姚寧廣 徐 芳
(安徽省科技創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心,安徽合肥230088)
礦產(chǎn)資源是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的基石,也是保證國(guó)家工業(yè)安全的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)近10年的快速發(fā)展,我國(guó)礦產(chǎn)資源的生產(chǎn)利用方式得到了大幅度升級(jí),礦業(yè)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力也得到了顯著加強(qiáng)[1-2]。然而隨著國(guó)家供給側(cè)改革的深入及對(duì)礦山綠色發(fā)展道路的推進(jìn),資源產(chǎn)業(yè)受到了一定的沖擊,這對(duì)礦山企業(yè)升級(jí)改造提出了更高的要求,也對(duì)礦業(yè)領(lǐng)域及其延伸涉及的開(kāi)采、資源利用、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人文等相關(guān)方向的科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新提出了新要求[3-4]。
政府類(lèi)的科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)是政府激勵(lì)科技創(chuàng)新、技術(shù)進(jìn)步的重要獎(jiǎng)勵(lì)制度,經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐,其在學(xué)科設(shè)置、評(píng)審、獎(jiǎng)勵(lì)程序上形成了一整套成熟的評(píng)價(jià)體系。安徽省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)作為安徽省內(nèi)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng),能夠從科技產(chǎn)出角度評(píng)價(jià)安徽省科學(xué)技術(shù)進(jìn)展,其獎(jiǎng)勵(lì)成果通過(guò)同行評(píng)議的方式得到了學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的廣泛認(rèn)可,可體現(xiàn)安徽省科技進(jìn)步的前瞻性,同時(shí)為安徽省未來(lái)科技發(fā)展方向提供參考[4-6]。
目前針對(duì)安徽省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)的分析僅有零星報(bào)道,缺乏整體系統(tǒng)的分析挖掘。本研究結(jié)合2009—2019年礦業(yè)領(lǐng)域安徽省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目資料,梳理近10年間省內(nèi)礦業(yè)領(lǐng)域科技發(fā)展方向,指出當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題,并對(duì)礦業(yè)領(lǐng)域科技發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望,為相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策制定與決策提供重要的數(shù)據(jù)支撐及參考。
2010—2019年10年間的安徽省科技進(jìn)步獎(jiǎng)中,礦業(yè)類(lèi)共獲獎(jiǎng)137項(xiàng),平均每年獲獎(jiǎng)數(shù)量在14項(xiàng)左右。其中一等獎(jiǎng)16項(xiàng),占總獲獎(jiǎng)的11.7%,二等獎(jiǎng)33項(xiàng),占總獲獎(jiǎng)量的24.1%,三等獎(jiǎng)86項(xiàng),占總獲獎(jiǎng)量的64.2%。由圖1可知:10年間,礦業(yè)類(lèi)獲獎(jiǎng)量略有波動(dòng),其中在2010—2016年間礦業(yè)類(lèi)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),至2016年達(dá)到近10年的最大值17項(xiàng),隨后兩年獲獎(jiǎng)量急劇減少至2018年的10項(xiàng),在2019年獲獎(jiǎng)量又略有恢復(fù)。本研究認(rèn)為,一方面在于行業(yè)科技力量的發(fā)展與行業(yè)的發(fā)展息息相關(guān),行業(yè)發(fā)展蓬勃,在科研方面的投入也將隨之增加,成果也會(huì)隨之豐碩,行業(yè)下行,科研投入隨之縮減,科研成果也隨之減少;另一方面,科研成果的產(chǎn)生具有滯后效應(yīng),科研投入后一般在3~5年后成果才能呈現(xiàn),因此科研成果數(shù)量雖然隨行業(yè)發(fā)展水平波動(dòng),但有3~5年的滯后期,由于2013年后礦業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)行業(yè)發(fā)展的低谷,使其獲獎(jiǎng)數(shù)在2017年出現(xiàn)大幅度減少。分析圖1可知:雖然總獲獎(jiǎng)數(shù)量在10年間的波動(dòng)較大,但一、二等獎(jiǎng)的占比總體呈上升趨勢(shì),說(shuō)明礦業(yè)領(lǐng)域科研成果投入—產(chǎn)出質(zhì)量不斷增強(qiáng),領(lǐng)域內(nèi)總體科研水平發(fā)展勢(shì)頭良好。
從獲獎(jiǎng)的礦山類(lèi)型看,非煤礦山類(lèi)每年獲獎(jiǎng)數(shù)目較為穩(wěn)定,保持在3~4項(xiàng),煤礦類(lèi)獲獎(jiǎng)數(shù)目占礦山領(lǐng)域獲獎(jiǎng)總數(shù)的比例較大,基本都保持著70%以上,但每年獲獎(jiǎng)數(shù)目變化較大,2010—2016年呈增長(zhǎng)趨勢(shì),最高達(dá)到14項(xiàng),2016—2018年迅速回落至7項(xiàng),2019年又恢復(fù)至11項(xiàng),其獲獎(jiǎng)數(shù)目與國(guó)家的能源政策及煤炭行業(yè)的發(fā)展形式緊密相關(guān)(圖2)。
獲獎(jiǎng)的第一單位往往是相關(guān)科研創(chuàng)新的第一貢獻(xiàn)者,決定著科研項(xiàng)目的成敗,能夠反映出該單位的創(chuàng)新水平。從獲獎(jiǎng)的第一單位來(lái)看,近10年來(lái),安徽省科技進(jìn)步獎(jiǎng)礦山領(lǐng)域獲獎(jiǎng)第一單位大部分為企業(yè),占總獲獎(jiǎng)量的60.6%,占據(jù)了創(chuàng)新的主導(dǎo)地位,其次為高校占總獲獎(jiǎng)量的24.1%,科研機(jī)構(gòu)及政府機(jī)構(gòu)獲獎(jiǎng)分別占總獲獎(jiǎng)量的10.9%及4.3%。分析圖3可知:隨著時(shí)間的推移,政府機(jī)構(gòu)在科研創(chuàng)新中的作用越來(lái)越不顯著,企業(yè)在整個(gè)科研創(chuàng)新系統(tǒng)中所占比重呈波動(dòng)下滑態(tài)勢(shì),高校及科研機(jī)構(gòu)的主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)開(kāi)始顯現(xiàn),在整個(gè)科研創(chuàng)新系統(tǒng)中所占比重逐步增加。
分析10年來(lái)各單位獲獎(jiǎng)總量可知,第一單位獲獎(jiǎng)數(shù)量前10名中,企業(yè)占7個(gè)、高校占2個(gè)、專(zhuān)業(yè)研究機(jī)構(gòu)占1個(gè)。前3名中高校、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)各占1個(gè)。統(tǒng)計(jì)所有參與單位的獲獎(jiǎng)數(shù)量,前10名中高校數(shù)量升至4個(gè),企業(yè)減少至5個(gè),這說(shuō)明在礦山類(lèi)的科研創(chuàng)新中,企業(yè)處于引領(lǐng)地位,但高校作為合作單位,在科研創(chuàng)新中具有重要的地位(表1)。
分析10年來(lái)各創(chuàng)新方向的獲獎(jiǎng)數(shù)量可知,礦山開(kāi)采及礦山安全方向是創(chuàng)新的主體,分別占總獲獎(jiǎng)量的36.5%及31.4%,獲獎(jiǎng)數(shù)量最少的為礦山環(huán)境恢復(fù)治理方向,獲獎(jiǎng)量占總量的6.6%。分析圖4可知:10年來(lái)創(chuàng)新領(lǐng)域雖然隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生波動(dòng),但各年份內(nèi)創(chuàng)新的主體基本不變,主要分布在礦山開(kāi)采、礦山安全及礦山建設(shè)3個(gè)領(lǐng)域,礦物加工利用、礦山建設(shè)及礦山環(huán)境恢復(fù)治理方向獲獎(jiǎng)成果較少。
2.2.1 礦山開(kāi)采方向
礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)是礦山企業(yè)設(shè)立的首要任務(wù),近10年來(lái)礦產(chǎn)開(kāi)采領(lǐng)域的研究推動(dòng)了礦產(chǎn)開(kāi)采技術(shù)的迅猛發(fā)展。在非煤礦山開(kāi)采的科研創(chuàng)新中,特殊難采資源的開(kāi)發(fā)技術(shù)取得了顯著進(jìn)步,在低品位礦體、深井特厚礦體、薄礦體、境外駐留礦體等難采礦體的開(kāi)采技術(shù)上取得了突破,在上行開(kāi)采、露天轉(zhuǎn)井工、充填開(kāi)采等開(kāi)采技術(shù)方面也取得了工藝上的進(jìn)步。
隨著淺部資源逐漸枯竭,深部資源開(kāi)發(fā)逐漸成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)。薛俊華教授團(tuán)隊(duì)在淮南千米深井圍巖破壞方面取得了重要成果,針對(duì)深部井巷工程“三高一擾動(dòng)”條件下異于傳統(tǒng)巖石力學(xué)理論的巖體組織結(jié)構(gòu)、基本行為和工程響應(yīng)特征開(kāi)展研究,攻克了深部高應(yīng)力分區(qū)破裂巷道松軟破碎圍巖有效支護(hù)技術(shù),解決了高地應(yīng)力、高溫、高滲透壓力和強(qiáng)烈施工擾動(dòng)條件下圍巖穩(wěn)定控制問(wèn)題[7-11]。謝廣祥教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)深井巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道底鼓強(qiáng)烈等問(wèn)題開(kāi)展了深入研究,提出了適合于深部巖巷耦合支護(hù)方法,實(shí)施了適合于深部巖巷底鼓防治的超挖錨注回填措施,研究成果為建立深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制體系具有重要意義[12-15]。何滿(mǎn)潮院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在淮北礦區(qū)深部無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)方面開(kāi)展了研究應(yīng)用,研發(fā)了定向預(yù)裂爆破技術(shù),切斷頂板實(shí)現(xiàn)卸壓,為自成巷創(chuàng)造條件,形成了無(wú)煤柱自成巷圍巖控制技術(shù)體系,提出了大埋深復(fù)合頂板“切頂短臂梁”理論及力學(xué)模型,形成了大埋深復(fù)合頂板無(wú)煤柱自成巷開(kāi)采技術(shù)和工藝流程,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)無(wú)煤柱自成巷開(kāi)采技術(shù)在大埋深復(fù)合頂板條件下應(yīng)用的空白[16-19]。
除此之外,近年來(lái)安徽省針對(duì)礦山開(kāi)采領(lǐng)域的研究完善了深部巷道圍巖控制機(jī)理和方法,提高了深部資源的采出率。在注漿充填開(kāi)采、固體充填開(kāi)采等綠色開(kāi)采技術(shù)方面也取得了重要進(jìn)展。針對(duì)深部開(kāi)采高承壓水、堅(jiān)硬頂板控制、預(yù)注漿、瓦斯抽采等方面也取得了重要成果。在復(fù)雜煤炭資源開(kāi)發(fā)中,針對(duì)巨厚頂板、厚層紅層、高承壓水、大傾角厚煤層、大采高、特殊構(gòu)造條件下的煤炭開(kāi)采技術(shù)的成果產(chǎn)出得到了科學(xué)及產(chǎn)業(yè)界的廣泛認(rèn)同。在煤炭開(kāi)采裝備方向的科研創(chuàng)新也取得了不俗的成就,在開(kāi)采裝備、運(yùn)輸裝備、礦井水處理裝備、充填裝備及礦山生產(chǎn)系統(tǒng)集成應(yīng)用方面都取得了一定的進(jìn)展。
2.2.2 礦山安全方向
礦山安全是礦山有序運(yùn)行的基礎(chǔ)保障,是近10年來(lái)礦業(yè)領(lǐng)域最重要的研究方向之一。露天礦開(kāi)采方面,王運(yùn)敏院士所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)針對(duì)露天礦露天坑邊坡失穩(wěn)、排土場(chǎng)滑坡、泥石流等多種巖土工程災(zāi)變問(wèn)題開(kāi)展了深入研究,首次提出了邊坡“臨界滑動(dòng)場(chǎng)”分析方法,消除了傳統(tǒng)的對(duì)滑動(dòng)面形狀預(yù)設(shè)帶來(lái)的分析誤差,在國(guó)內(nèi)率先研究與創(chuàng)建了邊坡可靠性評(píng)價(jià)體系,大幅度提高了邊坡穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性,推動(dòng)了我國(guó)露天礦山設(shè)計(jì)技術(shù)和邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)的巨大進(jìn)步[20-22]。曾云南教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)乳化炸藥生產(chǎn)過(guò)程中的安全問(wèn)題進(jìn)行了研究,提高了乳化炸藥生產(chǎn)線(xiàn)的安全水平[23]。
在煤礦安全方向,礦井瓦斯災(zāi)害與礦井水害是近10年來(lái)研究的重點(diǎn)。在瓦斯災(zāi)害方面,謝廣祥教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理及防控技術(shù),以?xún)苫吹V區(qū)深部突出危險(xiǎn)工作面為研究背景,研發(fā)了新型含瓦斯煤氣固耦合參數(shù)測(cè)試儀及測(cè)試技術(shù)、工作面煤層“采動(dòng)應(yīng)力—瓦斯壓力和流量”一體化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和技術(shù)、工作面采動(dòng)條件下煤體擴(kuò)容探測(cè)儀及探測(cè)技術(shù),科學(xué)實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯突出災(zāi)變的近場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警,首創(chuàng)了工作面煤層擴(kuò)容區(qū)采動(dòng)應(yīng)力的近場(chǎng)減壓主動(dòng)消突關(guān)鍵新技術(shù),有效控制了煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害,并得到了廣泛應(yīng)用[24-27]。李平教授團(tuán)隊(duì)在煤層采動(dòng)影響下覆巖運(yùn)動(dòng)及其對(duì)地面鉆井的破壞機(jī)理、深厚表土層高地應(yīng)力條件下地面鉆井成井、護(hù)井和固井技術(shù)以及采動(dòng)區(qū)地面鉆井抽采煤層群卸壓瓦斯方法等方面取得了研究突破,形成了深厚表土層高地應(yīng)力條件下卸壓瓦斯地面高效開(kāi)采模式。發(fā)明了煤層瓦斯抽采固井方法和固井系統(tǒng)和鉆井修正器,建立了地面鉆井抽采卸壓瓦斯高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的技術(shù)保障體系。如袁亮院士團(tuán)隊(duì)研究了煤與瓦斯突出有效能量轉(zhuǎn)換機(jī)理、突出與瓦斯含量關(guān)系的理論、準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯含量的關(guān)鍵理論與技術(shù)及突出臨界值確定的關(guān)鍵技術(shù),創(chuàng)立了一整套適合我國(guó)深部中軟煤層的瓦斯含量法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出的技術(shù)體系[28-30];張純?nèi)缃淌趫F(tuán)隊(duì)針對(duì)深部礦井松軟煤層瓦斯含量測(cè)定存在“測(cè)不深、測(cè)不快、測(cè)不準(zhǔn)”的難題,研發(fā)了深部軟煤原位取樣精準(zhǔn)測(cè)定瓦斯含量關(guān)鍵技術(shù)及裝備,并在全國(guó)進(jìn)行了推廣應(yīng)用[31-32]。在礦井水害方面,錢(qián)家忠教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)基巖礦坑高角度裂隙突水治理方法開(kāi)展了深入研究,創(chuàng)建了基巖裂隙水non-Darcy流模型和注漿漿液運(yùn)移模擬與控制模型,研發(fā)了裂隙水突水水源快速判別及信息系統(tǒng)技術(shù),創(chuàng)新了高角度離散巖溶裂隙水注漿新工藝即單孔大段高多層段復(fù)式注漿工藝,為解決裂隙突水問(wèn)題提供了重要途徑[33-34]。針對(duì)松散含水層下開(kāi)采、承壓水上開(kāi)采、承壓水下開(kāi)采條件下巖體結(jié)構(gòu)控制及突水預(yù)測(cè)技術(shù)方面的研究,也取得了巨大進(jìn)步。此外,針對(duì)沖擊地壓、煤炭自燃、復(fù)雜條件下的巷道治理工程的研究也取得了一定的進(jìn)展。
2.2.3 礦山建設(shè)方向
在非煤礦山建設(shè)領(lǐng)域,中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司章林團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了礦倉(cāng)清倉(cāng)系統(tǒng)的智能控制方案及千米深井金屬礦的冷風(fēng)應(yīng)用系統(tǒng)[35-36]。在煤礦建設(shè)領(lǐng)域,主要科研創(chuàng)新在于立井開(kāi)鑿及巷道掘進(jìn)方向。在立井開(kāi)鑿方面,陳遠(yuǎn)坤教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了“一擴(kuò)成井”快速鉆井法鑿井關(guān)鍵技術(shù)及裝備的研究,建立了“一鉆成井”和“一擴(kuò)成井”鉆井法鑿井新技術(shù)、新工藝、鉆進(jìn)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和控制體系,研制出了新型巖石滾刀,表土滾刀(包括正刀、邊刀、中心刀),新型巖石鉆頭,大直徑表土鉆頭,泥漿固化技術(shù),并進(jìn)行了兩個(gè)井筒鉆進(jìn)工業(yè)性試驗(yàn),取得十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[37]。程樺教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)煤礦深立井連接硐室群圍巖擾動(dòng)效應(yīng)與控制技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了煤礦深立井連接硐室群空間位置優(yōu)化布置原則和方法,創(chuàng)新并完善了煤礦深立井連接硐室群設(shè)計(jì)方法,提出了煤礦深立井連接硐室群圍巖擾動(dòng)綜合控制技術(shù),有效減小了相鄰硐室群間的擾動(dòng)效應(yīng),研發(fā)了適應(yīng)不同工程地質(zhì)條件的深立井連接硐室群系列新型支護(hù)結(jié)構(gòu),最終提出了煤礦深立井連接硐室群施工順序的全局優(yōu)化方法[38-40]。在巷道掘進(jìn)方面,復(fù)雜條件下巷道的高精度快速掘進(jìn)技術(shù)是近10年來(lái)創(chuàng)新的重點(diǎn),楊潤(rùn)全教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了高瓦斯復(fù)合頂板大斷面煤巷月掘進(jìn)超千米綜合技術(shù)研究,研制了ZJC2×800/19/28巷道臨時(shí)支護(hù)液壓支架,解決了頂板控制難度大、安全程度低的難題,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化,解決了傳統(tǒng)臨時(shí)支護(hù)工藝中存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大的難題,大大提高了掘進(jìn)速度;構(gòu)建了施工質(zhì)量管理、安全管理、機(jī)電設(shè)備管理和通防地質(zhì)保障四大保證體系,為巷道快速掘進(jìn)提供了科學(xué)保障[41]。葛春貴教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了構(gòu)造復(fù)雜條件下巷道快速掘進(jìn)高精度超前探測(cè)技術(shù)研究與實(shí)踐工作,提出了礦井巷道綜合地球物理成像超前預(yù)報(bào)技術(shù),形成了基于綜合地球物理屬性的巷道前方含水與瓦斯富集等主要災(zāi)害源性質(zhì)的預(yù)報(bào)方法[42]。除此之外,各位專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)礦山建設(shè)過(guò)程中的智能化設(shè)計(jì)、特殊地質(zhì)采礦條件下的巷道掘進(jìn)等的研究也取得了豐富成果。
2.2.4 礦物加工利用方向
礦物的高效清潔加工利用不但能夠提高礦物的利用效率,還能減少礦山廢氣污染物的排放。近年來(lái)部分學(xué)者在礦物加工利用方向開(kāi)展了研究,在煤礦洗、選煤領(lǐng)域,閔凡飛教授針對(duì)難沉降煤泥水特性及治理新技術(shù)開(kāi)展了研究,掌握了難沉降煤泥水特性,特別是煤泥礦物顆粒表面水化特性及其影響規(guī)律,拓展了煤泥顆粒表面水化理論,優(yōu)化了難沉降煤泥水藥劑制度,開(kāi)發(fā)了破膜聚沉技術(shù)、破膜脫水技術(shù)、加電減膜輔助沉降技術(shù);同時(shí)開(kāi)發(fā)了選煤專(zhuān)用脫泥池及脫泥浮選技術(shù)工藝,解決了高灰細(xì)泥難沉降污染浮選精煤的難題[43-46]。在非煤礦產(chǎn)資源加工利用領(lǐng)域,張沖教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了硅基功能材料梯級(jí)加工關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化研究,攻克了低鐵石英砂ppm級(jí)深度提純、高純超細(xì)球形硅微粉火焰熔融法制備與全氧燃燒懸浮球化裝備、石英尾砂高值化綜合利用等關(guān)鍵技術(shù)難題,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平[47-48]。此外,針對(duì)低品位鐵礦石的綜合利用,難摩銅礦石的SAB磨礦分級(jí)關(guān)鍵技術(shù)及低濃度瓦斯的提濃技術(shù)研究也取得了一定的進(jìn)展。
2.2.5 地質(zhì)找礦方向
找礦技術(shù)的發(fā)展是國(guó)家礦產(chǎn)資源可持續(xù)發(fā)展的重要保障。根據(jù)10年來(lái)的獲獎(jiǎng)情況看,安徽省在該方面取得了豐富成果。在找礦裝備方面,2013年朱恒銀教授團(tuán)隊(duì)完成了分體塔式全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)及高強(qiáng)度繩索取芯鉆桿的研制,提升了我國(guó)深孔地質(zhì)巖芯鉆探的配套關(guān)鍵裝備水平及機(jī)具鉆進(jìn)能力,為深部找礦地質(zhì)勘探提供了技術(shù)支撐[49]。2015年朱恒銀教授團(tuán)隊(duì)再次完成了深部地質(zhì)找礦巖芯鉆探關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作,在國(guó)內(nèi)首次全面總結(jié)出了一套完整的、適應(yīng)性強(qiáng)的小口徑深部巖芯鉆探鉆進(jìn)工藝技術(shù)體系,開(kāi)發(fā)了全方位定向鉆孔設(shè)計(jì)與軌跡動(dòng)態(tài)監(jiān)控軟件,國(guó)內(nèi)首次在小口徑巖芯鉆探中采用360°全景鉆孔數(shù)字成像技術(shù),獲得地質(zhì)信息,配合巖芯定向測(cè)量,解決了單孔中巖礦層延伸方向判別的難題,豐富和發(fā)展了我國(guó)深部鉆探技術(shù),對(duì)于促進(jìn)我國(guó)鉆探技術(shù)發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用[50]。在找礦技術(shù)方面,多波技術(shù)、三維地震技術(shù)為復(fù)雜地質(zhì)條件下的地質(zhì)勘探提供了技術(shù)保證。在成礦及找礦理論方面,厚覆蓋層下的深部找礦技術(shù)研究取得了突破。此外,楊曉勇教授、周濤發(fā)教授分別在沿江地區(qū)成礦理論方面取得了重要成果。
2.2.6 礦山環(huán)境保護(hù)及恢復(fù)治理方向
由于我國(guó)前幾十年礦產(chǎn)資源粗放型開(kāi)采,礦山環(huán)境遭受破壞,近年來(lái)環(huán)境問(wèn)題逐漸受到國(guó)家重視,隨著礦山環(huán)境保護(hù)方面投入逐步加大,近年來(lái)有多項(xiàng)高質(zhì)量的科研成果問(wèn)世。目前在礦區(qū)環(huán)煤礦沉陷區(qū)環(huán)境修復(fù)方面科研成果較為豐碩,如徐良驥教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)開(kāi)采沉陷問(wèn)題開(kāi)展研究,構(gòu)建了沉陷區(qū)土地?fù)p傷評(píng)價(jià)模型,研發(fā)了采煤沉陷區(qū)土地質(zhì)量監(jiān)測(cè)、土壤重構(gòu)和復(fù)墾地生產(chǎn)力評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù),提出了老采空區(qū)上方建筑地基變形機(jī)理及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法,構(gòu)建了采煤塌陷區(qū)水資源環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)方法、沉陷水域水資源保持與綜合利用關(guān)鍵技術(shù),構(gòu)建了采煤沉陷區(qū)“煤文化—地質(zhì)遺跡—濕地生態(tài)景觀—城市休閑度假”一體化的國(guó)家礦山公園建設(shè)技術(shù)體系[51-54]。徐翀教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)兩淮礦區(qū)沉陷區(qū)水循環(huán)機(jī)制進(jìn)行了研究,明確了兩淮礦區(qū)采煤沉陷區(qū)水循環(huán)轉(zhuǎn)化機(jī)制下的沉陷區(qū)積水機(jī)理,創(chuàng)建了采煤沉陷區(qū)分布式“水量—水質(zhì)”綜合模擬預(yù)測(cè)模型,研發(fā)了兩淮礦區(qū)采煤沉陷區(qū)蓄洪除澇與水資源利用關(guān)鍵技術(shù),并構(gòu)建了沉陷區(qū)水資源的綜合利用方案[55]。此外,楊化超教授、嚴(yán)家平教授、吳玉華教授等團(tuán)隊(duì)也針對(duì)采煤造成的地表沉陷及沉陷區(qū)土地、環(huán)境損傷及恢復(fù)治理技術(shù)開(kāi)展了研究,取得了一定的成果。
經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展,安徽省礦業(yè)科技領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,特別是在礦山開(kāi)采及礦山安全領(lǐng)域,技術(shù)進(jìn)步極大提高了我國(guó)礦產(chǎn)資源的回收能力和礦山作業(yè)的安全性。但隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升,針對(duì)礦山領(lǐng)域各方面的要求也不斷提高。然而安徽省乃至國(guó)內(nèi)礦山開(kāi)采中出現(xiàn)的資源回收效率低、勞動(dòng)密集程度高、單位資源量傷亡數(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距、資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展能力不強(qiáng)等問(wèn)題在一定程度上阻礙了行業(yè)的快速發(fā)展。如何在高效開(kāi)發(fā)利用礦產(chǎn)資源的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)礦山智能化建設(shè)、提高礦山安全建設(shè)及生態(tài)環(huán)境保護(hù)水平,亟需深入研究。
2.3.1 礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)自動(dòng)化水平低,現(xiàn)代安全監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用有待加強(qiáng)
隨著國(guó)家礦業(yè)資源產(chǎn)業(yè)去產(chǎn)能化進(jìn)程的加深,大量的產(chǎn)業(yè)工人被分流。在這個(gè)過(guò)程中的背后,更嚴(yán)重的是由于礦山企業(yè)自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)水平低造成的行業(yè)生產(chǎn)效率與發(fā)達(dá)國(guó)家間存在巨大差距。以煤炭企業(yè)為例,國(guó)內(nèi)大型煤炭企業(yè)人均年產(chǎn)量?jī)H為1 730 t,而同期美國(guó)將近為31 000 t,僅為其5.6%,印尼為8 400 t,為其27.1%,造成企業(yè)抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力較低。當(dāng)前安徽省乃至全國(guó)礦山企業(yè)自動(dòng)化水平整體較低,礦山智能化發(fā)展仍處于初級(jí)階段,但礦山企業(yè)發(fā)展過(guò)程必然要從勞動(dòng)密集型升級(jí)為技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),在這個(gè)過(guò)程中資源開(kāi)采的自動(dòng)化、智能化技術(shù)的發(fā)展必然是未來(lái)礦山科技發(fā)展的重點(diǎn)。
隨著多年來(lái)的發(fā)展,我國(guó)礦山安全技術(shù)水平取得了巨大進(jìn)步,但隨著資源需求量的增大,使得資源開(kāi)采的深度不斷延伸,造成其安全問(wèn)題更加嚴(yán)重,需要采用更加現(xiàn)代化、智能化的監(jiān)測(cè)手段來(lái)對(duì)其中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警、規(guī)避。當(dāng)前由于國(guó)內(nèi)煤礦規(guī)模參差不齊,其技術(shù)水平也相差較大,使得大量的中小型礦山安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)落后,現(xiàn)代安全監(jiān)測(cè)水平較低,造成安全風(fēng)險(xiǎn)增加。因此需要在安全監(jiān)測(cè)的理論標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)手段上進(jìn)行全面更新與提升,進(jìn)一步提高礦山安全監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、智能化水平,保障礦山企業(yè)安全生產(chǎn)。
2.3.2 資源回收率低,廢棄礦山資源回收能力有待提升
我國(guó)礦產(chǎn)資源回收技術(shù)水平整體偏低,以煤炭資源為例,我國(guó)平均煤炭資源回收率僅為50%,遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的80%,同時(shí)隨著淺部資源的逐步枯竭,現(xiàn)有支撐資源綠色、安全、科學(xué)開(kāi)發(fā)的資源量?jī)H為5 048億t左右,僅能夠支撐50年左右的開(kāi)發(fā)。其他礦山資源的開(kāi)發(fā)也面臨著類(lèi)似的情況,未來(lái)礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)將陷入困境。然而,當(dāng)前薄礦層的開(kāi)采水平低、低品位礦產(chǎn)資源利用水平差,共伴生資源開(kāi)發(fā)技術(shù)能力不足嚴(yán)重威脅著礦產(chǎn)資源的安全高效利用。
由于我國(guó)早期礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用水平低,造成大量礦山在關(guān)閉后仍有大量資源遺留,造成了大量資源浪費(fèi)。如何綠色、高效地開(kāi)發(fā)廢棄礦山遺留資源,是當(dāng)前我國(guó)資源開(kāi)發(fā)中的重要問(wèn)題之一。現(xiàn)階段,我國(guó)對(duì)于廢棄礦井資源的開(kāi)發(fā)利用水平較低、理論較為薄弱,且礦山關(guān)閉后其地質(zhì)采礦條件變化巨大、各類(lèi)型礦山開(kāi)發(fā)利用條件不一等特點(diǎn)使其開(kāi)發(fā)利用難度巨大,廢棄礦山資源安全高效回收面臨巨大挑戰(zhàn)。
2.3.3 資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)
礦產(chǎn)資源開(kāi)采過(guò)程中帶來(lái)了一系列的環(huán)境問(wèn)題,如露天開(kāi)采過(guò)程會(huì)造成土地形態(tài)功能破壞問(wèn)題,排土場(chǎng)、矸石山造成的地表壓占問(wèn)題及露天開(kāi)采引發(fā)的邊坡地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題等,井工開(kāi)采造成的地下水資源流失,開(kāi)采沉陷引起的土地生態(tài)損傷及功能性破壞等,都給我國(guó)資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展帶來(lái)了較大的困難。當(dāng)前針對(duì)礦山開(kāi)采造成的環(huán)境損傷的后期恢復(fù)治理已經(jīng)取得了重大進(jìn)展,但針對(duì)煤炭開(kāi)采沉陷地表生態(tài)損傷機(jī)理,不同土地?fù)p毀特征下環(huán)境修復(fù)策略體系的研究仍需進(jìn)一步開(kāi)展。此外,在資源開(kāi)采前及開(kāi)采過(guò)程中,顧及環(huán)境保護(hù)的礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)技術(shù)手段的研究尚在起步階段,仍存在明顯的技術(shù)缺陷,亟需進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),實(shí)現(xiàn)資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,我國(guó)礦山發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)械化礦山、自動(dòng)化礦山、數(shù)字化礦山等多個(gè)發(fā)展階段。近年來(lái),以5G、人工智能、大數(shù)據(jù)及區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)革命的到來(lái),全球礦業(yè)領(lǐng)域發(fā)生著新的變革。以無(wú)人化、信息化、智能化為基礎(chǔ)的智慧礦山建設(shè)成為礦山領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)。目前我國(guó)智慧礦山建設(shè)正處于初級(jí)階段,隨著國(guó)家“中國(guó)制造2025”的推進(jìn)[57],我國(guó)智慧礦山發(fā)展正朝著高水平、大縱深方向發(fā)展。
有別于礦山自動(dòng)化與數(shù)字礦山建設(shè),智慧礦山利用新一代5G通信技術(shù),智能傳感芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建智能化信息基礎(chǔ)設(shè)計(jì),利用無(wú)人駕駛技術(shù)、智能作業(yè)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能化采、選、冶裝備系統(tǒng),構(gòu)建基于區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)及人工智能的生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、決策體系,在礦山采、選、冶過(guò)程中實(shí)現(xiàn)主動(dòng)感知、主動(dòng)判斷、主動(dòng)預(yù)警、主動(dòng)糾錯(cuò)、主動(dòng)決策,形成礦山作業(yè)的無(wú)人化執(zhí)行及閉環(huán)反饋。
目前安徽省在礦山智能裝備制造、智慧礦山標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建方面都有著較大的欠缺,具有很大的發(fā)展空間。在資源開(kāi)采方面,可基于5G技術(shù)的低延遲特性并結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源自動(dòng)化開(kāi)采和人工遠(yuǎn)程干預(yù),多源傳感器提供的海量機(jī)具姿態(tài)、礦山壓力、工作面壓力、瓦斯等環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)合大數(shù)據(jù)及深度學(xué)習(xí)算法,實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)采過(guò)程中的智能感知和精準(zhǔn)控制。在礦山安全方面,危險(xiǎn)源識(shí)別和預(yù)警技術(shù)及災(zāi)后緊急處理系統(tǒng)是未來(lái)發(fā)展的主要方向,利用室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行礦山人員行為跟蹤識(shí)別,結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)水平的綜合評(píng)估,實(shí)現(xiàn)礦山風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的實(shí)時(shí)評(píng)定、實(shí)時(shí)預(yù)警、實(shí)時(shí)校正。在礦山資源綠色開(kāi)發(fā)方面,利用北斗+遙感,北斗+地面、地下傳感技術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資源開(kāi)采活動(dòng)對(duì)地表生態(tài)、地下水資源的影響?;诘V山大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)采環(huán)境損傷預(yù)報(bào),開(kāi)發(fā)減損開(kāi)采、無(wú)損開(kāi)采技術(shù),實(shí)現(xiàn)礦山環(huán)境未開(kāi)發(fā)先保護(hù)?;谝陨霞夹g(shù),建立云端數(shù)據(jù)計(jì)算決策平臺(tái),實(shí)現(xiàn)智慧礦山的多源統(tǒng)籌管理,智能決策。智慧礦山是礦業(yè)科學(xué)發(fā)展的新的歷史階段,隨著我國(guó)安全、易采資源不斷減少,建設(shè)智慧礦山是我國(guó)保證從業(yè)人員安全、提高資源開(kāi)發(fā)效率的必然選擇。
經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā),優(yōu)質(zhì)易采資源逐步減少,資源的高效開(kāi)發(fā)利用逐漸成為我國(guó)資源開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)。其中伴生資源協(xié)調(diào)共采和深部資源開(kāi)發(fā)將成為未來(lái)我國(guó)資源開(kāi)發(fā)利用的主攻方向。
在伴生資源的回收利用中,針對(duì)非煤礦山應(yīng)提高針對(duì)多金屬礦的選礦和冶煉技術(shù)水平,開(kāi)展稀有金屬的共生礦開(kāi)發(fā)、復(fù)雜難處理稀土金屬伴生礦提取等技術(shù)的研究。針對(duì)煤礦進(jìn)一步開(kāi)展煤與瓦斯共采技術(shù)研究,開(kāi)展煤系伴生金屬、非金屬資源的開(kāi)發(fā)利用技術(shù)研究。
“三高一擾動(dòng)”環(huán)境下巷道及采場(chǎng)圍巖嚴(yán)重變形破壞及動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)是影響深部資源開(kāi)采的主要難題。針對(duì)該問(wèn)題未來(lái)可通過(guò)開(kāi)展深部圍巖持續(xù)流變及結(jié)構(gòu)大變形機(jī)理研究,來(lái)揭示覆巖分區(qū)破斷及礦壓動(dòng)態(tài)遷移規(guī)律,開(kāi)發(fā)適用于深部礦井的圍巖控制技術(shù)。同時(shí)可通過(guò)開(kāi)展礦產(chǎn)資源的流態(tài)化開(kāi)采技術(shù)(如非煤資源的原位浸出萃取技術(shù)及煤炭資源的地下氣化技術(shù)、原位生物降解技術(shù)及物理破碎流態(tài)化開(kāi)采技術(shù)等),實(shí)現(xiàn)深地資源的地下原位采、選、冶。
十九大以來(lái),習(xí)近平總書(shū)記提出了“綠水青山就是金山銀山”的理念,這不但要求政府及礦山企業(yè)要修復(fù)以往在資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中所破壞的生態(tài)環(huán)境,而且要在當(dāng)前及未來(lái)的礦業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中做到生態(tài)減損開(kāi)采甚至無(wú)痕開(kāi)采。
過(guò)去幾十年的粗放型開(kāi)采給礦山生態(tài)環(huán)境造成了一定的破壞,其環(huán)境破壞的問(wèn)題主要在于工業(yè)“三廢”問(wèn)題及礦山開(kāi)采造成的土地?fù)p傷問(wèn)題。目前針對(duì)工業(yè)“三廢”減排問(wèn)題,國(guó)內(nèi)已有較為完善的解決方法,但針對(duì)固體廢棄物侵占及礦山開(kāi)采直接導(dǎo)致的損毀土地的生態(tài)修復(fù)問(wèn)題仍需要長(zhǎng)期、深入地開(kāi)展研究。針對(duì)礦區(qū)土地生態(tài)修復(fù)應(yīng)結(jié)合礦區(qū)及損毀土地的特征系統(tǒng)開(kāi)展,從損毀土地的生態(tài)承載力研究出發(fā),分別對(duì)土地復(fù)墾過(guò)程中的土壤重構(gòu)、生物恢復(fù)及景觀重塑過(guò)程中的景觀設(shè)計(jì)及構(gòu)建進(jìn)行研究,從而對(duì)不同類(lèi)型的損毀土地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。
基于礦山生態(tài)保護(hù)需求,開(kāi)發(fā)礦山生態(tài)減損的綠色開(kāi)采技術(shù)將成為近期及未來(lái)研究的重點(diǎn)。這需要將礦山開(kāi)采前、采中、采后地質(zhì)響應(yīng)特征及時(shí)空變化規(guī)律作為重點(diǎn)研究對(duì)象,建立礦業(yè)生產(chǎn)對(duì)水資源、土地資源、大氣及建筑物的損毀模型,以此為基礎(chǔ)建立礦山綠色開(kāi)采方法,開(kāi)發(fā)露天礦山邊開(kāi)采邊治理技術(shù),降低礦山開(kāi)采對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,進(jìn)一步研究井工開(kāi)采中的充填開(kāi)采、條帶開(kāi)采及帶狀充填開(kāi)采技術(shù),大力開(kāi)展礦產(chǎn)資源的流態(tài)化開(kāi)采技術(shù)的前瞻性研究,為礦山減損開(kāi)采提供科技支撐。
近年來(lái),隨著我國(guó)淺部礦產(chǎn)資源日漸枯竭及國(guó)家供給側(cè)改革政策的實(shí)施,大量礦山被迫關(guān)閉。由于我國(guó)早期開(kāi)采技術(shù)較為落后,礦山資源回收率較低,關(guān)閉礦山仍有大量資源遺留,同時(shí)關(guān)閉礦山還提供了寶貴的地上、地下空間資源。因此,實(shí)現(xiàn)關(guān)閉礦井資源、空間的高效開(kāi)發(fā)利用,可為提高我國(guó)資源回收率及實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供重要思路。
關(guān)閉礦井資源開(kāi)發(fā)與常規(guī)生產(chǎn)礦井不同,由于其資源賦存量少、品位低,不宜采用常規(guī)固態(tài)資源開(kāi)采方法,因此可利用礦山原有的礦井巷道或采用定向鉆井工藝進(jìn)行礦產(chǎn)資源流態(tài)化開(kāi)采。為此,首先需開(kāi)展關(guān)閉礦井資源評(píng)估及流態(tài)化開(kāi)采的適應(yīng)性研究,針對(duì)非煤礦山開(kāi)展就地破碎浸出式開(kāi)采的研究,針對(duì)煤礦開(kāi)展遺煤資源的煤炭地下氣化開(kāi)采研究。
礦山關(guān)閉后形成了大量的地上、地下空間資源,針對(duì)地上空間資源,由于面臨著老采空區(qū)地表長(zhǎng)期沉降的問(wèn)題,可首先開(kāi)展礦區(qū)建設(shè)場(chǎng)地的長(zhǎng)期地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展沉陷區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)、大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、景觀工程建設(shè)研究。針對(duì)地下空間資源利用,可對(duì)采空區(qū)二氧化碳捕獲與封存及采空區(qū)地下油氣儲(chǔ)備庫(kù)建設(shè)進(jìn)行前瞻性研究,以實(shí)現(xiàn)關(guān)閉礦井資源及空間的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用。
(1)總結(jié)了安徽省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)礦業(yè)類(lèi)的獲獎(jiǎng)趨勢(shì),結(jié)果表明,礦業(yè)科技進(jìn)步與其行業(yè)發(fā)展息息相關(guān)且有滯后效應(yīng);分析了不同年份內(nèi)其在各類(lèi)機(jī)構(gòu)的分布規(guī)律,認(rèn)為近10年來(lái)省內(nèi)礦業(yè)類(lèi)科研創(chuàng)新主體為企業(yè),但正逐步向高校及科研機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移。
(2)近10年來(lái)安徽省礦業(yè)領(lǐng)域在各個(gè)方向的科研創(chuàng)新都取得了不俗的成績(jī),在礦山開(kāi)采及礦山安全方向成果尤為突出,在礦山深部開(kāi)采、圍巖控制技術(shù)取得了重要突破,在礦井水害、瓦斯治理及生態(tài)減損開(kāi)采方面取得了重要成果,礦山環(huán)境保護(hù)及恢復(fù)治理方向的發(fā)展較為迅速。
(3)安徽省礦業(yè)科技發(fā)展仍存在諸多問(wèn)題:礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)自動(dòng)化水平低,現(xiàn)代安全監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用有待加強(qiáng);資源回收率低,廢棄礦井資源回收能力有待提升;資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。
(4)未來(lái)安徽省礦業(yè)領(lǐng)域的主要?jiǎng)?chuàng)新方向?yàn)椋阂陨偃嘶?、無(wú)人化為目標(biāo),涉及生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、決策全體系智慧礦山建設(shè)研究;針對(duì)深部資源、低品位資源及伴生資源的采礦、選礦、冶煉技術(shù)的研究,提高礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用水平;開(kāi)展礦山全生命周期的礦山環(huán)境破壞防治及環(huán)境恢復(fù)治理研究,實(shí)現(xiàn)礦山減損、無(wú)損開(kāi)采;提升關(guān)閉礦井資源及空間開(kāi)發(fā)利用水平,實(shí)現(xiàn)關(guān)閉礦井資源及空間的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用。