探讨金属矿业工程的未来

探讨金属矿业工程的未来古德生2006年11月19日前言在人类发展的长河中，矿业始终贯穿于整个文明史。没有矿业就没有国家工业化，就没有国防，就没有当今世界。未来源于矿业。采矿科技工作者，不但要推进矿业科技的进步，还要站在高处透视矿业的未来，引领矿业学科的未来。下面就”金属矿业工程的未来”谈七个问题：12一、发展金属矿业保障国家经济安全和国防安全二、提高装备水平推动金属矿山现代化的建设三、创新采矿技术实现经济、安全、高效开采四、实施绿色开发促进资源、经济、生态协调发展五、发展岩石力学引导采矿工程从经验走向科学六、创造遥控采矿构建现代金属矿山的发展模式七、拓宽科学视野重构采矿工程学科的知识体系金属矿业工程未来的七个议题：3一、发展金属矿业保障国家经济安全和国防安全一．发展金属矿业保障国家经济安全和国防安全1．金属矿业支撑着国家经济的快速发展矿业是国民经济的基础产业，金属矿业支撑着国民经济的快速发展。见下表：年度19901995200020022005人均GDP,美元20058182010901703钢产量，万吨6535963612850222343493610种有色金属产量,万吨23949678312601635没有金属产量的同步增长，就没有国民经济的可持续发展。5随着人均GDP的增长，人均金属矿产消耗量呈“S”形曲线变化。我国正处于工业化中期阶段，今后20-30年是我国资源消耗的高峰期。人均金属矿产消耗量与人均GDP的关系，如下图所示。人均金属矿产消费前工业化阶段工业阶段后工业化阶段缓慢工业化过程快速工业化过程人均GDP6据预测：我国的钢、铜、铝、锌四种金属,达到“S”形曲线的峰值时间，以及金属消费量，见下表：中国主要金属消费需求预测表金属2000年消费量“S”型曲线达峰值时间峰值年消费量钢，亿吨1.422012—20132.54—2.60铜，万吨1882019—2023681—532铝，万吨3302022—20281301—1629锌，万吨1232012—2013231—22172．矿产资源战略是国家全球战略的重要组成部分全球矿产资源配置的总体格局——目前，占世界人口不到1/4的发达国家，消耗着全球3/4的矿产资源，而占全世界人口多达3/4的广大发展中国家，占全球矿产消费比例却不到1/4。在新世纪，矿产资源的争夺进一步加剧——世界有4300家矿业公司（不包括煤和石油）在100多个国家进行勘查开发，其中加拿大公司占37%，美国公司占17%，澳大利亚的公司占9.5%。美、加、澳三国的矿业公司数目几乎占全球的2/3。对矿产资源的争夺，一直是国际关系紧张和武装冲突的根源。8第二次世界大战后，美国依托超级大国地位，利用其经、军事和科学技术的优势，在政治、经济和技术上开展全方位的“资源外交”。美国前国务卿黑格就说过：“冷战实质上是一场资源战”。世界上没有一个国家的矿产资源能够自给自足，实施全球资源战略是发达国家的成功经验，我国也不例外。我国已将全球矿产资源战略、作为国家全球战略的一个重要组成部分。我们的方针是：“平等互利，共同发展”。93．远景资源开发是矿业可持续发展的长远战略国家从长远利益出发，对远景资源投于极大的关注。海洋、极地矿床储量丰富，已为全球所瞩目。①陆地矿床——我国矿产资源短缺，矿产资源总量约占世界总量的12%。矿床开采正逐步转向五类矿床——贫矿床、软破矿床、深部矿床、水下矿床和高寒地区矿床。要求的科技水平越来越高。②海洋矿床——21世纪，围绕海洋底部矿产资源的国际竞争将更加激烈。1993年我国已在太平洋海底圈定了一块7．5万平方公里的“战略金属资源基地”，对该区域有专属勘探权，并享有开采的优先权。海深5000—6000米，无氧、高压、腐蚀，海底地形复杂，人员难以进入，开发难度极大。10③极地矿床——南极是地球上最后一座宝库。大陆总面积1410．7万平方公里，全境为冰川所覆盖，最高海拔5140米，气温零下55—57℃。有厚100米的、露头延伸120公里的铁矿，品位35—38％，够全世界用上200年；有世界上最大的煤田、石油和丰富得无法统计的锰块矿物。但水深500-3000米，如开采南极矿床，可能导致300万立方米的冰块融化，使地球海平面上升50米以上。征服南极是世纪议题。为了国家的可持续发展和长期繁荣，国家正在加大海洋、极地矿床开发的投资力度，努力做好特殊矿床开发的科学研究与技术筹备。11二、提高装备水平推动金属矿山现代化的建设二、提高装备水平推动金属矿山现代化的建设采矿技术的变革依赖于采矿装备的创新，没有采矿装备的发展，就不可能有采矿技术的进步。近20年来，地下采矿装备在实现无轨化和液压化的基础上，正在向大型化、智能化方向发展。13（1）国外露天矿的装备水平矿用汽车：己发展到300吨级，236和280吨的汽车已投入使用，无人驾驶汽车已用于露天矿；挖掘机：斗容达40立方米,超大型的已达83立方米；牙轮钻机：穿孔直径一般为310—380，而直径559毫米的牙轮钻机已投入生产；全球卫星定位系统：已广泛用于钻机、挖掘机及矿用汽车等移动设备的定位、监控与运营。1、国外矿山装备已逐步实现大型化和智能化14（2）地下矿的装备水平铲运机：载重25吨的电动铲运机已下井运营；遥控铲运机又逐步微型化（斗容2立方米，载重2吨）（我国只研制开发了0.76、1、2、3立方米）；井下汽车：120吨七轴大型卡车（瑞典）已开始取代45和65吨卡车（我国只有8-15吨）；凿岩台车:车自动遥控台车,正在取代原有台;辅助设备：广泛采用锚喷车、装药车、撬毛护顶车、材料车、运人车等无轨辅助车辆；遥控设备：近年已有遥控铲运机、遥控凿岩台车和无人驾驶汽车在地下矿山试运行；已开发了凿岩机器人、装载机器人。15矿山装备决定着矿山的现代化水平。我国矿山装备总体落后，绝大多数矿山仍处于六、七十年代的水平。矿山装备落后，必然是生产规模小、安全条件差、经营管理粗放。2．国外地下矿山规模化开采的实例智利的埃尔特尼恩特铜矿——采用连续落矿的盘区崩落采矿法，年产矿石3500万吨。16瑞典基鲁纳铁矿采用高分段无底柱崩落采矿法，年产量超过2000万吨。俄罗斯塔什塔科尔铁矿采用沿走向推进一步骤回采的阶段强制崩落法，每一回采步距落矿20万吨，年产量超过300万吨。菲律宾菲勒吉斯采矿公司矿山属低品位矿石，铜品位0.30%，金0.6克/吨,原用自然崩落法,后改为强制崩落法,日产规模为26000吨；这是一个通过规模化开采、使低品位矿床变为有利可图的范例。17三．创新采矿技术实现经济、安全、高效开采三．创新采矿技术实现经济、安全、高效开采采矿技术的创新凸显在以下三个技术领域：1．关于高效率采矿（1）采矿装备的现代化，推动采矿工艺技术的变革采矿方法朝大参数和结构简化方向发展—采矿方法正在朝高阶段(120—200米)、大采场（矿段）、一步骤回采、采准切割合一的方向发展。采矿工艺向连续化规模化方向发展—为解决落矿高效率与出矿低效率的矛盾，采矿工艺逐步从间歇式工艺，向铲运机、破碎机—胶带运输机配套的间断—连续工艺过渡；19设计的理念也在变化——产量不再完全受服务年限制约。而是把矿床开采看成是对土地的临时占用，力求速战速决,采后尽快恢复生态环境；（2）复杂难采矿体的开采过程中，采矿技术的创新矿岩诱导崩落矿技术采矿环境再造技术矿岩诱导崩落矿技术废石充填注浆技术当量药包深孔爆破技术不同矿岩环境下的空区测技术还有：空区安全预警技术，强制与诱导耦合落矿技术，膏体自流充填技术；中硬矿岩非爆机械采矿技术；以及各种非传统采矿技术等等。202、关于深开采开采深度大于800-1000米时，一般界定为深井开采。深井是个特殊的开采环境—高应力,高井温,高井深。为了深井安全、经济、高效开采，有许多热门研究课题：—间断--连续工艺问题；—深井高应力诱导破碎连续采矿矿问题—非常规采矿方法问题；—深井原地破碎溶浸采矿的问题。—深井降温问题；—建设井下选厂(粗选厂)问题；—深井水力提升问题；—上行开采问题；—深井原地破碎溶浸采矿的问题。213、关于连续采矿目前，出现有两类连续采矿模式：第一类：“单一采矿机的连续采矿”—借助机械切割破岩的连续采矿，如采掘钾盐矿的多转轮采矿机。但因受切割头寿命及费用，以及矿床地质条件限制，投入工业应用尚需时日。第二类：“采装运机组与一步骤回采方法配套的连续采矿”。这是基于爆破破岩的连续采矿。以矿段为回采单元，采用一步骤回采的采矿方法，回采过程中落矿、出矿、运矿作业在不同空间平行连续进行，采、装、运设备互相衔接，采矿作业在阶段上连续推进。故称之“连续采矿”。22实现连续采矿是个重大变革----①回采工作面连续推进，有利于井下采矿作业的合理集中，实现高强度采矿；②可从根本上解决矿山带来多中段作业、资源大量损失的问题；③阶段连续回采时，强采、强出、强充，围岩暴露时间短，有利于采场地压控制；④它将推动地下金属矿山作业机械化，生产集中化和管理科学化的进程，促进矿山现代化。连续采矿代表着采矿工艺的变革方向,是采矿技术发展的必然。23四．实施绿色开发促进资源、经济、生态协调发展四.实施绿色开发促进资源.经济.生态协调发展所谓矿区绿色开发——就是把矿区资源与环境作为一个整体，与环境协调一致地开发矿区的矿产、土地、森林与水资源等异类资源。1、粗放式的增长方式已经难以维继例：2004年，我国实现GDP9.5%的增长，而物质消耗——占全球钢材27%、原煤31%、水泥50%以上、；全年排放废石、尾砂、废渣以10亿吨的速度增长（堆存量已达180亿吨以上）；矿山年排放废水30亿吨，处理率仅4.23%，大量排入江河，污染十分严重。252、实施矿区资源绿色开发建立矿区环境生态评价体系要研究矿区的环境生态容量评价方法，建立评价程序、标准和考核指标体系。实现固体废料产出最小化和资源化采用合理的开拓系统和采矿方法,从源头上控制废石产出率，建设井下选厂等，实现废料不出坑；把废料资源化列为矿山生产活动的重点工程。重视资源综合利用我国冶金矿山的共伴生资源综合利用率约20%,有色金属为30-35%。严重污染环境。263、在企业推行两项行动计划IS014000标准国际标准化组织推出IS014000“环境管理系列标准”(1996年)。澳大利亚制定的环境管理系列有200多个案例，包括矿山计划管理、土地复垦,生态修复,尾砂产出最小化,废物管理,废水管理等等.清洁生产计划它是推行IS014000标准的重要举措,先后在我国,巴西,印度等9个国家,建立了包括：采矿,造纸,食品等10个清洁生产工作小组。它已成为产业界可持续发展的重要手段。274、按循环经济原则改造提升矿业把矿业纳入循环经济我国经济一直快速增长，资源消耗不堪重负，必须扭转矿产资源“大开采、低利用、高排放”的局面，把矿业逐步纳入循环经济。矿业纳入循环经济有五种模式①企业内部循环型；②企业自身延伸型；③企业资源交换型；④产业横向耦合型；⑤区域资源整合型。28五．发展岩石力学引导采矿工程从经验走向科学五.发展岩石力学引导采矿工程从经验走向科学1．岩石力学是采矿工程学科的理论基础岩石工程的变形、破坏特征极其复杂，而且是高度非线性问题---岩体被各种地质构造切割，是一个典型的“不连续介质”，其本构关系远没有搞清。岩体所涉及的力学问题、是变化中的多场多相环境影响下的地质构造与工程结构相互作用的耦合问题，是固体力学难以描述和解决的。随着采矿工程、岩土工程、地下工程等众多的建设和数学、力学、计算机等众多学科的进步，上世纪初，岩石力学应运而生，并逐步发展形成的一门深深根植于采矿工程中的新兴学科和边缘学科。302．岩石力学已进入新的发展时期岩石力学在20世纪70年代以后，出现了岩石工程稳定性计算的的数值计算方法（如有限元、边界元等）,并得到广泛应用，成为岩石力学分析计算的主要手段；90年代岩石力学专家和数学专家建立起如损伤力学和离散元法等新的分析原理与计算方法；现代数理的渗透，使非线性科学在岩石力学中得到应用，耗散结构论、协同论、分叉和混沌理论等，正在被试图用于认识和解释岩体