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金属矿采矿新技术及发展趋势一、背景与趋势1、市场背景现状：市场供不应求，价格大幅上涨，效益大幅提高，资源开发红火。趋势：根据人口红利理论预测我国国民经济发展黄金期要延续到2023年，未来资源需求仍然旺盛。（2013年）2、开发背景与技术趋势现状：铁矿石产量大幅提高（2002年2亿多吨，2007年7亿吨）；已发现资源不断被开发；矿山开采规模不断扩大；低品位矿、深部矿和难采矿不断被开发。开采品位不断降低：铁、铜品位持续下降，其中铜品位1950年是2003年的5倍。溶浸采矿技术快速发展。深部勘探技术的发展，找到更富更深的新矿体，将促进深部采矿技术的发展。陆地矿产资源大规模、高强度开发，陆地矿产资源将逐渐枯竭，海洋采矿、太空采矿将成为现实。采矿技术趋势：大型化开采技术、难采矿开采技术、深部矿开采技术、溶浸采矿、海洋采矿、太空采矿。3、政策背景与技术趋势现状：节能减排政策技术趋势：矿山节能技术－节能设备，节能工艺，能源合同管理；生态环境保护和重建技术及与生态环境保护相关的无尾、无废技术、充填采矿技术等仍然是未来金属矿山开采技术研究的重点。二、露天采矿工艺技术发展方向露天采矿产量较地下开采大许多，其产量之比基本稳定在5∶1到6∶1，其中大于80%的矿石为露天开采，而小于20%的矿石为地下开采；随着浅部资源可供开发量减少，深部可开采资源增加，这一比例会逐步减小，但是露天开采的总量仍然会占较大比例。1、露天采矿技术及工艺现代露天采矿工艺技术发展趋势：开采工艺的综合化。对于范围广阔、能力大的矿山，针对不同开采深度、不同地段和不同开采对象特点，采用不同的开采工艺，并组成综合工艺，以实现优化开采效果，已成为现代露天矿采矿技术的发展趋势。陡帮开采技术、高台阶开采技术、分期开采技术等都成为综合工艺的常用技术。今后要在研究各单项工艺的基础上，研究综合工艺的优化开采理论与设计方法。2、露天采矿设备■开采设备大型化：优势资源集中化开采；简化剥采工程，降低开采成本；提高矿山产量和经济效益。例如，单斗电铲与卡车的标志性配套规格，每隔15到20年就要更新换代一次。太重集团自主研制的WK-55型电铲，斗容56立方，有效载荷101t，小时工作量2003立方；该电铲是目前世界上斗容最大的电铲，与之相匹配的卡车载重量已达360t。■液压设备将获得更广的应用。在设备大型化的同时，钻孔和铲装设备向着液压化方向发展，国外液压电铲使用率已达48%，德国O&K公司RH400液压挖掘机的斗容达42立方。液压钻机、液压电铲和液压破岩设备的使用比例逐步提高。3、露天矿深部开采运输工艺露天矿深部开采，采用连续或半连续开采工艺是国际发展趋势。全汽车运输矿山进入深部后，采用破碎－胶带连续或半连续开采工艺是发展方向；汽车－铁路联合运输，采用陡坡铁路（50‰）技术可使铁路下降深度进一步延伸，可将运输效率提高20%，成本下降25%；开发大粘重牵引机组等配套设备，研制更陡坡度（60‰）铁路运输技术是陡坡铁路技术的研究方向。大倾角运输机、电动轮汽车、矿用汽车整车提升运输系统是下一步深部运输的发展方向。露天矿矿用汽车整车提升系统按提升方式分两类：一类是借助于外部驱动力的“整车卷扬提升系统”；另一类是以自卸汽车自身驱动力为主外部驱动力为辅的“汽车自驱动+卷扬提升系统”。4、露天采矿工序节能技术露天矿工序节能途径之一是采用大型生产设备和连续运输工艺，另一途径是将爆破、铲装、工作面与路面条件、运输、初碎整个工序综合考查，通过控制爆破作业参数，实现整个流程能量消耗最低、成本最优是当前露天矿开采工艺研究和发展的一个方向。提高爆破效果可使各工序提高效率和降低成本：■更易电铲挖掘，减少电铲能耗和提高电铲效率；■根底减少，减少工作面和路面平整工作量和成本；■平整的工作面和路面降低汽车轮胎消耗，提高汽车效率；■大块率的减少有效降低二次爆破作业，降低对破碎机的堵塞，提高破碎机效率。露天采矿工序节能技术的关键是要研究确定整个工序能量消耗最低、成本最优的爆破参数，要进行不同爆破参数下整个工序流程的定量化考查。江西铜业公司德兴铜矿已经在开展该项试验，表现出良好的前景。三、地下开采工艺发展方向全球地下开采虽产量比例小，但矿山数量多，西方国家有地下矿365座（2002年数据），多为小型高效矿山。但国外一些地下矿山规模巨大，装备精良，具有较高的自动化水平。我国地下金属矿山在有色、黄金系统在数量上占90%；黑色金属矿山地下大型矿山正逐步增多，典型大型地下矿山有梅山铁矿、程潮铁矿、镜铁山铁矿、小官庄铁矿、北铭河铁矿、大红山铁矿等。1、地下开采工艺■对传统主要采矿方法的不断改进是地下开采工艺的发展趋势。（1）提高矿石回采率和保护生态环境，充填采矿技术的应用将会增加；深孔阶段充填和分段充填将进一步完善和应用；高浓度全尾砂胶结充填、泵送膏体胶结充填将有大的发展；矿山无废开采和无尾排放将在一些矿山真正实现。（2）大间距集中化无底柱分段崩落法应继续开展加大采场结构参数的工艺研究，缩短与国外差距。（3）自然崩落法在国内外都有较成功的经验，是值得推广的地下矿开采工艺。（4）针对特定矿体改进的采矿技术将会不断出现，这将成为地下开采工艺技术发展的主要途径。■深井开采技术将是今后几年研究的重点，在理论研究和系统开采技术方面都将取得突破。深井开采的岩爆、矿震、冲击地压等动力灾害的控制、预报与防治技术；深部开采安全技术、采场布置与采矿方法、降温与通风、采场支护、超深竖井掘进、钢绳提升和无绳提升等将在深井矿山开采技术研究及理论研究的基础上获得快速发展。■难采矿开采要解决一系列特殊的技术难题。如松散破碎矿体顶板与围岩稳定性控制技术；流砂含水层覆盖的矿体和大水矿体开采水治理技术，结合防治水的采矿方法研究；残留矿体开采地压活动的监测、预报和控制技术，“三下”矿体开采岩层破裂与移动的一体化基础研究。难采矿开采已列入“十一五”国家科技支撑计划，而且“十二五”国家将继续支持该方面研究工作。2、地下采矿设备地下采矿装备向无轨化、大型化、液压化、自动化和无人化的方向发展。■大型无轨地下采矿装备最大的电动铲运机载重量达25t，最大的井下载重汽车载重量达80t。■凿岩设备凿岩速度和凿岩精确度不断提高。液压化是凿岩设备的发展趋势。■越来越多地下矿山采矿装备从凿岩、装药到装运全程实现机械化配套。■随着智能化技术的突破和兴起，遥控采矿设备将是今后采矿设备的发展趋势和技术研究方向。遥控铲运机已应用于采矿生产；为处理小空间开采而研制的微型铲运机最小斗容仅0.38m3。凿岩设备也已实现自动化和遥控，凿岩效率提高，炮孔凿岩精确度提高，爆破破碎质量也大为提高，凿岩作业安全显著地提高。今后井下设备将向着无人驾驶、机器人方向发展。四、露天转地下开采和露天－地下联合开采技术■露天转地下开采矿山越来越多，技术需求大；针对露天转地下开采矿山特点，开展全面系统研究，寻找露天转地下开采合理的技术途径是当务之急。■为实现快速开采，现在一些矿山采用露天－地下联合开采，如本钢南芬铁矿、鞍钢歪头山铁矿、唐钢司家营铁矿；露天转地下开采矿山也存在联合开采问题。■露天转地下开采和露天－地下联合开采技术研究内容（1）露天－地下联合开采工艺系统的研究；（2）露天与地下合理开采范围与条件的界定；（3）露天地下联合开采运输系统的衔接；（4）保持采场稳定的开采隔离层厚度；（5）露天与地下采场爆破的影响关系；（6）岩体位移的分析与预报；（7）露天－地下开采排水、通风防尘等技术问题。■过渡期技术问题（1）安全矿柱的留设；（2）露天与井下的排水与疏干；（3）地面及井下的控制爆破；（4）生产能力的均衡与稳定；（5）露天边帮的管理与控制。■露天转地下开采工程系统复杂，做到及时和稳定过渡是露天转地下开采工程的关键。露天转地下开采工程一般包括前期准备阶段、基建期和产量过渡期，要做到稳产过渡大体需要4～10年，错过了稳产过渡的机会，就要蒙受不可挽回的损失。露天转地下开采已列入“十一五”国家科技支撑计划，通过该项目研究，期待露天转地下开采技术获得突破。五、溶浸采矿技术溶浸采矿技术是一新型低成本、能够回收赋存条件较差的低品位矿体的开采方法，在开采品位不断降低的趋势下，溶浸采矿技术以其能够回收复杂低品位矿石、能够回收废石、尾矿中的矿物将会获得快速发展。今后原地溶浸方法有望在大量的沉积型砂岩铜矿开采中获得技术突破，管道浸出方法在二次回收尾砂中的有用成分中将有用武之地，地表管注法浸出技术可用于经济合理地回收低品位矿石和废石中的金属元素。溶浸采矿技术主要有地表堆浸、地表原地浅井浸出、地下就地破碎溶浸和地下原地钻孔溶浸采矿等类型。溶浸采矿技术是一门边缘交叉学科，目前的基础还较薄弱，需要在散体渗流动力学，高效菌种的培育、强化浸出过程中多因素强关联机制方面进一步开展理论研究。随着溶浸采矿技术的发展，溶浸采矿方法将占有越来越大的比重。六、智能化采矿现代技术飞速发展，“数字化”、“智能化”已成为知识经济的重要标志。信息、定位、通讯和自动化技术正深刻地影响和改变着传统矿业沿袭百年的生产工艺和组织管理模式。遥控采矿、无人工作面、无人矿井等已在加拿大、瑞典、美国、澳大利亚等国成为现实。加拿大INCO公司通过地下通讯、地下定位与导航、信息快速处理及过程监控系统，实现对地下开采装备乃至整个矿山开采系统遥控操作。智能化采矿不仅是新技术的应用，而且要开展大量配套技术与设备的开发。智能化采矿的主要技术包括：数字化矿山技术（包括数字地质模型子系统和数字矿床模型子系统；虚拟条件下矿山模拟开采技术；等方面）；露天和地下矿通讯、定位与导航、信息快速处理及过程监控技术；采矿设备的智能控制与控制技术等。智能化采矿技术在采矿技术先进的国家加拿大、瑞典、美国、澳大利亚等国已有了较好的基础，在我国露天开采生产的自动调度，生产计划和过程的优化，开拓运输系统和采装系统的优化已获得应用，数字矿山技术已在首钢矿业公司初步实现。国内具有自主知识产权软件的研制已列入国家“863”计划。智能化采矿技术在可预见的未来将迅速发展。七、海底资源采矿技术随着陆地资源的减少或消失，海洋资源作为陆地资源的补充，将成为人类未来资源开发的主要对象。海洋金属矿产资源的开发，不仅技术难度特别大，而且受各方面的制约。21世纪，随着陆地金属矿产资源逐渐枯竭和全球经济发展对金属矿产资源需求的日益增加，随着科学技术的进一步发展及国际关系的逐步缓和，海洋金属矿产资源开发将成为一项高产出、高效益的产业。深海开采技术是海洋金属矿产资源开发的核心，其核心技术是适应海底作业环境回采率高的智能化采集设备，回采过程形态复杂多变的软管输送技术，高效安全可靠的多相流提升技术和设备，深海开采水下设备吊放回收技术及悬吊采矿系统的起伏摇摆补偿装置，开采过程采矿船、提升管道、采集设备随动定位及作业过程的监测控制，水下大功率高压输配电技术。以上核心技术的开发和完善才能建立完整的深海金属矿产的工业开采系统，使我国成为拥有这一高新技术跻身于首批进行深海金属矿产工业开发的行列。深海采矿技术的开发成功，伴随这个产业形成深海装备制造业和技术配套能力，可使我国参与国际商业竞争成为可能。海洋金属矿产资源的开发涉及海洋、地质、气象、环境、船舶工程、海洋工程、采矿、机械、冶金、材料、电子及自动控制等众多学科，在技术准备过程中，将促进相关的机械工业、造船业、电子技术的进步，使这些行业的加工水平和装备水平上一个新台阶。例如，深海采矿用作业车可应用于海底电缆铺埋，海上石油开发中的铺管作业等行业；大功率输送泵可为海水温差发电提供技术基础；为深海采矿技术开发而建设的深海实验室可为许多其他行业提供高水平的研究条件。八、矿区生态环境保护和重建技术矿山开采引发的生态环境问题已产生严重的危害，如破坏地表形态、植被、原始生态、水土流失、粉尘污染、滑坡、泥石流、尾矿库溃坝等，引起了全社会高度关注。矿山土地恢复和生态重建是21世纪的重要课题。目前，矿区生态保护和重建技术迫切需要解决以下几个问题：■酸性矿山废弃物、酸性水污染防治技术；■边坡、排土场、尾矿库水土流失防治技术；■土壤重构和培肥技术；■复垦地