未来矿业研究和开发的几个重要领域.pdf

第 1 4卷第 l l 期 2 0 0 5年 1 1月 中 国 矿 业 CHI NA MI NI NG M AGAZI NE Vo 1 ．1 4， No ．11 No v e mb e r 2 0 0 5 未来矿 业研 究和开发 的几 个重要领 域 张小兵 杨 光 刘 煜 中国矿业大学 北京校区 资源系 北京 1 0 0 0 8 3 摘要2 1 世纪 ，知识经济将对矿业科技 的发展发挥 重要作用。文中详细论述未来矿业研究和发展 的几个重要领域及发展趋势 ，即寻找新的矿藏 ；采掘条件 的超前 信息 ；对 矿藏更有效 的利用 ；更安全 更 有效 的采矿方法 ；矿物开采 中的环境保护 ；废物处理 和资源管理 。 关键词 矿业矿物勘探采矿方法 环境保 护 中图分类号T D 0 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 O 4 4 0 5 1 2 0 0 5 1 1 ～0 O O 8 一O 3 M AI N AREAS F oR FUTURE M I NI NG RES EARCH AND DEVELoPMENT Z h a n g Xi a o b i n g Ya n g Gu a n g Li u Yu Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g yB e r i n g 1 0 0 0 8 3 Ab s t r a c t I n 2 1 s t c e n t e n a r y ， t h e k n o wl e d g e e c o n o my wi l l p l a y i mp o r t a n t r o l e i n t h e d e v e l o p me n t o f mi ni n g s c i e nc e an d t e c hn ol og y． Thi s pa pe r d i s c u s s e s t he ma i n a r e as a n d t e n de n c y f or f u t u r e mi ni n g r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t ， wh i c h a r e s e a r c h i n g f o r mi n e r a l d e p o s i t s ，a d v a n c e k n o wl e g e o f mi n i n g c o n d i t i o n s ． b e t t e r u t i l i s a t i o n o f mi n e r a l d e p o s i t s ． s a f e r a n d mo r e e f f i c i e n t me t h o d s o f mi n i n g，a n d e n v i r o n me n t a l l y a c c e p t a b l e me t h o d s o f mi n e r a l e x p l o i t a t i o n， wa s t e mi n i m i s a t l o n a n d r e s o u r c e ma n a g e me n t ． Ke y w o r d s M i n i n g M i n e r a l e x p l o r a t i o n M i n i n g me t h o d En v i r o n me n t a l l y a c c e p t a b l e me t h o d s 世界进入工业 经济时代 已有 2 0 0多年的历史 。 2 1 世纪 ，世界将进入全球化 的知识经济 时代 。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 术等等在矿业领域 的应用 ，已成为矿业科技发展 的 源泉和动力。在矿 山通风 ，煤尘与瓦斯爆炸 ，煤尘 的抑制以及矿山地表的控制等领域里 ，科学研究和 应用 已经取得了较大的进展。并且矿山通风和矿山 岩石力学发展成为采矿科学的分支学科 。 在很大程度上未来矿业研究的方向和内容是被 人们对矿物的不断增长的需求所决定的。尽管人类 对矿物资源特别是能源的利用效率已经取得 了重大 的改善 ，可是未来在全球范围人们对矿物的消耗将 会持续的增长。造成这种状况的主要原 因是全球范 围内人 口的不断增长 ，以及许多发展中国家正 向发 达 国家转化 。为了满足这种需求 ，并且在保护环境 的同时确保矿物供应的稳定性 ，应特别关注以下几 收稿 日期 2 0 0 5 0 5 一Z 9 作者简介 张小兵 1 9 7 0 一 男 山西大 同人 中国矿业 大学北京 校区博士研究生 主要 研究方 向矿业系统工程和采矿工艺 个领域 寻找新 的矿藏；采掘条件 的超前信息 ；对 矿藏更有效的利用 ；更安全更有效的采矿方法 ；矿 物开采中的环境保护；废物处理和资源管理。 1 寻 找 新的矿 藏 大部分易采的高质量矿藏 已经被开采了，寻找 新 的矿藏既费力又费时。与矿物勘探相关联的成本 风险是比较高的 ，传统的矿物勘探方法是建立在地 质填图和取芯钻井的基础上 ，这些方法虽然很重要 但是都有其局限性 ，因此必须发展一些新的勘探方 法 。 这一点上最有希望的是地球物理方法和地球化 学方法。地震勘探是地球物理勘探方法的一种 ，它 是通过对岩石 弹性 物质 的研究来解决地 质构造 问 题 ，通过人 工激发所产生 的地震波在地 壳 内的传 播 ，当遇到弹性性质不同的分界面时，利用地震仪 的地面将反射及折射的地震波接收并记录下来 ，经 过分析和研究 ，推算地下不同岩层分界面的埋藏深 度等要素，来了解地层的构造形态。遥感地球化学 是地球化学与遥感技术相结合而产生的一 门新的学 科 。遥感地球化学是以物质电磁波理论为基础 ，借 助遥感技术获取数据 ，研究化学元素在地表或其它 维普资讯 第 1 1 期 张小兵等 未来矿业研究和开发的几个重要领域 行星表面的分布、含量及迁移的科学 ，它的特点是 快速、大范围获取数据。利用这一技术可以探测到 具有诊断性光谱特征的、指示矿床和矿化带存在的 蚀变粘土矿物、碳酸盐、氢氧化物、硫酸盐等，由 此可以绘制矿物成分分布图及丰度图，指导找矿 。 对于油气资源 ，可以根据烃类微渗漏理论 地下油 气藏在地表形成 的地球化学场异 常特征 的波谱响 应圈出勘探靶区。 2采掘条件 的超前 信息 和其他的工业行业相 比，一个新的矿山企业从 投资到达产 ，时间和金钱的花费是相当巨大的。建 矿时间 5 ～8年，投入资金几亿 到几十亿是很平常 的。因此对矿藏本身的细节以及对矿藏赋存环境信 息掌握 的有限性 ，所 以矿 山企业 的风 险是相 当高 的。这个 问题是伴随着这一事实相关 的矿山主要 设计以及所采取的采矿方法不得不在早期决定。由 于缺乏矿山采掘条件超前 的地质信息 ，许多大的矿 山项 目经常面临着失败的危险。例如在南非设计能 力是年产 1 0 0 0万吨 的 Ma j u b a煤矿 ，这 个煤矿是 专为一个配套电厂服务 的，从上世纪 8 O年代开始 投产，可从来没有达到过设计产量。因为矿藏中粗 粒玄武岩的广泛分布使得长臂采矿的方法不可能使 用。而对这个问题的严重性在勘探和设计阶段是没 有认识到的。该煤矿经过几年柱式开采后不得不关 闭，而与该矿配套新建 的功率为 3 6 0 0 MW 的电厂 用煤也只能从其他地方进口了。因此对于矿藏采掘 条件的预测是非常重要的。这就要求对矿藏的赋存 条件进行尽可能详细地分析，预测危及矿藏开采的 各种可能性 ，提前制定防范措施 ，降低开采风险。 3对矿藏 更有效 的利 用 矿藏在地壳中的分布是不均匀的，在采矿的过 程中地壳原有的受力平衡会被打破 。因此矿藏 的剩 余部分随着时间的推移越来越难开采，并且开采成 本越来越高。对 于未来 的一 代许 多的矿藏将会丢 失。既然矿藏是不可再生的，所以应该尽可能的提 高矿物的回采率 。采矿实践表 明，由于种种原 因， 大部分的矿物在采矿的初期不能被完全采出，大量 原始 的矿物资源 白白的浪费掉了。例如地下采煤中 5 O 的原煤不能被采出是不稀奇的，尤其是一些地 方小煤矿。考虑到社会对矿物持续的需求 ，这一代 人是有责任尽量高效的利用矿藏以保证下一代人的 发 展 。 对矿藏不 完全的开发原 因有许 多，最重要 的 是 矿藏的一部分未被开采用来支撑矿藏的上覆岩 层 。 为了投 资的快 速 回报 ，或者是 由于技术 的原 因，一些较低品级 的矿藏未被开采。 在开采过程 中由于其危险性 ，一些矿藏未被开 采。典型的例子是深部坚硬岩石矿藏的岩层突裂 。 部分的矿藏未被开采是因为在开采过程中受到 开采技术的限制 。 在一些组成 比较复杂的矿藏中，只有部分被利 用，而矿藏 的其他组成因为没有市场被浪费掉。 由于在开采过程中对地表的影响 ，一些矿藏被 禁止开采。 从以上所列条 目分析 ，矿藏不完全开采的原因 可归结为三方面 技术 、经济和政治 。通过研究和 开发 ，目前影响矿藏有效利用的技术和经济的难题 可以极大程度的解决。例如，地面堆浸方法就是一 种从低品位矿石提取金属的有效方法 ，已发展到大 规模和机械化程度，它不仅可以处理氧化矿、低品 位铜矿 包括表外矿、废石、浮选尾矿 ，而且可 以处理硫化铜矿和铜精矿 。 4 更安 全更有 效的 采矿 方法 尽管采矿作业的安全性 已经取得 了很大 的进 步 ，但是采矿工程 ，特别是地下采矿工程仍然是危 险性很 大的活动 。采矿作业的危险性主要源于有 限的工作空间、岩石应力和温度太高、岩石条件的 差异 、矿藏的地质条件以及矿藏 中有毒有害的气体 等。许多矿藏的岩石 由于其强度和硬度只能采用爆 破的方法来开采，这势必影响自动机械化在采矿中 的应用。因此采矿作业经常是劳动密集型的，这对 采矿的安全和生产都有消极的影响 。如果矿藏岩石 的力学性质有利于机械化开采 ，采矿的安全和效率 就能得到极大的改善 。例如现在煤矿的综合机械化 工作面就是很好的例证。 近 2 O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。地下矿山的 3种高效率采矿 法 大直径深孔落矿空场采矿法 ，机械化充填采 矿法及 大量 崩落采 矿法将 朝着 高 阶段 1 2 0 ～ 2 0 0 m ，大采场 矿段 ，一步骤 回采，采准 、切 割合二为一的方向发展 。它们在大规模开采和集中 强化开采中将发挥重要作用 。 目前正在研究一些高技术的特殊采矿方法 ，如 研究高压水胀裂矿岩采矿法 、镶嵌金刚石刃具的钢 绳切割采矿法，开采弱黏结性矿物的深孔水力采矿 法和原地破碎溶浸采矿法等。原地溶浸采矿是理想 的清洁采矿方法 ，它分为钻孔溶浸法和原地爆破破 维普资讯 l O 中 国 矿 业 第l 4 卷 碎溶浸法两类 ，前者是将浸 出液通过钻孔注入地下 矿体 中，有选择性地浸 出有价组分 ，再将溶液抽出 送车间回收有价金属 。后者是将矿块爆破破碎后 ， 在上部 中段 喷洒溶浸 液，下部 中段 收集富液。近 年 ，我国也开始试验原地爆破破碎溶浸法 。 2 1 世纪的矿 山还需要引入一种全新 的采 矿观 念，构建一种全新 的数字化与智能化的矿 山模式 ， 或者说高度现代化 的无人采矿模式 。就露天矿来 说 ，如何有效地、动态地监测、调度和管理设备 ， 并协调好人员与设备、设备与设备 、设备与生产的 关系，是露天矿实现无人采矿 目标的重要内容。地 下矿 山的无人采矿 已有许多研究，但它的难度比露 天 矿要 大得 多。 5 矿物 开 采中的 环境保 护 在地壳 中提取矿物对 自然环境 的影 响是巨大 的。采矿作业对环境的影响范围很广，主要包括 爆破作业过程产生的噪音 、尘埃以及爆轰波引 起 地表 的振 动 。 水 污染 。 地 表沉 陷 。 对 生态 系统 的影 响。 例如矿井疏排水导致地下水位下降 ，给农 田灌 溉和生活用水带来 困难。在有些矿 区，地下水疏降 已导致地表下沉系数 地表最大下沉值与煤层开采 厚度之比超过 1 ． 2 。一些矿区因地表冲积层水位 下降 ，引起矿井井筒破坏。水资源的污染对生态平 衡的影响量大而广 ，平均每开采一吨原煤需排放二 吨地下水 。由矿井水、选煤厂的污水和煤矸石渗水 构成的矿区水污染源，对环境的危害很大。在有的 地区，由于水源和江河湖海的严重污染 ，居 民用水 短缺。因此对环保型采矿方法的研究与发展是非常 紧迫的，也是非常重要的。最近几年这方面取得 了 很大的进步 ，但是还远远不够。 矿 区土地 复 垦技术 可 以尽 量 的减小 采矿 对 环境 的影响。矿区土地复垦是指对在矿物开采过程中因 挖损 、塌 陷、压 占等造成破 坏的土地采取整 治措 施 ，使其恢复到可供利用状态的活动。矿区土地复 垦要求在生态学原理的指导下，恢复原有的生态系 统或创造一个新的与当地 自然界和谐的生态系统 。 地表沉陷控制主要有两种技术途径 一是以支 撑煤柱 为核心的技术 ；二是以充填体为核心的技术 途径。对支撑煤柱方案 ，主要原则是选择优化的煤 柱 留设方式，在容许地表下沉范围内最大限度采 出 煤炭资源。在中国，采用条带法开采的实例 已超过 3 0个。采 出率在 4 0 ～6 0 ，地表下沉系数 为 0 ． 1 t O ． 3 。这一方案面临的问题是开采效率较低 ，难 于实现综合机械化 。对充填体控制 岩层 移动的方 案 ，原理是充分利用上覆岩层移动过程中可能产生 的充填空间，注入充填材料，使充填体和岩层相互 作用而形成一个稳定平衡结构 ，从而抑制岩层移动 向地表发展 。 6 废 物处理 和 资源管 理 采矿方法的发展以及富矿的不断损耗导致了 目 前所开采的矿藏 品位等级越来越低 。现在开采的金 属矿藏许多矿藏的金属浓度不足 1 ，而贵重金属 矿藏的浓度常常是不 足 l O p p m。这 导致 了每年都 要产生大量的矿物废渣。许 多情况下矿物废渣都是 在地面以废料堆或废料池的形式处理。堆存这些废 料 占用很多土地 ，其 中不少是耕地 ，而我国的人均 耕地面积只有世 界平均水平 的 2 8 。如果地 表水 与废石相互作用形成酸性水 ，便成为更加严重的环 境问题 。为了解决 日益严重的环境问题 ，也为了延 长非再生资源的使用年限，加速无废开采工艺的研 究 与推广 ，尽快使之走向适用阶段，使矿业走上可 持续发展之路 ，是人类当前乃至今后相当长一段时 间内的一项重要任务。相 比之下地下开采在废物处 理方面有许多优点 。首先地下开采 的废料不 占用地 面，其次利用矿物废料填充采空区可以有效的控制 地表沉陷和变形 。用矿物废料作为充填材料可以解 决工业垃圾 的资源化利用 ，以及降低充填成本。同 时对解决矿物废料给生态环境带来 的污染 ，对我国 矿业资源的可持续开采将具有重大意义 。 7 结语 矿山数字化与智能化 以及环保矿山，构架了未 来矿山的模式。它是一个高度现代化的矿山，矿业 将发生革命性的变化。到那时，采矿方法将不是现 在 的采矿方法 ，采矿工艺将不再是现在的工艺 ，从 事生产的不再 是现在 的矿工 ，而是 由地质 、机械、 电气 、计算机、数学等各个领域的工程师组成的专 家组 。矿业科学也将成为由更多学科交叉形成的一 门崭新的学科 。我们应以新的观念、新的姿态去迎 接 2 1 世纪知识经济对矿业的历史性挑战。 I 参考文献 [ 1 3 崔建强．基于似膏体充填的建筑 物下采 煤新模 式． 矿冶工 程 2 0 03 5 5 1 1 ． C 2 3徐永圻．煤炭地下开采技 术的发展 与展望．煤 炭学 报，1 9 9 7 2 2增 刊7 1 7 6 ． C 3 3孔庆 峰． 浅谈 岩 金 地 下 矿 山采 矿方 法 的 选 择． 黄 金 2 0 0 1 1 o2 22 5 ． C 4 3 吴 昀昭．遥感地球化学研究．地球科学进 展 2 0 0 3 2 2 2 8 2 5 维普资讯