k8國際官網(wǎng)|蔡美峰：如何實現(xiàn)深部開采技術(shù)的“彎道超車”？

經(jīng)過多年來的持續(xù)高強度研發(fā)，我國許多金屬礦山早已轉(zhuǎn)入深部鐵礦階段。而隨著“三深一土”戰(zhàn)略的實行，強化對深部資源的勘查研發(fā)，已淪為未來發(fā)展的主要方向。我國深部礦產(chǎn)資源高效研發(fā)狀況如何?目前還不存在哪些瓶頸?該從哪些方面展開突破?在最近舉辦的礦業(yè)投融資暨采選實用技術(shù)學(xué)術(shù)會上，中國礦業(yè)報記者專訪了中國工程院院士、北京科技大學(xué)教授蔡美峰。

記者：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住于什么水平?蔡美峰：我國礦產(chǎn)資源總量較非常豐富。目前，我國已找到171種礦產(chǎn)資源，開發(fā)利用有儲量的礦產(chǎn)168種，已開發(fā)利用礦產(chǎn)資源儲量潛在價值大約占到世界礦產(chǎn)資源總價值的14.6%，居于世界第3位。然而，我國礦產(chǎn)資源人均占有量相比之下高于世界平均水平。

45種主要礦產(chǎn)資源，我國人均儲量居于世界第80位，僅有為世界平均水平的58%。國民經(jīng)濟必須的大宗支柱礦產(chǎn)品種，如鐵、錳、銅、鉛、鋅、鋁土礦等金屬礦產(chǎn)，皆無法符合市場需求。每年60%以上鐵精礦、70%以上銅精礦和50%鋁土礦需從國外進口。主要金屬礦產(chǎn)資源如此低的國外依存度，對我國國民經(jīng)濟發(fā)展包含了潛在的嚴(yán)重威脅。

更加最重要的是，我國優(yōu)勢礦產(chǎn)的優(yōu)勢也正在弱化以至失去，如鎢、錫、鉬、銻、螢石、重晶石等，其供儲量對2020年市場需求的確保程度分別僅有為89%、35%、85%、55%、15%、26%。記者：我國金屬礦產(chǎn)資源的鐵礦現(xiàn)狀及其面對的問題有哪些?蔡美峰：經(jīng)過新中國正式成立以來60多年的鐵礦，我國淺部礦產(chǎn)資源大幅增加和耗盡，礦產(chǎn)資源尤其是金屬礦產(chǎn)資源鐵礦正處于向深部全面前進階段。2000年以前，我國只有2個金屬礦山鐵礦深度超過1000米。轉(zhuǎn)入21世紀(jì)以來，發(fā)展速度迅速，目前有數(shù)16座地下金屬礦山采深超過或多達1000米。

其中，吉林夾皮溝金礦、云南會澤鉛鋅礦和六苴銅礦、河南靈寶釜鑫金礦皆多達1500米。而當(dāng)前國外采深1000米以上的金屬礦山112座。按數(shù)量名列，正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。我國早已多達澳大利亞，居于世界第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)量就不會居于世界第一。在國外112座深井礦山中，采深多達3000米的有16座，其中12座坐落于南非，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)外情況基本相近，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，開發(fā)利用了一個金金屬儲量400噸的大型金礦床，為我國在膠東半島深部等類似于礦集區(qū)尋找更加大規(guī)模金礦床說明了方向。

隨著“三深一土”戰(zhàn)略的實行及勘探技術(shù)和裝備的變革，我國在3000米~5000米深部尋找一批大型金礦床是幾乎有可能的。多達，未來10年內(nèi)，我國將有1/3以上金屬礦山鐵礦深度超過或多達1000米。深部鐵礦是我國金屬礦產(chǎn)資源研發(fā)面對的最主要問題，其中，黃金礦山首當(dāng)其沖。未來礦產(chǎn)資源研發(fā)牽涉到綠色鐵礦、深部鐵礦、智能化礦業(yè)三大主題，其中深部鐵礦是統(tǒng)率全局的主題。

在深部鐵礦中，還包括綠色研發(fā)、智能化礦業(yè)在內(nèi)的所有礦業(yè)新理念、新模式、新技術(shù)都必需有創(chuàng)新性的發(fā)展，才能確保深部安全性高效鐵礦的構(gòu)建。而深部鐵礦將面對諸多的關(guān)鍵難題：一是深部低形變問題。深部低形變有可能造成破壞性的地壓活動，還包括巖爆、塌方、冒頂、突水等由礦業(yè)開鑿引發(fā)的動力災(zāi)害。

二是巖性好轉(zhuǎn)問題。淺部的硬巖到深部變?yōu)檐泿r，彈性體變?yōu)橹鬯苄泽w，這給支護和礦業(yè)安全性導(dǎo)致相當(dāng)大開銷，嚴(yán)重影響礦業(yè)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米的梯度減少。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。而為了展開有效地降溫，又終將大大增加礦業(yè)成本。

同時，隨著鐵礦深度的減少，礦石和各種物料的提高高度明顯減少，提高可玩性和提高成本大大增加，并對生產(chǎn)安全性構(gòu)成威脅。記者：要構(gòu)建深部礦產(chǎn)資源的安全性高效研發(fā)，必需解決問題好哪些方面的制約?蔡美峰：為了解決問題深部鐵礦一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，必需普遍吸取各學(xué)科的高新技術(shù)，拓展先進設(shè)備的非傳統(tǒng)的礦業(yè)工藝和技術(shù)，建構(gòu)更高效率、更加低成本、最多環(huán)境污染和最差安全性條件的礦業(yè)模式。一是深井低形變條件下的巖爆預(yù)測與防控。

礦業(yè)開鑿前地層正處于大自然平衡狀態(tài)，礦業(yè)開鑿引發(fā)地應(yīng)力向開鑿空間獲釋，構(gòu)成“獲釋荷載”，造成圍巖變形和應(yīng)力集中，產(chǎn)生擾動能量。當(dāng)巖體中擠滿的擾動能量超過很高水平，并且在圍巖經(jīng)常出現(xiàn)裂痕等情況下忽然獲釋，就產(chǎn)生沖擊毀壞，即巖爆。這是對巖爆機理的精確了解。

基于上述巖爆所致機理，巖爆預(yù)測不應(yīng)與礦業(yè)過程緊密結(jié)合，根據(jù)未來鐵礦計劃，使用數(shù)值仿真等辦法，定量計算出來出有未來鐵礦所致擾動能量的大小、時間和在巖體中的空間產(chǎn)于狀況及其隨鐵礦過程中的變化規(guī)律，就可以利用地震學(xué)中地震能量與震級的關(guān)系式，對未來鐵礦所致巖爆的發(fā)展趨勢及其震級規(guī)律作出預(yù)測。某種程度基于巖爆的所致機理，巖爆防控不應(yīng)主要從優(yōu)化采礦方法、鐵礦布局和鐵礦順序應(yīng)從，增加和掌控鐵礦過程中擾動能量的擠滿，從而減低和掌控巖爆的再次發(fā)生。

同時，采行吸取能量、以防沖擊的支護措施，制止和弱化巖爆的沖擊毀壞起到。二是深井高溫環(huán)境掌控與降溫管理。地下巖層溫度隨深度的減少而梯度下降，一般來說千米以上深井巖層溫度將多達人體溫度。根據(jù)我們近期調(diào)查，我國多達700米的淺金屬礦有100多座，多達700米后巖溫廣泛多達35℃。

高溫造成工作面條件相當(dāng)嚴(yán)重好轉(zhuǎn)，勞動生產(chǎn)率和設(shè)備作業(yè)效率大大上升，并可導(dǎo)致相當(dāng)嚴(yán)重災(zāi)害事故。國內(nèi)外常用的礦井降溫技術(shù)有非人工加熱器和人工加熱器兩大類。礦井通風(fēng)是主要的非人工加熱器降溫技術(shù)，但井深多達千米后，常規(guī)通風(fēng)無法超過安全性規(guī)程對井下工作面環(huán)境溫度拒絕。人工加熱器降溫還包括水冷和冰冷兩種。

水冷是在地面或地下申請專利冷水送往井下工作站，通過高低壓換熱器和空冷器使風(fēng)加熱后，將冷風(fēng)送往工作面降溫。冰冷在井上申請專利粒狀冰或泥狀冰，送來至井下融冰池融冰，融冰構(gòu)成的冷水送來至工作面展開噴霧降溫。人工加熱器和非人工加熱器都是被動式降溫技術(shù)。

為高效解決問題深井降溫問題，必需充分發(fā)揮主動式降溫技術(shù)，重點在以下兩個方面：一是深井高溫巖層防水技術(shù)。研發(fā)新型高效的防水新材料、新技術(shù)、新工藝，對巖層高溫展開隔絕，在此基礎(chǔ)上，再行使用人工加熱器降溫技術(shù)等，就不會使井下巷道和礦業(yè)工作面獲得較好的降溫效果。

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)正在利用礦業(yè)技術(shù)展開地?zé)徼F礦的戰(zhàn)略研究。如果將深井礦業(yè)和深部地?zé)嵫邪l(fā)有機融合一起，就為采礦工程深井降溫尋找了一條具備顛覆性的技術(shù)途徑，可以構(gòu)建深部能源開發(fā)與資源研發(fā)的共贏。

所以，就目前的礦業(yè)技術(shù)和鐵礦成本而言，在地下3000米以下展開礦產(chǎn)資源研發(fā)并不是十分經(jīng)濟的作法。EGS/E深地地?zé)徼F礦技術(shù)將礦業(yè)技術(shù)用作地?zé)嵫邪l(fā)，既能極大地提高深部地?zé)嵫邪l(fā)效率，又能很大地減少深地礦業(yè)的成本，為解決問題未來的能源問題以及深部礦業(yè)的經(jīng)濟性問題修筑了有效途徑。二者的理想融合和雙贏，將是能源領(lǐng)域和礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新的重大突破，具備顛覆性的效果。

我國有期望在這兩個方面獲得具備中國標(biāo)記的領(lǐng)先世界的突破性進展。記者：隨著科技的發(fā)展，非傳統(tǒng)的礦業(yè)技術(shù)已漸漸替代傳統(tǒng)礦業(yè)技術(shù)。目前，在非傳統(tǒng)礦業(yè)技術(shù)方面有哪些進展?蔡美峰：傳統(tǒng)的炸開礦業(yè)技術(shù)不但毀壞圍巖穩(wěn)定性，而且礦石、廢石一起采行，大大增加了提高和選礦的工作量和成本。

從長遠目標(biāo)抵達，使用機械盾構(gòu)機、機械鑿巖方法，以倒數(shù)切割成盾構(gòu)機、礦業(yè)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)炸開礦業(yè)工藝展開礦業(yè)是一個最重要方向。機械切割成鐵礦空間不須要實行炸開而明顯提高圍巖鞏固性，并且不不受炸開安全性境界容許，不斷擴大鐵礦境界;機械切割成能精確地鐵礦目標(biāo)礦石，使礦業(yè)損失率和礦石貧化親率降至低于。

但礦業(yè)機作業(yè)不受金屬礦床形態(tài)多變及簡單地質(zhì)條件的容許，切割成頭的壽命及費用是實行該技術(shù)必須解決問題的關(guān)鍵問題。在這里，要講解幾種非傳統(tǒng)礦業(yè)技術(shù)及其進展。

高壓水射流破巖盾構(gòu)機與礦業(yè)技術(shù)：高壓水射流技術(shù)是上世紀(jì)70年代發(fā)展一起的一種清除、切割成新技術(shù)。從高壓燃燒室射向的高速水射流具備相當(dāng)大的能量，在目標(biāo)靶上可產(chǎn)生極大的沖擊力，用來切割成巖石、碎裂巖石等。目前該技術(shù)已用作軟巖和中等硬巖，大量應(yīng)用于水射流技術(shù)研制的采煤機、切割機和清洗機相繼問世，并展開了工業(yè)試驗和推廣應(yīng)用。

但在碎裂柔軟礦巖時，必須用于更高的水射流壓力才能構(gòu)建，而目前的水射流發(fā)射裝置系統(tǒng)尚能無法忍受如此低的壓力。為了解決問題軟巖破巖問題，高壓水射流需向超高壓大功率化方向發(fā)展，必須更進一步發(fā)展和完備超高壓水射流部件和設(shè)備，為在金屬礦硬巖中應(yīng)用于創(chuàng)造條件。激光破巖盾構(gòu)機與礦業(yè)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很快冷卻，當(dāng)溫度充足低時，就不會產(chǎn)生一系列簡單的物理化學(xué)反應(yīng)，并隨溫度增高依序構(gòu)建碎裂、分解成、融化和汽化三種破巖形式。

礦業(yè)破巖只要構(gòu)建碎裂才可，當(dāng)高能激光起到于巖石表面時，巖石局部很快不受熱膨脹，造成局部熱應(yīng)力增高。當(dāng)熱應(yīng)力低于巖石無限大強度時，巖石就不會再次發(fā)生熱碎裂，構(gòu)建切割成破巖。巖石表面的微裂縫和孔隙等使其無限大強度減少，因而不會激化這種熱碎裂起到。等離子破巖盾構(gòu)機與礦業(yè)技術(shù)：這種技術(shù)首先向巖體內(nèi)鉆孔，然后將同軸電極密切地取出鉆孔中，并在電極前端充滿著電解質(zhì)溶液。

接上相連同軸電極的電容器組，在低電能的起到下，電解質(zhì)迅速轉(zhuǎn)變成高溫高壓的等離子氣體。高溫高壓的離子氣體很快收縮構(gòu)成強勁的沖擊波，造成類似于化學(xué)炸藥產(chǎn)生的炸開效果，其產(chǎn)生的壓力可多達2GPa，不足以裂痕柔軟巖石。

記者：綠色鐵礦是礦山鐵礦的發(fā)展方向。當(dāng)前，我國在大力提倡綠色生態(tài)礦業(yè)模式，您指出該模式主要有哪幾方面?蔡美峰：一是無廢置鐵礦模式。無廢置鐵礦的目標(biāo)是最大限度地增加廢料的生產(chǎn)量、廢氣，提升資源綜合利用親率，減低或杜絕礦產(chǎn)資源研發(fā)對生態(tài)和環(huán)境的毀壞。

礦山無廢置鐵礦模式遵守工業(yè)生態(tài)學(xué)的觀點，以礦業(yè)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)，以大于的排放量提供僅次于資源量和經(jīng)濟效益。礦業(yè)活動完結(jié)后通過大于的末端管理使礦山環(huán)境與生態(tài)環(huán)境融一個整體。

為了構(gòu)建無廢置鐵礦，不應(yīng)大力提高采選技術(shù)水平，大力減少礦石貧化親率等，構(gòu)建廢料生產(chǎn)量最小化，從源頭上掌控廢石產(chǎn)出率。同時，盡量提升選礦回收率，增加尾礦排放量，將礦石資源中由于選冶水平較低而無法利用的成分減半到最多。強化綜合重復(fù)使用，構(gòu)建廢棄物的資源化，提升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。二是原地溶浸礦業(yè)模式。

這是一種集采選一體化的技術(shù)，通過鉆孔或炸開在礦體中構(gòu)成注液地下通道，必要將溶浸液體流經(jīng)礦體中。溶浸液浸出的富礦液重復(fù)使用后經(jīng)集液地下通道送往地表展開處置。

該方法省卻了礦業(yè)作業(yè)，由洗礦液必要重復(fù)使用金屬，可大大減少礦業(yè)作業(yè)和提高的工作量，是較理想和較能構(gòu)建大規(guī)模現(xiàn)場應(yīng)用于的無廢采礦方法，對深部礦床鐵礦具備較強的適應(yīng)性。但目前該工藝可回收的大宗金屬品種過于較少，只有鈾、銅和金三種，必須大力研究使用該工藝重復(fù)使用更加多金屬礦種的技術(shù)。

三是地下采選一體化模式。在礦石提高地面之前，在井下展開復(fù)賽和實富含，拋去大部分廢石，可以明顯降低礦石提高量。另外，西方國家于是以試驗使用水力提高方式替代箕斗、罐籠等傳統(tǒng)提高方式，礦石在地下復(fù)賽后展開碎裂和磨礦，然后用泵揚送往地面選礦場。

由于不必須開鑿豎井，可大大減少井巷工程投資，使采礦工程的安全性獲得很大提升。將選礦平臺辟在井下，地下選礦后必要向地面運送精礦，可大量增加廢石的提高量，是解決問題提高難題的一個重要途徑。同時，廢石與尾礦回到井下用作采空區(qū)填充，構(gòu)建原地利用，并增加排泄地面后對生態(tài)環(huán)境的污染、毀壞。

而且，地面無選礦廠和尾礦庫，省卻了征地辟尾礦庫和管理尾礦庫的費用，堪稱一舉多得。四是遙控智能化無人礦業(yè)模式。這是最差的應(yīng)付大大好轉(zhuǎn)的深部鐵礦條件和環(huán)境條件，最大限度提升礦業(yè)效率、確保鐵礦安全性的最顯然、最有效地、最可信的方法。

目前，國內(nèi)外仍正處于建設(shè)“無人礦山”的初級階段。在此階段，無人礦業(yè)的核心技術(shù)依然是礦業(yè)工藝和生產(chǎn)的組織管理的自動化與智能化。新一代高級無人礦業(yè)技術(shù)終將牽涉到礦業(yè)工藝及生產(chǎn)過程自身的變革。記者：總體來看，我國礦業(yè)技術(shù)與西方國家比起還有怎樣的差距?我們應(yīng)當(dāng)如何構(gòu)建領(lǐng)先于?蔡美峰：西方國家上世紀(jì)80年代就開始實行井下工作面的無人礦業(yè)，而目前我國不少礦山就連全盤機械化作業(yè)還做到將近。

但從總體上看，我國的礦業(yè)技術(shù)在許多方面已相似或超過國際先進設(shè)備水平。礦山整體差距主要反映在大量礦山的礦業(yè)設(shè)備比較落后，先進設(shè)備礦業(yè)設(shè)備主要從國外進口，價格昂貴，這是制約我國礦業(yè)變革的關(guān)鍵問題。

為了解決問題上述問題，我國必需增大科技投放，以引入-消化吸收-再行創(chuàng)意為基礎(chǔ)，扎根自主創(chuàng)新。首先在自動化礦業(yè)裝備研制方面獲得突破，在較短時間內(nèi)構(gòu)建大型自動化礦業(yè)裝備國產(chǎn)化。這就為加快我國自動化智能礦業(yè)技術(shù)的推廣應(yīng)用建構(gòu)了可信的條件。同時，對一批新建的大型地下金屬礦山，從設(shè)計一開始就高起點投放，投產(chǎn)后就能構(gòu)建自動化遙控智能化礦業(yè)作業(yè)。

這批礦山竣工后，產(chǎn)量不會占到我國地下金屬礦山產(chǎn)量相當(dāng)大一部分，可以從整體上造就我國自動化、遙控智能化礦業(yè)水平上一個臺階。此外，我國專門從事礦業(yè)科技研究和礦山專門從事工程科技應(yīng)用于與管理的人數(shù)多、力量強勁，只要集中力量，就可以在礦業(yè)新技術(shù)、新工藝研究與應(yīng)用于方面獲得突破，為無人礦業(yè)從“初級階段”向“高級階段”過渡性創(chuàng)造條件。

所以，比較西方礦業(yè)發(fā)達國家，我國的采礦工程科技在不遠處的將來，構(gòu)建“急彎轉(zhuǎn)彎”是大有希望的。

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