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21世纪高新技术与我国矿业的发展与展望 谢和平 中国矿业大学 徐州221008 摘 要 在分析21世纪前半叶我国矿业发展对科学技术需求的基础上,从地球矿产资源新领域开 发、宇宙矿产资源开发前景、矿产开发利用技术变革三个方面,论述了今后四五十年间高科技发展对矿 业科学与技术的影响,指出科学技术日新月异的进步,不仅给我国矿业科学大发展创造了前所未有的机 遇,而且可能使矿业技术出现意想不到的变革。 关键词 21世纪 高科技 中国 矿业 发展 PROMOTING INFLUENCES OF HIGH2TECH PROGRESS ON DEVELOPMENT OF MINING INDUSTRY IN THE 21st CENTURY Xie Heping China Mining Technology University 221008 Abstract In respects of new mineral resources development , development of space mineral resources and technical improvement in mineral resources exploitation , the influences of high2tech progress in the futural 40250 years on mining technology are described.It is no doubt that the day2by2day progressesof science 我国“八 五”期间新建的65对煤矿深井中,井筒深度700 ～800m的有28对, 800～1000m的有13对,超过 1000m的有12对。 开采深度的增大,给矿产资源固态化开采带来 某些具有共性的技术难题 1矿压显现加剧,巷道和采场维护困难。在 深部高应力、巷道断面随深度增大以及复杂构造应 力场条件下,围岩位移加剧,巷道变形破坏严重。 如在开滦矿业集团,井深1000m时的巷道失修率 约是500～600m时的3～15倍。原地应力和采动 应力的存在,是不以人们主观意志为转移的客观事 实。要解决深部开采条件下的矿压问题,可行的途 径就是探讨深部巷道及采场稳定性准则,建立深部 矿压控制理论,研究深部支护与围岩相互耦合关 系,开展深部采动条件下围岩位移预测预报研究, 并进而研发包括支护新方式、支护新材料、支护新 设备、支护新工艺在内的深部矿压控制新技术。其 中,数学、岩石力学等现代科学理论以及计算机、 材料、数值模拟、高压物理模拟等高科技手段将会 发挥重要作用。 2煤岩层破坏过程强化,冲击地压危险性急 剧增大。开采深度增加,矿体或岩体受力加剧,发 生冲击地压的煤层数和矿井数急剧增加,这种状况 在开滦、沈阳、北票、抚顺、徐州、枣庄、新汶、 兖州等地的煤矿中尤为突出。在冲击地压研究与防 治方面,采矿界已有大量卓有成效的前期工作。例 如我国除了常规预测预报和防治方法外,率先研 制出电磁辐射非接触式的连续实时监测新方法,最 近在徐州、石炭井等地的煤矿中得到初步应用;南 非研制出用井下高压水为介质的快速让压液压支 柱,成为南非采金业支护技术的一大成就,我国湘 西金矿最近也引进此类新技术在深部开采中试验应 用。冲击地压的发生,受矿体或岩体的冲击倾向、 地应力或构造应力状况、采动条件下应力集中状 况、开采工艺等因素的综合控制,在深部开采条件 下,这种综合控制关系更趋复杂。因此,要保证深 部开采的顺利进行,必须结合现代物理学、计算机 制造业、专用科学仪器制造业、电子与通讯设备制 造业等的先进成果,进一步研究深部冲击地压发生 的条件、特点和规律,建立符合深部开采实际的预 测预报理论以及防治措施。 3瓦斯压力和瓦斯含量增高,煤与瓦斯突出 倾向性加剧。煤炭开采业是我国矿业的重要组成部 分,瓦斯事故占煤矿安全事故的80 以上。随着 开采向深部延拓,地层静压力增大导致煤层渗透性 进一步降低,瓦斯压力增大致使瓦斯含量增高,使 得煤与瓦斯突出的危险急剧增大。为此,我国“九 五”期间已花费近千万元,依托瓦斯流动理论以及 计算机网络技术、高速摄影技术、实时监控技术建 立起具有世界先进水平的专业试验与模拟系统。最 近,我国某些资深学者提出了全封闭超浓度无人采 煤工作面的设想。要想将这一设想变成现实,还有 赖于远距离遥控与监测、井下智能化机器人、现代 通讯、机电一体化、现代集成制造、智能化综采机 械制造等高新技术的发展。 4矿井热害严重,生产环境恶化。按正常地 热增温率215～3℃/ hm及恒温带温度15℃推算, 采深1000m处的岩石温度在35℃ 以上。例如在 淮南潘集矿区,采深500m左右岩石温度为30～ 61中国矿业2002年第11卷第1期 35℃,工作面气温26～31℃;在南非挪斯姆金矿, 采深1600m处的岩石温度就达到54℃。严重的热 害问题,给矿井开采带来两方面的危害第一,严 重地影响到人体健康,如诱发热痉挛、中暑甚至高 温死亡;第二,降低劳动生产率,据国外统计,气 温升至32℃时生产率降低5 左右,升至34℃将 会降低50 。矿井降温目前常用两类方法一是 普通降温,如矿井通风降温、冰块降温、天然冰水 降温等;二是人工制冷降温,所用的制冷剂有液 氮、溴化锂、氟里昂、CFCs等。普通降温受开采 工艺、自然条件等的限制,人工制冷降温不仅成本 高昂,而且氟里昂等制冷剂如果释放于井下将会形 成新的环境污染,氟里昂、CFCs等制冷剂如果释 放于大气中会对臭氧层造成强烈破坏。最近,有的 研究人员提出了采用隔热材料作为支架壁后填充材 料或背板的新设想。因此,采用高科技成果,研发 经济高效且环境友好的矿井降温新技术与新材料, 是保障深部采矿顺利开展的重要工作。 212 海洋矿产资源的勘查与开发 21世纪是海洋的世纪,而我国是一个海洋大 国,海洋矿产资源丰富。公海及我国海域已开发利 用的矿产资源有石油、天然气、盐类、钛铁矿、锆 石、金红石、磁铁矿、铬铁矿、磷钇矿、砂金、石 英砂等,尚待开发利用的矿产资源包括铜、钴、 镍、锰等“战略金属”,具有潜在开发价值的矿产 资源有天然气水合物、金属硫化物、海水中所含的 金属等。随着陆地矿产资源的逐渐耗竭或开发难度 加大,人类必然把目光更多地转向海洋这一巨大的 矿产资源宝库。然而,海洋矿产资源开发具有高投 资、高风险、高技术的特点,与世界先进国家相 比,我国在此方面技术落后,生产效率低。构建高 科技平台,有针对性地开发海洋探测和资源开发的 高新技术,则是我国抢占时机、开发海洋矿产资源 的必由之路。为此,在21世纪,海洋开采将成为 我们紧迫的任务。国家科技部已在“863”计划中 列出主题,将在“十五”期间对海洋矿产资源开发 的关键高技术开展研究。 1海洋油气资源勘探开发及安全保障关键技 术。包括滩浅海及深水高精度地球物理勘探技术、 近海工程地质环境探测技术、新型海上平台技术、 可控三维轨迹钻井技术、深水钻井及钻井中途油气 层测试技术、海上时移地震油藏监测技术、深部调 驱提高采收率技术、海底管道检测与维修技术、海 洋平台结构实时检测与震动技术等。通过这些高新 技术的研发,有可能实现3000m以浅海域油气勘 探开发技术的突破,形成我国深水矿产资源勘探开 发的技术创新体系,实现海洋油气资源的高效开 发,建成千万吨级海上大油田,为保障我国能源安 全提供关键性技术支撑。 2大洋矿产资源探测关键技术。在此方面, 要开发的关键高新技术包括深海彩色数字摄像技 术、多钻头结壳潜钻技术、洋底成矿环境及异常条 件传感器技术、定点长期观测技术、走航式连续探 测技术、电视抓斗技术、热液保真采样技术等。这 些目标一旦实现,将为我国提供大洋海底富钴结壳 及其它矿种探测与采样、大洋固体矿产资源成矿环 境原位实时的可视化探测、海底异常条件下探测等 高技术装备,并为我国将来的大洋矿产资源开发提 供高技术储备。 3海底立体探测和成像关键技术。研制高精 度扫描和大动态范围信号技术、高精度定位和运动 姿态改正技术、资料实时处理和后处理技术,开发 出具有高精度、高效率的机载激光测深系统,实现 浅海及船只无法航行岛屿区的海底地形高精度探 测。研制高分辨率测深侧扫声纳系统、超宽频海底 剖面仪、海底底质分类多参数识别技术、数字海底 技术,形成具有我国自主知识产权的近海底微地貌 精密探测和声学成像高新技术装备。在此基础上, 建立数字海底示范区,为我国的海洋国土资源与环 境调查、海洋矿产资源开发提供高技术支撑。 213 潜在非常规新型能源矿产资源高效开发 矿物能源是国际竞争的重要战略资源。现有资 料表明,全球石油和常规天然气的后备资源至多还 能维持40～50年,而天然气水合物和煤层气近20 年来倍受国际上关注,被视为资源量巨大的21世 纪的新型替代矿物能源。然而,天然气水合物赋存 在深海和高纬度或高海拔永冻土地区,煤层气主要 以吸附态存在于煤层中,导致它们的开发难度远远 大于常规的矿物能源,如果没有海洋技术、超常规 条件下探测与开发技术等高科技成果的支撑,其高 效开发根本无法实现。国内外目前正致力于这两种 潜在非常规新型能源矿产探查开发基础与技术的研 究,美国预期在2015年实现天然气水合物的开发, 煤层气商业性开发除了美国、加拿大等极少数国家 外,在世界上多数国家尚未实现。 1天然气水合物资源的勘探开发需要高科技 支撑。天然气水合物是一种高能量密度的能源矿 产, 1m3的水合物大约可释放出150m3天然气体, 全球天然气水合物的含碳量是全球常规固体燃料 煤、石油、天然气总含碳量的两倍。目前全球 7121世纪高新技术与我国矿业的发展与展望 已发现天然气水合物地质显示60余处,仅在美国 东海岸大陆边缘布莱克海台的资源量就能满足美国 105年的天然气消耗,日本周缘天然气水合物可满 足该国100年的能源消耗。据资料分析,我国东 海、台湾以东海区、南海等海域以及青藏高原冻土 地带,都具备天然气水合物形成赋存的条件,目前 已在南海的西沙海槽区、东沙群岛区发现了有关的 证据。我国已先后在苦干国家重大科技计划中立 项,对天然气水合物探测技术开展研究,包括海洋 水合物地震识别技术、地球化学探测技术、资源潜 力评估技术、保压保温取样技术以及青藏高原水合 物形成条件,目的是为我国天然气水合物资源探测 提供高新技术支撑,并为将来的开发奠定高科技基 础。 2高新技术发展是成功开发我国煤层气资源 的基础。我国埋深2000m以浅的煤层气资源总量 达30～35万亿m3,与常规天然气资源量基本相 当,但除了部分矿区由于煤矿安全生产原因而抽放 的少量瓦斯作为民用之外,目前尚未得到大规模的 地面商业性开采。相比之下,美国2000年仅煤层 气产量就达350亿m3,约为我国同期天然气产量 的113倍。我国煤层气尚未得到商业性开采的原 因,除了起步较晚之外,与我国煤储层含气非均一 性高和渗透性、储层压力、含气饱和度偏低的“三 低一高”的总体特征以及相应的开发技术较为落后 有关。为此,我国在近期一方面对有关的关键科学 问题开展基础研究,同时依托示范工程,应用现代 高新技术对制约规模性开发的关键技术进行研究, 如煤层气富集高产特性的高分辨地球物理探测技 术、平衡 欠平衡钻井技术、定向及丛式钻井技 术、完井模拟与储层模拟技术、附加化学场提高采 收率技术、多井或联井干扰技术等。在此高技术的 平台上,有望推进我国煤层气的高效开发,促进我 国优质一次能源产量实现跨越式增长。 3 高新技术发展将迎接“空间开采时代”的到来 地球人口目前已达60亿左右,地球上的不可 再生矿产资源迟早会枯竭,人类自古以来就渴望探 索地外的未知世界。星际航行的先驱者康斯坦丁齐 奥尔科夫斯基多年前就曾预言人类的命运将置于 星球之中。因此,走出地球是人类发展的必然。美 国宇航员阿姆斯特朗1969年7月20日代表人类首 次登上地外天体 月球,并宣布“我已踏上月球, 迈出了第一步,这一步对我个人来讲仅仅是一小 步,但对人类而言则是一大步” 。自此以来,人类 的航天活动不断取得新的突破,不仅登上了月球, 而且实现了宇宙飞船对木星、金星、火星等的探 测,甚至计划2015年在月球上建立第一个月球基 地,并可能将首批探险队员送上火星。同时,地外 矿产资源探测也不断取得重大发现。宇航高科技、 尤其是开发工具如机器人、高频宽带星际通讯 系统、空间探索微机电系统、核动力源、电子仪器 防辐射、稳定天线和反射镜这未来太空探索六大关 键技术的发展,使开发宇宙矿产资源空间开采 不再仅是人类的梦想,而是具有了可行的现实基 础。某些科学家甚至预言,将月球变成人类的原料 基地、加工基地和能源基地,也许在22世纪到来 之前就会实现。换言之,空间开采的时代在本世纪 就有可能到来。 311 地外星球上人类生存所需的基本矿产 水和氧是人类生命保障体系的基本条件,这类 矿产资源在地外星球上十分丰富。 1地外星球上的水资源。美国于1994年发 射了载有紫外/可见光、远红外和长波长等图像系 统照相机等科学仪器的“克莱门汀”号月球探测飞 船, 1998年发射带有中子光谱议的“月球探测者” 号,发现了月球上存在水的证据。月球上的水主要 存在于月球两极撞击坑的永久阴影区中,与泥土混 合在一起,呈“水冰”的形式存在,含冰表土的覆 盖面积约在115～7万km2之间, 2m以浅的表土 层中水冰资源量应在5亿t以上,至少可供几万人 使用一个多世纪,而且不需要循环使用。美国“火 星全球探测器”发现,火星北极存在冰盖,覆盖有 120万m3的冰层,若全部融化则可使火星表面形 成9～12m深的水圈。美国“火星观察者”1999年 甚至发现,在火星的古深谷中存在地表水渗出的证 据,表明火星上不仅有固态水、甚至可能有液态水 的存在。美国“伽利略”号木星探测器在1997年 12月拍摄的图像表明,木星的卫星木卫二存在冰 壳,冰壳下面可能有浆状物质存在,科学家们认为 在木卫二地表以下更深的地方可能还有热水存在。 2地外星球上的氧资源。月球上的大气极为 稀薄,火星大气以二氧化碳为主,人类生命活动所 需的氧气含量仅0113 。但是,通过对水的分解 可得到氧气,月球和火星岩石和土壤中也含有丰富 的氧。与地球一样,月球和火星岩石的基本成分也 是多种氧化物的混合物,如氧与硅、铝、镁、铁、 钙、钛、铁等元素的化合物。氧含量在月球岩石和 土壤中占到45 左右,在火星岩石与土壤中可占 40 ～45 ,美国宇航局提出过在月球上建立无人 管理制氧工厂的设想,并认为月球材料中氧化铁可 81中国矿业2002年第11卷第1期 能是提取氧的最好原料。因此,只要探明了地外星 球上铁的分布状况,就可能评估其氧产量潜力,并 找到氧富集高产的潜在区域。 312 地外星球上的能源矿产资源 能源不仅是星际航行的动力,也是人类要在地 外星球赖以生存和生产的必备资源。诚然,在宇宙 空间中,太阳能是取之不竭的,但同时也存在着丰 富的不可再生的能源矿产资源。 1月球上的核燃料。从地外星球的水或水冰 中可分解出氧,以供给离开地球独立生活的人类, 并为火箭发动机正常工作提供动力。目前,已在月 球岩石中发现蕴藏丰富的3He ,这种在地球天然产 物中非常稀少的物质正是一种没有辐射的核动力资 源,是用来进行核聚变的理想矿物原料。据初步估 计,月球3He的资源量在100～500万t ,而仅月球 表面土壤中的3He就达711万t ,可为地球人类提 供能源达7000年之久。相比之下,地球上的3He 只有20t左右。科学家预测, 2015年第1台3He采 集设备将在月球上安装并投入生产,同时地球上第 一座用3He进行核聚变的反应堆也将建成运行。 2地外星球上利用太阳能。地外星球也是利 用太阳能的良好基地,尤其是大气层稀薄的星球。 例如月球,太阳光基本上没有因大气吸收等引起的 损耗,使太阳能的利用效率极高。利用太阳能在月 球上发电,并将电能转换成微波传输至地球,再将 接收到的微波转换成电能。这种太空能源新技术, 将是21世纪取代地球矿物能源的又一理想途径。 313 地外星球上的金属矿产资源 着陆星际探测器传回的数据以及岩石、陨石样 品分析结果表明,人类生存与延续所需要的金属矿 产资源至少在月球和火星上是非常丰富的。 1月球上的金属矿产资源。组成月球的化学 元素与地球是相同的,但月球更富含难熔元素,缺 乏挥发性元素。迄今为止,已在月球岩石中发现了 100多种矿物,不仅有铁、铝、钙等常见金属矿 藏,而且有锆、钡、铌等稀有金属矿藏。月球上绝 大多数矿物的结构和成分与地球相同,仅有静海石 等5种矿物是地球上未发现的。月表的岩石类型比 较简单,组成月陆的岩石为富含斜长石的深成岩, 组成月海的岩石主要是富含铁、钛、镁的玄武岩, 有的月海玄武岩,钛铁矿的体积含量可高达25 , 是月球上提炼铁、钛和水的重要矿物资源。 2火星上的金属矿产资源。火星“探测者” 和“漫游者”号探测器上α质子X射线光谱仪发 回的大量数据显示在火星岩石和土壤中已发现了 钠、镁、铝、钾、钙、钛、铬、钼、铁、镍等10 余种金属元素,其中铁含量的重量百分比为 1017 ～1512 ;探测区岩石主要为玄武岩和安山 岩,化学成分上属于基性 中性的火山岩;与地球 相比,火星土壤和岩石除FeO明显较高外,其它 金属的氧化物含量均与地球大致相当,表明火星的 地质环境与地球相差不大。探测者号观察到,火星 赤道附近有大面积的磁铁矿聚集,分布面积约 500km2。 4 高科技发展将导致矿产开发利用技术产生重大 变革 百余年来的矿业实践证明,即使在开发条件允 许的情况下,进行地下大面积矿产开采也是非常不 经济的,如果条件恶劣或目前尚未达到所需技术水 平,则开采更是不切实际。地下矿产资源量非常之 大,只是其中包括了相当比例的不可利用成分,真 正使人们困惑的是提取其中有用成分的技术与工艺 水平,包括在地下的原位提取和在地面的后处理。 矿产开发不仅要实现高效率,而且必须讲求高效益 和高安全,以集约化、信息化和自动化为基础的矿 产开发利用一体化,则正是实现高效率、高效益、 高安全的高科技途径。为此,借助高科技的手段, 实现矿业传统开发利用技术的重大变革,以充分利 用矿产资源,并降低开采成本,是本世纪矿业发展 的一个必然趋势。 411 固体矿产原位流态化开采 在地下原位将固体矿产转化为气体或液体而取 出地面,古来有之,现代则被称为化学开采。例 如我国早在2000多年前就利用化学开采原理, 将地下石盐转化为卤水开采出来;许多俄罗斯学者 很早就考虑过黄金在地下密集浸出的问题,但这种 构想近10年才在美国、南非等国家实现;最近, 我国也开展了铜矿的地下溶浸萃取试验。就能源矿 产而言,煤炭地下气化是从根本上解决传统采煤方 法存在的一系列技术和环境问题的重要途径,将气 水固态化合物转化为气态化合物,则是开采天然气 水合物这一巨大潜在能源矿产的必由途径。 1煤炭资源的流态化开采。煤炭地下气化集 建井、采矿、转化“三位”为一体,是涉及到地 质、探测、采煤、计算机、能源化学、工程热物 理、能源利用、环境保护等技术和理论的高科技群 体,是采煤技术的重大革命。煤炭地下气化技术发 展已有百余年的历史,但由于地下气化炉的安全 性、稳定性等问题未能很好解决而产生一定波折。 近20年来,我国先后在徐州、唐山、郑州、义马、 9121世纪高新技术与我国矿业的发展与展望 鹤壁、依兰、鹤岗、晋中、新汶等10余个矿区开 展了煤炭地下气化试验,首创了“长通道、大断 面、双火源、两阶段”的新工艺,较好地解决了有 关的技术难题,并在新汶孙庄煤矿取得了日产水煤 气5万m3、空气煤气8万m3、热值稳定在2500～ 3000kcal/ m3之间的工业性试验成果。最近,我国 有关专家又提出了煤炭“地下气化 发电 化工联 合循环系统”的设想,并进一步开展了平顶山、兖 州、中梁山、长广、淮北、龙口等地煤炭地下气化 的可行性论证。 然而,要保持地下气化炉长期稳定、安全、高 效地生产,仍存在某些关键技术问题有待于解决, 例如地下气化炉结构和工艺参数的选择、高温条件 下煤与岩石物理性质特性与测试技术、地下气化炉 的测试与监控技术、大口径定向钻进、贯通及孔道 保护技术等。通过高新技术引用与开发来促进地下 气化技术的进一步成熟,不仅可能实现我国煤矿井 下无人无设备的流态化开采,删除传统煤炭开采中 采、运、选以及地面气化等成本高昂的烦琐环节从 而大幅度降低开发成本,最大限度地提高我国煤炭 资源回收率、提高煤炭利用水平和降低燃煤污染, 而且有可能在地下原位直接将煤炭转化为洁净燃料 和化工原料,提供氢气等新能源,并使煤炭资源的 附加值成倍增长。 2天然气水合物的流态化开采。天然气水合 物的开发必须采用流态化开采,目前在世界上尚无 成功实例,其关键技术难点在于四个方面一是海 洋天然气水合物开采施工的工艺;二是固态气水化 合物安全地转化为气体的可控技术;三是天然气管 道传输与固化技术;四是开采中的环境保护技术。 美、俄、日、印等国对此进行了试验研究,我国也 在积极开展前期准备,目前提出了三种从矿层中释 放天然气的二次回采技术;一是热激法,即加热水 合物稳定层使水合物发生分解,再用导管集输析出 的天然气体;二是减压法,通过钻探或其它途径降 低水合物层下方游离气体聚集层位的平衡压力,使 水合物失稳而析出气体;三为抑制刺激法,注入盐 水、酒精等抑制剂流体来降低水合物冻结点,使天 然气体解析出来。然而,对于海洋水合物开发来 说,热激法的成本过高,抑制刺激法不仅成本高昂 而且效果可能较差,因此有关专家推荐热激与减压 相结合的方法。 最近,日本专家又提出了两种新的开采方法设 想。第一种设想可能适用于深水海域水合物开采, 构建于对从分子尺度到矿床尺度水合物热物理研究 的基础之上,通过第一个隔离管向水合物层注入高 温海水促使水合物分解,由第二个隔离管提取水合 物裂解释放的天然气体,经由第三个隔离管将天然 气中分离出来的及甲烷燃烧后产生的二氧化碳回注 到水合物层残留水中而生成二氧化碳水合物,以达 到有效开采天然气体且可保护大气环境的目的。第 二种设想是一种无需海上作业的安全方法,即从陆 地上开凿巷道或钻进定向斜孔作为采气通道,在通 道前端灌注水泥形成保护层以防止开发中地层可能 坍塌甚至水合物气体爆炸所引起的安全问题,并由 此向水合物层注入高温蒸汽,天然气水合物受热后 析出的气体通过管道输送至地面。但是,天然气水 合物的成功开发,尚需大量依赖于高技术的发展来 加以支撑,如水合物裂解与合成过程以及裂解控制 技术、海洋水合物开发井施工技术与分子控制开发 方法、水合物能源综合开发与利用技术等。 412 矿产有用成分高纯度提取及矿物新材料开发 高纯度是众多高科技应用领域对矿物原料的基 本要求,高科技的发展反过来也极大地促进着矿产 有用成分高纯度提取技术的发展。广义上来看,高 纯度提取采用地面加工和地下原位提取两大类基本 方式,前者属于选矿或矿物加工范畴,后者则是新 型的采矿作业,如上述的固体矿产原位流态化开 采。狭义的矿产有用成分高纯度提取,系指是矿物 的高纯度洗选和加工过程,包括提取金属矿物的有 用元素、脱除非金属矿产中的无用杂质、洁净煤技 术等。矿物材料指能直接利用其物理、化学性质的 天然矿物和岩石,或经过加工、改造而成的材料, 其发展水平是衡量一个国家科技和经济发达程度的 重要标志。 1非金属矿物的高纯度提取。从上个世纪 80年代以来,我国非金属矿物高纯度提纯技术有 了长足发展。例如采用振动球磨机代替传统的圆 筒式溢流型球磨机,简化了工艺流程并提高了技术 含量,同时采用浮选方法可生产出固定碳含量在 95 以上的高纯度石墨产品;采用反流筛选矿技 术,提高了石棉中短棉的分选效率;采用湿磨湿选 技术,显著地提高了云母产品的纯度;研制出干式 强磁选和干式振动高梯度磁选机,为高效率地脱除 高岭土等粘土矿物中铁、钛等金属元素杂质提供了 一种新的工艺选择。目前,我国非金属矿物提纯已 从金刚石、石棉、云母、滑石、高岭土、萤石等少 数几类矿产拓展到了硅砂、长石、硅灰石、硅线 石、硅藻土、红柱石、蓝晶石、重晶石、石榴子 石、伊利石、叶蜡石、金红石、锆英石等数十个矿 02中国矿业2002年第11卷第1期 产种类,并在超细粉碎、选矿提纯、加工技术三方 面取得突破性成果。21世纪高新技术产业对非金 属矿物原料的总体要求是粒度超细化、质量高纯 化、性质改性化和表面活性化。因此,该领域高技 术今后的发展趋势主要表现为一、发展微细粒提 纯及综合力场重力、离心力、磁力、电力、化学 力选矿技术,解决高纯度加工问题;二、研制高 效低能耗、粉碎比大、粉碎极限粒度小、适用范围 宽或可用于特殊物料的新型精细分级与超细粉碎设 备,发展和完善粒度及其分布的自动监控技术,以 解决超细问题。 2煤炭洁净制备技术。提高煤炭洗选效率及 清洁燃料制备是,发展洁净煤技术的源头。国内外 近年开发出一系列先进的洁净煤制备技术在高效 选煤方面,研发出以喷气式水力旋流器、微槽浮选 柱、填充柱、微细粒磁铁矿选煤等核心的粉煤洗选 技术,以重介分选、风力摇床、摩擦电选为代表的 高效干法选煤技术,低煤级煤洗选技术等;在水煤 浆制备方面,开发了振动磨煤泥高浓度制备工艺、 超细浮选精煤制备工艺、水洗精煤中 高浓度制备 工艺、中浓度双峰级配制备工艺、煤水油浆制备工 艺、高分散性和稳定性添加剂,并对中国煤成浆性 能进行了系统研究;在煤的液化煤代油方面 二段液化、氢煤法、NEDOL法等加氢直接液化工 艺已经投入工业应用,开展了煤与生物质加氢共液 化、微生物液化等新技术的研究,我国近期也将在 陕西神东、云南先锋和吉林依兰建立煤炭直接液化 示范厂。为满足我国21世纪对洁净煤的需求,将 进一步开发以微生物和酶技术为基础的先进脱硫和 脱有害微量元素、超低灰精煤制备、超细粒煤分 选、节水型选煤等为重点的先进选煤技术,以直接 液化的高效催化剂、新工艺和间接液化的催化剂优 化、浆态床反应器技术、催化反应动力学模型、年 产百万吨煤基合成油技术为重点的煤炭液化技术, 以及以煤成浆性能、粒度级配技术、高性能添加剂 为重点的水煤浆制备技术。 3高性能矿物材料的研制。矿物材料不是提 取其中的有用成分,而是直接利用其物理化学性 质。随着采用高新技术对矿物特殊材料性能的不断 揭示,加之矿物原料的高纯化、单晶化、纤维化、 透明化、薄膜化、多孔化、非晶化和复合化, 21 世纪的矿物材料在信息、交通、化工、冶金、建 材、农业、环保、日用电器、化妆品等产业领域将 会得到更为广泛的应用。新世纪对矿物材料提出了 更高的要求在煤基高分子材料方面,目前正致力 于探索用煤直接制取性能独特的工程材料如碳纤 维、煤与聚合物机械共混材料以及煤与聚合物接 枝制取工程材料;在建筑材料方面,需要的是节 能、隔热、隔音、轻型和非金属镀层的材料;在化 工矿物材料方面,不仅仅是用于塑料等的填料或填 加剂,而进一步需要阻燃、防菌、防水、防油等功 能;在冶金矿物材料方面,更为注重对氧化物和非 氧化物复合材料的研制与开发;在机械矿物材料方 面,对高性能耐温、耐磨、密封、铸造等新型材料 更为关注;在造纸矿物材料方面,尤其需要开发高 纯度、高细度和低污染的材料;在环保矿物材料方 面,以对工业和自然界有害物质具有吸附、过滤作 用为目的的环境矿物材料学正逐渐形成一个独立的 学科分支;在陶瓷材料方面,高频电子陶瓷、金属 复合陶瓷、铁氧体磁性陶瓷、超导陶瓷、生物陶 瓷、高性能绝缘陶瓷、矿物二元和多元复合陶瓷正 在成为电子和光学工业的热门研究课题。其中,用 于高新技术的新型矿物功能材料和传统矿物材料性 能无法比拟的纳米矿物材料最为重要。新型矿物材 料的开发,必须要借助材料力学、固体力学、量子 化学、生物化学、电化学、晶体矿物学以及制造工 艺、工程技术等学科的交叉融合。 413 矿产资源勘查2开发2加工2利用2环保一体化 实施矿产资源从勘查、开发、加工、利用到环 保的整体化或一体化,将大幅度地降低环境污染, 提高资源利用效率,节约生产成本和优化资源配 置。实际上,我国矿业工作者已为此作出了努力, 提出了某些一体化的设想,其中一些设想已开始付 诸实践。例如在矿山生产与管理方面,已开始了 矿山机电一体化、生产管理一体化、信息系统一体 化的工作;在勘查与开发方面,对地矿一体化进行 了探索;在加工与利用方面,开展了选冶一体化、 煤电一体化、煤电铝一体化、煤2地下气化2发电2化 工一体化等的研究;在开采与环保方面,对开采2 土地复垦一体化、开采2环保一体化等研究已取得 成效。 然而,上述有关“一体化”的设想或实践或是 环节有限,或是局部的,没有从矿产资源勘查、开 发、加工、利用、环保的整体化来考虑。我国科学 家倪维斗院士等2000最近提出以煤气化为核心 的多联产能源系统的设想,极大地推进了整体“一 体化”的进程,国家也计划在“十五”期间对该设 想的关键科学问题开展基础研究。 多联产一体化系统基本思路的要点为 以煤、石油或高硫重渣油为原料,用纯氧 1221世纪高新技术与我国矿业的发展与展望 或富氧气化后生成以一氧化碳和氢气为主的合成 气,将合成气净化后得到纯元素硫。 合成气可有多种用途,如城市煤气分布 式热、电、冷联产、大型发电以及生产甲醇、液 体燃料、其它化工产品,分离出来的氢气可用于燃 料电池,解决城市交通车辆的洁净燃料问题,从而 达到汽车尾气污染物的零排放。 多联产系统排放的二氧化碳的纯度可达 99 ,或直接作为化工原料或制造干冰,或注入地 下煤层以置换出甲烷,或深部2000m以下煤 层、深海、废弃油气田、地下含水层等储藏起来。 系统的核心是电、热、冷、化工产品,它 们的生产过程在系统中有机的耦合与集成,可优化 工艺流程,降低运行费用和产品生产成本,调节多 个产品之间的“峰谷”差,减少对地球大气圈、生 物圈和水圈的污染。 该系统具有高度灵活与开放的特点。在富 产煤炭、石油、油页岩的地区,建立这类系统十分 有利。在具体实施中,可以根据技术水平的发展程 度和资金投入情况逐步推进,如先实施热、电、甲 醇联产,然后再逐步扩大。 上述多联产系统,将矿产资源的加工、利用、 环保有机地耦合起来,如果进一步考虑到勘查和开 采的源头环节,则将形成真正的矿产资源勘查2开 发2加工2利用2环保一体化系统,这正是我国21世 纪可持续发展的一个重要方向。在高技术的支撑 下,通过对各个相关环节之间物质流、能量流、信 息流以及技术、经济、资源开采与利用、环境等多 目标的优化,这一设想将有望变为现实。 5 结 语 正如诺贝尔奖获得者、国际著名科学家杨振宁 博士最近指出的一样,今天科技发展的高速度,使 得我们无法预测21世纪末世界将发展成什么样子, 就像20世纪初没有人能梦想到20世纪末的生物工 程与网络通讯一样。的确如此,基于目前的趋势, 我们可以预测今后四五十年间高科技发展对我国矿 业的影响,即会有力地促进我国陆地和海洋矿产资 源新领域的开发,实现开发宇宙矿产资源的梦想, 引导开发与利用技术发生重大变革,促进无害化开 发与利用的进程,给我国矿业大发展带来甚至创造 前所未有的机遇。然而,科学技术日新月异的进 步,不仅可能让当今看来不切实际的矿业发展构想 变为现实,而且可能导致我们意想不到的变革出 现。我们热切期待着这一天的到来。 〔 参考文献本刊略〕 收稿日期 2001年11月15日 〔 作者简介〕 谢和平 中国工程院院士 中 国矿业大学校长 教授 全国矿产资源规划发布实施 经国务院批准,全国矿产资源规划日前由国土资源部发布实施。这是我国依据中华人 民共和国矿产资源法出台的首部矿产资源总体规划,标志着我国初步建立起适应市场经济体制 要求的矿产资源勘查、开发利用宏观调控机制。 “规划”强调在今后一段时期内,必须严格执行 “在保护中开发,在开发中保护”的方针,把节约放在首位,切实加强对矿产资源开发利用的宏 观调控,实行最严格的资源管理制度,保障我国矿业持续健康发展和矿产资源长期稳定供应。 “规划”强调发挥市场机制对资源配置的基础性作用,突出政府的宏观调控和公共服务职能; 要求在资源开发利用的同时必须注重生态环境保护;同时强调矿业对地区经济发展的贡献,在区 域布局上合理安排矿产资源的勘查和开发利用。 “规划”提出,今后5到10年,我国矿产资源勘查、开发利用与保护的总体目标是进一步 加强矿产资源调查评价与勘查,提高国内矿产资源的可供性;充分利用国内外“两种资源、两个 市场”,保障国民经济和社会发展对矿产资源的需求;调整优化资源利用结构和布局,提高资源 利用效率,实现资源利用方式从粗放向集约转变,促进矿产资源的有效保护与合理开发利用;改 善矿山生态环境状况,促进矿产资源勘查、开发利用与生态建设和环境保护协调发展。 22中国矿业2002年第11卷第1期