邵安林 劉 暢,2 岳星彤,3 王懷遠,3 張興帆,4 王連成

(1.北京科技大學礦產(chǎn)研究院,北京 100083;2.鞍鋼集團礦業(yè)有限公司,遼寧 鞍山 114001;3.鞍鋼集團北京研究院有限公司,北京 102209;4.中國科學院沈陽自動化研究所,遼寧 沈陽 110169)

礦產(chǎn)資源是人類社會賴以生存的重要物質基礎,是制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈的源頭,是國家安全與經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略資源和重要保證。 在21 世紀初期,我國使用的95%以上的能源、80%以上的工業(yè)原材料和70%以上的農業(yè)生產(chǎn)資料都來自于礦產(chǎn)資源[1]。 2022 年礦產(chǎn)資源直接支撐了下游33.5 萬億的工業(yè)制造業(yè)和8.3 萬億的建筑業(yè),二者約占我國GDP 的35%。

當前,世界進入新的動蕩變革期,正在經(jīng)歷大調整、大分化、大重組,不確定、不穩(wěn)定、難預料因素增多。推動礦業(yè)高質量發(fā)展,確保礦產(chǎn)資源安全穩(wěn)定供應,對于保障國家安全,應對復雜國際形勢具有重大意義。 本研究立足我國經(jīng)濟發(fā)展新時期礦產(chǎn)資源行業(yè)所面臨的新機遇、新挑戰(zhàn),闡述新階段礦山行業(yè)高質量發(fā)展路徑,指明未來我國礦業(yè)技術的重點攻關方向。

1 礦產(chǎn)資源行業(yè)發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)

1.1 礦業(yè)發(fā)展新機遇

新時期,我國經(jīng)濟轉向高質量發(fā)展新階段,為礦業(yè)發(fā)展提供了前所未有的戰(zhàn)略機遇。

(1)國家高度重視礦業(yè)發(fā)展,支持力度空前。 黨的二十大報告中強調,“要加強重點領域安全能力建設,確保糧食、能源資源、重要產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈安全”以及“必須加強戰(zhàn)略謀劃,及早做出調整,確保供給安全”。 2023 年初召開的中央經(jīng)濟工作會議也明確提出,“要加強重要能源、礦產(chǎn)資源國內勘探開發(fā)和增儲上產(chǎn)”。 當前,黨中央高度重視礦產(chǎn)資源產(chǎn)業(yè)安全,持續(xù)加大政策支持力度,重視程度、支持力度空前。 推動“新一輪找礦突破戰(zhàn)略行動”“基石計劃”的實施落地,明顯提振了礦業(yè)發(fā)展信心。

(2)經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展,礦產(chǎn)資源需求量持續(xù)增長。近年來,伴隨著我國經(jīng)濟和工業(yè)化進程的快速發(fā)展,國內市場對礦產(chǎn)品的需求也在不斷增長,特別是在基礎設施建設、新能源開發(fā)、高端裝備制造等領域,對礦產(chǎn)資源的需求將進一步增加[2]。 2022 年,我國粗鋼產(chǎn)量10.1 億t,銅、鋁、鉛等10 種常用的有色金屬產(chǎn)量近6 800 萬t。 中國式現(xiàn)代化建設需要大量礦產(chǎn)資源,這為我國礦業(yè)產(chǎn)業(yè)提供了更多的發(fā)展機會和市場空間。

(3)能源結構調整,戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源需求激增。在“雙碳”戰(zhàn)略目標引領下,在產(chǎn)業(yè)結構和能源結構轉型過程中,新能源產(chǎn)業(yè)及其他戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,對鎳、鈷、鋰、稀土等礦產(chǎn)資源的需求激增,礦業(yè)產(chǎn)業(yè)迎來新發(fā)展機遇[3]。 根據(jù)國家2030 碳達峰目標測算,2021—2030 年我國太陽能光伏、風力發(fā)電、新能源汽車、電化學儲能裝機容量還將分別增長3.0、1.3、3.3、19.0 倍[4],這將極大帶動新能源礦產(chǎn)中銅、鋰、鈷、鎳需求的快速增加。

(4)數(shù)字化融合發(fā)展為礦業(yè)轉型升級提供新動能。 黨的二十大明確提出,“要堅持把發(fā)展經(jīng)濟的著力點放在實體經(jīng)濟上,推進新型工業(yè)化,加快建設制造強國、網(wǎng)絡強國,推動制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展;加快發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟,促進數(shù)字經(jīng)濟和實體經(jīng)濟深度融合”。 當前,新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革和數(shù)字經(jīng)濟蓬勃發(fā)展,大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等新一代信息技術與礦業(yè)發(fā)展深度融合,賦予了礦業(yè)領域變革突破的新機遇。

1.2 礦產(chǎn)資源行業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

(1)資源供給形勢嚴峻,礦業(yè)戰(zhàn)略布局亟需調整。 當前,我國礦產(chǎn)資源對外依賴嚴重,平均對外依存度高達65%,對外依存度超過80%的礦產(chǎn)資源有12 種,超過50%的礦產(chǎn)資源有17 種[5]。 并且資源來源集中度較高,62%的進口銅礦來自智利和秘魯、83%的進口鐵礦來自澳大利亞和巴西、96%的進口紅土鎳礦來自印尼和菲律賓、近100%的進口鈷礦來自剛果(金)[6]。 供應鏈通道安全風險大,73%的礦產(chǎn)資源運輸都需要通過南海航線。 除此之外,全球地緣政治形勢動蕩,戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源的博弈加劇,外部環(huán)境的變化對我國礦業(yè)戰(zhàn)略布局和產(chǎn)業(yè)發(fā)展節(jié)奏產(chǎn)生了諸多影響。

(2)安全、環(huán)境約束加大,技術創(chuàng)新急需突破。隨著我國進入高質量發(fā)展新階段,注重生態(tài)環(huán)境保護、履行社會責任、提高治理水平等理念已深入人心,ESG(企業(yè)環(huán)境Environmental、社會責任Social 和公司治理Governance)躍升為礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的首要議題。 但在礦權管理、綠色開采等方面還存在諸多亟待解決的問題:① 我國礦業(yè)發(fā)展約束多,勘查開發(fā)投入嚴重不足,近10 a 非油氣礦產(chǎn)勘查投入下降66%,探礦權數(shù)量下降73%;② 綠色開采技術水平、裝備水平、智能化水平與國外先進礦山還有一定差距;③ 深地、深海礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)技術水平比國外仍有明顯劣勢,如加拿大、澳大利亞、美國等礦業(yè)發(fā)達國家開采深度超過2 000 m 的礦井有十余座,目前國內深地開采礦井深度在1 000～2 000 m 徘徊[7-8]。

(3)產(chǎn)業(yè)集中度低,管理體制與發(fā)展需求不協(xié)調。 從礦山企業(yè)數(shù)量看,2021 年底,全國規(guī)模以上鐵礦企業(yè)數(shù)量一千多家,鐵精礦年產(chǎn)量達到千萬噸的只有幾家;有色工業(yè)企業(yè)數(shù)量多達近萬家,但規(guī)模較大的數(shù)量極少。 企業(yè)布局分散,規(guī)模效益不足,缺乏具有國際影響力、市場競爭力、行業(yè)引領力的大型集團化礦業(yè)公司。 現(xiàn)有管理體制機制已不適應當前嚴峻的供應鏈安全形勢。 由于礦業(yè)管理部門多,市場主體多,缺乏集中統(tǒng)一管理,礦業(yè)開發(fā)整體效率較低,資源保障能力提升困難。 另外,由于資源開發(fā)與生態(tài)保護、安全生產(chǎn)缺乏統(tǒng)籌協(xié)調,有些地區(qū)針對個別企業(yè)出現(xiàn)的安全環(huán)保問題,采取一刀切的極端辦法,使得一些礦山處于關停狀態(tài)。

2 礦產(chǎn)資源行業(yè)高質量發(fā)展路徑

進入新時期,礦產(chǎn)資源行業(yè)需立足于中國式現(xiàn)代化的內在要求,堅持智能和綠色兩大目標方向,不斷提升行業(yè)發(fā)展水平。

2.1 以智慧礦山建設賦能產(chǎn)業(yè)轉型升級

智慧礦山是行業(yè)發(fā)展的大勢所趨。 近年來,我國許多礦山企業(yè)相繼進行了數(shù)字礦山、智能礦山建設,取得了一些成果[9]。 但發(fā)展水平參差不齊,局部改造、修修補補的多,整體性、系統(tǒng)性、顛覆性的案例少。大部分企業(yè)存在重展現(xiàn)、輕業(yè)務,重裝備、輕軟件,重采集、輕分析等現(xiàn)象。 智慧礦山的內涵不能簡單地理解為信息化或智能,而是遵循系統(tǒng)工程理論,利用現(xiàn)代信息技術和已知知識應對未知變化,實現(xiàn)對礦山生產(chǎn)經(jīng)營主動感知,統(tǒng)籌優(yōu)化各種資源,在符合礦山安全生產(chǎn)、環(huán)境保護要求的前提下,實現(xiàn)礦山資源利用效率與經(jīng)濟社會效益自主動態(tài)平衡。

(1)智慧礦山的實質是以工藝技術升級為基礎、以信息技術和智能制造為手段的管理模式的深度變革,必將使礦山發(fā)展能力和水平得到革命性提升。 當前,正值礦山行業(yè)調整轉型的關鍵時期,加強礦山領域的技術和管理創(chuàng)新研究勢在必行。

(2)智慧礦山建設是以實現(xiàn)礦山數(shù)字化開采、無人化操作、云數(shù)據(jù)共享、大數(shù)據(jù)分析、智能化指揮和自動化調度為主要目標,通過智能化關鍵技術實現(xiàn)全流程的優(yōu)化,進行有效的礦山資源配置,進而達到礦山安全開采、智慧開采、降耗增效、環(huán)境保護、生態(tài)和諧的目的,為高效、綠色、安全、智能的礦山生產(chǎn)提供技術保障。

(3)智慧礦山建設需重點從3 個層面做好路徑規(guī)劃:① 戰(zhàn)略層面做好頂層設計。 樹立系統(tǒng)觀和整體觀,從“大礦業(yè)”整體角度出發(fā),將采、選、冶的各個環(huán)節(jié)視為一個有機整體,全流程、全業(yè)務鏈系統(tǒng)優(yōu)化,實現(xiàn)整體價值最大化。 ② 管理層面明確功能定位。物質流、能量流和信息流的集成和高效調控是智慧化建設的關鍵,應重點從智慧感知、智慧生產(chǎn)、智慧決策、智慧服務4 個層次上明確功能需求,構建起完整的智慧化運營管理體系。 ③ 技術層面實現(xiàn)協(xié)同融合。 把自然崩落法、深部開采、高效選礦等工藝技術的創(chuàng)新與大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、云計算等信息技術充分融合,不斷拓展礦產(chǎn)資源開發(fā)數(shù)字化、智能化與智慧化的深度與廣度。 未來,產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展必將打破企業(yè)間、行業(yè)間的界限,最終形成標準統(tǒng)一、資源集中、服務共享、產(chǎn)業(yè)協(xié)同的智慧礦業(yè)生態(tài)圈,賦能行業(yè)融通發(fā)展。

2.2 打造綠色新體系構筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展新格局

綠色發(fā)展是礦產(chǎn)資源行業(yè)高質量發(fā)展的必然要求。 當前,控制碳排放已成為全球大型礦業(yè)公司發(fā)展的重要方向。 力拓計劃到2050 年實現(xiàn)運營凈零排放,淡水河谷計劃到2050 年底前促進采礦業(yè)實現(xiàn)碳中和,英美資源計劃到2040 年實現(xiàn)所有業(yè)務的碳中和。

礦業(yè)綠色發(fā)展的本質不僅是節(jié)能減排,而是發(fā)展方式的根本變革,是能源體系、生態(tài)體系、資源體系的全面轉型升級。 在國家“雙碳”戰(zhàn)略背景下,礦業(yè)領域需明確目標、統(tǒng)籌規(guī)劃,構建“源頭減碳+過程降碳+儲碳增匯”的全鏈條碳管理模式。

(1)源頭減碳方面。 礦山設計方案要全程貫徹綠色低碳理念,從頂層設計上全面打造零碳礦山;構建礦業(yè)綠色低碳、安全智能的裝備體系,逐步提升新能源設備占比;打造礦山新能源系統(tǒng),優(yōu)化礦業(yè)用能結構,建設礦山智能微電網(wǎng),實現(xiàn)分布式光伏發(fā)電、分散式風力發(fā)電等多能互補的新能源模式。

(2)過程降碳方面。 探索建立礦產(chǎn)資源碳足跡跟蹤和碳標簽管理機制,持續(xù)優(yōu)化行業(yè)碳減排方案;以科技創(chuàng)新提升能源利用效率,實現(xiàn)低碳高效生產(chǎn)。

(3)儲碳增匯方面。 加強礦山生態(tài)修復,提高碳增匯能力,要從簡單的復綠,轉變?yōu)樯鷳B(tài)功能修復。加強地質勘探評估,挖掘儲碳潛力。 加強特殊空間的合理開發(fā)利用,推進二氧化碳地質封存;圍繞資源綜合利用,提升礦化固碳能力。 發(fā)揮富含氧化鈣和氧化鎂的礦物、廢石、尾礦等堿性礦物的碳捕捉和礦化固碳能力。

3 礦業(yè)技術攻關重點與探索實踐

加快實現(xiàn)高水平科技自立自強,是推動礦業(yè)高質量發(fā)展的必由之路。 當前,礦產(chǎn)行業(yè)可從幾個重點關注的方向出發(fā),加大技術攻關力度,突破產(chǎn)業(yè)瓶頸。

3.1 地下礦山采選一體化工藝

隨著淺部資源日益枯竭,礦產(chǎn)資源開發(fā)受土地和生態(tài)環(huán)境約束,地下礦山比例將逐步增大,未來10 a內,我國1/3 的地下金屬礦山開采深度將達到或超過1 000 m。

地下采選一體化工藝技術可重構優(yōu)化礦石流網(wǎng)絡結構,貫徹“廢石尾礦能拋早拋”理念,實現(xiàn)入選礦石的量質優(yōu)化,從根本上降低深地開采運輸成本。 同時,在井下將選礦廢石、尾礦直接用于采空區(qū)填充,提高充填采礦效率,減少對地表環(huán)境的影響[10-11]。 此外,要依托采選一體化工藝的推廣,優(yōu)化礦山生產(chǎn)組織模式,建立安全高效的采選集約化生產(chǎn)管理系統(tǒng)。目前,鞍鋼集團礦業(yè)公司(以下簡稱“鞍鋼礦業(yè)”)正積極探索地下采選一體化工藝技術在張家灣鐵礦的應用。 目標是在地下實現(xiàn)采選全流程,完全實現(xiàn)無廢無擾動綠色開發(fā)。

3.2 懸浮焙燒工藝

隨著國內優(yōu)質礦產(chǎn)資源日益枯竭,突破常規(guī)選礦工藝限制,盤活呆滯礦產(chǎn)資源,提高開采回采率、選礦回收率和綜合利用率,是增強礦產(chǎn)資源供應鏈韌性的長期有效舉措。

懸浮焙燒技術通過控制礦相高溫重構和元素遷移,實現(xiàn)復雜難選礦石的提質優(yōu)化,是活化“呆礦”資源的關鍵方向[12]。 近年來,懸浮焙燒技術在低品位赤褐鐵礦、菱鐵礦深度開發(fā)利用方向獲得規(guī)?；晒谩?通過懸浮焙燒高溫礦相轉化技術,為難選鐵礦資源深度開發(fā)利用提供支撐,可以盤活難選鐵礦資源100 億t 以上。

目前,鞍鋼礦業(yè)正利用該技術實施尾礦再選項目,僅鞍山地區(qū)年生產(chǎn)精礦可超過500 萬t,且生產(chǎn)成本低,經(jīng)濟和社會效益顯著,具有很好的推廣前景。懸浮焙燒技術在低硫銅鈷礦難選礦產(chǎn)資源利用中同樣取得了成功的工業(yè)應用。 但仍需解析難選礦產(chǎn)資源高溫礦相轉化機制,控制產(chǎn)品質量穩(wěn)定,促進懸浮焙燒技術在多種復雜難選礦產(chǎn)資源開發(fā)中的創(chuàng)新應用。

3.3 干磨干選工藝

干磨干選工藝借鑒了水泥、電力行業(yè)高效制粉經(jīng)驗,運用物料層壓粉磨理論和風力分級原理,建立礦石干法碎磨制粉系統(tǒng),使礦物得到充分解離,實現(xiàn)磨礦產(chǎn)品窄粒級分布,并借助風力使礦物在高分散度狀態(tài)下進入有效磁場,實現(xiàn)磁性礦物高效富集。 該技術與傳統(tǒng)選礦工藝相比,具有技術工藝簡單、流程短,投資強度小,工藝生產(chǎn)過程無水作業(yè),生產(chǎn)成本低等特點。

干磨干選工藝開辟了貧磁鐵礦高效開發(fā)利用的新路徑,尤其是對干旱缺水地區(qū)的貧磁鐵礦加工利用意義重大[13]。 同時,該工藝進一步拓寬了資源利用界限,是解決當下國內尾礦庫容量近飽和共性問題、提升礦山服務年限的直接有效手段,并為推廣地下采選一體化工藝做技術儲備。

該工藝已成功應用于新疆大馬莊山鐵礦,取得良好效果。 鞍鋼礦業(yè)弓長嶺露天礦正積極推進干磨干選工藝在超貧磁鐵礦資源回收中的應用,提高采選效率和成本管控優(yōu)勢。

目前,干磨干選工藝存在適用礦石種類少、處理量低、設備磨損嚴重和干選精度不足的主要問題。 亟待攻關研發(fā)新一代的高通量干式磨礦和高精度干式分選技術與裝備。

3.4 固廢資源開發(fā)

我國礦山廢石、尾礦堆存量巨大。 以鐵礦為例,截至2022 年底,我國鐵礦山廢石堆存量約400 億t,鐵尾礦堆存量約100 億t。 并且,每年新增廢石量約15 億t,新增尾礦量5 ～6 億t。 如此巨量的鐵尾礦不僅造成資源浪費、成本增加,還占用了大量的土地、帶來了一系列環(huán)保問題。 因此,需要特別注重固廢資源化技術攻關[14]。

(1)從工藝源頭解決問題,實現(xiàn)無廢開采,以固廢膠凝材料制備技術為例,利用尾礦制備綠色充填膠凝材料,采用井下充填法采礦工藝,將尾礦充填到采空區(qū),有效降低充填材料成本,推動全尾砂充填技術推廣應用。

(2)強化過程控制,通過采選一體化、充填法采礦、磁化焙燒等技術,全面提升資源利用效率。

(3)末端治理,把存量的尾礦資源化,對巖石中的有用組分進行二次揀選回收,揀選拋廢產(chǎn)品可以制備砂石骨料;通過尾礦再選技術,二次回收金屬資源,同時,再選尾砂用于生產(chǎn)建筑材料、裝飾材料,制備礦物肥料、土壤改良劑等。

3.5 清潔能源開發(fā)

針對閑置排土場、廢棄尾礦庫等大量的土地資源,發(fā)展綠色清潔能源,構建“礦山智能微電網(wǎng)”,實現(xiàn)零碳礦山建設目標。 這方面我國礦山潛力巨大,根據(jù)中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會相關調研統(tǒng)計,我國冶金礦山總占地面積約4 萬hm2,已開發(fā)利用的綠色清潔能源占地約1 000 hm2,僅占2.5%左右;具有開發(fā)利用價值的綠色清潔能源可用總占地面積較大,可供光伏發(fā)電和風能發(fā)電裝機使用。 如能實現(xiàn)充分利用,不僅有助于實現(xiàn)零碳礦山的建設目標,而且可形成寶貴的碳匯指標。

4 結 語

當前,我國礦產(chǎn)資源行業(yè)正處在高質量發(fā)展開局起步的關鍵時期,挑戰(zhàn)與機遇并存,轉型與發(fā)展并行。智能開采和綠色開采是大勢所趨,亟需持續(xù)科技攻關、突破關鍵技術瓶頸、自主研發(fā)核心裝備,保障我國礦產(chǎn)資源安全。 譜寫礦業(yè)高質量發(fā)展的新篇章,任重而道遠,行業(yè)全體同仁要緊緊抓住新時期礦業(yè)發(fā)展新機遇,攜手同心、砥礪奮斗,助力中國式現(xiàn)代化早日實現(xiàn)。