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蔡美峰:如何实现深部开采技术的“弯道超车”?

时间:2021-10-02 12:06 点击次数:
  本文摘要:经过多年来的持续高强度研发,我国许多金属矿山早已转入深部铁矿阶段。而随着“三深一土”战略的实行,强化对深部资源的勘查研发,已沦为未来发展的主要方向。我国深部矿产资源高效研发状况如何?目前还不存在哪些瓶颈?该从哪些方面展开突破?在最近举办的矿业投融资暨采选实用技术学术会上,中国矿业报记者专访了中国工程院院士、北京科技大学教授蔡美峰。 记者:我国当前金属矿产资源的状况如何,人均占有量在世界上居住于什么水平?蔡美峰:我国矿产资源总量较非常丰富。

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经过多年来的持续高强度研发,我国许多金属矿山早已转入深部铁矿阶段。而随着“三深一土”战略的实行,强化对深部资源的勘查研发,已沦为未来发展的主要方向。我国深部矿产资源高效研发状况如何?目前还不存在哪些瓶颈?该从哪些方面展开突破?在最近举办的矿业投融资暨采选实用技术学术会上,中国矿业报记者专访了中国工程院院士、北京科技大学教授蔡美峰。

记者:我国当前金属矿产资源的状况如何,人均占有量在世界上居住于什么水平?蔡美峰:我国矿产资源总量较非常丰富。目前,我国已找到171种矿产资源,开发利用有储量的矿产168种,已开发利用矿产资源储量潜在价值大约占到世界矿产资源总价值的14.6%,居于世界第3位。

然而,我国矿产资源人均占有量相比之下高于世界平均水平。45种主要矿产资源,我国人均储量居于世界第80位,仅有为世界平均水平的58%。国民经济必须的大宗支柱矿产品种,如铁、锰、铜、铅、锌、铝土矿等金属矿产,皆无法符合市场需求。

每年60%以上铁精矿、70%以上铜精矿和50%铝土矿需从国外进口。主要金属矿产资源如此低的国外依存度,对我国国民经济发展包含了潜在的严重威胁。更加最重要的是,我国优势矿产的优势也正在弱化以至失去,如钨、锡、钼、锑、萤石、重晶石等,其供储量对2020年市场需求的确保程度分别仅有为89%、35%、85%、55%、15%、26%。记者:我国金属矿产资源的铁矿现状及其面对的问题有哪些?蔡美峰:经过新中国正式成立以来60多年的铁矿,我国浅部矿产资源大幅增加和耗尽,矿产资源尤其是金属矿产资源铁矿正处于向深部全面前进阶段。

2000年以前,我国只有2个金属矿山铁矿深度超过1000米。转入21世纪以来,发展速度迅速,目前有数16座地下金属矿山采深超过或多达1000米。

其中,吉林夹皮沟金矿、云南会泽铅锌矿和六苴铜矿、河南灵宝釜鑫金矿皆多达1500米。而当前国外采深1000米以上的金属矿山112座。

按数量名列,正处于前几位的国家是:加拿大28座,南非27座,澳大利亚11座,美国7座,俄罗斯5座。我国早已多达澳大利亚,居于世界第3位。但是,如果按照现在的发展速度,我国在较短时间内深井矿山数量就不会居于世界第一。在国外112座深井矿山中,采深多达3000米的有16座,其中12座坐落于南非,全部为金矿。

我国16座深井矿山中,金矿8座,有色金属矿山7座。国内外情况基本相近,深井矿山中,黄金矿山数量最多。近期在三山岛金矿西岭矿区1600米~2600米深度,开发利用了一个金金属储量400吨的大型金矿床,为我国在胶东半岛深部等类似于矿集区寻找更加大规模金矿床说明了方向。随着“三深一土”战略的实行及勘探技术和装备的变革,我国在3000米~5000米深部寻找一批大型金矿床是几乎有可能的。

多达,未来10年内,我国将有1/3以上金属矿山铁矿深度超过或多达1000米。深部铁矿是我国金属矿产资源研发面对的最主要问题,其中,黄金矿山首当其冲。未来矿产资源研发牵涉到绿色铁矿、深部铁矿、智能化矿业三大主题,其中深部铁矿是统率全局的主题。在深部铁矿中,还包括绿色研发、智能化矿业在内的所有矿业新理念、新模式、新技术都必需有创新性的发展,才能确保深部安全性高效铁矿的构建。

而深部铁矿将面对诸多的关键难题:一是深部低形变问题。深部低形变有可能造成破坏性的地压活动,还包括岩爆、塌方、冒顶、突水等由矿业开凿引发的动力灾害。二是岩性好转问题。浅部的硬岩到深部变为软岩,弹性体变为舟塑性体,这给支护和矿业安全性导致相当大开销,严重影响矿业效率和效益。

三是深井高温环境问题。岩层温度随深部以1.7℃/100米~3.0℃/100米的梯度减少。深井的高温环境条件严重影响工人的劳动生产效率。

而为了展开有效地降温,又终将大大增加矿业成本。同时,随着铁矿深度的减少,矿石和各种物料的提高高度明显减少,提高可玩性和提高成本大大增加,并对生产安全性构成威胁。

记者:要构建深部矿产资源的安全性高效研发,必需解决问题好哪些方面的制约?蔡美峰:为了解决问题深部铁矿一系列关键技术难题,必需普遍吸取各学科的高新技术,拓展先进设备的非传统的矿业工艺和技术,建构更高效率、更加低成本、最多环境污染和最差安全性条件的矿业模式。一是深井低形变条件下的岩爆预测与防控。

矿业开凿前地层正处于大自然平衡状态,矿业开凿引发地应力向开凿空间获释,构成“获释荷载”,造成围岩变形和应力集中,产生扰动能量。当岩体中挤满的扰动能量超过很高水平,并且在围岩经常出现裂痕等情况下忽然获释,就产生冲击毁坏,即岩爆。这是对岩爆机理的精确了解。

基于上述岩爆所致机理,岩爆预测不应与矿业过程紧密结合,根据未来铁矿计划,使用数值仿真等办法,定量计算出来出有未来铁矿所致扰动能量的大小、时间和在岩体中的空间产于状况及其随铁矿过程中的变化规律,就可以利用地震学中地震能量与震级的关系式,对未来铁矿所致岩爆的发展趋势及其震级规律作出预测。某种程度基于岩爆的所致机理,岩爆防控不应主要从优化采矿方法、铁矿布局和铁矿顺序应从,增加和掌控铁矿过程中扰动能量的挤满,从而减低和掌控岩爆的再次发生。同时,采行吸取能量、以防冲击的支护措施,制止和弱化岩爆的冲击毁坏起到。二是深井高温环境掌控与降温管理。

地下岩层温度随深度的减少而梯度下降,一般来说千米以上深井岩层温度将多达人体温度。根据我们近期调查,我国多达700米的浅金属矿有100多座,多达700米后岩温广泛多达35℃。

高温造成工作面条件相当严重好转,劳动生产率和设备作业效率大大上升,并可导致相当严重灾害事故。国内外常用的矿井降温技术有非人工加热器和人工加热器两大类。矿井通风是主要的非人工加热器降温技术,但井深多达千米后,常规通风无法超过安全性规程对井下工作面环境温度拒绝。

人工加热器降温还包括水冷和冰冷两种。水冷是在地面或地下申请专利冷水送往井下工作站,通过高低压换热器和空冷器使风加热后,将冷风送往工作面降温。冰冷在井上申请专利粒状冰或泥状冰,送来至井下融冰池融冰,融冰构成的冷水送来至工作面展开喷雾降温。人工加热器和非人工加热器都是被动式降温技术。

为高效解决问题深井降温问题,必需充分发挥主动式降温技术,重点在以下两个方面:一是深井高温岩层防水技术。研发新型高效的防水新材料、新技术、新工艺,对岩层高温展开隔绝,在此基础上,再行使用人工加热器降温技术等,就不会使井下巷道和矿业工作面获得较好的降温效果。二是深井地热开发技术。

地热是一种天然能源,目前能源系统正在利用矿业技术展开地热铁矿的战略研究。如果将深井矿业和深部地热研发有机融合一起,就为采矿工程深井降温寻找了一条具备颠覆性的技术途径,可以构建深部能源开发与资源研发的共赢。所以,就目前的矿业技术和铁矿成本而言,在地下3000米以下展开矿产资源研发并不是十分经济的作法。

EGS/E深地地热铁矿技术将矿业技术用作地热研发,既能极大地提高深部地热研发效率,又能很大地减少深地矿业的成本,为解决问题未来的能源问题以及深部矿业的经济性问题修筑了有效途径。二者的理想融合和双赢,将是能源领域和矿业领域科技创新的重大突破,具备颠覆性的效果。我国有期望在这两个方面获得具备中国标记的领先世界的突破性进展。记者:随着科技的发展,非传统的矿业技术已渐渐替代传统矿业技术。

目前,在非传统矿业技术方面有哪些进展?蔡美峰:传统的炸开矿业技术不但毁坏围岩稳定性,而且矿石、废石一起采行,大大增加了提高和选矿的工作量和成本。从长远目标抵达,使用机械盾构机、机械凿岩方法,以倒数切割成盾构机、矿业技术代替传统炸开矿业工艺展开矿业是一个最重要方向。机械切割成铁矿空间不须要实行炸开而明显提高围岩巩固性,并且不不受炸开安全性境界容许,不断扩大铁矿境界;机械切割成能精确地铁矿目标矿石,使矿业损失率和矿石贫化亲率降至低于。但矿业机作业不受金属矿床形态多变及简单地质条件的容许,切割成头的寿命及费用是实行该技术必须解决问题的关键问题。

在这里,要讲解几种非传统矿业技术及其进展。高压水射流破岩盾构机与矿业技术:高压水射流技术是上世纪70年代发展一起的一种清除、切割成新技术。

从高压燃烧室射向的高速水射流具备相当大的能量,在目标靶上可产生极大的冲击力,用来切割成岩石、碎裂岩石等。目前该技术已用作软岩和中等硬岩,大量应用于水射流技术研制的采煤机、切割机和清洗机相继问世,并展开了工业试验和推广应用。但在碎裂柔软矿岩时,必须用于更高的水射流压力才能构建,而目前的水射流发射装置系统尚能无法忍受如此低的压力。为了解决问题软岩破岩问题,高压水射流需向超高压大功率化方向发展,必须更进一步发展和完备超高压水射流部件和设备,为在金属矿硬岩中应用于创造条件。

激光破岩盾构机与矿业技术:激光破岩是利用高能激光束产生的热量对岩石局部很快冷却,当温度充足低时,就不会产生一系列简单的物理化学反应,并随温度增高依序构建碎裂、分解成、融化和汽化三种破岩形式。矿业破岩只要构建碎裂才可,当高能激光起到于岩石表面时,岩石局部很快不受热膨胀,造成局部热应力增高。

当热应力低于岩石无限大强度时,岩石就不会再次发生热碎裂,构建切割成破岩。岩石表面的微裂缝和孔隙等使其无限大强度减少,因而不会激化这种热碎裂起到。等离子破岩盾构机与矿业技术:这种技术首先向岩体内钻孔,然后将同轴电极密切地取出钻孔中,并在电极前端充满著电解质溶液。

接上相连同轴电极的电容器组,在低电能的起到下,电解质迅速转变成高温高压的等离子气体。高温高压的离子气体很快收缩构成强劲的冲击波,造成类似于化学炸药产生的炸开效果,其产生的压力可多达2GPa,不足以裂痕柔软岩石。

记者:绿色铁矿是矿山铁矿的发展方向。当前,我国在大力提倡绿色生态矿业模式,您指出该模式主要有哪几方面?蔡美峰:一是无废置铁矿模式。无废置铁矿的目标是最大限度地增加废料的生产量、废气,提升资源综合利用亲率,减低或杜绝矿产资源研发对生态和环境的毁坏。

矿山无废置铁矿模式遵守工业生态学的观点,以矿业活动为中心,将矿山、资源环境和经济环境联系起一个有机的工业系统,以大于的排放量提供仅次于资源量和经济效益。矿业活动完结后通过大于的末端管理使矿山环境与融一个整体。为了构建无废置铁矿,不应大力提高采选技术水平,大力减少矿石贫化亲率等,构建废料生产量最小化,从源头上掌控废石产出率。

同时,尽量提升选矿回收率,增加尾矿排放量,将矿石资源中由于选冶水平较低而无法利用的成分减半到最多。强化综合重复使用,构建废弃物的资源化,提升废弃物的整体利用水平,努力实现矿山故土废弃物的零排放、零堆存。二是原地溶浸矿业模式。

这是一种集采选一体化的技术,通过钻孔或炸开在矿体中构成注液地下通道,必要将溶浸液体流经矿体中。溶浸液浸出的富矿液重复使用后经集液地下通道送往地表展开处置。该方法省却了矿业作业,由洗矿液必要重复使用金属,可大大减少矿业作业和提高的工作量,是较理想和较能构建大规模现场应用于的无废采矿方法,对深部矿床铁矿具备较强的适应性。

但目前该工艺可回收的大宗金属品种过于较少,只有铀、铜和金三种,必须大力研究使用该工艺重复使用更加多金属矿种的技术。三是地下采选一体化模式。在矿石提高地面之前,在井下展开复赛和实富含,抛去大部分废石,可以明显降低矿石提高量。

另外,西方国家于是以试验使用水力提高方式替代箕斗、罐笼等传统提高方式,矿石在地下复赛后展开碎裂和磨矿,然后用泵扬送往地面选矿场。由于不必须开凿竖井,可大大减少井巷工程投资,使采矿工程的安全性获得很大提升。

将选矿平台辟在井下,地下选矿后必要向地面运送精矿,可大量增加废石的提高量,是解决问题提高难题的一个重要途径。同时,废石与尾矿回到井下用作采空区填充,构建原地利用,并增加排泄地面后对的污染、毁坏。

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而且,地面无选矿厂和尾矿库,省却了征地辟尾矿库和管理尾矿库的费用,堪称一举多得。四是遥控智能化无人矿业模式。这是最差的应付大大好转的深部铁矿条件和环境条件,最大限度提升矿业效率、确保铁矿安全性的最显然、最有效地、最可信的方法。

目前,国内外仍正处于建设“无人矿山”的初级阶段。在此阶段,无人矿业的核心技术依然是矿业工艺和生产的组织管理的自动化与智能化。新一代高级无人矿业技术终将牵涉到矿业工艺及生产过程自身的变革。

记者:总体来看,我国矿业技术与西方国家比起还有怎样的差距?我们应当如何构建领先于?蔡美峰:西方国家上世纪80年代就开始实行井下工作面的无人矿业,而目前我国不少矿山就连全盘机械化作业还做到将近。但从总体上看,我国的矿业技术在许多方面已相似或超过国际先进设备水平。矿山整体差距主要反映在大量矿山的矿业设备比较落后,先进设备矿业设备主要从国外进口,价格昂贵,这是制约我国矿业变革的关键问题。

为了解决问题上述问题,我国必需增大科技投放,以引入-消化吸收-再行创意为基础,扎根自主创新。首先在自动化矿业装备研制方面获得突破,在较短时间内构建大型自动化矿业装备国产化。这就为加快我国自动化智能矿业技术的推广应用建构了可信的条件。

同时,对一批新建的大型地下金属矿山,从设计一开始就高起点投放,投产后就能构建自动化遥控智能化矿业作业。这批矿山竣工后,产量不会占到我国地下金属矿山产量相当大一部分,可以从整体上造就我国自动化、遥控智能化矿业水平上一个台阶。

此外,我国专门从事矿业科技研究和矿山专门从事工程科技应用于与管理的人数多、力量强劲,只要集中力量,就可以在矿业新技术、新工艺研究与应用于方面获得突破,为无人矿业从“初级阶段”向“高级阶段”过渡性创造条件。所以,比较西方矿业发达国家,我国的采矿工程科技在不远处的将来,构建“急弯转弯”是大有希望的。


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