吳愛祥，王洪江，尹升華，阮竹恩

1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083

從2002年開始，我國10種有色金屬產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)多年高居世界第一，并于2020年首次突破60 Mt[1]，金屬礦產(chǎn)資源為國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供了有力的支撐。但是，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對礦產(chǎn)品需求的持續(xù)增長和礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，我國淺部金屬礦資源已趨于枯竭，逐漸轉(zhuǎn)入1 000 m以深的開采。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國開采深度達(dá)到或超過1 000 m的地下金屬礦山已達(dá)16 座。目前，金屬礦山的開采深度以10～30 m/a 的速度加深。在未來，我國預(yù)計(jì)將有1/3 的金屬礦山開采深度達(dá)到1 000 m[2-3]，我國礦業(yè)將迎來千米時(shí)代。習(xí)近平主席在2016年5月30日的全國科技創(chuàng)新大會(huì)、兩院院士大會(huì)、中國科協(xié)第九次全國代表大會(huì)上舉例強(qiáng)調(diào)：“從理論上講，地球內(nèi)部可利用的成礦空間分布在從地表到地下10 000 m”。學(xué)者研究預(yù)測，如果我國固體礦產(chǎn)勘查深度達(dá)到2 000 m，探明的資源儲(chǔ)量可以在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上翻一番[4]。但是，深地金屬礦床開采面臨著高應(yīng)力、高井溫、高井深的特殊開采環(huán)境[5]，采用傳統(tǒng)的采礦模式難以實(shí)現(xiàn)深部資源的安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采。

為此，本文基于謝和平等[6]提出的深地礦產(chǎn)資源流態(tài)化開采構(gòu)想，對深層金屬礦產(chǎn)資源的原位流態(tài)化開采的具體構(gòu)想與挑戰(zhàn)進(jìn)行闡述。

1 基本定義

1.1 深層開采

世界上各個(gè)采礦大國對深部開采的深度劃分各不相同，目前尚無統(tǒng)一的定量劃分標(biāo)準(zhǔn)[5，7-10]。我國有些專家學(xué)者建議以巖爆發(fā)生頻率明顯增加來界定，普遍認(rèn)為礦山轉(zhuǎn)入深部開采的深度為 800～1 000 m[5，11]。

為了區(qū)分深部開采和深層開采，本文規(guī)定深度為1 000～2 000 m的開采為深部開采，深度為2 000～3 000 m的開采為深層開采，都屬于深地開采。

1.2 原位流態(tài)化開采

根據(jù)全世界30 余個(gè)國家的地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果， 6 000 m以深的巖體基本處于三向等壓狀態(tài)，深部巖體進(jìn)入全范圍塑性流變狀態(tài)[12]，因此傳統(tǒng)金屬礦開采方式將失效。源于石油、天然氣、鹽溶流態(tài)開采的啟發(fā)，得益于地下選礦廠等理念和技術(shù)的探索，本文提出深層金屬礦原位流態(tài)化開采構(gòu)想。原位流態(tài)化開采是指改變傳統(tǒng)的原礦散體物料開采模式，將深層金屬礦產(chǎn)資源原位轉(zhuǎn)化為液或多相混合的流態(tài)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)采選冶、采選充一體的智能化顛覆性技術(shù)。

當(dāng)前開采模式存在提升與鉆探裝備水平不適用于2 000 m以深資源開采、井下必須有人、全流程環(huán)節(jié)冗長和環(huán)境損傷嚴(yán)重等不足，而原位流態(tài)化開采將具有以下顯著的優(yōu)勢：

(1) 開采深度顛覆，實(shí)現(xiàn)3 000 m以淺資源流態(tài)化高效開采；

(2) 人員參與顛覆，實(shí)現(xiàn)井下無人、井上智能遙控；

(3) 短流程能耗低，采用原位選冶獲得流態(tài)介質(zhì)，再管道輸送至地表；

(4) 環(huán)保模式顛覆，實(shí)現(xiàn)井下無空區(qū)、地表無尾廢(尾砂、廢石等)、多流程集成開采。

2 具體構(gòu)想

要實(shí)現(xiàn)深層金屬礦從固體開發(fā)向流態(tài)開發(fā)的根本轉(zhuǎn)變，原位轉(zhuǎn)化是關(guān)鍵。根據(jù)不同的原位轉(zhuǎn)化方式，將深層金屬礦原位流態(tài)化開采分為深層金屬礦原位溶浸開采和采選充一體化兩個(gè)方向。

原位溶浸開采是指從地表經(jīng)鉆孔把溶液注入深層金屬礦，溶液在礦層與目標(biāo)礦物發(fā)生物理、化學(xué)、生物等反應(yīng)，生成可溶性離子進(jìn)入溶液，經(jīng)抽液孔提升至地表，從而提取有價(jià)金屬，如圖1所示。

圖1 原位溶浸開采示意圖

原位溶浸開采在安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)方面具有顯著的優(yōu)勢。安全方面：采選冶全過程一體化、管道化，無礦巖開挖；井上遙控、井下無人，規(guī)避人員傷亡。環(huán)保方面：廢石、尾礦、廢水近零排放，保護(hù)生態(tài)；能源消耗最少，碳排放量最低，保護(hù)氣候。經(jīng)濟(jì)方面：據(jù)統(tǒng)計(jì)，原位浸鈾成本為傳統(tǒng)開采1/4，原地浸銅成本為傳統(tǒng)開采的50%。

采選充一體化是指深層金屬礦開采后，礦石就地破碎、加工處理，獲得的精礦漿流態(tài)化管道輸送至地表，剩下的尾礦制備成膏體就地充填至采空區(qū)。采選充一體化包括兩種模式：一是將選礦廠和充填站直接建在地下深處，形成采場、選礦廠、充填站均處于地下的采選充體系，如圖2所示；二是以深地盾構(gòu)作業(yè)(TBM)為先導(dǎo)，由采礦艙、選礦艙、充填艙構(gòu)成TBM式采選充艙，如圖3所示。

圖2 深層金屬礦采選充一體化示意圖

圖3 TBM式采選充艙示意圖

采選充一體化將選礦廠與充填站建在井下采場附近，礦石就地處理，尾礦就地制備成膏體充填，因此只需建豎井用于高濃度精礦輸送與生產(chǎn)水供給，減少了開拓工程、提升設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備；避免了選礦廠、充填站、尾礦庫占用土地；實(shí)現(xiàn)了“廢石不出坑、尾礦不入庫”，選礦廢水循環(huán)利用，可實(shí)現(xiàn)無廢開采，有利于環(huán)境保護(hù)。

3 國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 原位溶浸開采研究應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，美國、蘇聯(lián)的核工業(yè)得到大力發(fā)展，分別采用酸浸和堿浸的方式對鈾礦進(jìn)行原位浸取，美國率先在懷俄明州建成了世界上首座原位溶浸采鈾礦山[13-14]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年原位溶浸開采的鈾礦產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的51%[14]。

我國原位溶浸技術(shù)主要應(yīng)用于稀土、鈾礦的開采[15]，我國東鄉(xiāng)銅礦[16]、中條山銅礦[17]先后采用地下破碎原位浸出技術(shù)。原位溶浸開采的優(yōu)點(diǎn)，在于對低品位礦床具有顯著的經(jīng)濟(jì)性，且對地表擾動(dòng)最小化、無須建尾礦庫；缺點(diǎn)在于溶浸液體難控制，導(dǎo)致地下環(huán)境污染和資源的損失[18]。

對于2 000 m以深的深層金屬礦資源開采，面臨高井深、高地溫、高應(yīng)力以及巖體高致密等難題，現(xiàn)有的“就地破碎浸出”等傳統(tǒng)溶浸開采技術(shù)將失效，而深地原位浸出技術(shù)憑借其高效化、無人化、綠色化等優(yōu)勢，成為未來深部開采的重要發(fā)展方向[19-21]。

目前，關(guān)于淺部礦產(chǎn)資源原位溶浸采礦的理論架構(gòu)、本構(gòu)規(guī)律及耦合數(shù)學(xué)模型已經(jīng)建立，為深層金屬礦原位溶浸開采理論建立及工程模擬，提供了理論指導(dǎo)與參考[22]。對于耐高溫、高壓等適應(yīng)深層金屬礦極端環(huán)境的浸礦菌種研究取得了一定進(jìn)展，相繼獲取Sulfolobus[23]、Acidianusmanzaensis[24]、Metallosphaerasedula[25]等可耐受65 ℃以上高溫的浸礦菌種，并揭示了其生長動(dòng)力學(xué)與浸礦參數(shù)等。

3.2 采選充一體化研究應(yīng)用現(xiàn)狀

澳大利亞GEKKO公司提出了Python地下選礦集成平臺(tái)，并進(jìn)行了渣漿泵兩相流提升等研究，形成采選充一體化系統(tǒng)[26-27]，如圖4所示。Python地下選礦集成平臺(tái)包括巖石破碎與篩分、礦物重選浮選、濃縮和尾礦處置等多個(gè)子系統(tǒng)。Python地下選礦集成平臺(tái)于2004年在英國的Gwynfynydd 礦成功應(yīng)用，建成了世界首座地下重選金礦選廠，但是尾礦料漿也提升至地表進(jìn)行資源化利用而非就地充填[28]。此后，Python地下選礦集成平臺(tái)在南非中央蘭德黃金公司成功應(yīng)用。

圖4 GEKKO公司采選充一體化系統(tǒng)(根據(jù)文獻(xiàn)[27]修改)

邵安林院士[29]提出了“礦產(chǎn)資源開發(fā)地下采選一體化系統(tǒng)”，并詳細(xì)論述了鞍鋼礦業(yè)建設(shè)地下采選一體化系統(tǒng)的必要性和可行性。孫豁然等[30]針對本溪某深部鐵礦提出了地下采選一體化系統(tǒng)：采礦方法選用充填采礦方法；將選礦廠建在與礦體相鄰的地下深部，并建大型水池供選礦廠使用；建立大型地下充填站，以作臨時(shí)小型尾礦庫。唐廷宇、許洪亮等[31-32]設(shè)計(jì)了張家灣鐵礦地下采選一體化工程，地下選礦廠設(shè)計(jì)在采場附近較穩(wěn)固的圍巖中，尾礦和廢石就近充填至采空區(qū)。

采選一體化實(shí)現(xiàn)礦石短距離運(yùn)輸、地下選礦，精礦管道輸送到地表、尾砂就近地下充填，是深部礦床開采的一種新模式，但是采礦方法與充填技術(shù)、大型硐室的開挖與穩(wěn)定性、選礦工藝及設(shè)備優(yōu)化等一系列問題，還有待解決[33]。

南京棲霞山鉛鋅礦已開展地下采選聯(lián)合方案設(shè)計(jì)，把所有采選設(shè)備全部安置在甘家巷礦區(qū)井下，將生產(chǎn)活動(dòng)轉(zhuǎn)移出棲霞山風(fēng)景區(qū)規(guī)劃范圍，以解決現(xiàn)銀茂鉛鋅礦生產(chǎn)與棲霞山風(fēng)景區(qū)規(guī)劃的沖突，但目前還沒有投入實(shí)施。

近年來，全尾砂膏體充填技術(shù)因其安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)勢已經(jīng)成為綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)之一[34-35]。同時(shí)，膏體充填采礦法具有采場不脫水、接頂好及強(qiáng)度高等特點(diǎn)，將有效解決深層金屬礦開采應(yīng)力高等難題[36]，特別是隨著移動(dòng)式膏體充填系統(tǒng)的提出與應(yīng)用[37]，將避免傳統(tǒng)深井充填的管道磨損與振動(dòng)問題。因此，膏體充填成為深層金屬礦采選充一體化的必然選擇。

4 挑戰(zhàn)與展望

深地開采是金屬礦未來發(fā)展的必然選擇，如何“變害為利”、催生相關(guān)高新技術(shù)方法，是解決深地開采“三高”(高應(yīng)力、高井溫、高井深)問題的重要保障。開展深地金屬礦流態(tài)化開采，可以實(shí)現(xiàn)金屬礦開采無人化、無廢化、智能化。但是，要實(shí)現(xiàn)深層金屬礦原位流態(tài)化開采，還面臨巨大挑戰(zhàn)，許多難題還需要解決：

(1) 深層流態(tài)化開采過程多場作用下巖體力學(xué)行為。深層環(huán)境參數(shù)隨開采深度的增加而不斷變化，深層應(yīng)力場-能量場-裂隙場等多場耦合作用導(dǎo)致深層原位巖體力學(xué)行為復(fù)雜，深層巖體力學(xué)行為變化明顯，傳統(tǒng)巖石力學(xué)理論不再適用?！笆濉逼陂g，初步構(gòu)建了深部巖體力學(xué)與開采理論研究體系[38]，但是對于深層資源開采過程中能量演化規(guī)律、能量特征原位理論等認(rèn)識(shí)不清。因此，急需開展深層金屬礦流態(tài)化開采的原位多場力學(xué)理論研究，構(gòu)建深層流態(tài)化開采下巖體能量致災(zāi)模型與安全評價(jià)體系。

(2) 深層金屬礦原位溶浸開采理論。目前，淺部資源原位溶浸開采的理論已經(jīng)構(gòu)建[22]，但是深層礦巖多尺度孔裂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生化反應(yīng)影響下滲流通道不斷演變，導(dǎo)致溶液滲流行為不清、浸礦體系滲流與反應(yīng)響應(yīng)關(guān)系不明。同時(shí)，深層環(huán)境下微生物增殖行為未知，流態(tài)轉(zhuǎn)化過程生物-化學(xué)耦合作用機(jī)理不明，流態(tài)化開采過程調(diào)控技術(shù)缺乏。因此，需要建立深層金屬礦原位生物流態(tài)化開采理論體系，進(jìn)而攻克金屬礦流態(tài)化開采的顛覆性技術(shù)。

(3) 深層金屬礦采選充一體化裝備。采選充一體化在鉆切、智能分選、流態(tài)轉(zhuǎn)化、充填調(diào)控、遠(yuǎn)程控制等實(shí)現(xiàn)多流程協(xié)同作業(yè)，是一種“短流程多工藝協(xié)同”顛覆性技術(shù)集成，國內(nèi)外尚未形成大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)，一體化裝備匱乏且研發(fā)難度空前。同時(shí)，深井提升存在效率低、能耗大和成本高難題，對深井提升設(shè)備提出了挑戰(zhàn)。因此，急需研發(fā)采選充一體化的流態(tài)化開采技術(shù)與裝備，形成新型深部金屬礦資源開發(fā)技術(shù)模式的突破。

(4) 深層金屬礦開采環(huán)境監(jiān)控及再造技術(shù)。深層金屬礦賦存環(huán)境復(fù)雜，深層“透明”程度低，且受開采作業(yè)影響礦層環(huán)境動(dòng)態(tài)多變，開采條件惡劣、采區(qū)布置原則不清、可控性差，傳統(tǒng)監(jiān)測方法難以適用，無法為流態(tài)化開采提供保障。因此，急需構(gòu)架深層開采環(huán)境重構(gòu)技術(shù)體系，提出采區(qū)布置優(yōu)化方法，為深層金屬礦安全高效流態(tài)化開采提供支撐。

(5) 深層金屬礦智能高效開采技術(shù)。深層金屬礦原位流態(tài)化開采過程工藝復(fù)雜、設(shè)備繁多導(dǎo)致行進(jìn)路線長、行進(jìn)阻力大、行進(jìn)困難多，急需研發(fā)自主行走、智能控制等關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，深層環(huán)境復(fù)雜，開采過程精確定位導(dǎo)航技術(shù)缺乏，安全應(yīng)急指揮與調(diào)度智能化技術(shù)有待完善。因此，急需開發(fā)基于全局感知、人工智能和大數(shù)據(jù)分析的智能開采技術(shù)與裝備體系，提高深層金屬礦開采的本質(zhì)安全性。