我国金属矿山采矿技术现状与发展趋势_郜晓龙.pdf

19Industry development 行业发展我国金属矿山采矿技术现状与发展趋势郜晓龙，常超摘要：随着我国经济的发展及金属矿山资源早期不合理的开发，我国越来越面临金属矿产资源短缺的危机，特别是铁矿石资源不断受制于外国垄断企业，这严重制约新时期下我国经济发展。目前，我国矿产资源的分布区域主要集中在西部经济不发达地区，而东部、南部经济发达区域矿产资源匮乏，基本都是小矿、贫矿。在这样的资源现状下，我国亟需提升采矿技术，以此来补足矿产资源分布不均匀的短板，从而保证社会经济平稳增长。因此，本文对金属矿山采矿技术进展及趋势展开剖析研究，有着极其务实的意义。关键词：金属矿山；采矿技术；开采现状；矿山发展趋势目前，我国及世界上的矿山主要分为露天矿和地下矿两种，不同类型的矿山其运用的采矿方法、采矿技术、施工设备也不同，而不同的采矿技术和采矿方法则影响着矿山的开采效率。传统上采矿办法的选择多是通过矿山类推法来断定，因此大家可以在一个矿山看到另一个矿山的类似工艺和方法。但每个矿山的状况以及技能条件都有很大的区别，传统的矿山采矿也会出现一些不足之处，具体应用也存在局限性。因而，未来我国金属矿山采矿技术的发展趋势将是这篇文章讨论分析的主要问题。1 我国金属矿山采矿技术进展1.1露天金属矿山开采露天金属开采存在着开采前期废石剥离量少，基础建设周期短，矿山投产时间短的优势，因此，露天金属矿山开采在我国建国早期发展比较快，如南芬露天铁矿、司家营铁矿等矿山。其开采方式方法最常见的有三种：分间断式、连续式及半连续式。三种开采方式适用于不同硬度的矿体，其中半连续式工艺可以在一定程度上兼顾另外两种采矿方式。露天金属矿山普遍采用的矿石转载设备电铲、装载车，首先利用电铲装载矿石，由装载车将坑口内采出的矿石转运至破碎设备处进行破碎，再利用皮带运输机运出，这种露天矿石转载系统比较适用于深凹露天矿的开采。国内大多数露天矿山都建立了矿石转载-矿岩破碎-胶带运输的系统，该系统能够在露天坑口内进行灵活移动，可以提高开采效率。但随着科学技术的不断进步，露天采矿行业也不断革新了采矿技术，其中对比国外，我国露天金属采矿行业的短板主要体现在露天采矿设备大型化不足导致的露天矿山台阶高度无法提高，从而使我国矿山在大型化上进展较慢。我国露天采矿设备一般使用的台阶高度为10m 15m，而外国大型露天金属矿山的台阶高度已经可以达到20m 25m。但是最近几年，随着装备技术水平的提高，及从国外进行的大型采掘装运设备的引进，为我国的高台阶采矿技术的应用提供了一定的改进，同时也为我国金属矿山露天开采指明了大型化的方向。在露天采矿中，一般情况下会使用潜孔钻机、牙轮钻进行凿岩，同时通过钻孔位置爆破设计，装入炸药进行爆破开采。比较常用的爆破技术有挤压爆破、孔内微差爆破、大爆区尾插爆破等，能够对露天矿山爆破减振以及难爆破矿岩的破碎块度等亟需改进的问题进行了解决。近年来，我国露天矿山开采技术从外国引进并优化创新后，开采装备也日趋大型化、智能化，这些都对露天矿山的生产能力及矿山安全提供了很好的帮助。但是，随着国外大宗矿石资源垄断的加深，国内主要矿山消耗材料的价格不断上涨，矿山开采成本也在不断增加。同时，随着国内早期露天金属矿山开采台阶的不断延深，露天总台阶高度较高，矿山运输距离大增，矿石运输效率降低，能耗增加，矿山环境污染问题也日渐严重，这些不利条件也极大的制约着我国露天开采技术的发展。因此，我国露天采矿工艺需要从源头探寻新型采矿技术方法与配套装备问题，解决露天矿山不断攀高的成本问题、日益恶化的环境问题、依赖外部能源严重的高能耗问题。大型露天矿集约化、连续化开采技术将转变矿山运输理念，发展绿色露天矿石运输新观念，创新露天开采技术理论，实践建立露天采场矿石装载、破碎、输送智能化系统，实现数字化、智能化、绿色环保目标的新型露天采矿方法，是未来大型露天矿山技术发展的趋势。1.2地下金属矿矿山开采目前我国金属矿山生产中，地下采矿技术也比较多，其开采技术方法种类较多，细分下来有三大类，几十多种，具体使用什么采矿方法需要矿山企业根据自身的实际情况去进行最合理有效的选择。但如果选取的采矿方法不当，这就可能会造成施工进度的缓慢，也将对矿山生产安全产生恶劣影响。其中主要的原因是井下采矿工艺技术的复杂性，其不仅受到空间约束，还受到施工环境、施工人员的主观因素等条件影响。面对这种复杂性需要对金属矿山井下采矿工艺技术提出高标准、严要求，这样才能在复杂的空间环境中克服人的不稳定因素，确保施工的安全顺利。国内国际上，金属矿地下开采技术的发展基本在三个发展方向上有较大进展。首先是无废环保绿色开采技术。这种开采技术主要是在矿山资源开采时，通过一定的技术创新减少固废的排放，最大限度的提高开采矿岩的利用率，把矿产资源开采给环境带来的污染降到减少，这不仅保证矿山生产的稳定，也改善了矿山的生态环境。其次是规模化采矿技术。其会利用多种采矿方法的相互结合与优化调度，同时结合先进的地下矿山生产设备，使得小矿山实现大规模的开采。最后是连续开采技术，该技术相对于间断连续技术来说，主要是在持续开采上进行的突破，通过施工工艺的优化与采矿方法的有机结合，实现矿山生产的连续运转，服务年限的持续递增。目前，我国矿山大力倡导无20Industry development 行业发展废、环保的绿色开采理念，这种理念首先带来的就是井下充填开采技术的发展。另外随着近年来对安全的重视，井下开采过程中支护技术也在不断发展。在金属矿山井下开采的工作过程中，面临许多不可预见危险，因此矿山行业在我国属于高危行业，由此可见，做好整个井下支护开采工作显得尤为重要，在实际应用的过程中，需要按照施工规划、设计，编制生产作业计划，然后合理开展矿山生产工作，提高金属矿地下矿山支护安全及采矿能力。在这个过程中，需要将锚杆、钢架支护技术合理结合，防止出现井下采矿的安全事故的发生，达到优化整个井下采矿安全的效果。2 我国金属矿产资源现状与开采过程中存在的问题分析我国是一个矿产资源丰富的国家，其具有总量大、人均拥有量少的特点。虽然矿产资源种类比较齐全，但结构分布不均匀。目前，我国矿产的生产能力较高，其中每年的铁矿石原矿的生产总量在9亿吨以上。随着社会的不断发展，科技的不断进步，生产能力还会不断的增加。近年来，随着矿山开采技术的不断发展，矿山开采技术在实际的生产活动中体现出一定的积极作用，但是在整个开采过程中也出现了各种各样的问题，既无法保证矿山开采的整体效率，也容易造成大量的资源浪费。具体来讲，其主要体现在以下几个方面：（1）虽然我国拥有大量的金属资源，但是不同地区的贫富矿差距较大，矿产资源的利用率有待提升，且一部分矿山资源存在较严重的浪费情况，或是受到某些因素的影响出现过度开采的行为，这些因素将导致矿产资源下一步的规划及实际进行开采时出现许多不可控因素。（2）部分矿山开采技术存在普及度不高的情况，使得部分地区的矿山资源开发效率较低，矿石中的一些伴生金属无法得到有效回收利用，难以保证矿山资源的充分利用。（3）以往矿山资源的过度开采造成了较严重的环境破坏，且地下开采对水资源环境的影响较大，这些行为严重损害了矿山当地的生态环境，违背了国家绿色矿山的发展理念。（4）在我国金属制品需求不断提升的情况下，企业为获取更高的经济效益提高了矿山开采的规模，虽然能够获得短暂的利益，但势必会影响到长远的经济发展及后期的安全风险及环境破坏，且开采技术水平在一定时间内无法得到提升，不利于矿山开采行业的持续发展。（5）一些矿山企业科技创新的思想欠缺，思想老化，不进行技术升级，不注重科技研发，不能够注重人才是第一发展力的理念，这些将导致我国矿山在今后的发展中不断滞后于外国先进矿山，将严重影响我国矿山的未来发展。3 金属矿山采矿发展趋势3.1数字化与智能化以信息技术为支撑，数字化矿山迅速发展，信息技术、定位技术、通信技术和自动化技术等的发展和应用，使金属矿山未来的发展产生深远影响。与发达国家对比，我国在数字化、智能化矿山的建设方面起步较晚，但是有后来居上的趋势，随着我国在无人驾驶、超级计算机、机器人、5G通信技术等科学领域的不断创新，我国的矿山生产安全不断提升，施工效率也大大提高。3.2大型极深露天矿采矿技术随着金属矿产地下开采作业的持续生产，其中段作业深度不断下延，整个开采过程的难度系数也在加大，比如巷道作业范围的温度逐渐提高、矿井通风效率的降低、开拓运输提升效率增加、设备适应环境能力的降低等。面对这些未曾摸索的困难，我国现阶段没有较成熟的系统成果进行参考。因此，对于大型极深露天矿开采的工艺、爆破技术、设备配置以及环境保护等方面也需要增加研究，才能使未来大型极深露天矿开采实现整体技术上的突破。目前，国内根据大型矿山的实际情况，也研发了一些掘采一体化设备，这种设备可根据矿石的实际情况完成一次切割开挖，高效装载、快速推进、精准导向和定位，同时根据设备型号选择合理的装载设备实现一次性采装运一体化平台，其具有智能化远程实时在线监控的性能，能够满足矿山施工作业时的安全、高效、绿色、环保、信息化、机械化需求，这种设备在今后的不断优化改进中势必会得到大规模运用，势必会带来大型极深露天矿山开采技术的进一步革新。3.3露天转地下开采过渡技术受国内矿产资源短缺影响，许多矿山露天开采台阶加深后必需进行地下开采，这个过渡时期产生许多生产系统的改变，现阶段我国正在或即将要露天转地下开采的矿山较多，矿山工作者们往往由于经验主义的原因，不慎了解露天转地下开采过程中所次生应力场对岩体力学场的影响机理和开采方式转变过程中矿岩施工扰动的移动规律。因此，我们必须进行全面系统的露天转地下开采过渡技术研究,探索露天转地下开采的系统性方法和工艺。近年来国内矿山工作这关于该方式开采矿山所存在的问题及对应技术进行了大量研究，也得到了较好的科研成果。主要研究成果有：露天开采转地下开采的平稳过渡技术、露天转地下开采生产系统的衔接技术、露天转地下开采安全高效采矿工艺、露天转地下开采采矿方法工业试验、覆盖层的结构及其形成技术、地下采动影响下覆盖岩层对露天边坡的控制作用，以及露天转地下开采边坡和岩层变形规律及其监测预报技术。3.4无废、环保的绿色开采技术根据以往金属矿山开采情况来看，整个矿山开采过程存在较严重的环境污染情况，整个过程产生的污染物和废物数量较大。基于这一情况，我国对矿山开采的节能环保提出了“绿水青山就是金山银山”的理念，将矿山开采技术改造为无废开采技术，从而在保证矿山生产活动顺利进行的同时也能处理好生产所产生的废弃物，解决矿山开采的环境污染问题。目前有些采矿行业发达的国家对矿山环境的综合治理提出了高度的重视性，对矿山生产中的粉尘、废渣、废水等污染物的排放标准作出了严格规定，使得一些品位差的金属矿因治理成本高无法进行开采，这一开采理论也是我国需要学习的。目前安徽太平前常铁矿在这一方面应用的比较好，该矿山将选矿产生的尾砂经过处理后，21Industry development 行业发展全部应用于井下充填及采空区治理，将矿山掘进产生的废石经过加工应用于基建建设，使其成为国内为数不多的无尾矿库的矿山，基本实现了无废、环保的绿色开采技术。3.5信息化开采技术的应用行业内的人士都知道，不管是地下矿山还是露天矿山，其生产环境较差，随处可见的安全隐患，让作业人员时刻受到生命的威胁。为了矿山的开采安全得到保证，就必须在见人方面做突破，而随着国内信息化技术的不断革新，使得矿山的信息化也有所突破。目前国内部分矿山开采在设备信息化管理，生产工艺信息化操作上在世界领先。通过信息化开采技术的不断应用，矿山生产的每一环节都进行了最优控制，也取得了生产能力的提升和安全作业保障双重效果。与人工开采相比，信息化开采过程具有远程视距与高效可控，可以更好的分配人力物力资源。同时，对于矿山生产上出现的突发事件也能够进行快捷高效的处理，这些方面都能有效降低矿山的开采成本，提升矿山的开采经济效益。国家5G通信技术近两年不断提升以来，国内多个矿山分别与国内通信公司、华为公司等进行合作，分别从露天矿矿区5G网络覆盖服务、5G+无人驾驶、5G+地下工业互联网等进行项目合作。通过项目的不断建设实现了露天矿山大型矿用自卸车5G+无人驾驶编组与电铲、推土机智能协同作业；实现了地下矿山各矿区、中段大型硐室、矿山主要运输巷道等位置的5G无线信号的全覆盖，建设出了矿山智能运行管理的“中枢大脑”。信息技术与矿山生产的融合使矿山的工作在安全管理、设备管理、远程集控等方面实现了管理上的更加智能化，极大地提升了5G信号下无人作业的安全性。矿山施工技术人员只需在远程操作平台上进行无线控制，就可实现矿山各项设备的正常运转，确保矿山各项施工安全有效进行，这在现场工作人员数量实现了减量突破，极大的降低矿山生产人员的伤害。3.6复杂难采地下残留矿体开采技术在过去地方政策不规范的时期，我国地下金属矿山有多个时期的无序开采，由于当时采矿技术水平较差及采矿设备不匹配进行的无序开采，使得一些矿山采区内仍有大量的矿石资源没有进行开发利用。对于这些残留矿体的开采，需要极高的施工技术支持与作业安全防护，才能将残留的采空区进行有效的安全治理；而残留采区的二次回采，也更加迫切需要掌握采空区附近的详细工程地质情况。其存在的主要困难是老采空区残留资源探测技术、老采区工程地质的治理技术、复杂充填体下残留资源的回收技术、残留资源开采施工的顶板再造技术、复杂残留矿体回采前后的地压安全监测预警技术。技术难关的攻克，对我国残留矿体资源的高效回采利用与资源整合规划具有显著效益。针对遗留矿石的开采国内目前较为先进的采矿技术主要是应用一些先进的扫描设备，如中钢马矿院的I-siteSR3-L三维激光扫描系统、CUGTEm-8型瞬变电磁仪等，通过对遗留矿石周围采空区的地质情况勘察制定相应的采空区处理措施，然后再进行回采。4 完善金属矿山采矿技术的措施4.1创新井下采矿方法技术在整个金属矿山采矿的工作中，需要不断优化创新采矿方法技术，真正做到在行业中领先的地步需要在思想上开拓进取、在生产实践中创新摸索、在技术优化上实现进步，不断完善出符合我国不同矿山条件下，能够科学合理矿山安全生产的采矿体系，尤其是创新应用露天高台阶采矿技术和井下极深部矿体开采技术以及复杂难采矿体开采技术，这样才能够不断的实现金属矿山开采技术的世界领先地位，为我国的矿山行业扬眉吐气。当然，在实现我国金属矿山开采技术领先的道路上是不可能一蹴而就的，这不仅需要我们的矿山行业者们不断的去学习和借鉴国外的先进采矿技术，总结施工经验，也需要进一步创新金属矿山开采技术方法和施工工艺。4.2国家政策扶持，政府资金帮助国家政策的引导是从行业发展方向上提高金属矿山采矿技术的重要保证，因此为了更好的发展金属矿山采矿技术政府必须加大政策的出台。同时，要提高金属矿山采矿技术，政府也必须采取一定的投资资金优惠力度，从国外引进先进矿山装备，改变我国目前矿山装备落后局面，提高金属矿山开采效率。在政策上有国家的支持，在资金上有政府的帮助，这样我国金属矿山企业才能更加积极的去引入行业先进开采设备仪器，及时将传统落后的设备更新换代，并且通过对采矿技术人员的技能培养，使技术人员不断的学习先进经验，这样就一定能提高矿石的开采效率，从而有利于井下采矿技术的提高。4.3矿山企业加强科技创新能力，激发科技工作人员潜能对于一个矿山企业来说，矿山的科技创新是解决技术落地、推广应用等问题的关键，同时也是培样矿山人才的温室。科研创新一定要在某种程度上去挖掘和引导，围绕矿山核心指标解决难题。因此，不管是地下矿山还是露天矿山想要持续良好的发展就要在科技上有目标，有规划，有投入。这一过程非常难，既要保证核心目标的实现，又要有先进性、可行性、经济性。还要考虑目标紧迫性、时间成本、投入产出比、人力成本、研究基础等诸多因素。5 结语综上所述，金属矿山的开采能够为社会生产提供各种金属矿产支持，其对采矿技术有着较为严格的要求，通过引入先进的采矿技术，可以促进采矿效率的提升和采矿安全性的增加，但矿山企业也应建立健全自己的科研团队系统，通过科技创新提升企业的竞争力和创新能力，相关政府部门也应出台相关政策进行政策引导，从而才能实现矿山变成绿水青山，金山银山。（作者单位：安徽太平矿业有限公司）