现代金属矿业的发展主题(1).pdf

S e r i e s NO ． 4 3 3 J u l y 2 0 1 2 金 属 矿 山 METAL MI NE 总 第4 3 3 期 2 0 1 2 年 第 7期 专题综述 现代金属矿 业 的发展 主题 古德生 周科平 1 ．中南大学； 2 ．中南大学资源与安全工程学院 摘要我国是矿业大国， 但非矿业强国。为了加速金属矿业现代化， 依据国情， 思考未来， 提出了我国金属 矿业的三大发展主题， 即绿色开发、 深部开采和智能采矿。对发展主题的相关定义、 内涵 、 创新背景、 科技需求与发 展前景等分别进行了讨论， 进而提出了一些具有新意的学术思想。 关键词金属矿 业绿 色开发深部开采智 能采矿 De v e l o pme nt Th e m e o f t he M o de r n M e t a l M i ni ng Gu De s h e n g Zh o u Ke p i n g 1 ． C e n t r a l S o u t h e ； 2 ． S c h o o l o fR e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y Ab s t r a c t C h i n a i s a b i g mi n i n g c o u n t r y，b u t n o t a s t r o n g o n e y e t ． I n o r d e r t o a c c e l e r a t e t h e mo d e r n i z a t i o n o f me t a l mi ni n g i n du s t ry ，i n a c c o r da nc e wi t h n a t i o n a l c o n di t i o n s a nd t hi nk i ng a bo u t t h e f ut ur e，t h r e e me t a l mi n i ng de v e l o p me nt a l t h e me s a r e p u t f o r wa r d，wh i c h a r e g r e e n mi n i n g ；d e e p mi n i n g a n d i n t e l l i g e n t mi n i n g ． T h e p a p e r h a s d i s c u s s e d t h e mi n i n g de ve l o p me nt a l t o p i c s r e l a t e d t o d e f i n i t i on s，c o n n o t a t i o ns，t he ba c k g r o u nd o f i n no va t i o n，s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y r e qu i r e me n t s a n d p r o s p e c t s f o r d e v e l o p me n t ，r e s p e c t i v e l y ． F u r t h e r mo r e ，s o me i n n o v a t i v e a c a d e mi c i d e a s a r e p r o p o s e d ． Ke ywo r ds Me t a l mi n e，Gr e e n mi ni ng，De e p mi ni ng，I nt e l l i g e n t mi n i n g 当前 ， 我国正处在工业化的中期阶段 ， 是国家经 济的快速发展 、 人 均金属消耗量 增长最快 的时期 。 1 9 9 0 --2 0 1 0年 ， 我国人均 G D P增长 2 0 ． 8倍 ， 而在金 属消耗量中， 钢增长 了 8 ． 4倍 ， 1 0种主要有色金属 增长了 7 ． 5倍 。事实表明 没有金属矿业 的发展 ， 就 没有国家的工业化和国防现代化。 由于国家对金属矿物需求量的大幅增长和采选 科学技术 的进步 ， 我 国金属矿床的开采 目标 正逐步 扩大到赋存条件更加复杂的 5类矿床 ， 即深部矿床 、 贫矿床 、 松软破碎矿床 、 水体下 矿床和高寒 地 区矿 床。这一转变给我国采矿科技工作者和采矿工程师 们带来了许许多多的科学技术难题 。 我国金属矿业 9 0 ％ 以上采用地下开采 。在科 学技术飞速发展的今天 ， 我国矿业在生产工艺 、 机械 装备、 资源回收、 综合利用、 数字矿山、 矿业信息化等 方面虽然取得长足进步 ， 但在 9 0 0 0多座金属矿 山 中， 真正代表 国家金属矿业水平 、 达到或接近世界先 进水平的现代化矿山还 为数不多 ； 相 当数量 的中型 矿山 ， 其装备技术仍处 于上世纪 7 0年代水平 ； 大量 的小型矿山机械化水平低 、 管理粗放 、 安全环境问题 突 出 。 当前金属矿业突显许多矛盾 ， 面临着种种挑战 ， 承受着 巨大压力 ， 主要表现在 4个方面 1 国家的工业 化、 城市化对 金属 的需求量仍 持续大幅攀升 ； 2 资源形势严 峻 ， 大宗矿产 的对外依存度 已 高达 5 0 ％以上 ； 3 由矿产 、 土地 、 水体 、 森林 构成 的矿 区环境 系统严重劣化 ； 4 矿业科技水平、 特别是采掘装备与信息化 水平相对落后 。 世界采矿科学技术与上世纪 9 0年代相 比， 已经 不可同 日而语。新 的学术思想 、 理论 、 装备 、 技术与 工艺不断涌现 ， 已突破了传 统的学科范畴。我们必 须站在世界矿业科技前沿 的高度 ， 去审视我 国金属 矿业 的发展状况 ， 思考未来 ， 走 向前沿 ， 否则 ， 就会失 去发展动力 ， 甚至失去发展先机 。为了加速金属矿 业现代化 ， 大力提升金属矿业的国际竞争力 ， 依据国 情 ， 作者对未来金属矿业提出以下 3大发展主题 古德生 1 9 3 7 一 ， 男， 中国工程院院士， 教授， 博士研究生导师， 4 1 0 0 8 3湖南省长沙市 。 总第4 3 3期 金 橇 矿 山 2 0 1 2年第 7期 1 绿色开发。遵循矿业可持续发展模式。 2 深部开采。开拓金属矿业的前沿领域。 3 智能采矿。走向金属矿业的未来 目标 。 上述 3大发展 主题将 引领金属 矿业 的发展方 向， 并影响未来金属矿业发展 的历史轨迹。 l 遵循 矿业可持续发展模式绿 色开发 1 ． 1 可持续发展理念的提出 2 0世纪是人类生产力发展最快 的百年 ， 也是人 类对地球破坏最严重的百年 ， 它动摇着人类生存的 根基， 迫使人类不得不重新审视走过的发展道路， 为 人类带来新 的觉醒。 1 9 7 2 一l 9 8 7年 ， 国际论坛发表 了许多具有划时 代意义的研究报告， 如 增长的极限 、 世界保护策 略 、 我们共同的未来 等。这些报告分析了资源 和环境保护与可持续发展之 间的相互依存关系 ， 第 1次明确提出了可持续发展定义 ， 即“ 可持续发展是 既满足现代人类的需求 、 又不对后代人满足其需求 的能力构成危害的发展” 。 1 9 7 2 --2 0 0 2年间 ， 举 行过 3次 国际会议 ， 通过 了3 个重要文件 人类环境行动计划 、 2 1 世 纪议程 和 可持续发展世界首脑会议实施计划 。 这些会议彻底否定 了工业革命 以来那种 “ 高生产 、 高消费 、 高污染 ” 的传统发展模式 和“ 先污染 、 后治 理” 的发展道路。从此， “ 可持续发展” 成为人类普 遍认同的道德规范， 成为人类活动的整体效益准则 和各国发展的重要议程 。3次 国际会议是人类转变 传统的发展模式和生活方式、 走可持续发展道路的 里程碑 。 1 ． 2 “ 绿色开发” 是可持续发展的理念的延伸 矿业是最早兴起的工业 ， 从 1 8世纪中叶产业革 命开始 ， 就成为 国家经济 的基 础产业 ， 可谓 居功至 伟。但是 ， 现代矿业的发展是把双刃剑 ， 在为人类提 供大量工业原料的 同时， 也给人类 的生存环境带来 了严重破坏 ①采矿活动破坏 了大量的耕地 和生产 建设用地； ②诱发地质灾害， 造成大量人员伤亡和经 济损失； ③使矿区的水均衡系统遭受破坏， 下游水质 污染 ；④ 开采废渣、 废 气排放 ， 产生 大气污染和酸 雨 ； ⑤采矿破坏村庄 和景观 ， 引发社会 纠纷越来越 大。 矿业是破坏环境 的主要行业之一 ， 我们必须正 视这一 现实。为 了地 球和人 类 ， 为 了使 矿业 开发 “ 既满足现代人类 的需求 、 又不对后代人满足其需 求的能力构成危害” ， 矿业工作者必须认真负起社 会责任 ， 彻底否定“ 大开采 、 低利用 、 高排放” 的传统 矿业发展模式 ， 坚定地走矿 区“ 绿色开发” 的道 路 ， 否则 ， 未来矿业将会陷入前所未有的麻烦和灾难。 何谓矿区“ 绿色开发” 把矿 区的资源与环境 作为一个整体 ， 在充分 回收、 有效利用矿产资源的同 时 ， 协调地开发 、 利用和保护矿区的土地 、 水体 、 森林 等各类资源， 实现资源 一经济 一环境三者统一协调 的开发过程， 称为绿色开发 。 “ 绿色开发 ” 是可持续发展理念在矿业 中的延 伸。它阐明了矿床开采的发展模式 ， 指 明了金属矿 业的发展道路 。 1 ． 3 矿区“ 绿色开发” 的科技创新内涵 矿区“ 绿色开发” 就是在为 国家建设提供大量 的工业原料的同时， 还要为人类 自己的明天建设 一 个与 自然结合 良好 的、 具有生态 良性循环 的人居和 生产环境。 1 ． 3 ． 1 矿区资源的绿色开发设计 矿产资源开发过程 中， 矿 区生态环境不可避免 会受到破坏 ， 但其破坏程度是可预见 的。由于矿 区 生态环境与矿山的开发设计和生产密切相关 ， 所以 ， 矿区环境保护与 生态修 复应 由过去的“ 先破坏 、 后 修复” 的被动模式 ， 转变为贯穿于矿 区开发全过程 的动态的、 超前的主动发展模式。为此 ， 传统的矿 山 设计应该转变为矿区资源绿色开发设计 包括矿床 开采设计、 矿 区生态环 境设 计和 矿 山闭坑规划 设 计 ， 使矿 山在生产、 流通和消费过程 中， 能更好地 推行减量化 、 资源化和再利用。科技创新需求 主要 有 1 矿区资源绿色开发设计 ； 2 经济 一生态 一环境统一 的开采方法与采掘 工艺 ； 3 矿区循环经济园区规划设计 ； 4 矿区各类资源的保护与利用规划 ； 5 矿物资源综合利用与产品高值化。 1 ． 3 ． 2 固体废料产出最小化和资源化 在金属矿物 的加工 过程 中， 原料 中的 8 0 ％ ～ 9 8 ％被转化为废料。当前 ， 我国金属矿山的废石 、 尾 砂 、 废渣等固体废物堆存量 已达 1 8 0多亿 t ， 每年的 采掘矿岩总量还 以超过 1 0亿 t 的速度在增 长。因 此 ， 大力开发和推行废石 、 尾砂 回填采空区的工艺技 术 ， 推行尾砂 、 废石延伸产品的规模化加工利用 ， 有 相 当大 的发展空间。 古德生等 现代金属矿业的发展主题 2 0 1 2年第7期 现代矿 山的开拓系统与采掘工程设计在满足生 产高度集中、 工艺环节少和开采强度大的同时 ， 要从 源头上控制废石产出率 ， 采用合理的采矿方法 ， 降低 矿石损失贫化 ， 强化露天边坡的管理与控制 ， 减少废 石剥离量等 ， 努力去实现废石产 出最小化。科技创 新需求主要有 1 矿山无废开采程度的可行性评价 ； 2 开拓与采矿工程的废石产出最小化 ； 3 废石 、 尾砂不出坑的工艺技术创新 ； 4 深井全尾砂 、 废石胶结充填设备与工艺 ； 5 矿 区尾矿规模化综合利用技术 ； 1 ． 3 ． 3 矿产资源的充分开发与回收 矿产资源 的主要特征是稀缺性 、 耗竭性和不可 再生性 ， 人类必须十分重视合理开 发利用和保护矿 产资源。当前 ， 我国露天矿 的采矿 回收率为 8 0 ％ ～ 9 0 ％ ， 而地下矿只有 5 0 ％ ～ 6 0 ％。我 国金属矿床主 要采用地下开采 ， 并大量采用传统 的两步骤 回采模 式 ， 所 留矿柱 的矿量 高达 3 5 ％ ～4 5 ％ ； 由于矿 柱不 及时回收 ， 受到破坏 ， 造成资源大量损失的情况必须 根本改变。另外 ， 崩落法的矿石损失也很大 ， 要大力 创新采矿技术。科技创新需求主要有 1 地下大型化智能化无轨采掘设备研制 ； 2 地下金属矿山连续开采技术 ； 3 两步骤 回采所 留矿柱 的整体 高效 回收技 术 ； 4 特大型矿床深部开采综合技术 ； 5 矿块 自然崩落智能采矿技术 ； 1 ． 3 ． 4 矿产资源有价元素的综合利用 我 国金属矿床的贫矿多 、 富矿少 ， 多金属共生矿 多 、 单一金属矿床少 ， 因此 ， 生产工艺复杂 ， 流程长 ， 采选回收 率低 铁 矿 为 6 5 ％ 一7 0 ％ ， 有色 行 业 为 4 0 ％ ～7 5 ％ ； 废石和尾矿 中大量 有价元素 的利用 率也很低 ， 铁矿约 2 0 ％ ， 有 色金 属矿 为 3 0 ％ 一3 5 ％ 国外 5 0 ％以上 。这表明我国资源回收利用的潜 力还相当大 。提高资源综合利用率是我国建设资源 节约型 、 环境友好 型社会 的重要战 略举措。科技创 新需求主要有 1 复杂难处理矿 的高效选别技术 ； 2 高选择性低毒 无毒 选矿药剂 ； 3 废石和尾矿中有价元素提取技术 ； 4 高效 、 节能和大型化选矿设备研制 ； 5 选矿在线检测与过程自动控制技术； 1 ． 3 ． 5 矿区水资源的保护、 利用与水害防治 采矿过程 中， 矿岩被采动后所形成的导水裂隙 可能破坏地下含水层 ， 使含水层 出现 自然疏干过程 ， 致使矿区地下水位发生变化 ， 对地表 的生态带来 严 重影响； 在开采过程中， 耗水过高， 不仅浪费水资源， 同时增大了污水排放量 和水体污染负荷 ； 水污染使 水体丧失或降低了其使用功能， 并造成水质性缺水， 加剧水资源的短缺。所 以， 矿区水资源 的保护与利 用直接影响人类的健康 、 安全和生态环境 ， 关系到矿 业 的发展 。科技创新需求主要有 1 汞 、 镉 、 铅 、 铬、 砷等污染水体的防治技术 ； 2 区域、 流域的水污染防治综合技术 ； 3 废水处理与污水 回用技术 ； 4 不 同开采环境的保水技术 ； 5 矿山地下水污染控制与修复技术 ； 1 ． 3 ． 6矿区生态环境建设与复垦 我国的采矿量越来越大 ， 开采 品位越来越低 ， 废 弃物量越来越大， 而国家对生态环境保护的要求越 来越高 。当前 ， 矿区生态环境建设严重滞后 ， 矿山废 弃土地的复 垦率 只有 1 2 ％ 发达 国家高 达 7 0 ％ ～ 8 0 ％ ， 废弃物 中残存大量硫 化物氧化所 产生 的酸 性水 ， 夹带大量 的重金 属离子 ， 严重污染水 系和土 地 。 采矿活动对环境 的破坏程度可以预见 ， 所以， 人 们就可以采取超前防治措施， 对矿区生态系统的组 成 、 结构和功能进行积极 的调控 、 恢复和重建 ， 同步 开展生态环境修复 ， 去实现整体协调、 共生协调和发 展协调。科技创新需求主要有 J 1 矿山重金属污染土地生物修复 ； 2 尾矿坝 、 排土场灾害防治与生态恢复技术 ； 3 高寒矿区沙地退化植被恢复技术 ； 4 矿区环境容量评价标准与考核体系 ； 5 矿区生态化建设程度的评价； 国际潮流要求矿业走“ 绿色开发” 的道路 ； 现实 国情迫使矿业走“ 绿色开发” 道路 ； 社会责任需要我 们走“ 绿色开发” 的道路 。 2 开拓金属矿业的前沿领域深部开采 2 ． 1 深部开采是矿业发展的必然 何谓深部开采学术表达为 地应力随开采深 ． ． 总第 4 3 3期 金 鬣 砖 2 0 1 2年 第 7期 度逐步增大， 当到达某深度时 ， 岩爆发生频率 明显增 加 ， 这时定义为进入深部开采。但 因矿岩结构复杂， 如在构造应力较大的情况下 ， 即使在浅部也可能频 繁发生岩爆 ， 所以学术表达有 其不确定性 ， 因此 ， 一 般界定 为 金 属矿 山开采 深度 达到 8 0 01 0 0 0 m 时 ， 视为矿山转入了深部开采。 国外有大批金属矿山进入深部开采。据不完全 统计 ， 国外金属矿开采深度超过 1 0 0 0 m 的矿 山有 8 0多座 ， 其 中为数 最多 的是 南非。按开采 深度划 分 深度 1 0 0 0～2 0 0 0 m的有 6 0多座； 2 0 0 0～ 3 0 0 0 m的 l 2座 ； 3 0 0 0 m 以上的有 3座。其 中最深的是 南非卡里顿维尔金矿 ， 竖井 4 1 6 4 m， 开采深度已达 3 8 0 0 m[ 。 我国的金属矿 山也有一批进入了深部开采 夹 皮沟金矿 1 6 0 0 m、 会泽铅锌矿 1 3 6 0 m、 红透山铜矿 1 3 0 0 m、 冬瓜山铜矿 1 1 0 0 m、 寿王坟铜矿 1 0 0 0 m， 还有凡 口铅锌矿 、 金川镍矿、 高峰锡矿 、 湘西金矿 、 弓 长岭铁矿等等 。在未来的 1 5～ 2 0 a内， 我国将有大 批金属矿 山转入深部开采。 我国过去深部资源勘探不 足， 主要开采 6 0 0 m 以上矿床 。近 5 a 来 ， 实施深部找矿工程 ， 有 1 6 0多 个矿 山在深部找到 了价值超过 1 万多亿元 的矿产资 源。深部资源潜力很大 ， 深部开采是矿业发展的必 然。 2 ． 2 深井特殊开采环境下的矿床开采问题 深部开采是人们涉足较晚的领域 ， 其开采环境 与浅部不 同， 突 出表现 为“ 三高 ” ， 即高应 力、 高井 温 、 高井深。这是个特殊 的开采环境 ， 导致采矿过程 出现种种深井灾害。 2 ． 2 ． 1 关于高应力 4 O一 8 0 MP a 灾害 在高应力环境下， 如果采掘空间围岩内形成较 大的集 中应力和聚集大量 的弹性变形能 ， 则变形能 可能在某一诱 因下 突然释放 ， 导致岩石突然从岩体 工程壁面弹射、 崩 出的一种动态破坏现象， 即为“ 岩 爆” 。岩爆是 以一种突发性 的碎岩喷射现象 ， 其猛 烈程度足以致人伤亡 ， 甚至造成井下重大事故 ， 如美 国某矿 1 9 0 6年发生一次岩爆 ， 地震强度达到了里 氏 3 ． 6级， 导致铁轨弯曲， 还诱发空气爆炸， 导致火灾。 我国胜利煤矿于 1 9 3 3年最早 出现岩爆问题 ， 目前 ， 红透山铜矿等 2 O多个矿井也有过发生岩爆的记录。 在深部高应力环境下， 围岩受到岩性、 水分、 温 度等因素的影响， 可能发生大变形； 如果围岩过量变 形 ， 就可能 出现岩石裂纹 ， 采场片帮 、 冒落 ， 巷道鼓 d 底 、 断面收缩等等。如果传统采矿工艺和支护技术 与深井高应力环境不相适应 ， 必然危及作业安全 。 关于高应力灾害， 国内外开展过许多研究 ， 主要 包括岩爆发生机理 、 微震监测 、 岩爆预报、 岩爆 区的 支护体系、 岩爆和天然地震信号与核爆信号的差异 判别等等。 2 ． 2 ． 2 关于高井温 3 O一6 0℃ 灾害。 根据欧洲对 2 0 0 0 m的钻孔观测 ， 地温梯度 大 体为 0 ． 0 2 5～0 ． 0 3E／ m。在深部 开采 的特殊环境 下 ， 影响井下温度 的 因素很多 ， 主要热源有 围岩散 热、 坑内热水放热 、 矿岩氧化放热 、 机电设备放热 ， 空 气压缩放热和人体放热等。我 国冬瓜 山铜矿 井深 1 1 0 0 m 开拓范围内的井温为 3 2～ 4 0℃， 南非的西 部矿 井深 3 3 0 0 m 井下气温达到 5 0℃ ， 日本丰羽 铅锌矿 井深 5 0 0 m 因受裂隙热水影响 ， 井下气温 达到 8 0 c c。 深井高温环境对人的生理影响很大， 使工伤事 故上升， 劳动效率大幅下降。根据 国外统计资料 ， 当 井下温度超过 2 6℃以后 ， 温度每增 1 o C， 井下工伤 事故上 升 5 ％ 一1 4 ％ ， 工人 劳动生产率下 降 7 ％ ～ 1 0 ％ ； 当井下气温超 过 3 5℃时 ， 将威 胁人的生命。 此外 ， 深井通风和降温费用增加 ， 生产成本大增 j 。 高硫的铁矿 、 铜矿 、 铅锌矿 、 锡矿 、 金矿大约 占各 矿种的 1 0 ％ ； 在深井 高温环境 下， 井下高硫矿石除 可能产生结块外 ， 矿石 自燃 、 炸药 自爆 的危险性也将 增大 ， 这给工作面人员带来极大的心理压力 ， 严重威 胁作业安全。 我国 煤矿安全规程 规定 井下工作面温度不 得超过 2 6℃， 超过 3 0℃就必须采取降温措施。南 非矿井降温系统 的设计井温控制在 2 8℃以内。 在深部开采中， 仅靠通风往往达不到降温要求 时， 需采用制冷降温， 一般采用地表集中制冷降温的 方法。制冰设备安装在地表， 维修容易， 预冷塔制冷 效率高 ， 可提高冷量输送效率。地表制冰破碎后 ， 用 管道输送到井下冷库 ， 然后通过热交换系统对空气 和水进行冷却。因为井上安装设备、 减少井下的泵 水量 ， 泵水成本较低 。实例 南非斯坦总统金矿 ， 井 深 3 2 0 0 m， 原岩温度高达 6 3℃， 在地表建立 7 0 0 0 k W 的制冷站 ， 制造 1 0 0 L ／ s的冷却水 ， 再送井下空 气降温， 收到很好效果。我国孙村煤矿建立了我国 第 1 个集 中制冷站 。 2 ． 2 ． 3 关于高井深 1 0 0 0 5 0 0 0 I l 1 难题 高井深将直接影响矿井提升 、 通风 、 充填 、 排水 、 古德生等 现代金属矿业的发展主题 2 0 1 2年第 7期 供水、 供电、 信息等各大系统的工程复杂性， 增加系 统建设 、 运行和维护的困难 ， 增大系统 的运行成本 。 深井通风系统 的风流路线长， 总风阻大 ， 井下通 风降温所需风量大 ， 能耗大。此外 ， 风流沿千米风井 垂直下行时 ， 在井筒围岩干燥的情况下 ， 风流的 自压 缩将成为进风井筒升温 的主要热源 ， 它将助升井 下 热环境 。 充填采矿法是深部开采 的主要采矿法之一 。由 于深井垂直高度大 ， 充填砂浆压力过高 ， 易引起充填 系统漏浆和管爆 ； 若输送砂浆的流态不稳定 ， 易产生 水击现象， 也会引发充填爆管事故。此外， 充填砂浆 在垂直输送 的过程 中， 由于高速运动的砂 浆向管壁 迁移冲刷 ， 会造成 管路高速磨 损 ， 如果 管段带有倾 斜 ， 则 磨损 更 加严 重 ， 以致 降低 充 填 系统 的可靠 性 。 应该特别指出的是深井提升问题 。随着井深增 加 ， 提升钢绳的质量直线增大， 而提升机的有效提升 量 矿石 则显著下降， 提升费用大幅增加 。如果开 采深埋贫矿床 ， 则提升成本将很大程度影响到开采 的经济性。 关 于深部开采 的合理深度 问题 ， 国外深井提升 一 般不超过 2 0 0 0 m， 当达到 2 0 0 0～4 0 0 0 m井深 时 ， 往往采用两段提升 。南非德 兰士瓦公 司在设计 矿井时以4 0 0 0 m作为极限开采深度 ， 因为 4 0 0 0 m 深井的地压大 ， 采矿爆破后可能集 中引发岩爆 ， 甚至 出现一次能量大释放的地震 事故 ； 另外 ， 4 0 0 0 m深 处的原岩温度通常达到4 5～ 5 0℃， 矿井降温、 排水 和通风问题更加突 出。 深井 提升 的实例 南非卡 里顿维 尔矿 ， 主井 2 座 ， 开拓深 4 1 5 4 m， 采深 3 8 0 0 m， 年产量 3 3 2 9万 t ， 矿井采用两段提升 分别为 2 3 0 0 m和2 0 0 0 m ； 采用直径 6 m的滚筒式卷扬机， 2 1 t 箕斗； 提升速度 为 1 5～ 2 0 m ／ s 。 2 ． 3 深部开采的科学技术问题 深部开采 中有许多浅采未曾涉及 的问题。未来 的采矿科研工作要逐步转 向深部开采 ， 这是金属矿 业 的前沿研究领域 。 2 ． 3 ． 1 拓宽深部开采的科研思路 如上所述 ， “ 三高” 环境孕育着各种 灾害 ， 带来 许多技术难题 。过去的科研工作主要集 中在研究岩 爆机理、 热害防治 、 提升 自动化等等 ， 这些无疑是很 重要的研究课题 。但是 ， 任何事物都有它的两面性 。 “ 三高” 环境是致灾因素， 但是否也能转化为可 以利 用的因素呢是否可突破传统思维， 以更宽阔的视 野去破解一些更大的科学技术问题 呢比如 1 高应力本 身就是能量 ， 是 否有利于坚硬矿 岩的致裂破碎 ， 从而提高矿石破碎质量呢可否用 来创造一种高应力诱导致裂的破岩新技术和诱导致 裂破碎的连续采矿法 呢 2 高井温是否有利于深部贫矿原地破碎溶浸 采矿呢是否可用热管技术导 出深井高温进行发 电 呢是否可将热水输送 到地 面利用 ， 经地面热交换 后再送井下降温呢 3 高井深客观上存在 高压水头 ， 是 否可 以作 为新的动力源 ， 用于开发水动力采矿设备 是否可 利用高压水头实现深井矿物的水力提升或深井高压 注浆 、 水力充填呢是否促使人们更坚定地走深井 废石不出坑的绿色开采道路呢 2 ． 3 ． 2深井 开采 的重 要科 学 问题 近几年来 ， 我 国深部开采取得了一些科研成果 ， 积累了一定 的经验。但是 ， 在矿床埋藏深、 岩温高、 岩爆倾向大 、 品位低 、 开采强度大 的条件下 ， 如何实 现安全、 经济、 高效、 清洁生产许多科学问题有待 深入研究 1 深部开采岩体力学行为与成灾机理 。重点 研究深井掘进和采矿活动诱致岩爆 、 突水等的成灾 机理 ， 为灾害预防、 预测提供理论基础。 2 深井高应力矿岩诱导致裂 的研究。重点研 究高应力环境下的矿岩诱 导致裂机理 、 工程动力扰 动的能量传递 、 矿岩致裂的临界环境 ， 为寻求坚硬矿 岩的致裂方法、 创造深部矿岩诱 导破碎采矿技术提 供科学依据 。 3 深部采动 围岩二次稳定控 制理论。重点研 究深部采动 围岩应力的时空分布及矿压显现规律 ， 以建立采掘空问、 变形破坏 自 适应控制与支护相互 作用的二次稳定性控制理论 ， 开发相关控制技术 。 4 深井开采 中高温环境控制研究 。岩体裂隙 介质中多相流耦合作用机制、 深井热环境控制方法 ， 深井高温 、 高湿环境的事故诱发机理等 。 5 深井原创性采矿模式研究 。重点研究采动 围岩结构与采场 、 巷道动力灾害的关系 ， 揭示高应力 岩石破裂演化与岩体分区破碎的机理， 为建立诱导 破碎连续采矿模式 、 采矿系统与工程结构等提供科 学依据 。 在我国， 2 0 0 1年举 办了“ 深部岩体力 学基础研 究 问题” 香 山学术会议 ； 2 0 0 3年启动 了国家 自然科 5 总第 4 3 3期 金 属 矿 山 2 0 1 2年第 7期 学基金“ 深部岩体力学基础与应用研究” 重大项目； 2 0 0 8年“ 深部重大工程灾害孕育演化机制与动态调 控理论” 9 7 3项 目立项； 此外 ， 还有大量基金项 目。 上述科学问题和研究项 目主要涉及深井岩石力 学问题。今后 的研究在思路与方法 上应该 有所突 破不要局限于静载环境下 的岩石力学研究 ， 要 更加重视动 、 静组合加载环境下 的岩石力学问题 ， 因 为任何矿岩工程客观上都受到动载荷的作用。现有 的岩石力学实验装置也有其局限性 ， 需要创新。要 加强深井岩石力学的研究 ， 才能更好地揭示深部岩 石力学现象 ， 引导深井采矿工程技术走向科学 。 2 ． 3 ． 3深部开采的重大工程技术问题 深部开采是一个特殊的作业环境 ， 面I 临安全 、 工 效、 成本 、 资源回收等新 的挑战。采矿科技工作要逐 步向深部开采转移 ， 引导深部采矿技术走向前沿 1 深井开采对地面环境 的影响评价深井 开采对地面建 、 构筑物安全 的影响程度， 安全等级 的 划分与设计理论 ； 2 深部矿床开采 的组合式开拓方法实现 深井开拓工程最小 、 提运效率最高、 成本最低 ， 推进 间断式采矿作业向矿石提运作业连续化发展 ； 3 深井连续出矿的工艺系统提高矿山机 械化 自动化水平 ， 解决落矿高效率与出矿低效率 的 问题 ； 4 深井环境再造大直径深孔采矿技术通 过采矿环境再造 ， 实现深部松软破碎矿体和缓倾斜 厚矿体的高效采矿 ； 5 深井高应力矿岩诱导致裂落矿连续采矿技 术研究深井环境下 的应力转移可控技术 、 强制 与诱导耦合落矿技术， 创造集中强化连续采矿技术； 6 深井高应 力环境下 的采矿 系统与工 程结 构最大限度地减少巷道变形 、 井筒破裂 、 采场失 稳和冲击地压问题 ； 7 深井高浓度浆体和膏体充填技术研究 高浓度浆体和膏体输送技术 ， 深管暴裂、 磨损和废石 充填注浆技术 ； 8 水动力设备研制以深井高压水头为动 力 ， 研发水力钻机 、 水力支柱 、 水力通风机、 水力降温 机等 ； 9 深井低品位矿床原地破碎溶浸采矿重 点研究采用小型补偿 空间、 一次爆破矿岩 的致裂技 术 ； 1 0 井下选矿、 排废与精矿水力提升技术 ．6 ． 减少提升投入 ， 废料就地 回填 ， 减少深井提升量 ， 大 幅降低提升成本 ； 1 1 深井上行开采技术合 理调控工作线 长度 ， 减少工程对上部的扰动 ， 实现无 少 废开采 ； 1 2 深井上行与下行协 同开采技术研究 深部厚大矿体极大产能集 中强化开采综合技术 ； 1 3 深井开采移动 目标跟踪 、 定位与井下灾害 预警深井采矿作业 、 环境与采矿设备的动态监 测与灾害预警 ； 1 4 远程遥控 和 自动化采矿示范工程建 设深井开采 自动化、 信息化 、 智能化 的采矿示 范工 程 。 在我国， 深井采矿工程技术研究已经逐步开展 ， 如“ 九五” 开展了“ 千米深井矿 山 3 0 0万 t 级强化开 采综合技术” 攻关 ， “ 十一五” 开展 了“ 矿井深部开采 安全保障技术及装备开发” 、 “ 千米深井地压与高温 灾害监控技术与装备” 等 ， 在岩爆监控 、 预测等方 面 做了大量研究 ， 一些成果在生产实践 中得到了应用 。 在 国外 ， 南非深井采矿技术研究取得了许多创 新性成果， 如水压支柱 、 水力钻机 、 深井制冷降温 、 采 场刮板运输机 、 快速连续采矿法等 ； 还进行过在井下 粗磨一浮选 ， 并将 富集的细粒精矿泵送至地表 的研 究 。 3 走向金属矿业的未来 目标智能采矿 用信息技术改造传统产业 ， 是国家经济结构调 整和转变经济增长方式 的重要任务 ， 矿业也不例外。 未来矿山的智能采矿是 2 1世纪矿业发展的重要方 向和前瞻性 目标 。 3 ． 1 “ 智能采矿” 的科技内涵 “ 智能采矿 ” 或称 “ 智能 化采矿”， 有 的又称为 “ 自动化采矿” 。 何谓“ 智能采矿” 在矿床开采中， 以开采环境 数字化 、 采掘装备智能化 、 生产过程遥控化、 信息传 输 网络化和经营管理信息化为特质， 以实现安全 、 高 效 、 经济、 环保为 目标 的采矿工艺过程 ， 称为智能采 矿 。 “ 智能采矿” 是世界矿业正在生长发展 的、 富有 知识经济时代特点的采矿模式 ， 其科技 内涵大致包 括 1 矿床建模 和矿区绿色 开发规 划与工 程设 计 ； 2 金属矿山智能化采掘、 装载 、 运输设备 ； 3 与智能采矿设备相适应的采矿工艺技术 ； 古德生等 现代金属矿 业的发展 主题 2 0 1 2年第 7期 4 矿山通讯、 视频与数据采集的传输网络； 5 矿山移动设备遥控与生产过程集 中控制 ； 6 生产辅助系统监测与设备运行智能控制 ； 7 矿 山生产计划组 织 与经 营管理信 息 系统 等。 智能采矿是 2 1世纪矿业科技创新 的重要方 向， 概括地说 ， 其所追求 的综合技术 目标是 1 大型化智能化的遥控采矿装备和与其相适 应 的高效率采矿技术 ； 2 矿山生产系统集 中控制与生产组织经营管 理的信息化和科学化 。 3 ． 2国外“ 智能采矿” 的发展状况 从上世纪 9 0年代开始 ， 芬兰 、 加拿大 、 瑞典等国 家先后实施 了“ 智能化矿 山” 的技术发展规划 ， 并取 得采矿工业的技术竞争优势； 后来， 南非、 澳大利亚、 智利 、 印尼等 1 0多个国家也开展了这项研究 。加拿 大弗如德 斯大托 比 F r o o d ． S t o b i e n 镍矿采用智能 采矿已有 1 O多年 的历史 ； 智利 的埃尔 特尼恩特 e r ． T e n i e n t e 铜矿智能采矿的采区生产能力达到 1 万 t ／ d 。2个实例 1 瑞典基鲁纳矿 K i r u n a 。早在 1 9 7 0年 ， 主 要运输水平的机车运输就实现了在控制室遥控装载 与卸载和机车运输无人驾驶 自动运行 ； 其后 ， 又实现 了在控制中心遥控 S i mb a 4 6 W 凿岩台车和 由机载计 算机及导航系统控制 2 5 t 斗容 的 T o r o 2 5 0 0 E s装载 机 。 2 加拿大国际镍公司 1 n c o 。1 9 9 6年开始实 施了为期 5 a的采矿 自动化计划。其研究 内容有 5 项 ①先进的地下移动计算机网络 ； ②采矿过程监控 与遥控软件系统 ； ③适合远程遥控采矿 的特殊采矿 法 ； ④先进 的智能化采矿设备 ； ⑤地下铲运机的 自动 定位和导航系统 。到