“以安全高效环保开采技术破解金属采矿难题,力争早日建成‘无人矿山’。”在近日由长沙有色冶金设计研究院有限公司和易捷海通(北京)科技有限公司联合举办的2016全国有色金属采选冶实用技术与装备大会上,北京科技大学教授、中国工程院院士蔡美峰表示。

   
蔡美峰是国际著名岩土工程专家,在岩石力学与工程、采矿工程优化和安全高效开采技术的研究与应用等方面取得了突出成绩。他针对地应力对采矿工程的极端重要性和地应力测量难度大、地应力资料缺乏并严重制约采矿工程技术水平提高的状况,建立了符合工程岩体特性的地应力测量分析理论,发明了一种高精度的地应力测量方法和装置,完成了15个矿山和地下工程的地应力现场。针对金属矿床的形成过程和开采稳定性均受地应力控制的特点,提出了以地应力为切入点,根据矿山的实际工程地质和开采技术条件,通过科学的定量计算和分析,选择最合理的采矿方法,确定最佳的开采总体布置、采场结构参数、开采顺序和支护加固措施的金属矿采矿优化理论,并在实际工程中得到成功应用。

  记者:我国金属矿山现状如何?为什么必须要开拓新的采矿模式?

  蔡美峰:我国金属矿产资源总量较丰富,但人均占有量远低于世界平均水平,并且资源品位、质量和赋存条件较差。为此,我国60%以上的铁精矿、70%以上的铜精矿和50%左右的铝土矿需要从国外进口。主要金属矿产资源如此高的国外依存度,对我国国民经济发展构成了潜在的严重威胁。为了保证我国国民经济安全和可持续发展,必须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,创造更高效率、更低成本、最少环境污染和更加安全的采矿模式,努力提高金属矿产品产量和生产效率。

  未来,安全、高效的采矿工程科技将在深部开采、连续化高效开采、信息化、自动化、智能化等方面取得重大突破。

  记者:随着矿山开采年限的增加,深部开采将成为金属矿山的一个常态,我国金属矿山开采面临哪些问题?

  蔡美峰:随着浅部资源逐步减少和枯竭,矿产资源开采正向深部逐步发展。南非、加拿大、印度、俄罗斯等是世界上金属矿深井最大的国家,南非绝大多数金矿的开采都在2000米以下,其中姆波尼格金矿采深达到4359米,矿体埋深更是超过7500米。

  我国金属矿开采正处于向深部全面推进的阶段。上世纪末,我国千米深井金属矿数量很少,但十几年来,一批矿山开采深度达到或超过1000米。其中,辽宁红透山铜矿达到1300米,吉林夹皮沟金矿达到1400米,河南灵宝釜鑫金矿达到1600米。近期,在三山岛金矿西岭矿区1600米~2000米深处,探明一个金金属储量达400吨的大型金矿床,为我国在胶东半岛深部类似矿集区找到更大规模金矿床指明了方向。

  进入深部开采后,高应力作用下的岩爆、地压控制和支护技术,通风、降温、提升技术等都是需要研究的前沿课题。地应力值随开采深度增加而增加,深部高应力可能导致破坏性的地压活动,包括岩爆、冒顶、塌方、突水等由采矿开挖引起的动力灾害。岩性恶化,浅部的硬岩到深部变成软岩,弹性体变成潜塑性体,给支护和采矿安全造成很大的压力,严重影响采矿效率和效益。岩层温度随深度以3摄氏度/100米的速率增加,深井的高温环境条件严重影响工人的劳动生产率,而为了有效降温,又必将大大增加采矿成本。随着开采深度的增加,矿石和各种物料的提升高度显著增加,从而大大增加提升成本,并对安全生产构成威胁。

  岩爆的预测、预报是世界性难题。我们在岩爆诱发机理及其预测理论和技术研究方面已取得重大突破,通过开采动力学与地震学的紧密结合,基于开采扰动能量分析,已经能够实现对开采诱发岩爆的趋势做出理论的预测。当前主要问题是,岩爆的监测和预报还缺少成熟的技术,准确的岩爆短期和临震预报还做不到。在这方面,同样要依据岩爆诱发的机理,尽早开发出智能化可视化的岩爆精准探测与预报技术及设备。

  同时,深井开采中的高温环境与控制、深井提升技术、深部充填技术等也取得了一定进展,但仍需进一步加强研究。

  记者:连续化高效率采矿是金属矿山今后的开采方向,在这方面我国有什么进展?

  蔡美峰:连续化高效采矿主要包括机械连续切割掘进、采矿技术和无间柱连续采矿技术。

  从长远目标出发,采用机械掘进、机械凿岩的方法,以连续切割设备取代传统爆破采矿工艺进行开采,是一个重要方向。采用机械切割的优越性在于:切割空间不需要爆破而明显提高其稳定性;扩大开采境界,不受爆破安全境界的限制;连续作业,不受爆破干扰,要求作业场地小;能准确开采目标矿石,根据矿层和矿石不同品级实行分割分运,使矿石贫化率降到最低;连续切割的矿石块度,适于带式运输机连续运输,可实现切割落矿、转载、运输等工艺平行连续进行,从而为实现连续开采创造条件;不需粗碎,切割机在切削矿石时就已将矿石破碎。但实施该技术需要解决的两个关键前沿性问题是,采矿机作业受金属矿床形态多变及复杂地质条件的限制,切割头的寿命及费用。

  由于采用机械切割机实行连续掘进、采矿还需要较长研究过程,基于爆破落矿技术的连续采矿工艺和技术,将是近期研究的重点。具有代表性的就是无间柱连续采矿技术。这种连续采矿是以矿段为回采单元,矿段间不留矿柱,采矿工作面在阶段上连续推进,可从根本上解决长期以来因矿柱回采滞后给生产带来的一系列被动,致使国家资源大量损失、矿山经济效益受到严重影响的问题;回采时工作面的连续推进,有利于实现井下采矿作业的合理集中,为提高采矿强度和井下工人劳动生产率创造条件;阶段连续回采时,强采、强出、强充,围岩暴露时间较短,有利于控制采场地压,对于围岩稳固性较差、地压较大的深部矿床开采,将是一种有效的开采方式;阶段连续回采将推动地下金属矿山作业机械化、工艺连续化、生产集中化和管理科学化的进程,促进矿业现代化发展。

  记者:信息化、自动化、智能化是未来采矿技术的发展方向,在金属矿山,这“三化”该如何实现?

  蔡美峰:进入21世纪以来,信息、定位、通信和自动化技术的迅速发展和应用,深刻影响和改变着传统采矿业沿袭百年的生产工艺和管理模式,信息化、自动化、智能化已成为采矿技术的发展方向。而这“三化”是现代工程科技的三大核心技术。信息化是自动化的前提,自动化是智能化的前提,而数字化则是信息化的前提,只有实现矿山生产和管理的高度自动化和智能化,才能最大限度地提高采矿效率,保证安全开采。早在上世纪80年代,瑞典的基鲁纳铁矿就开始使用全盘遥控的无轨采矿设备,现在采场凿岩和装运已实现遥控自动化作业。加拿大已经制定出一个拟在2050年实现的远景规划,即在其北部的边远地区建成一个无人矿井,从萨得伯里通过卫星遥控操纵矿山的所有设备。

  地下采矿自动化的关键技术包括先进传感及检测监控技术、采矿设备遥控及智能化技术、井下无轨导航及控制关键技术、高速数字通信网络技术和地下自动采矿新工艺等。

  为了极大地提高采矿效率,保证开采安全,发展高度自动化的遥控智能化采矿技术,建设无人采矿是最佳的选择和目标。目前,国内外仍处于建设无人矿山的初级阶段。在这一阶段,无人采矿的核心技术仍然是传统采矿工艺和生产组织管理的自动化和智能化。新一代高级无人采矿技术必将涉及采矿工艺及生产过程自身的变革,采矿设计和井下设备性能与可靠性等问题都需要进一步探索,井下无人设备维护、事故处理等都需进一步研究。信息及通信技术的进步,必将推动无人采矿从现行的基于传统采矿工艺的自动化采矿和遥控采矿,向以先进传感器及检测监控系统、智能采矿设备、高速数字通信网络、新型采矿工艺等集成化为主要技术特征的高级无人矿山发展。

  西方发达国家早在上世纪80年代就开始实施井下工作面的无人采矿,而目前我国不少矿山连全盘机械化作业都做不到。为了极大地提高采矿效率、保证采矿安全,加速我国自动化智能采矿技术与设备的研究与推广应用任重而道远。近几年来,以首钢杏山铁矿为代表的一批矿山,在全面推进数字化矿山建设的同时,矿山生产的自动化和遥控智能化作业的水平也有了长足的进步。目前,杏山铁矿已经实现破碎、装卸、运输、提升、排水、通风、供电系统全过程自动化控制,实现了皮带无人看守、地下运输电机车地面遥控无人驾驶、中深孔凿岩台车遥控自动化作业等,向遥控智能化无人采矿的远大目标迈出了重要一步。

  记者:在“十三五”期间,我国金属矿山将围绕哪些国家重大专项开展技术攻关?

  蔡美峰:进入21世纪以来,我国采矿工程科技取得很大突破与进展,目前在许多方面已经达到或接近世界领先水平。在当前全球经济疲软、中国经济结构深度调整的形势下,全球和中国矿业进入了新一轮相对萧条的时期。开拓先进的、非传统的采矿新理论、新技术,是振兴我国金属采矿业的必由之路。

  我国是发展中国家,目前尚处于工业化和城镇化的发展阶段。因此,对金属矿产资源和金属矿产品的需求还会持续一定时期。“十三五”时期,国家已将“深部矿产资源开采”研究的5个项目列入“深地资源勘查开采”国家研发技术重点专项。其中,“深部岩体力学与开采理论”和“深部矿建井与提升技术”两个项目已于今年启动;其他包括“金属矿安全高效开采”和“无人采矿前沿技术”研究内容的三个项目将在明年启动。

  我们必须要集中优势力量,搞好国家重点专项研究,力争“十三五”期间在开拓先进的采矿新理论、新技术、新装备方面取得重大突破。

 

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