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阳光创译:有关采矿业的“未来科技”的畅想

编辑:Suntrans¦发表时间:2018-08-21

2016年9月国土资源部出台的《国土资源“十三五”科技发展规划》明确提出,要以深地、深海、深空为主攻方向和突破口,构建向地球深部进军、向深海空间拓展和深空对地观测的国土资源战略科技新格局。对于矿业行业来说,也明确了采矿技术未来发展的方向:深地采矿技术、深海采矿技术、深空采矿技术。

1 深地开采技术

深地采矿,即向地球深部进军,开展深部重要矿产资源勘查与高效利用,有学者研究认为,如果我国固体矿产勘查深度达到2000米,探明的资源储量可以在现有基础上翻一番。近期目标是2020年形成至2000米矿产资源开采。

深地采矿现状

为了加速金属矿业现代化,大力提升我国金属矿业的国际竞争力,“深部高效开采、绿色安全开发、智能化采矿”将成为我国地下金属矿采矿技术今后一个时期的三大主题。当前国外采深1000米以上的金属矿山112座。按数量排名,处于前几位的国家是:加拿大28座,南非27座,澳大利亚11座,美国7座,俄罗斯5座。我国已经超过澳大利亚,居世界第3位。但是,如果按照现在的发展速度,我国在较短时间内深井矿山数量就会居世界第一。在国外112座深井矿山中,采深超过3000米的有16座,其中12座位于南非,全部为金矿。我国16座深井矿山中,金矿8座,有色金属矿山7座。国内外情况基本相似,深井矿山中,黄金矿山数量最多。

深地采矿关键难题

深地采矿面临的关键难题:一是深部高应力问题。深部高应力可能导致破坏性的地压活动,包括岩爆、塌方、冒顶、突水等由采矿开挖引起的动力灾害。二是岩性恶化问题。浅部的硬岩到深部变成软岩,弹性体变成潜塑性体,这给支护和采矿安全造成很大负担,严重影响采矿效率和效益。三是深井高温环境问题。岩层温度随深部以1.7℃/100米~3.0℃/100米的梯度增加,严重影响工人的劳动生产效率。而为了进行有效降温,又必将大大增加采矿成本。同时,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,提升难度和提升成本大大增加,并对生产安全构成威胁。

深地采矿技术发展方向

深地采矿具体技术发展方向:深部岩体力学与开采理论、深部金属矿建井与提升关键技术、特大型地下矿开采关键技术及装备、地下金属矿山智能化开采技术与装备、崩落法转充填法开采关键技术、地下金属矿山智能化开采技术与装备、现代化矿山绿色开采技术。

深部岩体力学与开采理论主要研究内容包括金属矿山完整性开采安全理论体系研究、超大规模矿山重大灾害预控与充填安全保障技术研究、超深矿井重大灾害监测预报与防控技术研究、矿山采空区致灾机理及预警防控技术研究、基于物联网和云平台的金属矿安全风险预控技术研究、金属非金属矿山重大灾害情景构建与应急救援装备研究。

深部金属矿建井与提升关键技术主要研究内容包括深竖井建井工程风险分析理论与优化设计方法、金属矿深竖井高效掘进与成井关键技术及装备、金属矿深竖井井壁结构与围岩控制关键技术、深竖井大吨位高速提升装备与控制关键技术、大吨位轻量化提升容器与牵引关键技术。

特大型地下矿开采关键技术及装备主要研究内容包括大空间强扰动矿岩力学动态特性与地压管控技术研究、复杂水环境下大规模开采地下水防控关键技术研究、大参数采场超强开采关键技术与回采工艺研究、大规模高效能低成本充填关键技术与装备研究、特大型地下矿山作业环境调控技术研究。

崩落法转充填法开采关键技术主要研究内容包括崩落法转充填法的可行性和经济评价体系研究、崩落法转充填法开采技术研究、低成本高强度新型充填材料研究应用、高浓度料浆自流管道输送技术和装备、高浓度充填连续监测与预警预报等。

地下金属矿山智能化开采技术与装备主要研究内容包括矿山虚拟现实平台研究、开采过程智能化管控平台研究、智能开采软件、矿山生产智能化系统、矿山物联网关键技术研究、井下通风智能化动态监控技术研究、智能开采装备及其智能操控技术研究、智能开采标准体系、采矿环境监测监控技术研究等。

现代化矿山绿色开采技术主要研究内容包括采空区治理技术体系研究、无废开采技术、全尾矿充填采矿技术、高浓度胶结充填技术、保水开采技术及装备、低扰度控制爆破技术、地表深陷及位移变化控制技术、电动采矿设备研究、尾矿综合利用技术、矿山生态环境恢复技术。

2 深海采矿技术

深海采矿,即向深海空间拓展,进行深海矿产资源开采;地球上海洋接近90%的面积是水深超过1000米的深海,深海蕴藏着丰富的油气、矿产、生物等战略资源。近期目标是到2020年,攻克海域天然气水合物试采关键技术和装备,实现商业化试采。

深海采矿现状及进展

据中国国土资源部的一份报告估计,海底蕴藏有880亿吨稀土、10亿吨钴、3万亿吨多金属结核矿。这些矿产在电子、医疗设备、纺织、有色金属、汽车和化学等领域具有广阔应用前景。

中国目前已经供应着世界上95%的稀土,而风力涡轮和太阳能电池板等环保科技产品的新需求,甚至可能超过了中国的陆上供应能力,因此海地稀土的开发利用无疑具有重要的战略意义。中国在国际海底区域调查和研究工作始于上世纪70年代,目前已经在4个国际水域拥有采矿权。

目前,矿产资源的开发程度与人们未来的需求并不匹配,陆地资源早已被过度开采,矿物供不应求促使越来越多的公司考虑在海底作业。据悉,铜、镍、钴等金属在海底的贮藏非常丰富,而黄金和铂金的数量相对较少。

目前,联合国国际海底管理局(ISA)已经批准了20多份海底探索和采矿合同,涵盖数十万平方英里海域,且已经向政府和公司颁发了26个海底矿产勘查许可证。包括新西兰、纳米比亚、斐济、汤加、瓦努阿图和所罗门群岛在内的国家已经颁发了海底矿产勘查证。库克群岛甚至举行了一轮海底矿产勘查项目招标,但是巴布亚新几内亚是目前唯一颁发海底采矿证的国家。

加拿大鹦鹉螺矿业公司将于2019年启动全球首个深海采矿作业——索尔瓦拉一期(Solwara 1),届时,该公司将派遣多名遥控采矿机器人远征到太平洋西南部的俾斯麦海海底,希望在此找到富饶的铜和黄金等矿物。如果该公司成功,很可能会引发一场深海“淘金热”。

20年前,大多数采矿公司都认为到海底采矿太难了。但现在有一些公司发现,去几千米的水下采矿,可能比到几千米的岩石下采矿更容易。目前,深海采矿作业最大的难题是如何克服陡峭且起伏的海床。由于上世纪七八十年代,国际上投入6亿多美元用于海底锰矿开采技术的研发,深海采矿技术得到了很大发展,可以采用基于成熟工业技术的巨大机器人协助采矿。

鹦鹉螺矿业公司近期宣布,已完成组装第一套由英国制造的采矿机械部件,用于海底采矿生产作业。这个8米高的机器人将用于采集海底硫化物,并抽吸至海面,然后用驳船运送到30英里外的拉包尔港。

深海采矿方法

深海采矿方法是为在4000~6000米水深的大洋底开采锰结核矿床而设计的采矿方法。主要有连续链斗开采系统、流体开采系统和穿梭开采系统三种采矿法,已在不少发达国家研制和试采,但还未开始商业性应用。

续链斗采矿法,由机械驱动采矿,其原理与链斗采砂船相似,是通过绞车、滑轮等设置,使每隔25~50米系有铲戽斗的钢缆或尼龙索不断地在海底循环,依靠戽斗铲挖锰结核并将其提升回海面。作业时由单船或双船纵、横向移动,进行连续回采。这种方法采掘设备比较简单,调整作业区灵便,处理故障比较容易,且使用不受水深和海底地形限制,但可能发生缆绳缠结而影响作业。

流体采矿法,从采矿船上将一根提升管伸到海底沉积物的表面,管的末端连接集矿装置锰结核通过装在输送管上的高压离心泵或船上的空压机,利用水力或气举,沿管道被升举到船上,为了提高采矿效率,采集器可带配水力式高速喷水装置或机械式的耙滚装置,用以冲、松矿层。该采矿系统造价相对昂贵,但试采证明具有良好的应用前景。

穿梭采矿法,使用自带有推进装置和作业动力的遥控集矿器,由压载舱控制下沉、采集和上升。作业时下沉压载使集矿器下潜到海底,然后由螺旋浆推进器驱动沿海底采集并分离得锰结核。当矿石采集到一定数量时,自动弃掉压载舱内的压载,上浮出海面并驾驶回母船,此采矿法设备自控,作业安全、灵活机动,工作效率高,但造价昂贵,现仅在个别国家研制、试验。

海底矿产资源开发国际联合研究中心建立

为落实国家“海洋强国战略”、“一带一路”倡议、部署国家“十三五”国际科技合作的重大举措,提高我国深海采矿国际合作水平和全球竞争力,促进海底矿产资源商业开发早日实现,2018年3月,依托中国五矿所属长沙矿冶研究院、长沙矿山研究院共建的 “海底矿产资源开发国际联合研究中心”被国家科技部批准认定,该中心是我国在海洋矿产开发领域唯一的国际联合研究中心。

该中心以我国国际海底矿区勘探开发重大工程需求为依托,围绕深海矿产资源开发关键科学技术问题,开展海底矿产勘查与评价、海底矿产资源开发、深海开采作业、海底长距离输送、海底采矿系统远程监控技术、海底矿物加工利用、深海开采的环境影响等科学研究。通过多种形式的国际联合研究和与产学研合作,突破和掌握深海采矿关键技术,培养海底矿产资源开发领域的科研和经营人才,用5到10年的时间形成工业化开采的系统集成技术,培育海底矿产资源开发战略性新兴产业,择机进行商业开采。

中国惟一一个海底采矿的金矿

三山岛金矿成为全球首座安全高效开采海底金属资源的矿山,是全国惟一一个海底采矿的金矿。三山岛金矿是国家黄金工业“七五”期间重点建设项目,是中国100家最大有色金属矿采选业企业之一,也是目前全国机械化程度最高的地下开采黄金矿山。三山岛开采深度已经达到1050米,是我国目前仅有16座金属矿山深度超过1000米的矿山之一。三山岛金矿矿山采用主竖井、斜坡道联合开拓和点柱式机械化水平分层充填采矿方法,用于采矿、出矿、运输、提升、探矿的设备全部从国外引进。

深海采矿船研制

深海采矿船是为海上采矿提供生产支持与控制的母船,是深海矿产开发中最为重要的水面系统,航程远,作业水域深,系统复杂且集成度高。

中国正在建造的世界首艘深海采矿船将于2018年底完工并交付使用。资料显示,该船设计长约227米、高约75米,最大设计作业水深达2500米,载重4.5万吨,能在海上连续作业5年多时间。该船融合当今世界多项高端技术,集成深海采矿机器人、深海提升系统、储水系统和装卸货系统,可容纳约200人居住和作业,矿物储存量可达到39000吨。

该船设计及绝大部分关键设备,如水下作业装备布放回收系统、矿物脱水系统、矿物存储与转运系统、中压双级智能环形供电系统等,均为中国船舶制造业首次应用,代表着当今世界深海采矿作业领域的最新技术成就。中国建造的首艘海底采矿船将首先租借给加拿大鹦鹉螺公司,预计于2019年初在巴布亚新几内亚的海上开始深海采矿,租期至少5年。铜陵有色金属集团将成为鹦鹉螺开采的铜矿的首个买家。

3 深空采矿技术

深空采矿(太空采矿),即利用太空望远镜技术、太空卫星技术、载人航天技术、智能机器人技术等进行的深空资源的探测和开采。

人类首个太空采矿立法诞生

2015年11月25日,美国总统奥巴马签署了《美国商业太空发射竞争法》,该法赋予了太空采矿的合法性,明晰了太空资源的私有财产权,意味着私企开采太空资源和进行商业用途在技术上成为可能的基础上,又获得了法律上的权利。虽然该法只是美国的法律,但其为太空采矿立法提供国际借鉴。

世界上采矿方面研究实力最强的机构之一——美国科罗拉多矿业学院,低调开设了一门新专业——太空采矿专业。在上世纪90年代,该学院便已开始从事“太空资源以及就地利用”方面的研究,但一直仅限于理论方面,现在终于付诸行动。

美国科罗拉多矿业学院

自从该学院2017年宣布招生以来,已经收到了来自世界各地的150多份简历,其中就有一份来自于中国。2018年秋季正式开学,分为硕士课程和博士课程,将设1-2个分科,每科招收24名学生。

太空采矿专业主要研究太空中所有可利用的资源,太空采矿不同地球采矿,涉及到的学科门类非常庞大,包含航空航天学、地质学、矿物学、采矿学、材料学、遥感学、机器人学等众多学科。

太空采矿或成全球最赚钱职业

过去一个世纪以来,为了满足人类不断扩张的“胃口”,地球的矿脉几已穷尽,人们也早已在寻找新的储备源,直到将目光转向了外星球。

太空采矿或将是下半个世纪最赚钱的行业之一。尽管据预测,不包括实际采矿和返回器材,小行星采矿初期投入就可能达数百万美元,但另一笔推算显示,太阳系中普普通通的一颗名为241 Germania的小行星,拥有的矿产资源总价就接近百万亿美元,超过了全世界的GDP总量(据世界银行2017年报告,2015年全球GDP总量为74万亿美元);而太阳系内最有价值的5颗小行星中,最低的估价也超过万亿美元。目前美国国家航空航天局(NASA)跟踪着大约16700个近地天体。

对“太空经济”来说,这些小行星可能价值连城,其水、硅、镍、铁都是开发重点。水分解成氢和氧后,可以作为动力燃料填充飞行器,清洁且成本较低;硅可用于发展太阳能系统;镍和铁则是太空制造业的潜在资源。

太空采矿的难点

太空采矿的方式无非分2种:一是运回地球附近开采,二是就地开采,难度都非常大。在太空作业遇到的问题会有很多,比如真空环境、零重力/微重力、强紫外线、随时会面临陨石的撞击等。

太空采矿技术研究方向

目前最先需要的是望远镜,因为行星资源必须通过望远镜进行分类。行星上可用的资源种类繁多,凭借搜索、跟踪并检测光谱信息,可以判断小行星的组成。正确分类后,才能真正实施低成本开采计划。目前还没有适当的望远镜可以进行小行星矿藏勘测。现在有很多机构制定了初步方案,计划通过望远镜对小行星进行观察和分类,但无论是深空工业公司、行星资源公司还是非营利机构B612基金会,都还做不到,因为这需要性能非常高的大型专用望远镜,而且还得在需要时立即投入观测。

其次,小行星采矿还需要考虑很多必要因素。小行星采矿业融合了“难以置信”的交叉科学,包括工程上的挑战、创业精神以及想象力。人类目前还需要进一步研究小行星低重力条件下表层土壤的特性,在地球上进行模拟试验,测试采矿设备,同时调查太阳系中不同类型小行星的元素含量情况。

另外,如果目标是一颗体积较大的小行星,登陆采样将会容易得多,但如果是宽度仅50米至500米的小行星,困难就会翻倍。这都需要提前收集数据,研制可适用目标天体的挖掘机器人。

“袖珍王国”卢森堡已投资小行星开采多年,也与深空产业合作设计了一个实验航天器,目的就是为了测试其采矿技术。


太空资源开采设想

太空资源项目是为了研究太空中所有的可利用资源,其中包括了太空采矿、太空制造等课程,学习如何探测太空资源,确定资源在哪里,如何开采,如何制造,如何就地利用,甚至今后如何实现将资源带回地球等。


美国科罗拉多矿业学院阿布德·马德里教授:“太空资源的开采将在约15年后成为现实。”其可分为三步走:

(1)第一阶段的5年,需要精确定位,比如,月球的水资源在哪里,有多大储量,浓度有多少等;

(2)下一个5年,也就是10年后,将会看到如何开采这些资源,如何将水资源就地转化为氢气,如何储存加工后的燃料等解决方案;

(3)最后的5年,将见证太空资源开采工作的开启以及资源的就地利用。

4 结语

深地采矿技术、深海采矿技术、深空采矿技术是针对未来资源开发利用的趋势所在。深地采矿技术已经积累了足够多的经验,但在不同国家、不同地域、不同矿山仍要进行因地制宜地研究和应用。深海采矿技术及装备已在不少发达国家研制和试采,但还未开始商业性应用,未来的深海采矿业很可能是一组采矿、海洋能源利用和深海农牧渔业等综合发展的高新技术产业群。深空采矿充满了无限可能,尤其当前太空探测和飞行技术发展迅速,但在具体采矿技术及设备方面,仍需要巨大的人、财、物投入。人类社会的进步和发展离不开矿产能源资源的开发利用,通过国内外矿业科技工作者的不断创新和探索,相信人类上天入地下海开发资源必将成为现实。


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