邵安林 劉 暢,2 岳星彤,3 王懷遠(yuǎn),3 張興帆,4 王連成

(1.北京科技大學(xué)礦產(chǎn)研究院,北京 100083;2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司,遼寧 鞍山 114001;3.鞍鋼集團(tuán)北京研究院有限公司,北京 102209;4.中國科學(xué)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(zhì)基礎(chǔ),是制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈的源頭,是國家安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略資源和重要保證。 在21 世紀(jì)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(nóng)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(dāng)前,世界進(jìn)入新的動蕩變革期,正在經(jīng)歷大調(diào)整、大分化、大重組,不確定、不穩(wěn)定、難預(yù)料因素增多。推動礦業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,確保礦產(chǎn)資源安全穩(wěn)定供應(yīng),對于保障國家安全,應(yīng)對復(fù)雜國際形勢具有重大意義。 本研究立足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展新時期礦產(chǎn)資源行業(yè)所面臨的新機(jī)遇、新挑戰(zhàn),闡述新階段礦山行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展路徑,指明未來我國礦業(yè)技術(shù)的重點攻關(guān)方向。

1 礦產(chǎn)資源行業(yè)發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)

1.1 礦業(yè)發(fā)展新機(jī)遇

新時期,我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向高質(zhì)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(jī)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(qiáng)調(diào),“要加強(qiáng)重點領(lǐng)域安全能力建設(shè),確保糧食、能源資源、重要產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全”以及“必須加強(qiáng)戰(zhàn)略謀劃,及早做出調(diào)整,確保供給安全”。 2023 年初召開的中央經(jīng)濟(jì)工作會議也明確提出,“要加強(qiáng)重要能源、礦產(chǎn)資源國內(nèi)勘探開發(fā)和增儲上產(chǎn)”。 當(dāng)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(jì)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(jì)和工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展,國內(nèi)市場對礦產(chǎn)品的需求也在不斷增長,特別是在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、新能源開發(fā)、高端裝備制造等領(lǐng)域,對礦產(chǎn)資源的需求將進(jìn)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(shè)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(jī)會和市場空間。

(3)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整,戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源需求激增。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)引領(lǐng)下,在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(jī)遇[3]。 根據(jù)國家2030 碳達(dá)峰目標(biāo)測算,2021—2030 年我國太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車、電化學(xué)儲能裝機(jī)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(zhuǎn)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(jì)的著力點放在實體經(jīng)濟(jì)上,推進(jìn)新型工業(yè)化,加快建設(shè)制造強(qiáng)國、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)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(jì),促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實體經(jīng)濟(jì)深度融合”。 當(dāng)前,新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革和數(shù)字經(jīng)濟(jì)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(shù)與礦業(yè)發(fā)展深度融合,賦予了礦業(yè)領(lǐng)域變革突破的新機(jī)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(yán)峻,礦業(yè)戰(zhàn)略布局亟需調(diào)整。 當(dāng)前,我國礦產(chǎn)資源對外依賴嚴(yán)重,平均對外依存度高達(dá)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(jìn)口銅礦來自智利和秘魯、83%的進(jìn)口鐵礦來自澳大利亞和巴西、96%的進(jìn)口紅土鎳礦來自印尼和菲律賓、近100%的進(jìn)口鈷礦來自剛果(金)[6]。 供應(yīng)鏈通道安全風(fēng)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(shù)創(chuàng)新急需突破。隨著我國進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展新階段,注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)、履行社會責(zé)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(zé)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(quán)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(yán)重不足,近10 a 非油氣礦產(chǎn)勘查投入下降66%,探礦權(quán)數(shù)量下降73%;② 綠色開采技術(shù)水平、裝備水平、智能化水平與國外先進(jìn)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(shù)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(dá)國家開采深度超過2 000 m 的礦井有十余座,目前國內(nèi)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(diào)。 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(dá)到千萬噸的只有幾家;有色工業(yè)企業(yè)數(shù)量多達(dá)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(lǐng)力的大型集團(tuán)化礦業(yè)公司。 現(xiàn)有管理體制機(jī)制已不適應(yīng)當(dāng)前嚴(yán)峻的供應(yīng)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(hù)、安全生產(chǎn)缺乏統(tǒng)籌協(xié)調(diào),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(guān)停狀態(tài)。

2 礦產(chǎn)資源行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展路徑

進(jìn)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(nèi)在要求,堅持智能和綠色兩大目標(biāo)方向,不斷提升行業(yè)發(fā)展水平。

2.1 以智慧礦山建設(shè)賦能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(jìn)行了數(shù)字礦山、智能礦山建設(shè),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(bǔ)補(bǔ)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(wù),重裝備、輕軟件,重采集、輕分析等現(xiàn)象。 智慧礦山的內(nèi)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(shù)和已知知識應(yīng)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(hù)要求的前提下,實現(xiàn)礦山資源利用效率與經(jīng)濟(jì)社會效益自主動態(tài)平衡。

(1)智慧礦山的實質(zhì)是以工藝技術(shù)升級為基礎(chǔ)、以信息技術(shù)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(dāng)前,正值礦山行業(yè)調(diào)整轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期,加強(qiáng)礦山領(lǐng)域的技術(shù)和管理創(chuàng)新研究勢在必行。

(2)智慧礦山建設(shè)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(diào)度為主要目標(biāo),通過智能化關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)全流程的優(yōu)化,進(jìn)行有效的礦山資源配置,進(jìn)而達(dá)到礦山安全開采、智慧開采、降耗增效、環(huán)境保護(hù)、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(shù)保障。

(3)智慧礦山建設(shè)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(shè)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(jī)整體,全流程、全業(yè)務(wù)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(zhì)流、能量流和信息流的集成和高效調(diào)控是智慧化建設(shè)的關(guān)鍵,應(yīng)重點從智慧感知、智慧生產(chǎn)、智慧決策、智慧服務(wù)4 個層次上明確功能需求,構(gòu)建起完整的智慧化運營管理體系。 ③ 技術(shù)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(shù)的創(chuàng)新與大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、云計算等信息技術(shù)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(jì)發(fā)展必將打破企業(yè)間、行業(yè)間的界限,最終形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、資源集中、服務(wù)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(gòu)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(zhì)量發(fā)展的必然要求。 當(dāng)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(jìn)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(wù)的碳中和。

礦業(yè)綠色發(fā)展的本質(zhì)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(zhuǎn)型升級。 在國家“雙碳”戰(zhàn)略背景下,礦業(yè)領(lǐng)域需明確目標(biāo)、統(tǒng)籌規(guī)劃,構(gòu)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(shè)計方案要全程貫徹綠色低碳理念,從頂層設(shè)計上全面打造零碳礦山;構(gòu)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(shè)備占比;打造礦山新能源系統(tǒng),優(yōu)化礦業(yè)用能結(jié)構(gòu),建設(shè)礦山智能微電網(wǎng),實現(xiàn)分布式光伏發(fā)電、分散式風(fēng)力發(fā)電等多能互補(bǔ)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(biāo)簽管理機(jī)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(qiáng)礦山生態(tài)修復(fù),提高碳增匯能力,要從簡單的復(fù)綠,轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)功能修復(fù)。加強(qiáng)地質(zhì)勘探評估,挖掘儲碳潛力。 加強(qiáng)特殊空間的合理開發(fā)利用,推進(jìn)二氧化碳地質(zhì)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(shù)攻關(guān)重點與探索實踐

加快實現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng),是推動礦業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。 當(dāng)前,礦產(chǎn)行業(yè)可從幾個重點關(guān)注的方向出發(fā),加大技術(shù)攻關(guān)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(nèi),我國1/3 的地下金屬礦山開采深度將達(dá)到或超過1 000 m。

地下采選一體化工藝技術(shù)可重構(gòu)優(yōu)化礦石流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),貫徹“廢石尾礦能拋早拋”理念,實現(xiàn)入選礦石的量質(zhì)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(tuán)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(shù)在張家灣鐵礦的應(yīng)用。 目標(biāo)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(nèi)優(yōu)質(zhì)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(qiáng)礦產(chǎn)資源供應(yīng)鏈韌性的長期有效舉措。

懸浮焙燒技術(shù)通過控制礦相高溫重構(gòu)和元素遷移,實現(xiàn)復(fù)雜難選礦石的提質(zhì)優(yōu)化,是活化“呆礦”資源的關(guān)鍵方向[12]。 近年來,懸浮焙燒技術(shù)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?yīng)用。 通過懸浮焙燒高溫礦相轉(zhuǎn)化技術(shù),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(shù)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(jì)和社會效益顯著,具有很好的推廣前景。懸浮焙燒技術(shù)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(yīng)用。 但仍需解析難選礦產(chǎn)資源高溫礦相轉(zhuǎn)化機(jī)制,控制產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,促進(jìn)懸浮焙燒技術(shù)在多種復(fù)雜難選礦產(chǎn)資源開發(fā)中的創(chuàng)新應(yīng)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(fēng)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(fēng)力使礦物在高分散度狀態(tài)下進(jìn)入有效磁場,實現(xiàn)磁性礦物高效富集。 該技術(shù)與傳統(tǒng)選礦工藝相比,具有技術(shù)工藝簡單、流程短,投資強(qiáng)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(jìn)一步拓寬了資源利用界限,是解決當(dāng)下國內(nèi)尾礦庫容量近飽和共性問題、提升礦山服務(wù)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(shù)儲備。

該工藝已成功應(yīng)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(jìn)干磨干選工藝在超貧磁鐵礦資源回收中的應(yīng)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(shè)備磨損嚴(yán)重和干選精度不足的主要問題。 亟待攻關(guān)研發(fā)新一代的高通量干式磨礦和高精度干式分選技術(shù)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(shù)攻關(guān)[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(shù)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(shù)推廣應(yīng)用。

(2)強(qiáng)化過程控制,通過采選一體化、充填法采礦、磁化焙燒等技術(shù),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(jìn)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(shù),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(gòu)建“礦山智能微電網(wǎng)”,實現(xiàn)零碳礦山建設(shè)目標(biāo)。 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(guān)調(diào)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(fēng)能發(fā)電裝機(jī)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(shè)目標(biāo),而且可形成寶貴的碳匯指標(biāo)。

4 結(jié) 語

當(dāng)前,我國礦產(chǎn)資源行業(yè)正處在高質(zhì)量發(fā)展開局起步的關(guān)鍵時期,挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存,轉(zhuǎn)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(guān)、突破關(guān)鍵技術(shù)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(zhì)量發(fā)展的新篇章,任重而道遠(yuǎn),行業(yè)全體同仁要緊緊抓住新時期礦業(yè)發(fā)展新機(jī)遇,攜手同心、砥礪奮斗,助力中國式現(xiàn)代化早日實現(xiàn)。