碎、分解、融化和汽化三種破巖形式。采礦破巖只要實(shí)現(xiàn)破碎即可，當(dāng)高能激光作用于巖石表面時，巖石局部迅速受熱膨脹，導(dǎo)致局部熱應(yīng)力升高。當(dāng)熱應(yīng)力高于巖石極限強(qiáng)度時，巖石就會發(fā)生熱破碎，實(shí)現(xiàn)切割破巖。巖石表面的微裂縫和孔隙等使其極限強(qiáng)度降低，因而會加劇這種熱破碎作用。

等離子破巖掘進(jìn)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(qiáng)大的沖擊波，導(dǎo)致類似于化學(xué)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(dāng)前，我國在積極倡導(dǎo)綠色生態(tài)采礦模式，您認(rèn)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(biāo)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(xué)的觀點(diǎn)，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(jì)環(huán)境聯(lián)系起一個有機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)無廢開采，應(yīng)大力提高采選技術(shù)水平，大力降低礦石貧化率等，實(shí)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(qiáng)綜合回收，實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化，提高廢棄物的整體利用水平，努力實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模現(xiàn)場應(yīng)用的無廢采礦方法，對深部礦床開采具有較強(qiáng)的適應(yīng)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(jìn)行預(yù)選和預(yù)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(yàn)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(yù)選后進(jìn)行破碎和磨礦，然后用泵揚(yáng)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(shí)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(fèi)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(yīng)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(shè)“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(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)趕超？

蔡美峰：西方國家上世紀(jì)80年代就開始實(shí)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(jī)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(dá)到國際先進(jìn)水平。礦山整體差距主要體現(xiàn)在大量礦山的采礦設(shè)備比較落后，先進(jìn)采礦設(shè)備主要從國外進(jìn)口，價格昂貴，這是制約我國采礦進(jìn)步的關(guān)鍵問題。

為了解決上述問題，我國必須加大科技投入，以引進(jìn)-消化吸收-再創(chuàng)新為基礎(chǔ)，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(shí)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(yīng)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(shè)計一開始就高起點(diǎn)投入，投產(chǎn)后就能實(shí)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(yīng)用與管理的人數(shù)多、力量強(qiáng)，只要集中力量，就可以在采礦新技術(shù)、新工藝研究與應(yīng)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(dá)國家，我國的采礦工程科技在不遠(yuǎn)的將來，實(shí)現(xiàn)“彎道超車”是大有希望的。