探讨金属矿业工程的未来

探讨金属矿业工程的未来古德生

2006年11月19日第一页，共四十七页。

前言在人类发展的长河中，矿业始终贯穿于整个文明史。没有矿业就没有国家工业化，就没有国防，就没有当今世界。

未来源于矿业。

采矿科技工作者，不但要推进矿业科技的进步，还要站在高处透视矿业的未来，引领矿业学科的未来。

下面就”金属矿业工程的未来”谈七个问题：12第二页，共四十七页。

一、发展金属矿业保障国家经济安全和国防安全二、提高装备水平推动金属矿山现代化的建设三、创新采矿技术实现经济、安全、高效开采四、实施绿色开发促进资源、经济、生态协调发展五、发展岩石力学引导采矿工程从经验走向科学六、创造遥控采矿构建现代金属矿山的发展模式七、拓宽科学视野重构采矿工程学科的知识体系

金属矿业工程未来的七个议题：

3第三页，共四十七页。一、发展金属矿业保障国家经济安全和国防安全第四页，共四十七页。一．发展金属矿业保障国家经济安全和国防安全1．金属矿业支撑着国家经济的快速发展

矿业是国民经济的基础产业，金属矿业支撑着国民经济的快速发展。见下表：年度19901995200020022005人均GDP,美元20058182010901703钢产量，万吨6535963612850222343493610种有色金属产量,万吨23949678312601635

没有金属产量的同步增长，就没有国民经济的可持续发展。5第五页，共四十七页。

随着人均GDP的增长，人均金属矿产消耗量呈“S”形曲线变化。我国正处于工业化中期阶段，今后20-30年是我国资源消耗的高峰期。

人均金属矿产消耗量与人均GDP的关系，如下图所示。6第六页，共四十七页。

据预测：我国的钢、铜、铝、锌四种金属,达到“S”形曲线的峰值时间，以及金属消费量，见下表：

中国主要金属消费需求预测表金属2000年消费量“S”型曲线达峰值时间峰值年消费量钢，亿吨1.422012—20132.54—2.60铜，万吨1882019—2023681—532铝，万吨3302022—20281301—1629锌，万吨1232012—2013231—2217第七页，共四十七页。2．矿产资源战略是国家全球战略的重要组成部分

全球矿产资源配置的总体格局——目前，占世界人口不到1/4的发达国家，消耗着全球3/4的矿产资源，而占全世界人口多达3/4的广大发展中国家，占全球矿产消费比例却不到1/4。

在新世纪，矿产资源的争夺进一步加剧——世界有4300家矿业公司（不包括煤和石油）在100多个国家进行勘查开发，其中加拿大公司占37%，美国公司占17%，澳大利亚的公司占9.5%。美、加、澳三国的矿业公司数目几乎占全球的2/3。

对矿产资源的争夺，一直是国际关系紧张和武装冲突的根源。8第八页，共四十七页。

第二次世界大战后，美国依托超级大国地位，利用其经、军事和科学技术的优势，在政治、经济和技术上开展全方位的“资源外交”。美国前国务卿黑格就说过：“冷战实质上是一场资源战”。世界上没有一个国家的矿产资源能够自给自足，实施全球资源战略是发达国家的成功经验，我国也不例外。我国已将全球矿产资源战略、作为国家全球战略的一个重要组成部分。我们的方针是：“平等互利，共同发展”。9第九页，共四十七页。3．远景资源开发是矿业可持续发展的长远战略

国家从长远利益出发，对远景资源投于极大的关注。海洋、极地矿床储量丰富，已为全球所瞩目。

①陆地矿床——我国矿产资源短缺，矿产资源总量约占世界总量的12%。矿床开采正逐步转向五类矿床——贫矿床、软破矿床、深部矿床、水下矿床和高寒地区矿床。要求的科技水平越来越高。

②海洋矿床——21世纪，围绕海洋底部矿产资源的国际竞争将更加激烈。1993年我国已在太平洋海底圈定了一块7．5万平方公里的“战略金属资源基地”，对该区域有专属勘探权，并享有开采的优先权。

海深5000—6000米，无氧、高压、腐蚀，海底地形复杂，人员难以进入，开发难度极大。10第十页，共四十七页。

③极地矿床——南极是地球上最后一座宝库。大陆总面积1410．7万平方公里，全境为冰川所覆盖，最高海拔5140米，气温零下55—57℃。有厚100米的、露头延伸120公里的铁矿，品位35—38％，够全世界用上200年；有世界上最大的煤田、石油和丰富得无法统计的锰块矿物。但水深500-3000米，如开采南极矿床，可能导致300万立方米的冰块融化，使地球海平面上升50米以上。征服南极是世纪议题。

为了国家的可持续发展和长期繁荣，国家正在加大海洋、极地矿床开发的投资力度，努力做好特殊矿床开发的科学研究与技术筹备。

11第十一页，共四十七页。二、提高装备水平推动金属矿山现代化的建设第十二页，共四十七页。二、提高装备水平推动金属矿山现代化的建设采矿技术的变革依赖于采矿装备的创新，没有采矿装备的发展，就不可能有采矿技术的进步。

近20年来，地下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。13第十三页，共四十七页。（1）

国外露天矿的装备水平

矿用汽车：己发展到300吨级，236和280吨的汽车已投入使用，无人驾驶汽车已用于露天矿；

挖掘机：斗容达40立方米,超大型的已达83立方米；

牙轮钻机：穿孔直径一般为310—380，而直径559毫米的牙轮钻机已投入生产；

全球卫星定位系统：已广泛用于钻机、挖掘机及矿用汽车等移动设备的定位、监控与运营。

1、国外矿山装备已逐步实现大型化和智能化

14第十四页，共四十七页。（2）地下矿的装备水平铲运机：载重25吨的电动铲运机已下井运营；遥控铲运机又逐步微型化（斗容2立方米，载重2吨）（我国只研制开发了0.76、1、2、3立方米）；井下汽车：120吨七轴大型卡车（瑞典）已开始取代45和65吨卡车（我国只有8-15吨）；凿岩台车:车自动遥控台车,正在取代原有台;辅助设备：广泛采用锚喷车、装药车、撬毛护顶车、材料车、运人车等无轨辅助车辆；遥控设备：近年已有遥控铲运机、遥控凿岩台车和无人驾驶汽车在地下矿山试运行；已开发了凿岩机器人、装载机器人。15第十五页，共四十七页。矿山装备决定着矿山的现代化水平。我国矿山装备总体落后，绝大多数矿山仍处于六、七十年代的水平。矿山装备落后，必然是生产规模小、安全条件差、经营管理粗放。2．国外地下矿山规模化开采的实例

智利的埃尔特尼恩特铜矿——

采用连续落矿的盘区崩落采矿法，年产矿石3500万吨。16第十六页，共四十七页。

瑞典基鲁纳铁矿

采用高分段无底柱崩落采矿法，年产量超过2000万吨。

俄罗斯塔什塔科尔铁矿

采用沿走向推进一步骤回采的阶段强制崩落法，每一回采步距落矿20万吨，年产量超过300万吨。

菲律宾菲勒吉斯采矿公司矿山

属低品位矿石，铜品位0.30%，金0.6克/吨,原用自然崩落法,后改为强制崩落法,日产规模为26000吨；这是一个通过规模化开采、使低品位矿床变为有利可图的范例。17第十七页，共四十七页。三．创新采矿技术实现经济、安全、高效开采第十八页，共四十七页。三．创新采矿技术实现经济、安全、高效开采采矿技术的创新凸显在以下三个技术领域：

1．关于高效率采矿（1）采矿装备的现代化，推动采矿工艺技术的变革

采矿方法朝大参数和结构简化方向发展—采矿方法正在朝高阶段(120—200米)、大采场（矿段）、一步骤回采、采准切割合一的方向发展。

采矿工艺向连续化规模化方向发展—为解决落矿高效率与出矿低效率的矛盾，采矿工艺逐步从间歇式工艺，向铲运机、破碎机—胶带运输机配套的间断—连续工艺过渡；19第十九页，共四十七页。

设计的理念也在变化——产量不再完全受服务年限制约。而是把矿床开采看成是对土地的临时占用，力求速战速决,采后尽快恢复生态环境；（2）复杂难采矿体的开采过程中，采矿技术的创新

矿岩诱导崩落矿技术采矿环境再造技术矿岩诱导崩落矿技术废石充填注浆技术当量药包深孔爆破技术不同矿岩环境下的空区测技术

还有：空区安全预警技术，强制与诱导耦合落矿技术，膏体自流充填技术；中硬矿岩非爆机械采矿技术；以及各种非传统采矿技术等等。20第二十页，共四十七页。2、关于深开采开采深度大于800-1000米时，一般界定为深井开采。深井是个特殊的开采环境—高应力,高井温,高井深。

为了深井安全、经济、高效开采，有许多热门研究课题：—间断--连续工艺问题；

—深井高应力诱导破碎连续采矿矿问题

—非常规采矿方法问题；

—深井原地破碎溶浸采矿的问题。

—深井降温问题；

—建设井下选厂(粗选厂)问题；

—深井水力提升问题；

—上行开采问题；

—深井原地破碎溶浸采矿的问题。21第二十一页，共四十七页。3、关于连续采矿

目前，出现有两类连续采矿模式：第一类：“单一采矿机的连续采矿”—借助机械切割破岩的连续采矿，如采掘钾盐矿的多转轮采矿机。但因受切割头寿命及费用，以及矿床地质条件限制，投入工业应用尚需时日。

第二类：“采装运机组与一步骤回采方法配套的连续采矿”。这是基于爆破破岩的连续采矿。以矿段为回采单元，采用一步骤回采的采矿方法，回采过程中落矿、出矿、运矿作业在不同空间平行连续进行，采、装、运设备互相衔接，采矿作业在阶段上连续推进。故称之“连续采矿”。22第二十二页，共四十七页。实现连续采矿是个重大变革----

①回采工作面连续推进，有利于井下采矿作业的合理集中，实现高强度采矿；

②可从根本上解决矿山带来多中段作业、资源大量损失的问题；

③阶段连续回采时，强采、强出、强充，围岩暴露时间短，有利于采场地压控制；

④它将推动地下金属矿山作业机械化，生产集中化和管理科学化的进程，促进矿山现代化。

连续采矿代表着采矿工艺的变革方向,是采矿技术发展的必然。23第二十三页，共四十七页。四．实施绿色开发促进资源、经济、生态协调发展第二十四页，共四十七页。四.实施绿色开发促进资源.经济.生态协调发展所谓矿区绿色开发——就是把矿区资源与环境作为一个整体，与环境协调一致地开发矿区的矿产、土地、森林与水资源等异类资源。

1、粗放式的增长方式已经难以维继

例：2004年，我国实现GDP9.5%的增长，而物质消耗——占全球钢材27%、原煤31%、水泥50%以上、；全年排放废石、尾砂、废渣以10亿吨的速度增长（堆存量已达180亿吨以上）；矿山年排放废水30亿吨，处理率仅4.23%，大量排入江河，污染十分严重。25第二十五页，共四十七页。2、实施矿区资源绿色开发

建立矿区环境生态评价体系要研究矿区的环境生态容量评价方法，建立评价程序、标准和考核指标体系。

实现固体废料产出最小化和资源化采用合理的开拓系统和采矿方法,从源头上控制废石产出率，建设井下选厂等，实现废料不出坑；把废料资源化列为矿山生产活动的重点工程。

重视资源综合利用我国冶金矿山的共伴生资源综合利用率约20%,有色金属为30-35%。严重污染环境。

26第二十六页，共四十七页。3、在企业推行两项行动计划

IS014000标准国际标准化组织推出IS014000“环境管理系列标准”(1996年)。澳大利亚制定的环境管理系列有200多个案例，包括矿山计划管理、土地复垦,生态修复,尾砂产出最小化,废物管理,废水管理等等.

清洁生产计划它是推行IS014000标准的重要举措,先后在我国,巴西,印度等9个国家,建立了包括：采矿,造纸,食品等10个清洁生产工作小组。它已成为产业界可持续发展的重要手段。27第二十七页，共四十七页。4、按循环经济原则改造提升矿业

把矿业纳入循环经济我国经济一直快速增长，资源消耗不堪重负，必须扭转矿产资源“大开采、低利用、高排放”的局面，把矿业逐步纳入循环经济。

矿业纳入循环经济有五种模式

①企业内部循环型；②企业自身延伸型；③企业资源交换型；④产业横向耦合型；⑤区域资源整合型。28第二十八页，共四十七页。五．发展岩石力学引导采矿工程从经验走向科学第二十九页，共四十七页。五.发展岩石力学引导采矿工程从经验走向科学1．岩石力学是采矿工程学科的理论基础

岩石工程的变形、破坏特征极其复杂，而且是高度非线性问题---岩体被各种地质构造切割，是一个典型的“不连续介质”，其本构关系远没有搞清。岩体所涉及的力学问题、是变化中的多场多相环境影响下的地质构造与工程结构相互作用的耦合问题，是固体力学难以描述和解决的。

随着采矿工程、岩土工程、地下工程等众多的建设和数学、力学、计算机等众多学科的进步，上世纪初，岩石力学应运而生，并逐步发展形成的一门深深根植于采矿工程中的新兴学科和边缘学科。30第三十页，共四十七页。2．岩石力学已进入新的发展时期

岩石力学在20世纪70年代以后，出现了岩石工程稳定性计算的的数值计算方法（如有限元、边界元等）,并得到广泛应用，成为岩石力学分析计算的主要手段；90年代岩石力学专家和数学专家建立起如损伤力学和离散元法等新的分析原理与计算方法；现代数理的渗透，使非线性科学在岩石力学中得到应用，耗散结构论、协同论、分叉和混沌理论等，正在被试图用于认识和解释岩体力学的各种复杂过程，使岩石力学得到很大发展。31第三十一页，共四十七页。

由于岩石力学和工程研究的对象和目标存在大量的不确定性，因此，现代科学技术手段如模糊数学、人工智能、灰色理论、非线性理论，系统工程理论，为不确定性分析方法和理论体系的建立，提供了重要支撑。

非线性理论、不确定性理论和系统科学理论进入岩石力学与工程领域，使岩石力学进入了新的发展时期。32第三十二页，共四十七页。3．深井岩石力学问题已成为重要的研究领域

深井开采处于高应力（40-60MPa)的特殊环境，它是岩石力学研究的重要领域。当前，深井的岩石力学基础究的重点主要有：

金属矿山岩爆发生机制研究采场地压与岩爆监测的预报研究岩爆发生的临界能量准则高应力区灾害性事件发生的预测及定位高应力条件下坚硬矿岩的碎裂诱变机理高应力矿岩致裂的临界环境深部采动地压显现规律深井高应力诱导破碎连续采矿的原创模式33第三十三页，共四十七页。六．创造遥控采矿构建现代金属矿山的发展模式第三十四页，共四十七页。1．智能化遥控采矿的内涵六．创造遥控采矿构建现代金属矿山的发展模式智能化遥控采矿的内涵,可由三个层次来表达：(1)数字矿山信息系统(第一层次)矿区地表及矿床模型三维可视化信息系统;工程地质、水文地质及岩石力学数据采集、处理、传输、存储、显示与探采工程集成系统;矿山规划与开采方案决策优化系统;矿山主要设备运转状态信息系统;生产过程监控与调度系统;矿山环境监测与灾害预警信息系统;矿山经营管理及经济活动分析信息系统.35第三十五页，共四十七页。(2)再现矿山整体与生产活动的虚拟矿山（第二层次）其内涵是第一层次的延伸，主要是：更广泛的生产过程实时动态响应的信息集成；运用多媒体、模拟、仿真、虚拟技术，实现真实矿山整体与生产活动过程的数字化再现。(3)远程遥控与自动化采矿（第三层次）

是矿山数字化的基础上实现的自动化、信息化、智能化的远程遥控采矿，即无人采矿。

这是在第一、第二层次数字化的基础上，向无人采矿的理想境界过渡，其主要内涵为：开发地下无线电通讯系统，实现采矿主体设备自动化、智能化。36第三十六页，共四十七页。

移植与运用军事部门的自动定位系统与导航系统；最终实现矿山生产数字化、办公室化——使矿山生产过程从单个工序到整个矿山实现生产过程的远程遥控操作。

矿床开采是一个复杂、多变、信息隐蔽、难以预测的大系统，因此信息采集、传输、处理、集成、显示,到应用于生产过程的自动控制，所涉及领域非常广泛，因此，需要多学科交叉。但矿业工作者在这过程中，将始终处于主导的地位。37第三十七页，共四十七页。2．地下智能化遥控采矿的实例

上世纪80年开始，国外矿山信息化的研究已逐步从露天向地下矿山生产过程遥控方向转变。

早在1970年，井下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，实现了无人驾驶自动运行。现已有控制中心遥控的凿岩台车Simba46W，以及由机载计算机与导航系统控制的的Toro2500Es装载机（铲斗容积25t）。瑞典基鲁纳矿（Kiruna）38第三十八页，共四十七页。加拿大国际镍公司（lnco）

1996年开始实施了为期五年的采矿自动化计划（MAP）。其技术组成包括：

先进的地下移动计算机网络地下铲运机的自动定位和导航系统采矿过程监控与遥控软件系统适合远程遥控采矿的特殊采矿法先进的智能能化采矿设备

到2000年11月，除遥控装药外，采矿自动化计划均已完成。已使采矿作业从每天24小时一个循环，提高到三个循环。预计到2008年，采矿劳动生产率可从现在的3350吨/人年，提高到6350吨/人年，镍矿床的价值可提高67%.39第三十九页，共四十七页。

据不完全统计，正在开展智能化遥控采矿试验的有瑞典、加拿大、芬兰、澳大利亚、智利、南非等10多个国家。

德兴露天铜矿

生产规模为日产矿石10万吨，采用现代大型设备，采用了GPS调度系统和计算机网络管理系统，应用非常成功。核心是全球卫星定位系统，包括三部分：GPS卫星定位系统（空间部分）地面支持系统（地面控制部分）GPS接收机（用户部分）——在作业现场的卡车.电铲、破碎机和辅助工程机械上，安装GPS接收机。通过调度信息中心的定位/检测系统，实间跟踪设备，发送指令，整个生产系统处于高效运行之中。40第四十页，共四十七页。目前，我国在三个方面取得了比较显著的成绩：

—地下矿山在矿床模型三维可视化信息系统、

—矿山规划与开采方案决策优化系统、

—矿山经营管理及经济活动分析信息系统方面。

无人采矿是一个理念，是渐进的逐步提高的过程，是矿业科技创新的重要方向，要选好切入点，以需要为牵引，逐步推进。智能化遥控采矿，构架了未来矿山模式，它给矿山将带来革命性变化。无人采矿已经不是遥不可及的事了。41第四十一页，共四十七页。七．拓宽科学视野重构采矿工程学科知识体系第四十二页，共四十七页。七．拓宽科学视野重构采矿工程学科知识体系1．21世纪金属矿业的目标

21世纪金属矿业的目标就是——广泛吸收各学科的高新技术，开拓先进的、非传统的采矿技术，实现矿山信息化、智能化和遥控化，创造更高效率、更低成