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现代金属矿业的发展主题
2012-07-23
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。
SeJruileysꢀ N2o014233 ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ 20总12第年 4第337期期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE · 专 题 综 述 · 现代金属矿业的发展主题 1 2 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 Development Theme of the Modern Metal Mining 1 2 Gu Desheng ꢀ Zhou Keping ( 1 Central South University; 2 School of Resources and Safety Engineering, Central South University) Abstractꢀ China is a big mining country, but not a strong one yet In order to accelerate the modernization of metal mining industry, in accordance with national conditions and thinking about the future, three metal mining developmental themes are put forward, which are: green mining; deep mining and intelligent mining The paper has discussed the mining developmental topics related to definitions, connotations, the background of innovation, science and technology require ments and prospects for development, respectively Furthermore, some innovative academic ideas are proposed Keywordsꢀ Metal mine, Green mining, Deep mining, Intelligent mining WWW.KY114.CN 990— 2010 年 , 我 国 人 均 GDP 增 长 20 8 倍 , 而 在 金 ꢀ ꢀ 当 前 , 我 国 正 处 在 工 业 化 的 中 期 阶 段 , 是 国 家 经 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 ; 济 的 快 速 发 展 、 人 均 金 属 消 耗 量 增 长 最 快 的 时 期 。 1 属 消 耗 量 中 , 钢 增 长 了 8 4 倍 , 10 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 。 ( 2) 资 源 形 势 严 峻 , 大 宗 矿 产 的 对 外 依 存 度 已 高 达 50% 以 上 ; 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 。 ( 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 90 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 : 我 国 金 属 矿 业 90% 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 9 000 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 70 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 。 古 德 生 ( 1937— ) , 男 , 中 国 工 程 院 院 士 , 教 授 , 博 士 研 究 生 导 师 , 410083 湖 南 省 长 沙 市 。 · 1· 总 第 433 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2012 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 。 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 - 经 济 - 环 境 三 者 统 一 协 调 的 开 发 过 程 , 称 为 绿 色 开 发 。 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 。 1 ꢀ 遵 循 矿 业 可 持 续 发 展 模 式 ——— 绿 色 开 发 1  1ꢀ 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 。 “ 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 。 1 972— 1987 年 , 国 际 论 坛 发 表 了 许 多 具 有 划 时 1 3ꢀ 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 。 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] 。 1 3 1ꢀ 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 : 1 972— 2002 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 》 、 《 21 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 、 WWW.KY114.CN 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] 。 [ 1  2ꢀ “ 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 18 世 纪 中 叶 产 业 革 ( 1) 矿 区 资 源 绿 色 开 发 设 计 ; ( 2) 经 济 - 生 态 - 环 境 统 一 的 开 采 方 法 与 采 掘 工 艺 ; 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 。 ( 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 2ꢀ 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 80% ~ 98% 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 180 多 亿 t, 每 年 的 采 掘 矿 岩 总 量 还 以 超 过 10 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 。 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 · 2· ꢀ ꢀ ꢀ 古 德 生 等 : 现 代 金 属 矿 业 的 发 展 主 题 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2012 年 第 7 期 现 代 矿 山 的 开 拓 系 统 与 采 掘 工 程 设 计 在 满 足 生 ( 5) 选 矿 在 线 检 测 与 过 程 自 动 控 制 技 术 ; … … 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 3 5ꢀ 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) 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 3ꢀ 矿 产 资 源 的 充 分 开 发 与 回 收 ( 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 ; 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 80% ~ ( 4) 不 同 开 采 环 境 的 保 水 技 术 ; 9 0% , 而 地 下 矿 只 有 50% ~ 60% 。 我 国 金 属 矿 床 主 ( 5) 矿 山 地 下 水 污 染 控 制 与 修 复 技 术 ; … … 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 35% ~ 45% ; 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 3] : 1 3 6ꢀ 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 [ WWW.KY114.CN ( ( ( 1) 地 下 大 型 化 智 能 化 无 轨 采 掘 设 备 研 制 ; 弃 土 地 的 复 垦 率 只 有 12% ( 发 达 国 家 高 达 70% ~ 80% ) , 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 。 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 ; 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 3] : ( 5) 矿 块 自 然 崩 落 智 能 采 矿 技 术 ; … … 1  3 4ꢀ 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 , ( 1) 矿 山 重 金 属 污 染 土 地 生 物 修 复 ; 采 选 回 收 率 低 ( 铁 矿 为 65% ~ 70% , 有 色 行 业 为 ( 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 ; 4 0% ~ 75% ) ; 废 石 和 尾 矿 中 大 量 有 价 元 素 的 利 用 率 也 很 低 , 铁 矿 约 20% , 有 色 金 属 矿 为 30% ~ 35% ( 国 外 50% 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 : … … 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 。 ( ( ( ( 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 ; 2ꢀ 开 拓 金 属 矿 业 的 前 沿 领 域 ——— 深 部 开 采 2 1ꢀ 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 · 3· 总 第 433 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2012 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 800 ~ 1 000 m 时 , 视 为 矿 山 转 入 了 深 部 开 采 。 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 。 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 1 000 m 的 矿 山 有 2 2 2ꢀ 关 于 高 井 温 ( 30 ~ 60 ℃) 灾 害 。 根 据 欧 洲 对 2 000 m 的 钻 孔 观 测 , 地 温 梯 度 大 体 为 0 025 ~ 0 03 ℃ / 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 1 100 m) 开 拓 范 围 内 的 井 温 为 32 ~ 40 ℃, 南 非 的 西 部 矿 ( 井 深 3 300 m) 井 下 气 温 达 到 50 ℃, 日 本 丰 羽 铅 锌 矿 ( 井 深 500 m) 因 受 裂 隙 热 水 影 响 , 井 下 气 温 达 到 80 ℃。 8 0 多 座 , 其 中 为 数 最 多 的 是 南 非 。 按 开 采 深 度 划 分 : 深 度 1 000 ~ 2 000 m 的 有 60 多 座 ; 2 000 ~ 3 000 m 的 12 座 ; 3 000 m 以 上 的 有 3 座 。 其 中 最 深 的 是 南 非 卡 里 顿 维 尔 金 矿 , 竖 井 4 164 m, 开 采 深 度 已 达 [ 9] 。 3 800 m 我 国 的 金 属 矿 山 也 有 一 批 进 入 了 深 部 开 采 : 夹 皮 沟 金 矿 1 600 m、 会 泽 铅 锌 矿 1 360 m、 红 透 山 铜 矿 1 300 m、 冬 瓜 山 铜 矿 1 100 m、 寿 王 坟 铜 矿 1 000 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 15 ~ 20 a 内 , 我 国 将 有 大 批 金 属 矿 山 转 入 深 部 开 采 。 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 26 ℃ 以 后 , 温 度 每 增 1 ℃, 井 下 工 伤 事 故 上 升 5% ~ 14% , 工 人 劳 动 生 产 率 下 降 7% ~ 10% ; 当 井 下 气 温 超 过 35 ℃ 时 , 将 威 胁 人 的 生 命 。 我 国 过 去 深 部 资 源 勘 探 不 足 , 主 要 开 采 600 m 以 上 矿 床 。 近 5 a 来 , 实 施 深 部 找 矿 工 程 , 有 160 多 个 矿 山 在 深 部 找 到 了 价 值 超 过 1 万 多 亿 元 的 矿 产 资 [ 2] 。 此 外 , 深 井 通 风 和 降 温 费 用 增 加 , 生 产 成 本 大 增 WWW.KY114.CN 源 。 深 部 资 源 潜 力 很 大 , 深 部 开 采 是 矿 业 发 展 的 必 高 硫 的 铁 矿 、 铜 矿 、 铅 锌 矿 、 锡 矿 、 金 矿 大 约 占 各 矿 种 的 10% ; 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 。 然 。 2  2ꢀ 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 。 我 国 《 煤 矿 安 全 规 程 》 规 定 : 井 下 工 作 面 温 度 不 得 超 过 26 ℃, 超 过 30 ℃ 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 28 ℃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 3 200 m, 原 岩 温 度 高 达 63 ℃, 在 地 表 建 立 7 000 kW 的 制 冷 站 , 制 造 100 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 1ꢀ 关 于 高 应 力 ( 40 ~ 80 MPa) 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 1906 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 1933 年 最 早 出 现 岩 爆 问 题 , 目 前 , 红 透 山 铜 矿 等 20 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 2 2 3ꢀ 关 于 高 井 深 ( 1 000 ~ 5 000 m) 难 题 高 井 深 将 直 接 影 响 矿 井 提 升 、 通 风 、 充 填 、 排 水 、 · 4· ꢀ ꢀ ꢀ 古 德 生 等 : 现 代 金 属 矿 业 的 发 展 主 题 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2012 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 7] 。 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 ? 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 ( 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 ? 性 [ 4] 。 应 该 特 别 指 出 的 是 深 井 提 升 问 题 。 随 着 井 深 增 2 3 2ꢀ 深 井 开 采 的 重 要 科 学 问 题 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 。 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 2, 56] : [ 关 于 深 部 开 采 的 合 理 深 度 问 题 , 国 外 深 井 提 升 一 般 不 超 过 2 000 m, 当 达 到 2 000 ~ 4 000 m 井 深 ( 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 。 WWW.KY114.CN 时 , 往 往 采 用 两 段 提 升 。 南 非 德 兰 士 瓦 公 司 在 设 计 矿 井 时 以 4 000 m 作 为 极 限 开 采 深 度 , 因 为 4 000 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 , 4 000 m 深 处 的 原 岩 温 度 通 常 达 到 45 ~ 50 ℃, 矿 井 降 温 、 排 水 和 通 风 问 题 更 加 突 出 。 ( 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 。 深 井 提 升 的 实 例 : 南 非 卡 里 顿 维 尔 矿 , 主 井 2 座 , 开 拓 深 4 154 m, 采 深 3 800 m, 年 产 量 3 329 万 t, 矿 井 采 用 两 段 提 升 ( 分 别 为 2 300 m 和 2 000 m) ; 采 用 直 径 6 m 的 滚 筒 式 卷 扬 机 , 21 t 箕 斗 ; 提 升 速 度 ( 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 间 、 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 。 [ 9] 。 为 15 ~ 20 m/ s 2  3ꢀ 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 。 ( 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 。 2  3 1ꢀ 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 。 在 我 国 , 2001 年 举 办 了 “ 深 部 岩 体 力 学 基 础 研 究 问 题 ” 香 山 学 术 会 议 ; 2003 年 启 动 了 国 家 自 然 科 “ 三 高 ” 环 境 是 致 灾 因 素 , 但 是 否 也 能 转 化 为 可 以 利 · 5· 总 第 433 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2012 年 第 7 期 学 基 金 “ 深 部 岩 体 力 学 基 础 与 应 用 研 究 ” 重 大 项 目 ; 008 年 “ 深 部 重 大 工 程 灾 害 孕 育 演 化 机 制 与 动 态 调 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 ; 2 控 理 论 ” 973 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 。 ( 11) 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 ; ( 12) 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 ; ( 13) 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 ; ( 14) 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 。 2  3 3ꢀ 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 临 安 全 、 工 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 300 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 — 浮 选 , 并 将 富 集 的 细 粒 精 矿 泵 送 至 地 表 的 研 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 WWW.KY114.CN 械 化 自 动 化 水 平 , 解 决 落 矿 高 效 率 与 出 矿 低 效 率 的 问 题 ; 究 。 3ꢀ 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 21 世 纪 矿 业 发 展 的 重 要 方 向 和 前 瞻 性 目 标 。 ( 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 ; 3 1ꢀ “ 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 ” 。 ( 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 ; 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 。 ( 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 “ 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 : 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) 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 ; ( 10) 井 下 选 矿 、 排 废 与 精 矿 水 力 提 升 技 术 ——— · 6· ꢀ ꢀ ꢀ 古 德 生 等 : 现 代 金 属 矿 业 的 发 展 主 题 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2012 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 863 项 目 等 。 我 国 在 智 能 采 矿 领 域 已 经 取 得 长 足 进 步 。 自 主 研 发 的 数 字 矿 山 软 件 平 台 ( 如 DIMINE 2010 软 件 ) 的 功 能 已 完 全 涵 盖 了 矿 山 生 命 周 期 内 的 技 术 问 题 , 形 成 了 以 地 、 测 、 采 和 生 产 计 划 为 核 心 的 矿 山 生 产 技 术 与 管 理 软 件 系 统 , 并 在 国 内 大 中 型 矿 山 企 业 中 得 到 了 前 所 未 有 的 成 功 应 用 。 国 内 一 些 矿 山 已 建 立 了 井 下 光 纤 主 干 通 讯 网 络 , 开 发 了 与 智 能 采 矿 装 备 相 关 的 无 线 数 字 通 讯 技 术 , 开 发 了 井 下 人 员 设 备 的 跟 踪 定 位 系 统 和 井 下 地 压 灾 害 监 控 系 统 , 以 进 口 设 备 为 主 的 遥 控 铲 运 机 得 到 了 应 用 等 等 , 成 绩 可 人 。 实 现 智 能 采 矿 是 一 个 复 杂 的 、 高 技 术 的 系 统 工 程 , 面 临 许 多 科 技 难 题 。 在 我 国 , 当 前 最 突 出 的 是 两 大 问 题 : 等 。 智 能 采 矿 是 21 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  2ꢀ 国 外 “ 智 能 采 矿 ” 的 发 展 状 况 从 上 世 纪 90 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 10 多 个 国 家 也 开 展 了 这 项 研 究 。 加 拿 大 弗 如 德 · 斯 大 托 比 ( Frood Stobien) 镍 矿 采 用 智 能 采 矿 已 有 10 多 年 的 历 史 ; 智 利 的 埃 尔 · 特 尼 恩 特 ( 1) 井 下 大 型 采 掘 设 备 的 制 造 水 平 低 , 缺 少 成 熟 的 、 智 能 化 的 凿 岩 钻 车 、 铲 运 机 和 矿 用 汽 车 等 现 代 装 备 , 以 及 井 下 精 确 定 位 导 航 技 术 ; 另 外 , 现 有 矿 山 的 信 息 化 、 自 动 化 水 平 相 对 较 低 。 ( er Teniente) 铜 矿 智 能 采 矿 的 采 区 生 产 能 力 达 到 1 [ 8] : 万 t/ d。 2 个 实 例 ( 2) 在 采 矿 生 产 管 控 一 体 化 综 合 信 息 平 台 开 发 方 面 相 对 滞 后 。 这 导 致 在 资 源 评 价 与 管 理 、 开 采 优 化 设 计 和 生 产 计 划 编 制 等 生 产 技 术 方 面 , 开 采 环 境 监 测 与 安 全 预 警 等 安 全 管 理 方 面 , 以 及 可 视 化 与 智 能 决 策 等 生 产 过 程 管 控 方 面 , 技 术 手 段 落 后 , 信 息 难 以 共 享 , 不 能 为 科 学 决 策 与 管 理 提 供 有 效 的 技 术 支 撑 。 ( 1) 瑞 典 基 鲁 纳 矿 ( Kiruna) 。 早 在 1970 年 , 主 要 运 输 水 平 的 机 车 运 输 就 实 现 了 在 控 制 室 遥 控 装 载 WWW.KY114.CN 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 Simba46W 凿 岩 台 车 和 由 机 载 计 算 机 及 导 航 系 统 控 制 25 t 斗 容 的 Toro2500Es 装 载 [ 8] 。 机 ( 2) 加 拿 大 国 际 镍 公 司 ( lnco) 。 1996 年 开 始 实 我 国 智 能 采 矿 研 究 虽 起 步 较 晚 , 但 近 年 取 得 的 一 些 成 果 让 人 清 晰 地 看 到 了 未 来 矿 业 的 踪 影 , 眼 前 的 现 实 已 经 预 示 了 美 好 的 未 来 。 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 3  4ꢀ 实 现 “ 智 能 采 矿 ” 需 要 多 学 科 交 叉 矿 床 赋 存 是 一 个 条 件 复 杂 、 形 态 多 变 、 信 息 隐 蔽 [ 8] 。 到 2000 年 11 月 , 该 公 司 除 遥 定 位 和 导 航 系 统 的 大 系 统 , 而 采 矿 工 程 是 以 矿 产 资 源 评 估 、 矿 床 开 采 技 术 和 现 代 经 营 管 理 为 主 线 的 综 合 性 的 工 程 学 科 。 在 推 进 智 能 采 矿 的 过 程 中 , 矿 山 数 字 化 是 基 础 , 它 为 矿 山 资 源 评 价 、 开 采 设 计 、 生 产 过 程 控 制 与 调 度 自 动 化 、 生 产 安 全 和 管 理 决 策 等 提 供 新 的 技 术 平 台 , 这 需 要 多 目 标 的 科 学 技 术 创 新 ; 它 所 涉 及 的 领 域 非 常 广 泛 , 因 此 , 需 要 包 括 数 字 、 地 质 学 、 岩 体 力 学 、 现 代 采 矿 学 、 信 息 与 系 统 工 程 、 机 器 人 与 自 动 控 制 理 论 、 现 代 工 程 管 理 等 多 学 科 交 叉 , 以 及 相 关 工 业 部 门 的 密 切 合 作 ; 要 有 自 动 化 、 信 息 化 、 智 能 化 等 高 技 术 的 强 力 支 撑 。 控 装 药 以 外 , 其 他 研 究 内 容 均 已 完 成 。 应 用 表 明 , 采 矿 作 业 从 每 天 ( 24 h) 1 个 循 环 提 高 到 3 个 循 环 ; 采 矿 劳 动 生 产 率 从 2006 年 的 3 350 t/ ( 人 · a) , 提 高 到 2008 年 的 6 350 t/ ( 人 · a) 。 3  3ꢀ 我 国 “ 智 能 采 矿 ” 取 得 长 足 进 步 国 家 “ 十 一 五 ” 期 间 开 展 了 “ 地 下 采 矿 设 备 高 精 度 定 位 和 无 人 操 纵 铲 运 机 的 模 型 技 术 研 究 ” 、 “ 数 字 化 采 矿 关 键 技 术 与 软 件 开 发 ” 、 “ 井 下 采 矿 遥 控 关 键 技 术 与 装 备 的 开 发 ” 、 “ 千 米 深 井 地 压 与 高 温 灾 害 监 控 技 术 与 装 备 ” 等 与 智 能 采 矿 相 关 的 重 点 攻 关 项 目 ; “ 十 二 五 ” 又 启 动 了 “ 地 下 金 属 矿 智 能 开 采 技 术 ” · 7· 总 第 433 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2012 年 第 7 期 在 “ 智 能 采 矿 ” 实 施 过 程 中 , 矿 业 工 作 者 一 方 面 要 以 时 俱 进 , 充 实 、 更 新 知 识 ; 另 一 方 面 要 在 新 一 代 信 息 技 术 的 基 础 上 把 握 矿 山 设 计 、 矿 山 生 产 和 管 理 的 全 局 , 在 实 现 采 矿 安 全 、 高 效 、 低 耗 、 环 保 及 资 源 充 分 回 收 利 用 的 总 体 目 标 中 , 在 多 学 科 、 多 部 门 的 紧 密 合 作 中 , 要 顺 势 而 为 , 始 终 处 于 开 发 矿 业 的 主 导 地 位 。 “ 智 能 采 矿 ” 是 21 世 纪 矿 业 发 展 的 前 瞻 性 目 标 , 它 是 个 渐 进 的 发 展 过 程 , 我 们 首 先 可 在 条 件 较 好 的 大 、 中 型 矿 山 起 步 , 在 引 进 、 研 发 相 关 智 能 采 矿 设 备 的 条 件 下 , 开 展 智 能 采 矿 各 个 专 项 研 究 , 然 后 集 成 已 有 的 研 究 成 果 , 开 辟 示 范 采 区 , 开 展 综 合 试 验 。 智 能 采 矿 试 验 可 选 择 采 矿 工 序 简 单 、 作 业 集 中 、 产 量 大 的 自 然 崩 落 法 或 采 矿 工 序 在 不 同 空 间 平 行 连 续 进 行 的 连 续 采 矿 法 , 这 些 方 法 的 作 业 环 境 比 较 适 应 智 能 采 矿 要 求 , 能 更 好 地 发 挥 智 能 采 矿 的 优 越 性 。 3  5ꢀ “ 智 能 采 矿 ” 将 给 矿 业 带 来 深 远 影 响 随 着 信 息 技 术 的 飞 速 发 展 , 智 能 采 矿 已 经 成 为 世 界 矿 业 共 同 关 注 和 优 先 发 展 的 技 术 前 沿 , 它 的 实 现 将 给 矿 业 带 来 深 远 的 影 响 : 国 外 开 展 智 能 采 矿 研 究 已 有 20 多 年 的 历 史 , 但 时 至 今 日 尚 未 成 熟 。 智 能 采 矿 是 研 究 成 果 不 断 积 累 、 集 成 的 过 程 , 也 是 各 类 矿 山 结 合 实 际 应 用 相 关 成 果 、 逐 步 提 升 采 矿 水 平 的 过 程 , 要 真 正 实 现 矿 山 整 体 上 的 智 能 采 矿 , 有 很 长 的 路 要 走 , 但 时 不 我 待 , 在 世 界 矿 业 的 竞 争 中 , 我 们 要 不 失 时 机 , 跟 踪 和 超 越 先 进 国 家 , 稳 步 推 进 我 国 金 属 采 矿 的 智 能 化 。 ( 1) 实 现 采 矿 作 业 室 内 化 。 使 大 批 矿 工 远 离 井 下 工 作 面 , 深 部 开 采 的 工 人 远 离 有 高 温 、 岩 爆 危 害 的 恶 劣 环 境 。 将 最 大 限 度 地 解 决 矿 山 井 下 安 全 问 题 。 ( 2) 实 现 生 产 过 程 遥 控 化 。 可 大 幅 地 减 少 井 下 生 产 人 数 , 降 低 矿 井 通 风 降 温 费 用 , 全 面 提 高 井 下 的 技 术 装 备 水 平 。 这 对 深 部 开 采 具 有 特 别 重 大 的 意 义 。 4ꢀ 结 ꢀ 语 世 界 矿 业 科 技 与 上 世 纪 90 年 代 相 比 , 已 经 不 可 同 日 而 语 , 已 经 大 大 扩 展 了 科 学 内 涵 , 突 破 了 传 统 学 科 范 畴 。 矿 业 工 作 者 要 站 在 世 纪 的 高 度 , 共 同 来 把 握 金 属 矿 业 的 三 大 发 展 主 题 , 拓 展 采 矿 科 技 的 发 展 ( 3) 实 现 矿 床 开 采 规 模 化 。 智 能 采 矿 有 利 于 推 进 集 中 强 化 开 采 , 提 高 矿 山 产 能 , 实 现 矿 山 规 模 效 益 。 这 有 利 于 使 大 量 低 品 位 金 属 矿 床 得 以 充 分 的 开 WWW.KY 空 1 间 , 1 同 心 协 4 力 去 . 推 C 进 和 实 N 现 我 国 金 属 矿 业 的 现 代 发 利 用 。 化 。 ( 4) 实 现 技 术 队 伍 知 识 化 。 传 统 矿 业 将 向 知 识 型 产 业 过 渡 , 职 工 素 质 将 大 幅 提 高 , 工 资 待 遇 得 到 改 善 。 将 使 矿 工 这 一 弱 势 群 体 的 社 会 地 位 得 到 根 本 改 变 。 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 [ 1] ꢀ 中 国 科 学 院 可 持 续 发 展 研 究 组  中 国 可 持 续 发 展 战 略 报 告 [ M]  北 京 : 科 学 出 版 社 , 2003: 3437 ( 5) 推 动 矿 业 的 全 面 升 级 。 实 现 矿 业 的 跨 越 式 [ 2] ꢀ 古 德 生 , 李 夕 兵 , 等  现 代 金 属 矿 床 开 采 科 学 技 术 [ M]  北 京 : 冶 金 工 业 出 版 社 , 2006 发 展 , 推 动 我 国 从 矿 业 大 国 向 矿 业 强 国 过 渡 。 此 外 , 还 将 带 动 机 械 制 造 与 信 息 技 术 等 产 业 链 的 延 伸 和 发 展 。 [ 3] ꢀ 古 德 生 , 吴 ꢀ 超 , 等  我 国 金 属 矿 山 安 全 与 环 境 科 技 发 展 前 瞻 研 究 [ M]  北 京 : 冶 金 工 业 出 版 社 , 2011 [ 4] ꢀ 王 新 民 , 古 德 生 , 张 钦 礼  深 井 矿 山 充 填 理 论 与 管 道 输 送 技 术 3  6ꢀ 稳 步 推 进 金 属 采 矿 的 智 能 化 [ M]  长 沙 : 中 南 大 学 出 版 社 , 2010: 243248 随 着 微 电 子 技 术 和 卫 星 通 讯 技 术 的 飞 速 发 展 , [ 5] ꢀ 古 德 生  金 属 矿 床 深 部 开 采 中 的 科 学 问 题 [ M] ∥科 学 前 沿 与 未 来 : 第 六 集  北 京 : 中 国 环 境 科 学 出 版 社 , 2002: 8589, 192 采 矿 设 备 自 动 化 与 智 能 化 的 进 程 明 显 加 快 , 无 人 驾 驶 的 程 式 化 控 制 和 集 中 控 制 的 采 矿 设 备 正 逐 步 进 入 工 业 应 用 阶 段 , 它 为 “ 智 能 采 矿 ” 的 实 现 提 供 了 重 要 技 术 条 件 。 1 99 [ 6] ꢀ 何 满 潮 , 钱 七 虎 , 等  深 部 岩 体 力 学 基 础 [ M]  北 京 : 科 学 出 版 社 , 2010: 410 [ 7] ꢀ 李 冬 青 , 王 李 管 , 等  深 井 硬 岩 大 规 模 开 采 理 论 与 技 术 [ M]  北 京 : 冶 金 工 业 出 版 社 , 2009: 310313 在 我 国 , 许 多 矿 山 在 开 采 深 度 增 大 、 开 采 条 件 恶 化 、 矿 石 品 位 下 降 、 安 全 环 保 标 准 提 高 、 国 际 金 属 市 场 价 格 波 动 等 情 况 下 , 不 时 陷 入 困 境 ; 针 对 这 种 状 况 , 围 绕 智 能 采 矿 开 展 相 关 技 术 研 究 , 转 变 经 济 增 长 方 式 , 逐 步 提 升 采 矿 技 术 水 平 , 具 有 重 要 现 实 意 义 。 [ 8] ꢀ 过 ꢀ 江 , 古 德 生 , 罗 周 全  区 域 智 能 采 矿 构 想 初 探 [ J]  采 矿 技 术 , 2006( 3) : 147150 [ 9] ꢀ 张 文 荣  深 井 采 矿 简 述 [ G] ∥深 井 开 采 技 术 资 料 汇 编  北 京 : 北 京 有 色 冶 金 设 计 研 究 总 院 , 1993: 505507 ( 收 稿 日 期 ꢀ 20120422) · 8·
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