金属矿业的前沿领域_深部采矿

2．未来20-30年是我国资源消耗高峰期
我国正处于工业化中期阶段，就是资源消耗强度最大 的时期，今后20-30年是我国资源消耗的高峰期。 随着人均GDP的增长，人均金属矿产消耗量呈“S”形 曲线变化。如下图所示。
前工业 化阶段 工业阶段 快速工业 化过程 后工业化阶段
人均金属矿产消费
缓慢工业 化过程
•c
•b
•a
人均 GDP
1
77
据预测 ：我国的钢、铜、铝、锌四种金属,达到 “S” 形曲线峰值的时间，及其金属消费量，见下表。 峰值消费量相当大。
中国主要金属消费需求预测表
金属 钢，亿吨 铜，万吨 铝，万吨 锌，万吨 2000年消费量 1.42 188 330 123
1
“S”型曲线达峰值时间 2012—2013 2019—2023
54000 2520
820
1090
12850 22234 4393 783 1260 1365
1990-2008年，国民经济增长15.3倍,同期钢增长 7.3倍,十种有色金属增长9.5倍。没有金属产量的同步 增长，就没有国民经济的可持续发展。 1 5 5
我国经济的快速发展，但是，在很大程度上是 以消耗资源和牺牲环境为代价。 ● 消耗资源—— 2006年.我国GDP 占世界总量5.5% ，而资源消耗： 能源消耗占世界15 %（24.6亿吨标准煤)、 钢材消耗占世界30%（3.88亿吨）、 水泥消耗占世界54%（12.4亿吨）。 ● 牺牲环境—— 矿业是破坏环境最严重的行业。据统计： 我国黑色和有色矿山每年新增排放的废石、尾 砂、废渣以10亿吨的速度增长; 共伴生资源的综合利用率很低---冶金企业为 20 % ,有色企业为30-35%(发达国家达70%), 我国这种粗放的增长方式 ,已经难以维继。 6 1 6
1
17
4、深部开采处于“三高”的特殊环境
当开采深度达到800-1000米时，一般界定为矿山
转入深井开采。它是个特殊的开采环境——高应力、 高井温、高井深。 “三因素”是深井的主要致灾因素 高应力(40-80 Mpa)——诱发岩爆、导致冒顶，使支 护困难，危及作业安全，采矿方法与支护技术 不相适应等； 高井温(30-60℃)——导致矿石自燃、炸药自爆，工 作环境恶化,在高温环境下，人的生理承受到 限制； 高井深(1000-5000 m)——导致提升.通风.排水.充填 的困难增大，效率降低，费用增大，等。 18 1 18
1 16
3、国外有大批金属矿山转向深部开采
在国外.据不完全统计，在非煤矿山中.开采深 度超过 1000m的矿山有80多座。 ①按国家来划分： 加拿大30座.南非15座.美国11座，印度4座.澳 大利亚4座,俄罗斯.波兰.和赞比亚分别为2座； ②按开采矿种分: 在80多座深井矿山中,金矿26座、铜矿18座、镍 矿9座、钾盐矿7座、铅锌矿6座、银矿5座、铀矿4 座、铁矿3座； ③按开采深度划分： 深度1000-2000m 的60座，2000-3000m的12座， 3000m以上的有3座，其中最深的是南非卡里顿维尔 金矿,竖井深4164m，开采深度已达3800m 。 17
争夺态势——目前,世界有4300多家矿业公司（不 包括煤和石油）在100 多个国家开展勘查、开发。其 中美、加、澳三国的矿业公司几乎占全球的2/3 （加 拿大公司占全球37%，美国公司占17%，澳大利亚公司 占9.5%） 。 ● 实施全球资源战略 世界上没有一个国家的矿产资源能够自给自足的， 实施全球资源战略是发达国家的成功经验,我国也不能 例外。我国已经有上千个地矿公司在国外从事资源矿 产的勘探与开发。 全球矿产资源战略、已经成为我们国家全球战略 的一个重要组成部分。我们国家的方针是：“积极开 展资源外交”，“互利共赢，共同发展”。 1 13 13
●
15
2、我国大批金属矿山向深部开采过渡
上世纪五、六十年代建的一批金属矿山，经过长 期开采，资源已逐步枯竭，大型露天矿所剩无几，地 下矿山也有3/5接近尾声或已濒临关闭,其余2/5正逐 步向深部矿床开采过渡。 超过千米的矿山有:—— 夹皮沟金矿1600m, 会泽铅锌矿1360m, 红透山铜矿1300m, 冬瓜山铜矿1100m, 寿王坟铜矿1000m, 弓长岭铁矿1000mm; 此外,凡口铅锌矿，金川镍矿，高峰锡矿，湘西 金矿等重点矿山，都已进入深部开采。 16
1 4
1．金属矿业支撑着国家的可持续发展
矿业是国家经济安全和国防安全的基础产业。金 属矿业支撑着国民经济的快速发展。见下表：
年度
人均GDP,美元
钢产量，万吨 十种有色金属产量,万吨 1990
200
6535 239
1995 2000 2002
581
9636 496
2005 2008
1703 3266
（3）实施全球的矿产资源战略 ● 全球资源配臵的格局 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，而广大发展中国家，只占1/4。 这就是全球矿产资源配臵的格局。 美国是世界上消费矿产最大的国家:Cu、Pb、Zn、 Al、Ni、M0六种金属的消费量是中国的5.9—32.4倍。 ● 全球资源争夺的态势 矿产资源是不可再生的。资源的有限性与世界经 济发展对资源需求的无限性，是一对矛盾；再加上矿 产资源的地理分布不均，这是全球争夺资源和国际关 系紧张的动因。美国前国务卿黑格就说过：“冷战实 质上是一场资源战”。 1 12 12
二、金属矿业正逐步转向深部开采
1.深部开采的 “ 深部”界定 2.我国大批金属矿山向深部开采过渡 3.国外大批金属矿山转向深部开采 4.深部开采处于“三高”的特殊环境 14
1 14
1、深部开采的 “ 深部”界定
何谓深部开采？
学术表达 ——随着开采深度的增加，岩石地应力不断增大， 当增大到某一值时，岩爆发生频率出现明显增加的 现象，超过这一临界深度的矿床开采，就定义为 “深部开采”。 ● 一般约定 ——由于矿岩的复杂性，同样的开采深度，地应 力不一定相同，因此，上述 “深部开采”的定义 有很大的不确定性。因此，一般约定把大于800– 1000米深度的矿床开采,视为“深部开采”。 1 15
2、关于深井高温的热害问题
（1）深井的热害 根据欧洲对2000m的钻孔观测，地温梯度大体为 3℃/100m。 影响井下温度的主要热源有: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。 南非的西部矿,井深3300m，井下气温达到50℃； 日本丰羽铅锌矿，采深500m，但受裂隙热水影响，井 下气温达到80℃。 在我国，上世纪90年代已有热害矿井70个（含台湾 省20个），其中40个煤矿的采掘工作面超过30℃，最 高达40℃；金属矿山有的达45℃。 根据我国《煤矿安全规程》规定：井下工作面气温 1 23 23
（2）国内概况 我国于1933年在抚顺胜利矿最早出现岩爆问题，到 目前为止，已有红透山铜矿、冬瓜山铜矿等20多个矿井 有过发生岩爆的记录。 针对金属矿深井开采的重大问题，我国“九五”开 展了《千米深井矿山300万吨级强化开采综合技术》国 家攻关；“十五”开展了《大型紧缺金属矿资源基地勘 查与高效开采技术研究》国家攻关；2001年就《深部岩 体力学基础研究问题》举办了香山学术会议；2003年启 动了国家自然科学基金重大项目《深部岩体力学基础与 应用研究》；2009年，国家自然科学基金重点项目《高 应力硬岩矿床非爆连续开采理论与技术基础研究》又获 得立项。国家对深部开采问题给以高度重视。 近年，我国在岩爆发生机制、预测、监控等方面， 做了大量研究工作；一些控制岩爆的深井开采工艺技术， 1 22 在冬瓜山矿床开采设计之中得到了应用。 22
钨（WO3） 锡（金属） 钼（金属）源自113149 59 215
1
49
89 35 85
10
（2）矿业正逐步向深部矿床开采过渡 21世纪，我国金属矿床开采正逐步转向五类矿床— —贫矿床、软破矿床、水体下矿床、深部矿床和高寒地 区矿床。其中，重点要发展的、也是最经济、有效的是 开发“深部矿床”。 深部开采是矿业发展的必然——实际情况表明， 我 国大部分矿集区的大中型矿山，深、边部的资源远景还 很大，这些矿山终将转向深部开采。与世界矿业一样， 矿床开采深度越来越大。国内开采深度已经到l400多米， 而国外达到4000多米。 深部矿床开采处于一个特殊的作业环境，有许多科 学技术问题需要我们去解决,矿业科技工作者面临许多 挑战，我们的科研工作要逐步向深部开采转移，走在矿 业发展的前面。 11 1 11
1 9
●我国资源形势严峻，金属矿产的保证度低，见下表: 编号 矿产名称 可供储量保证度 % 2010年 2020年
1
2 3 4
铁（矿石）
锰（矿石） 铬（矿石） 铜（金属）
59
83 5 19
38
22 2 9
5
6 7
铅（金属）
锌（金属） 铝（金属）
35
33 83
22
17 37
8
9 10 11
镍（金属）
峰值年消费量 3.60—3.80 535— 685 1300—1630 220—235
2022—2028
2012—2013
88
3、积极应对矿资源短缺的形势
（1）我国矿资源短缺的形势严峻 我国是矿业大国，矿产资源相对丰富,占世界总量 的12%，居世界第53位; 我国占世界人口1/4 ，人均资源只有世界平均水 平的1/3（其中铁42.4%,铜23.3%、铝7.3%）,关系到国 计民生的大宗矿产,如富铁、铜、铝资源短缺已成定局。 矿产是不可再生资源，经过长期大规模开发，浅 部矿产资源已逐渐枯竭.我国陆地的矿产开发主要向两 个方向发展：①加速开发西部（高寒）地区矿床；② 大规模开发深部矿床。 从长远考虑，国家对海底、极地资源开发也很重视， 为维护我国海洋权益,国家投入也很大的。但是，要真 正进入工业开采、还是深不可及。 9