地下金属矿山开采技术发展趋势.pdf

第3 2 卷第2 期 2 0 0 8 年4 月 中国钼业 C H I N AM O L Y B D E N U MI N D U S T R Y V 0 1 ．3 2N o ．2 A p r i l 2 0 0 8 地下金属矿山开采技术发展趋势 冯兴隆1 ’2 ，贾明涛1 ”，王李管1 ’2 ，宋明军1 一，尚晓明1 ’2 1 ．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 2 ．长沙迪迈信息科技有限公司，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要近十多年来，现代高新技术的发展，给世界矿业带来了机遇，已成为矿业科技发展的源泉和动力。针对国 内外地下金属矿山开采技术的发展，着重论述了深部开采，高效率采矿，连续化、无废化采矿，智能化、数字化矿山4 个领域的发展趋势。 关键词地下金属矿山；数字化矿山；发展趋势；深部开采 中图分类号T D8 5 3文献标识码A文章编号1 0 0 6 2 6 0 2 2 0 0 8 0 2 - 0 0 0 9 一0 5 T H ED E V E L O P M E N TT E N D E N C YO FM I N I N GS C I E N C EA N D T E C H N o L o G Yo FU N D E R G R o U N DM E T A LM I N E F E N GX i n g l o n 9 1 ”，J I AM i n g t a 0 1 一，W A N GL i g u a n l ”，S O N GM i n g j u n l ”，S H A N G ．X i a o m i n 9 1 2 1 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a 2 ．D i g i t a lM i n eC o ，L t d ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t F o rt h el a s to v e rd e c a d e ，t h ed e v e l o p m e n to fm o d e ma d v a n c e dt e c h n o l o g yh a so f f e r e do p p o r t u n i t i e sf o r w o d dm i n i n gi n d u s t r ya n db e c o m e8 0 u r e ea n dp o w e ro fm i n i n gs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ．A c c o r d i n gt o u n d e r g r o u n dm e t a lm i n i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e re m p h a t i c a l l yd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fd e e pm i n e ，h i g he f f i c i e n c ym i n i n g ，c o n t i n u o u sa n dn ow a s t em i n i n ga n di n t e l l i g e n ta n dd i g i t - a lm i n i n g ． K e yw o r d s u n d e r g r o u n dm e t a lm i n e ；d i g i t a lm i n e ；d e v e l o p m e n tt e n d e n c y ；d e e pm i n e 人类不可能脱离物质需要而生存，矿业是人类 不可或缺的物质来源。根据有关资料，1 9 9 7 年采矿 工业为全世界提供了2 1 0 亿t 原材料，总资产高达2 万亿美元，占全世界资产总产值2 8 ．2 万亿美元的 7 ．1 ％。因此，采矿工业过去是、现在是、将来仍然是 全球经济持续发展的基础⋯。 随着长期不断的开发和利用，全球金属资源的 保有量逐渐减少，浅部、高品质的矿床经过长时期的 开发，逐渐开始枯竭。为满足对金属资源日益增长 的需求和应对竞争十分激烈的矿产品市场，世界矿 业发达国家日渐认识到，必须广泛吸收各学科的高 新技术，开拓先进的、非传统的采矿技术，开发其他 的、以往未被利用和充分利用的资源，创造更高效 率、更低成本、最少环境污染和较好安全条件的采矿 模式，提高产量和生产效率、降低生产成本，改善矿 山安全和生产条件嵋J 。 收稿日期2 0 0 8 一0 1 一0 8 基金项目国家自然科学基金重大项目 5 0 4 9 0 2 7 0 作者简介冯兴隆 1 9 8 0 一 ，男，博士研究生。 近十多年来，现代高新技术的发展，给世界矿业 带来了机遇，如矿山设备大型化、智能化，以及计算 机技术和信息技术，全球卫星定位系统，生物溶浸技 术等在矿业领域的应用，已成为矿业科技发展的源 泉和动力。 围绕上述内容，国内外地下金属矿山开采技术 应特别关注以下4 个领域，深部开采，高效率采矿， 连续化、无废化采矿，智能化、数字化矿山。 1 深部开采 随着浅部易采资源的开发利用，地下金属资源 的开发逐步向纵深方向发展。与浅埋矿床相比，由 于深部矿岩的地质构造、赋存条件以及地应力等均 与浅部矿岩有所不同，其开采技术条件更加复杂，面 临着更广泛、更复杂的技术难题，如地压、高温、提 升、回采、充填、排水、通风、支护、环境保护等【2 J 。 对于“深部”的界定存在着不同的看法，更为广 泛的认识是，以深度为依据，大于8 0 0 10 0 0m 的 为深部开采[ 1 ’3 | 。据不完全统计，国外采深超千米 万方数据 中国钼业 2 0 0 8 年4 月 的金属矿山有8 0 多座’4 - S ] 。据上世纪8 0 年代前 期的资料，在国外开采深度超过10 0 0m 的非煤矿 山中，加拿大3 0 座，南非1 5 座，美国1 1 座，印度4 座，澳大利亚4 座，俄罗斯、波兰、西班牙、赞比亚等 国各2 座，乌克兰、挪威、1 3 本、英国、匈牙利、墨西 哥、津巴布韦等国各1 座L 3J ，主要集中在南非、加拿 大、美国、印度等国一J 。南非绝大多数金矿的开采 深度在10 0 0m 以上，其中西部深水平金矿，采矿深 度达37 0 0m 、开拓深度达45 0 0m 。预计到2 0 1 0 年，南非6 0 ％的黄金产量将来自20 0 0m 深度以 下【lo | 。印度的科拉尔金矿区，已有3 座金矿采深超 24 0 0I n ，钱皮恩里夫金矿共开拓1 1 2 个阶段，总深 32 6 0m 。俄罗斯的克里沃罗格铁矿区，已有捷尔任 斯基、基洛夫、共产国际等8 座矿山采准深度达9 1 0 m ，开拓深度已到15 7 0n a ，预计将来可达到20 0 0 ～ 25 0 0m 。 随着国民经济的高速发展，国家对金属产品的 需求量不断增加。我国的浅表有色金属矿床即将消 耗殆尽，据统计，在未来1 0 1 5 年时间内，我国将有 三分之一的有色金属矿山开采深度达到或超过 l0 0 0m 【1 1 | 。目前国内红透山铜矿开拓深度达1 3 4 0m ，弓长岭铁矿开拓深度距离地表约10 0 0m ，云 南会泽铅锌矿深部矿体开拓至15 7 1m ，云南大红山 铁矿、广东凡口铅锌矿等矿山开拓深度接近l0 0 0 m ，冬瓜山铜矿开拓深度达l1 0 0m ，湘西金矿开采 深度超过8 5 0I l l ，夹皮沟金矿开采深度达12 0 0m ， 此外寿王坟铜矿、凡口铅锌矿、金川镍矿、乳山金矿、 高峰锡矿等许多矿山，都将步人深部开采。 2 高效率采矿 近2 0 年来，地下采矿技术发展很快，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。 2 ．1 采矿装备的机械化、自动化、智能化 采矿工业是全球经济发展的支柱，机械化和自 动化是提高矿山产量、降低生产成本、改善矿山安全 和生产条件切实可行的手段2 | 。图1 为美国一座 地下矿山的年产量变化曲线旧J 。由该图可以看出， 每一次生产工具的革新，矿山产量将翻一番，自机械 化开采手段之后，生产工具的更新周期大大缩短。 长期以来，瑞典的采矿和设备制造业一直因积 极革新和产品优质可靠而享有盛誉，世界知名的矿 业设备提供商大都与瑞典有关，如A B B 公司、阿特 拉斯科普克公司。从上世纪8 0 年代初开始，该国 开展了一项国家综合研究计划采矿技术2 0 0 0 G R U V T E K N I K 一2 0 0 0 ，其目的是开发能够使瑞典 地下矿山生产成本明显降低的采矿方法和装备，包 括自动化铲运机、自动化和半自动化的凿岩、装药和 爆破系统等‘妇“3 。 下 j { 卜 ● ■ 芝 咖 { L 远程遥控和 ，一 ’ 自动化开采 ， - ． 短距离遥控 一 设备开采I ， 机工械化开采矿 下 ． m 办．。， 步 手工开毛弦”⋯’， 计 划 P7 ．W y ．．．．．．．． 图1美国某地下矿山产量随开采工具的变化曲线 由矿山、研究机构和设备制造商组成的“芬兰 矿山自动化研究组”，于1 9 9 2 年9 月开始执行一项 名为“智能矿山”的五年技术发展计划。该项计划 的目的是，在较短时期内向硬岩开采最主要的领域 引入自动化，以提高生产效率、降低开采成本，同时 改善作业安全和劳动环境，最终形成的“智能矿山” 是，采用实时控制的自动化生产过程和自动或远动 操作的机械设备的自动化高科技型矿山，可以根据 内部和外部条件实现最经济、高效、安全的生产5 。。 加拿大许多现代矿山的绝大部分日常生产都是 依靠遥控铲运机。如国际镍公司 I N C O 斯托比 S t o b i e 矿的破碎与提升系统已全部实现自动化作 业，2 台W i g n e rS T S B 铲运机、3 台T a m r o c kD a t a s o l o 1 0 0 0s i x t y 生产钻车、1 台W i g n e r 4 0t 已实现井下无 人驾驶全自动作业，工人在地表即可遥控操纵这些 设备2 ‘1 6 - t 7 ] 。此外该国已制订出一项拟在2 0 5 0 年 实现的远景规划，即将加拿大北部边远地区的一个 矿山变为无人矿井，从萨得伯里通过卫星操纵矿山 的所有设备1 9J 。 2 ．2 生产规模大型化、集中化 在过去的3 0 年里，生产工具的机械化极大地促 进了采矿方法的改变，在今后的1 0 年里，自动化和 信息化技术的发展和应用将会在更大程度上改变采 矿方法㈣。 随着设备机械化、自动化程度的提高，越来越多 的国内外矿山开始采用大规模、集中化的采矿方法 进行地下矿产资源的开发，借此提高生产效率、降低 生产成本。 万方数据 第3 2 卷第2 期冯兴隆等地下金属矿山开采技术发展趋势 目前，国内外应用广泛的地下大规模采矿方法 主要有矿块崩落法、盘区崩落法、深孔分段崩矿法、 垂直漏斗后退式采矿法 V C R 法 等。这些方法在 国内外矿山的应用情况见表1 [ 2 G 。 表1国内外采用大规模采矿法的矿山 大规模地下采矿系统具有以下技术特点，采切 比低、采准与回采的间隔时间短 及时投产 、机械 化水平高、灵敏度自动化程度高、设备完好率与利用 率高、作业条件安全、矿石回收率高、环境状况良好、 井下作业集中。如基律纳铁矿，其年产量为23 0 0 万 t ，雇员17 5 0 人，井下仅5 0 0 人，全员劳动生产率达 1 31 4 3t ／人年。在10 4 5m 水平作业时，只需8 个 矿块，达到了极高的集中化生产水平。 理论和实践经验表明，大规模采矿方法虽有利 于生产的组织、管理，确保了井下人员、设备的安全 性，但却加强了对采切工程与回采过程的要求，加重 了对少数更先进设备的依赖，提高了对设计、计划、 决策与组织管理手段和技术的要求。这是因为，随 着开采规模加大、矿块作业集中，矿井生产过程易受 “意外事件”冲击的程度加剧。如若对地质条件或 设计方案实施过程可能面临问题的判断失误，其后 果是严重的，代价将会很大。 3 连续化、无废化采矿 地下矿山开采规模的扩大和开采深度的增加， 会带来一系列的技术难题，连续和无废开采技术是 解决这些难题的有效途径之一。连续开采已成为当 今世界各国研究的热点和焦点，对于2 1 世纪矿山向 开采深部化、规模大型化、设备机械化、操作自动化、 生产连续化、管理现代化方向发展具有重大意义。 3 ．1 连续开采 吴爱祥等人陋埸3 对地下金属矿山连续开采的 概念和层次进行了全面的论述和分析，认为连续开 采主要包括4 个层次，矿房的连续回采I 层次； 矿体 矿床 的连续回采I I 层次；矿石的连续运 送I I I 层次；全工艺过程的连续化Ⅳ层次。 基于爆破落矿技术的连续采矿，是目前国内外 地下金属矿山连续开采研究的主要内容。现阶段的 研究目标主要集中在矿体、阶段或矿块的回采过程 中，落矿、出矿、运矿三大工序相互协调，在不同的空 间平行作业，组成高效率的连续开采工艺系统。 3 ．2 无废化开采Ⅲ瑙1 无废化采矿是2 1 世纪矿业可持续发展的重要 课题之一。所谓无废化采矿，就是最大限度地减少 废料的产出、排放，提高资源综合利用率，减轻或杜 绝矿产资源开发的负面影响的工艺技术。目前，国 内外关于无生态危害的无 低 废采矿系统的研究， 主要集中在2 个方面。 1 实现废料产出最小化，尽可能少地采出废 石或直接在原地回收有用成分。如采用合理的开拓 系统和采切比小的采矿方法，从源头上控制废石产 出率；采用上行开采顺序、建设井下选厂，将废石、尾 砂回填采空区；采用地下溶浸、溶化、熔炼、地下气化 等物理、化学工艺开采方法。 2 采矿废料的综合利用，使不具开发价值的 “个性物”变成矿产资源，提高废料资源化的水平。 如用作生产建筑材料，筑路、充填采空区、土地复垦 万方数据 1 2 中国钼业 2 0 0 8 年4 月 和贫瘠土地改良，回收有用成分，生产矿物化肥，用 作其他工业的原料或添加剂等。 4 智能化、数字化矿山 美国兰德公司在2 0 0 0 年3 7 月，对未来2 0 年 内美国矿业技术的关键问题和发展趋势进行了深入 的探讨，得出的结论为，在由凿岩和爆破、地压控制、 装载和运输、矿物加工等一系列不连续工艺步骤组 成的采矿工业中，上述单项工艺技术在未来的2 0 年 内不可能发生很大的变化，可能发生变化的是如何 管理和组织这些工艺过程嘶】。兰德报告总结到，I r I 技术的出现极大地促进了当代生产力的发展。在过 去的时间里，由于采矿领域独特的条件和恶劣的环 境 如人员和设备在三维空间内运动；随着生产过 程的进行生产环境不断发生变化；恶劣的生产环境 限制了高敏感性设备的应用等 ，I ，I 技术在采矿业 的应用较石油或化工业相对较慢。但随着矿山开采 深度的增加，开采条件的恶化，以及高效机械化采矿 设备价格的不断提高，迅猛发展的信息技术及日益 降低的价格，为提高采矿工艺管理和组织技术水平 提供了一种非常有效的手段，为矿业的二次繁荣提 供了一个良好的发展机遇。兰德报告认为，对未来 采矿工业至关重要的核心1 1 r 技术包括以下内 容‘笛一矧。 4 ．1 传感器技术 如变形或应力传感器、有毒气体传感器、设备运 行状态参数传感器、风速传感器、温度传感器、微震 传感器m 。柏] 、水位传感器、探地雷达H 1 - 4 2 1 等等，借 助这些传感器，可为实时生产过程监控和优化，提供 大量的原始数据。 4 ．2 定位技术 在露天矿的卡调系统中，G P S 定位技术已经得 到广泛应用，而地下矿山由于井下作业环境恶劣、空 间狭长、电磁屏蔽性强，G P S 定位技术将不再适用。 目前除个别研发机构和公司正在研制基于陀螺 仪L 4 4 1 的精确定位的技术外，成熟的技术基本属于区 域性的定位。采用的技术多为R n D 射频识别 技术，但基于W I F I 的跟踪定位也成为一种技术发 展趋势。 4 ．3 坚固耐用的井下电子设备 由于地下矿山恶劣的环境条件，关键的问题之 一是研制开发能够适应这些条件的、具有高防护等 级的计算机或电子装置。 4 ．4 通讯技术 地下矿山的通讯技术正处于快速发展阶段，几 个典型的发展趋势是，通讯系统从特定部门应用向 全矿范围应用转变，从单一的语音功能向语音、视 频、数据同网传输的综合通讯的转变，从固定点有线 通讯向有线／无线综合通讯的转变。 目前，国内外矿山采用的较为先进的通讯系统 主要有3 种，①井下小灵通；②泄露电缆通讯；③基 于I E E E 8 0 2 ．1 1 B b ／g 无线网络协议的有线／无线综 合通讯。从功能上看，小灵通主要适应于无线语音 通讯，后两者则具有语音、视频、数据同网传输的能 力，属于有线和无线综合集成通讯系统。 经过几十年的发展，借助于C A B L EM O D E M 技 术，目前泄露通讯已经实现了从模拟信号向数字信 号的转变。在泄露通讯系统技术方面尤以澳大利 亚、加拿大等国最为领先，推出的产品也最多。但泄 露技术也存在不足，①带宽和通道数有限，如F l e x - c o r n 系统带宽为2 0 1 7 4M H z ，最多提供语音和数 据传输通道3 2 个，视频通道1 6 个；②视频通道为独 占的，实际能够用于视频监视的通道数量只有1 4 个；③数据传输速率较低，最高为5 6K b ／s 。 随着I E E E 8 0 2 ．11 系列无线通讯协议的出现和 完善，基于无线网络技术的井下综合通讯系统则完 全不受带宽、通道数、传输速率的限制。 4 ．5 计算机软件技术 如何根据反映自然条件和开采过程的各种数 据，进行科学决策和生产过程优化和控制，是计算机 软件要完成的任务。矿业软件的发展经历了一个相 当长的历程，国内外矿业公司和研究单位对实现各 种不同目标的算法进行了大量的研究，并开发了一 系列各具功能的计算机软件系统，三维可视化是其 主要的发展方向之一。 具不完全统计，目前国际上矿业软件从功能上 主要分为环境评价和管理、地质钻孔管理和制图、地 理信息系统 G I S 、爆破设计和块度分析、三维地质 建模、经济评估和金融分析、生产调度、设备运行状 态模拟、岩石力学、设备维修管理、设计和计划、矿山 测量、通风模拟、以及其他一些针对某一系统的专用 软件 如用于跟踪定位的软件系统 等，图2 为国际 上比较有名的矿业软件按类别分布图。 上述核心I T 技术的综合运用，促进了全矿范围 的信息共享能力，使以往相对独立的各项矿山工作 有机的联为一个整体，使作业地点、生产工具和劳动 力等均为动态的采矿业如制造业或精炼厂这类相对 静态的工业一样，实现了生产过程监控和实时调度， 万方数据 第3 2 卷第2 期 冯兴隆等地下金属矿山开采技术发展趋势 1 3 使采矿从“工艺技术”问题，向基于海量数据的“科 学”问题转变。 图2 国际上成熟的商业矿业软件的分布 5结语 2 l 世纪的采矿工业应广泛吸收各学科的高新 技术，开拓先进的、非传统的采矿技术，创造更高效 率、更低成本、最少环境污染和较好安全条件的采矿 模式，为人类提供巨大的物质财富，以满足不断增长 的世界人口对生活质量的需求，促进社会经济的持 续发展。 参考文献 [ 1 ] 古德生．地下金属矿采矿科学技术的发展趋势[ J ] ． 黄金，2 0 0 4 ，2 5 1 1 8 2 2 ． [ 2 ]贾明涛．基于过程模拟的回采方案优化技术及其在深 井开采中的应用[ D ] ．中南大学，2 0 0 7 ． [ 3 ] 刘同有．国际采矿技术发展的趋势[ J ] ．中国矿山工 程，2 0 0 5 ，3 4 1 3 5 - 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