21世紀的礦業(yè)科技發(fā)展

21世紀的礦業(yè)科技發(fā)展

1體現了現代社會經濟發(fā)展的大趨勢世界在工業(yè)經濟時代已有200多年的歷史。21世紀,世界將進入全球化的知識經濟時代。何謂知識經濟20世紀80年代以來,許多學者對信息技術革命所產生的巨大影響,進行了大量研究和預測,他們從不同的角度去思考和概括,先后提出了“后工業(yè)經濟”、“高技術經濟”、“信息經濟”、“數字經濟”、“網絡經濟”等新概念,直到1996年“經濟與發(fā)展組織”將這種新型經濟稱之為“以知識為基礎的經濟”,從此,知識經濟的概念被越來越多的人所接受。所謂知識經濟是建立在知識和信息的生產、傳播與應用基礎上的經濟。它的基本內涵是:以智力資源為依托、以高技術產業(yè)為支柱、以知識創(chuàng)新為動力、以創(chuàng)造教育為本源的一種新的經濟形態(tài)。21世紀,我們的礦業(yè)將處于什么地位呢?人類不可能脫離物質需要而生存,即使在知識經濟時代,礦業(yè)仍然是人類不可缺少的物質來源。根據有關資料,1997年,采礦工業(yè)為全世界提供了210億t原材料,總產值高達2萬億美元,占全世界總產值28.2萬億美元的7.1%。因此,采礦工業(yè)過去是、現在是、將來仍然是全球經濟持續(xù)發(fā)展的基礎。近十多年來,現代高新技術的發(fā)展,給世界礦業(yè)帶來了機遇,如礦山設備大型化、智能化,以及計算機技術和信息技術,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),生物溶浸技術等等在礦業(yè)領域的應用,已成為礦業(yè)科技發(fā)展的源泉和動力。21世紀的礦業(yè)目標——廣泛吸收各學科的高新技術,開拓先進的、非傳統(tǒng)的采礦技術,創(chuàng)造更高效率、更低成本、最少環(huán)境污染和較好安全條件的采礦模式,為人類提供巨大的物質財富,以滿足不斷增長的世界人口對生活質量的需求,促進社會經濟的持續(xù)發(fā)展。為了實現上述目標,金屬礦采礦科學技術的發(fā)展,應特別關注以下5個領域:高效率采礦;無廢害采礦;連續(xù)采礦;深部采礦;無人采礦。2地下礦山的利用環(huán)保及生物技術開發(fā)近20年來,地下采礦技術發(fā)展很快,采礦裝備在實現無軌化和液壓化的基礎上,正在向大型化、智能化方向發(fā)展。露天礦用汽車。目前,無論是液力機械傳動的、還是交流驅動的電動輪汽車,都已發(fā)展到了300t級以上。如T282型交流驅動電動輪汽車和797型液力機械傳動卡車,其有效載重已達到327t。單斗挖掘機。無論是機械的還是液壓的,斗容已超過40m3。已有多種型號,如495BéM、4100TS等型號的單斗挖掘機。電鏟的斗容不斷加大,超大型的已達83m3。穿孔牙輪鉆機。穿孔直徑還多用310~380mm,而鉆孔直徑559mm的鉆機,已投入生產。地下鏟運機。如載重5t的Toro501E型電動鏟運機,現已發(fā)展為載重25t的Toro2500E型電動鏟運機。井下汽車。瑞典已開始用120t的7軸大型卡車,取代45t和65t卡車。井下鉆機。也向大型化發(fā)展,配有水力潛孔沖擊式鑿巖機的SimbaW型自動遙控臺車,正取代原有臺車;鉆鑿大直徑深孔的QL4型潛孔鉆機,已經問世,其鑿巖效率提高25%~35%。隨著微電子技術的飛速發(fā)展,近幾年來,地下礦山已有遙控鏟運機和鑿巖機;無人駕駛汽車在試運行。國外還開發(fā)出了鑿巖機器人、裝載機器人和采煤機器人等礦山設備。礦山設備正逐步實現遙控化、智能化。由于礦山設備逐步大型化和智能化,地下礦山的3種高效率采礦法——大直徑深孔落礦空場采礦法,機械化充填采礦法及大量崩落采礦法將朝著:高階段(120~200m),大采場(礦段),一步驟回采,采準、切割合二為一的方向發(fā)展。它們在大規(guī)模開采和集中強化開采中將發(fā)揮重要作用。隨著大量落礦采礦技術的發(fā)展,落礦高效率與出礦低效率的矛盾越來越突出,為了提高出礦效率,裝載機—移動式破碎機—膠帶運輸機和連續(xù)裝載機—膠帶運輸機運礦配套的間斷-連續(xù)采礦系統(tǒng),將逐步得到應用和發(fā)展。隨著開采深度增大,深井開采的礦山越來越多,提高采礦強度,實現深井高效率采礦的問題,將引起人們更多的重視,以下6個方面的工程技術會有很大的發(fā)展。(1)為了有效地控制地壓,減少礦柱損失,提高礦石回收率,一步驟連續(xù)采礦會得到廣泛應用。(2)為了提高出礦效率和礦山自動化水平,間斷-連續(xù)采礦工藝系統(tǒng),將逐步得到很大發(fā)展。(3)為了減少深井的廢石提升量,把選廠(粗選廠)移至井下,是一個重要發(fā)展方向。(4)為了解決深井提升的困難,降低深井的提升成本,減少井巷工程,深井水力提升將是一個重要的發(fā)展方向。(5)針對深井高應力的特殊條件,非常規(guī)的、適應深井開采特殊條件的新的采礦方法,將是一個重要的研究課題。(6)為了將廢石充填到深井下部,有效地縮短井下工作線長度,并減小頂板壓力采用上行開采問題將引起人們更多關注。3清潔生產成為國家的重要戰(zhàn)略舉措,流程管理體系不斷完善,造成行業(yè)發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)可持續(xù)發(fā)展是劃時代的全新發(fā)展觀,是20世紀人類觀念的根本性變革之一。1987年聯合國環(huán)境與發(fā)展委員會將可持續(xù)發(fā)展觀念提了出來,以后又實施了清潔生產計劃(1989)和ISO14000環(huán)境管理系列標準(1996)。這兩項行動計劃,對礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展進程產生了積極的推進作用。1989年聯合國環(huán)境規(guī)劃署開始在全球推行清潔生產計劃,先后在我國、巴西、印度等9個國家,建立起國家清潔生產中心,成立了包括采礦工業(yè)、制漿造紙、食品工藝、金屬表面處理、紡織工業(yè)、教育與培訓等10個清潔生產工作小組,建立了國際清潔生產信息中心和數據庫。目前清潔生產已成為產業(yè)界可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。對礦業(yè)而言,ISO14000環(huán)境管理系列標準,仍是一個新的概念,澳大利環(huán)保局在制訂礦業(yè)最佳環(huán)境管理計劃,其中案例研究涉及空氣、噪聲與振動管理、生態(tài)組成、礦山計劃與管理、土地復墾與生態(tài)修復、尾砂產出最少化、廢物管理與處置、廢水管理等重要環(huán)境問題,共有200多個案例。無廢害采礦是21世紀礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要課題之一。所謂無廢害采礦,就是最大限度地減少廢料的產出、排放,提高資源綜合利用率,減輕或杜絕礦產資源開發(fā)的負面影響的工藝技術。實現無廢害采礦的主要途徑有如下4方面。(1)提高資源的完整性提高選冶技術水平,不斷提高資源的利用率,以減少污染,并延緩資源耗竭速度,維持礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。(2)實現廢物生產的最小化如采用合理的開拓系統(tǒng)和采切比小的采礦方法,從源頭上控制廢石產出率;采用上行開采順序、建設井下選廠,將廢石、尾砂回填采空區(qū)。(3)促進廢物的回收和化加強綜合回收,使不具開發(fā)價值的“個性物”變成礦產資源,提高廢料資源化的水平,包括制作建筑材料和礦區(qū)復墾、造地等。(4)溶浸采礦技術的應用如研究高壓水脹裂礦巖采礦法、鑲嵌金剛石刃具的鋼繩切割采礦法,開采弱黏結性礦物的深孔水力采礦法和原地破碎溶浸采礦法等。原地溶浸采礦是理想的無廢害采礦(清潔采礦)方法,它分為鉆孔溶浸法和原地爆破破碎溶浸法2類,前者是將浸出液通過鉆孔注入地下礦體中,有選擇性地浸出有價組分,再將溶液抽出送車間回收有價金屬。后者是將礦塊爆破破碎后,在上部中段噴灑溶浸液,下部中段收集富液。我國于1970年在鈾礦開采中開始試驗鉆孔溶浸法研究,1991年正式工業(yè)性應用。近年,也開始試驗原地爆破破碎溶浸法。原地溶浸采礦只適用于具有一定地質、水文條件的礦床,如果礦化不均,礦層各部位的滲透性不同、或部分有用成分難以浸出,都會影響開采的經濟指標。因此,目前常用的是地面堆浸法。溶浸采礦可處理的金屬有:銅、鈾、金、銀、錳、鉑、鉛、鋅、鎳,鉻、鈷、鐵、汞、銀、砷、銥等20多種,但主要是銅、鈾、金、銀。地面堆浸方法,已成為從低品位礦石提取金屬的有效方法,已發(fā)展到很大規(guī)模和很高的機械化程度,它不僅可以處理氧化礦、低品位銅礦(包括表外礦、廢石、浮選尾礦),而且可以處理硫化銅礦和銅精礦。采用溶浸技術,從礦石到電銅只有浸出—萃取—電積3個工序,它與傳統(tǒng)的火法煉銅工藝相比,其生產成本和投資費用均降低三分之一。1999年世界上采用溶浸技術生產的銅已達到220萬t,占世界礦銅產量的15%以上,其中智利達到120萬t,美國70萬t。世界最大浸出萃取電積工廠是智利埃爾阿夫拉,它的年產量達26.5萬t。我國于1997年在德興銅礦建成細菌堆浸廢石年產2000t的電積銅廠,紫金山金礦的地面堆浸規(guī)模也很大,在金礦系統(tǒng)乃至全國都有較大影響。但是,我國與外國相比差距仍然很大:生產規(guī)模相對的小,設備還很簡陋;對不同類型礦物、缺乏浸出技術和工業(yè)應用經驗;缺乏在高海拔和寒冷地區(qū)推廣浸出—萃取—電積技術的經驗;缺乏優(yōu)良萃取劑;自動控制技術水平低。回收低品位礦石,是21世紀礦業(yè)發(fā)展的重要方向,發(fā)展生物冶金技術和原地溶浸技術,對品位低、埋藏深、難采礦體的開采利用具有特別重要意義。4硬巖采礦機在采礦世界礦業(yè)界不少專家,從長遠目標出發(fā),極力推崇以連續(xù)切割設備來取代傳統(tǒng)采礦工藝的非爆破開采。一些外國公司投入巨資開發(fā)硬巖連續(xù)切割機,并有移動式采礦機,采掘鉀鹽礦的多轉輪采礦機,磨蝕性射流鑿巖的鉆進型采礦機等等問世。采用機械切割礦巖的優(yōu)越性在于:①切割空間不需施爆而明顯提高其穩(wěn)固性;②機械切割能準確地開采目標礦石,可使礦石貧化率降到最低;③連續(xù)切割的礦石塊度,適于帶式運輸機連續(xù)運輸,可實現切割、落礦、裝載、運輸工藝平行連續(xù)進行的連續(xù)采礦。但連續(xù)采礦機的可行性受到兩方面的挑戰(zhàn):①采礦機作業(yè)受金屬礦床形態(tài)多變及復雜地質條件的限制;②切割頭壽命及費用。因此,硬巖采礦機要投入工業(yè)應用尚需時日,但人們對其前景仍然看好,因為它為實現無人礦井邁出決定性的一步,同時從它可用于水利、鐵道、公路工程來說,也是一個重大突破。這是澳洲、西歐、北歐仍繼續(xù)投入巨資開發(fā)研究的重要原因。由于用硬巖切割機實現連續(xù)采礦尚需時日,因此,基于爆破落礦技術的連續(xù)采礦,在國內外也在進行試驗。具有代表性的技術思路是:以礦段為回采單元,礦段間不留間柱;采切、回采、充填三大工序,分別在相鄰三個礦段中平行進行,互相銜接,采礦工作連續(xù)推進。由于連續(xù)采礦是以回采礦段間不留間柱為主要特征,故又稱“無間柱連續(xù)采礦”。傳統(tǒng)的開采方法存在許多弊端,其要害就是留有大量間柱。實現無間柱連續(xù)采礦,是地下金屬礦開采技術的一個重大變革,其表現在:①回采工作面連續(xù)推進,有利于井下采礦作業(yè)的合理集中,實現高強度采礦;②可從根本上解決長期以來因留大量礦柱給礦山帶來多中段作業(yè)、資源大量損失的問題;③階段連續(xù)回采時,強采、強出、強充,圍巖暴露時間短,有利于采場地壓控制,對于圍巖穩(wěn)固性稍差,特別是地壓較大的深部礦床開采,將是一種有效的開采方式;④連續(xù)回采將推動地下金屬礦山作業(yè)機械化,工藝連續(xù)化,生產集中化和管理科學化的進程,促進礦山現代化。連續(xù)采礦代表著采礦工藝的變革方向,是采礦技術發(fā)展的必然,它的實現關鍵在于高效的連續(xù)裝載與連續(xù)運輸設備,及與其相適應的連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)。5深部開采的現狀談到深部開采,需要界定“深部”的含義。礦山是否進入深部開采,有專家提議以巖爆發(fā)生頻率明顯增加來界定,也有提議以巖石應力達到某一高度值來界定,更多的人認為:上述兩種方法有較大的模糊性,主張進入深部開采的界線約定為大于800~1000m。目前,我國大型金屬露天礦已所剩無幾,有的已開采到臨界深度,面臨關閉或轉入深部開采狀態(tài);在約占礦山總數90%的地下金屬礦山中,20世紀50年代建成的礦山3/5因儲量枯竭而接近尾聲或已閉坑,其余2/5的礦山正逐步向深部開采過渡。紅透山銅礦開采深度達900~1100m,冬瓜山銅礦開拓深度達1100m,弓長嶺鐵礦開拓深度達1000m,湘西金礦開采深度超過850m,夾皮溝金礦達1200m,此外壽王墳銅礦、凡口鉛鋅礦、金川鎳礦、乳山金礦、高峰錫礦等許多礦山,都將步入深部開采。據不完全統(tǒng)計,國外開采深度超千米的金屬礦山有80多座,其中最多的是南非。南非絕大多數金礦的開采水平大都在1000m以下,其中Anglogold有限公司的西部深水平金礦的采礦深度達3700m;WestDriefovten金礦,礦體一直延伸至6000m以下。印度的科拉爾金礦區(qū),已有三座金礦采深超2400m。另外,俄羅斯、加拿大、美國、澳大利亞的一批金屬礦山采深亦超過1000m。因此,深部開采已成為我國乃至世界礦業(yè)界特別關注的問題。深井開采存在高應力、高溫和高井深的特殊開采環(huán)境。在深井開采中由于高應力導致的巖爆、冒頂等災害;由于高井溫的惡劣工作環(huán)境,工人的生理條件難以承受;由于深井導致礦石提升、排水困難,以及人們心理承受力脆弱所導致的傷亡事故等。80年代以來,深部開采的事故頻頻發(fā)生,最嚴重的是南非。據南非的采礦工程師協(xié)會統(tǒng)計,從1984~1993年有金礦礦工3275人在地下采礦事故中喪生;1994~1998年,金礦有126130礦工嚴重受傷,有1634礦工死亡。導致金礦傷亡嚴重主要原因是:在2000m以下采礦,未能研究和采用與高應力環(huán)境相適應的、有利于控制巖爆與巖石冒落的采礦方法、工藝及采礦系統(tǒng)所造成的。許多國家對深井開采的技術問題,開展了大量研究。我國在“九五”期間,將《千米深井礦山300萬t級強化開采綜合技術研究》列為國家攻關課題,進行了“深井硬巖連續(xù)開采技術”“巖爆機理與預測、預報技術”“深井降溫技術”等專題研究;“十五”國家攻關課題中,深井開采技術研究再次立項;國家自然科學基金重大項目《深部高應力下資源開采與地下工程》(基礎研究)明年即將啟動。我國從巖爆發(fā)生機制到預測預報等方面、已做了大量前期性工作,一些控制巖爆的工藝技術和深井降溫技術的原則和方法,也應用到了冬瓜山銅礦的設計中。深井開采中,最早引起人們關注的是巖爆問題,最早出現深井巖爆現象的是在1900年的印度Kolar金礦,我國最早出現深井巖爆的是1933年在撫順勝利礦,到目前為止我國已有20多個礦井有過發(fā)生巖爆的記錄。幾年來,深井巖爆研究成為國內的熱門課題,發(fā)表了不少文章,世界各國對高應力下的巖爆問題的文章、網站,更是浩如煙海。但縱觀這些研究,不難發(fā)現:人們在幾十年的研究中,總是把“高應力、高井溫、高井深”這三個因素,只看作是不利的災害性因素,因此研究焦點主要集中在如何控制這類災害,如巖爆機理與預測、熱害抑制與緩解、提升系統(tǒng)優(yōu)化改進等。由于已有研究都只是單一地對三個不利因素進行研究,沒有同深井采礦方法與采礦系統(tǒng)的根本性變革結合起來,因此難以解決深井開采中的災害性問題和深井開采中的工程實際問題。事實上,在強調三因素產生災害的同時,主動聯想到采礦工藝技術的變革,就可以發(fā)現,三個災害性因素也有可以誘變?yōu)橛欣蛩氐囊幻?高應力的存在是否可能更有利于堅硬礦巖致裂破碎,有利于塊度控制呢?深井高溫對原地破碎溶浸采礦來說,是否有利于加速礦物與溶浸液間的相互作用,有利于提高溶浸效果呢?高井深客觀存在的高水頭,是否有利于井下動力源的更新和高水壓設備的開發(fā)與應用呢?高井深是否使人們更加堅定地走廢石不出坑的無廢開采與連續(xù)強化開采之路呢?高井深是否有利于推動礦井水力提升的發(fā)展呢?回答是肯定的。深井開采中客觀存在的災害性因素,迫使我們進行采礦技術的革新,而采礦技術的變革,又有可能將災害性因素誘變成有利因素。因此,在條件許可的情況下,深井開采最理想的發(fā)展模式是:探索高應力誘導破碎為基礎的、一步驟強化連續(xù)采礦和原地破碎溶浸采礦之路。這也許是最可行的變革途徑。但要實現深井采礦工藝與系統(tǒng)的根本性變革,必須深入研究5個基礎性的科學問題:①深井高應力礦巖的巖爆控制問題;②深井高應力礦巖的碎裂誘變問題;③深井開采中高溫環(huán)境控制問題;④深井采礦模式與采礦系統(tǒng)優(yōu)化問題;⑤深部低品位礦床無廢害開采問題。這5個基礎性的科學問題,已列入國家自然科學基金重大項目,預計在3~5a內會有一批重要成果。6礦山數字化與智能化21世紀的礦山,需要引入一種全新的采礦觀念,構建一種全新的數字化與智能化的礦山模式,或者說高度現代化的無人采礦模式。人類社會一代比一代更加數字化,數控采礦環(huán)境,最終實現礦業(yè)信息化,這已經成為從20世紀90年代開始的礦業(yè)最高追求。要實現礦山數字化,必須具備下列條件。(1)建立快速、準確、自動化的信息采集與處理系統(tǒng)。包括產品價格、設備運行、作業(yè)環(huán)境、材料消耗、生產統(tǒng)計、技術經濟指標、儲量變化及資金占有等等。(2)建立有效的生產經營管理信息系統(tǒng)(包括生產計劃、車間生產、統(tǒng)計調度、生產監(jiān)控、地測管理、物資管理、財務管理、人事勞資、文秘檔案等等),形成企業(yè)局域網絡,并入國際互聯網絡。有了局域網就能使礦山生產經營管理與決策產生質的飛躍;有了局域網的支持,技術人員就可在屏幕上直接進行方案設計,各級管理人員,就可在屏幕前運籌帷幄、傳遞信息,實現“無紙辦公”。這將大大提高企業(yè)的生產經營管理效能。(3)建立一個具有足夠容量,能傳遞聲頻、數據和視頻信息的雙向信息和通訊網絡。使企業(yè)置于國際大環(huán)境中。這樣的企業(yè)將由封閉式管理向開放式管理過渡,成為與國內、外信息市場接軌的現代化礦山。國際鎳公司已開發(fā)一種能支持機器人的、集過程設計和監(jiān)控于一體的信息系統(tǒng),其主要軟件提供數據庫、繪圖、三維模型、設備控制和礦山網絡管理。這些軟件能與測量、遙測、礦山評估、爆破設計等軟件和工具通訊,能與經營信息系統(tǒng)(如財務核算系統(tǒng)和庫存管理系統(tǒng))進行通訊。礦山數字化是礦山智能化的基礎。礦山智能化主要指的是智能采礦,即采礦決策過程高度可靠、準確。要實現礦山智能化,要有3個條件:①采礦設備智能化,各種遙控的機器人;②能動態(tài)地獲取采礦工藝技術的關鍵數據與資料,包括地質條件、品位、巖層狀況、人員與設備的位置、采