我國深部金屬礦山綠色智能可持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵工程科技戰(zhàn)略

一、引言礦產(chǎn)資源是世界各國處于第一位的工業(yè)原料，對國民經(jīng)濟的發(fā)展和社會物質(zhì)文明與科技進步有舉足輕重的作用。經(jīng)過多年持續(xù)高強度開發(fā)，我國淺部金屬礦產(chǎn)資源逐漸減少或枯竭，金屬礦產(chǎn)資源的開采正處于全面向深部推進階段。目前，已有20多個地下金屬礦山達到或超過1000m的開采深度。據(jù)統(tǒng)計，未來十年，我國三分之一以上的地下金屬礦山的開采深度將超過1000m，其中最大開采深度將達到2000~3000m。隨著勘探技術(shù)和裝備的進步，我國未來在3000?5000m深部找到一批大型金屬礦床是完全可能的。因此，深部開采是我國金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)面臨的最迫切問題，也是今后保證我國金屬礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)與供給的最主要途徑。在此背景下，我們從前瞻性的角度提出了解決深部開采難題的關(guān)鍵工程科技戰(zhàn)略。二、深部開采面臨的關(guān)鍵難題深部安全高效開采面臨一系列工程挑戰(zhàn)，其面臨的關(guān)鍵難題主要來自以下幾個方面：①高地應(yīng)力。在深部高地應(yīng)力作用下，采礦開挖將形成破壞性的地壓活動，導致巖爆、塌方、冒頂、突水等開采動力災(zāi)害的發(fā)生，嚴重影響生產(chǎn)安全和正常作業(yè)。②巖性惡化。進入深部后，巖體結(jié)構(gòu)與力學特性會發(fā)生重大變化，給支護和后續(xù)開采安全帶來很大負擔，嚴重影響開采效率和效益。③高溫環(huán)境。深部礦井的高溫環(huán)境會使圍巖的力學性能大大劣化，嚴重影響設(shè)備的安全運行、作業(yè)效率和工人身體健康，會造成不可預(yù)測的災(zāi)害和事故。④深井提升。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，造成提升難度和成本大幅增加。傳統(tǒng)有繩提升技術(shù)不僅難以滿足深部提升的要求，而且對生產(chǎn)安全構(gòu)成潛在威脅。三、深部開采關(guān)鍵工程科技戰(zhàn)略（一）巖爆預(yù)測預(yù)報與防控技術(shù)金屬礦山巖爆是由采礦引發(fā)的一種動力災(zāi)害，是采礦工程中的主要災(zāi)害類型。巖爆預(yù)測、預(yù)報是一項世界級難題。認識和控制巖爆是礦山安全維護的首要任務(wù)。采礦開挖破壞了地層平衡狀態(tài)，并在圍巖中產(chǎn)生了擾動能量。當巖體中聚集的擾動能量達到很高水平，并且在巖體由于高應(yīng)力作用出現(xiàn)破裂或遇到斷層等情況下，能量突然釋放，就可能形成巖爆。這是對巖爆機理的準確認識?；趲r爆機理，巖爆預(yù)測應(yīng)與開采過程緊密結(jié)合。根據(jù)未來的開采計劃，采用數(shù)值模擬、數(shù)理統(tǒng)計等方法，定量計算出未來開采誘發(fā)擾動能量的大小、時間（開采時間）和在巖體中的空間分布狀況及其隨開采過程的變化規(guī)律。隨后，借助地震學的知識（地震能量與震級的關(guān)系式），可以對未來開采誘發(fā)巖爆的發(fā)展趨勢及其“時間-空間-強度”規(guī)律做出理論上的預(yù)測。同樣基于巖爆的誘發(fā)機理，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，減小在圍巖中產(chǎn)生高巖應(yīng)力集中和大的位移，減小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，采取能吸收能量、防沖擊的支護措施，阻止和減弱巖爆的沖擊破壞作用。（二）支護技術(shù)地下金屬礦的采礦方法，隨開挖和支護方式不同，分為空場法、崩落法、充填法三類，其中充填法成本最高。各礦山主要根據(jù)礦石價值和采空區(qū)維護難度的不同，決定各自適用的采礦方法。但為了實現(xiàn)綠色采礦，控制巖層移動和地表沉陷，特別是進入深部開采后控制劇烈的地壓活動，充填法將是多數(shù)礦山（包括鐵礦）不得不選擇的采礦方法。這是對傳統(tǒng)采礦模式的重大變革。但是，開采價值和支護成本相平衡的原則仍需遵守。為了廣泛應(yīng)用充填法，必須對充填工藝和充填材料進行重大改革，大力降低充填成本。利用礦山固體廢料的充填工藝是最具有普遍應(yīng)用前景的技術(shù)方案。近年發(fā)展起來的全尾砂膏體充填工藝，可在低水泥耗量條件下獲得高質(zhì)量充填體，膏體強度均勻、充填采空區(qū)接頂率高，能有效控制地壓活動和巖層移動。該技術(shù)代表了充填技術(shù)未來的發(fā)展方向。此外，膠凝材料在膏體充填成本中占很大比重。研究超細、高強、價廉、速凝充填新材料可有效降低充填成本。（三）高溫環(huán)境控制與降溫技術(shù)國內(nèi)外常用的礦井降溫技術(shù)包括非人工制冷和人工制冷兩大類。非人工制冷降溫技術(shù)主要包括礦井通風、熱源隔離、巖層預(yù)冷、采空區(qū)充填等多種方法，其中礦井通風應(yīng)用最為廣泛。然而，礦井通風降溫成本高、通風效率低。此外，對于熱害較嚴重的礦井，非人工制冷降溫技術(shù)難以滿足降溫要求，必須同時采用人工制冷降溫措施。人工制冷降溫技術(shù)目前在金屬礦山廣泛應(yīng)用，主要包括水冷卻系統(tǒng)和冰冷卻系統(tǒng)。水冷卻系統(tǒng)通過制冷機組制出冷水，再通過高低壓換熱器和空冷器，將通風系統(tǒng)輸入井下的風流冷卻后，送到工作面降溫。該系統(tǒng)實際上就是空調(diào)技術(shù)在地下礦井的應(yīng)用。冰冷卻系統(tǒng)通過風力或水力將地面制出的粒狀冰或泥狀冰送至井下融冰池，利用工作面回水噴淋融冰，融冰后的冷水送至工作面，通過空冷器降溫或采取噴霧降溫。一般來說，非人工降溫技術(shù)和人工降溫技術(shù)都是被動式降溫技術(shù)。工程實踐表明，這兩種降溫技術(shù)不僅降溫成本高，而且在深井中降溫效果也不十分理想。為了高效解決深井降溫問題，必須發(fā)展主動式降溫技術(shù)，重點在以下兩個方向：①深井高溫巖層隔熱技術(shù)。深井高溫環(huán)境主要是由高溫巖層熱輻射所造成，研發(fā)新型高效的隔熱新材料、新技術(shù)、新工藝，對巖層高溫熱源進行隔離，在此基礎(chǔ)上再采用人工制冷降溫技術(shù)等，就能起到較明顯的降溫效果。②深井地熱開發(fā)技術(shù)。地熱本身是一種天然能源，而現(xiàn)有的降溫技術(shù)是被動措施，將地熱當成一種災(zāi)害在防治。如果在深部開采過程中，采用熱交換技術(shù)對巖層中的地熱資源進行開發(fā)利用，將深井采礦與深部地熱開發(fā)相結(jié)合，就能大幅度抵消降溫成本，從而為采礦深井降溫開辟一條具有顛覆性的經(jīng)濟有效的技術(shù)途徑。（四）提升技術(shù)提升是采礦過程中與鑿巖開挖同等重要的一個環(huán)節(jié)。金屬礦山廣泛使用多繩摩擦式或纏繞式提升機。進入深部開采后，鋼絲繩不斷加長加粗，這不僅加大提升負荷，大大降低了有效提升能力，而且由于尾繩長度變化大，造成提升鋼絲繩張力變化過大，導致斷絲破壞，這成為制約摩擦式提升安全的主要因素。據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計，摩擦式和纏繞式提升機單級最大提升高度分別只有1800m和3000m左右。更大的提升高度必須多級提升，從而使設(shè)備成本大大增加，提升效率大大降低。當提升高度超過3000m或4000m后，有繩提升技術(shù)因鋼絲繩而造成的大負荷、大慣量、大扭矩將是無法解決的問題。為此，必須研發(fā)無繩垂直提升技術(shù)，如直線電機驅(qū)動提升技術(shù)和磁懸浮驅(qū)動提升技術(shù)等。無繩垂直提升技術(shù)具有設(shè)備體積小、移動靈活、效率高、提升高度不受限制等優(yōu)點，適合于深井提升。目前這方面的技術(shù)和裝備都還處于初步設(shè)想階段，需要今后更深入地進行創(chuàng)新研究和科學實驗，才能研制出實用的技術(shù)和產(chǎn)品。建議我國今后要重點開展這類提升技術(shù)和裝備的研發(fā)。四、綠色智能采礦模式傳統(tǒng)的淺部采礦模式和開采方法已不適合深部高應(yīng)力場、高井溫、巖體結(jié)構(gòu)變化和復雜的地質(zhì)條件。為了適應(yīng)深部金屬礦綠色智能開采的要求，提高深井自動化高效開采水平，必須對現(xiàn)有采礦模式及其工藝技術(shù)進行根本變革。（一）精準切割采礦傳統(tǒng)的采礦掘進破巖方法是鉆爆法。鉆爆工藝對圍巖穩(wěn)固性造成破壞，威脅開采安全。而且這種方法將礦石、廢石一起采，大大增加提升的廢石量和選礦作業(yè)的工作量。為了提高深井自動化精準高效開采水平，必須研究精準切割采礦的方法。1.機械連續(xù)切割掘進與采礦技術(shù)采用機械掘進、機械鑿巖的方法，以連續(xù)切割設(shè)備取代傳統(tǒng)爆破采礦工藝進行采礦，切割空間因不需實施爆破而明顯提高圍巖穩(wěn)固性。機械切割能準確地開采目標礦石，實施精準開采，使采礦損失率和礦石貧化率降到最低，從而大大減少提升的工作量和選礦的作業(yè)量。切割落礦、裝載、運輸工藝平行連續(xù)進行，為實現(xiàn)連續(xù)采礦，提高采礦效率，保證開采安全創(chuàng)造了條件。采礦機作業(yè)受到金屬礦床形態(tài)多變和復雜地質(zhì)條件及切割頭的壽命和費用的限制，這是實施該技術(shù)需要解決的兩個關(guān)鍵前沿問題。2.高壓水射流破巖掘進與采礦技術(shù)高壓水射流技術(shù)是20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，可用來切割巖石、破碎巖石等。高壓水射流破碎和切割過程中，能自動排出廢料，只需對使用后的水進行簡單物理凈化，就能實現(xiàn)對水的循環(huán)利用。目前，高壓水射流破巖在軟巖和中等硬巖工程中已經(jīng)實現(xiàn)，在煤礦有廣泛應(yīng)用。但在破碎堅硬礦巖時，還存在水射流壓力不足等問題，因而在金屬礦山中的應(yīng)用受到限制。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。因此，需要進一步發(fā)展和改進超高壓的水射流部件和設(shè)備，如超高壓泵、旋轉(zhuǎn)密封、耐磨噴嘴和高壓管件等部件，為其在金屬礦硬巖中的應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。3.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，就會發(fā)生一系列復雜的物理化學反應(yīng)，并隨溫度升高依次實現(xiàn)破碎、熔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(yīng)力升高。當熱應(yīng)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。此外，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切割作用。4.等離子體破巖掘進與采礦技術(shù)使用等離子體破巖時，需要首先向巖體內(nèi)鉆孔，然后將同軸爆破電極緊密地裝入鉆孔中，并在鉆孔前端充滿電解質(zhì)。通過引爆觸發(fā)器接通連接同軸爆破電極的儲能電容器組，在高電能的作用下，電解質(zhì)很快地轉(zhuǎn)變成高溫、高壓的等離子氣體。高溫、高壓的等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，產(chǎn)生的壓力可超過2GPa，這樣高的壓力足以破裂堅硬巖石。該技術(shù)的實施可極大改善作業(yè)環(huán)境，減少了傳統(tǒng)爆破對圍巖和環(huán)境的影響和破壞。（二）無廢開采無廢開采的目標是最大限度地減少廢料的產(chǎn)出和排放，提高資源綜合利用率，減輕或消除礦產(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)系起來形成一個有機的工業(yè)系統(tǒng)，以最小的排放量獲取最大的資源量和經(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(yīng)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。此外，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)礦山固體廢棄物的零排放、零堆存。（三）溶浸采礦溶浸采礦是集采礦、選礦、冶煉為一體的技術(shù)，可分為原地鉆孔溶浸、原地破碎溶浸和堆浸三大類。該技術(shù)在礦體中通過浸礦液直接回收金屬元素，可以大幅度減少采礦、選礦、冶煉作業(yè)的工作量，降低生產(chǎn)成本，為深部低品位礦石回收提供了可行的途徑。與傳統(tǒng)“采礦—選礦—冶煉”工藝相比，原地溶浸的成本可以節(jié)約30%以上，甚至達到50%，對深部礦產(chǎn)開采具有重要應(yīng)用價值。此外，該工藝不產(chǎn)出廢石、尾礦，無開挖擾動，對地面環(huán)境幾乎無影響。這也是未來實現(xiàn)綠色開采技術(shù)的主要方向之一。溶浸采礦技術(shù)是一門邊緣交叉學科，目前的基礎(chǔ)理論還較薄弱，需要在散體滲流動力學、浸出過程中多因素強關(guān)聯(lián)機制等方面進一步開展研究。特別是目前該工藝可回收的大宗金屬品種太少，只能有效回收鈾、銅和金等很少金屬礦種，需大力研究更多金屬礦種的浸出工藝和回收技術(shù)。（四）地下采選一體化開采在礦石提升地面之前，在井下進行預(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和廢石在地面的排放。對于深部開采，將礦石預(yù)選后在井下破碎、研磨成礦漿，用管道水力輸送至地表選礦廠。與其他運輸方案相比，該工藝具有基建投資低、對地形條件適應(yīng)性強、不占用或少占用土地等一系列優(yōu)點，是一項有利于環(huán)境保護的技術(shù)。將選礦廠建在井下，開采的礦石在地下進行選礦，然后直接向地面輸送精礦。這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。選礦產(chǎn)生的廢石與尾礦留在井下用于采空區(qū)充填，實現(xiàn)就地利用，并減少排出地面后對生態(tài)環(huán)境造成的污染和破壞。此外，無需在地面建設(shè)選礦廠和尾礦庫，省去了征地建廠建庫和尾礦庫管理的費用，消除了尾礦庫引發(fā)各種自然災(zāi)害的根源。因此，這是充分發(fā)揮礦產(chǎn)資源綠色高效開發(fā)綜合效益的重要舉措。（五）智能化無人采礦智能化無人采礦是應(yīng)對不斷惡化的深部開采條件和環(huán)境條件、實現(xiàn)礦產(chǎn)資源開發(fā)安全高效最大化的必由之路。人工智能是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力量，加快人工智能和礦業(yè)開發(fā)工程科技的融合，實現(xiàn)礦產(chǎn)資源智能化無人開采，是21世紀礦業(yè)發(fā)展的重要方向和前瞻性目標，是實現(xiàn)我國金屬礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)的重要保障。目前，國內(nèi)外智能化無人礦山的建設(shè)仍處于初級階段。在此階段，無人采礦的核心技術(shù)仍然是傳統(tǒng)采礦工藝和生產(chǎn)組織管理的自動化與智能化控制。這種智能化控制主要是通過現(xiàn)場或遠程遙控來實現(xiàn)的。信息、通信和人工智能的進步，將推動無人采礦向以先進檢測及監(jiān)控系統(tǒng)、高速數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、云計算、智能采礦設(shè)備與工藝等集成化為主要技術(shù)特征的高級無人礦山發(fā)展。處于高級階段的無人采礦設(shè)備和控制系統(tǒng)應(yīng)具有智能目標識別與感知、自主記憶、自主判斷、自主決策、類似于智能大腦的功能，不需要通過外部遙控來實現(xiàn)。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。為了實現(xiàn)無人采礦從初級階段向高級階段過渡，對傳統(tǒng)的采礦模式、技術(shù)、工藝和管理手段進行根本性的變革是完全必要的，其中包括開發(fā)和創(chuàng)新一系列具有顛覆性的技術(shù)和方法。近年來，以杏山鐵礦、三道莊鉬礦為代表的幾個礦山，在加速智能化采礦技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用方面做了大量卓有成效的創(chuàng)新性工作，取得了巨大進展，極大地縮小了與國外的差距。但目前我國一批中小型金屬礦山設(shè)備還