现代矿山工程设计理念诠释——献给中国有色工程设计研究总院建院65周年

于润沧

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

1 前言

中国恩菲工程技术有限公司(前身为中国有色工程设计研究总院)已经为中国非煤矿业的发展奋战了65年，在不同的经济环境下，先后成功地完成了400多项矿山工程的设计，已经完成的和正在设计的项目，其产能均分别超过我国有色、黄金、黑色矿山总产能的50%。不可谓没有资历、没有经验，然而在65年后的今天，我们却深切地感受到有必要认真探讨“现代矿山工程设计的理念”。为此，提出4个方面值得深究的问题。

2 提出现代矿山工程设计理念的缘由

首先是矿业技术发展的要求。采矿业是一个非常古老的产业，生产能力长期处于落后状态，采矿业对生态和环境的破坏长期得不到完善的治理。20世纪中叶之后，随着无轨设备，特别是大型无轨设备的出现，矿山岩石力学研究成果的应用，计算机和信息技术在矿业领域的推广，采矿技术获得了突飞猛进的发展。矿山生产规模在不断扩大，井巷掘进速度在不断提高，井巷支护技术在不断更新，深井和高应力区采矿难题在不断攻克，大水矿床、低品位矿床、矿岩极为破碎的矿床都得到了有效开发利用，智能化采矿示范区已在多国建立，矿产资源开发和环境的矛盾开始得到关注和逐步改善，矿山的劳动生产率不断提高。这一切都促使对采矿工程设计的理念、原则、方法和手段必须做出深刻的调整与改变，成为技术进一步突破性创新的引领者。

其次是在经济全球化的背景下我国矿业面临的挑战。从20世纪90年代开始，我国已进入工业化、城镇化的高速发展阶段，这种增长的速度需要消耗大量的矿产资源来支持。以有色金属为例，我国有色金属的产量和消费量已多年位居世界第一，堪称矿业大国，然而由于资源占有和禀赋的特点，大宗消费的矿产资源对外依存度不断攀升，有些超过了50%，有的甚至超过80%。虽然没有哪一个大国可以完全依靠本国的矿产资源实现工业化、现代化，问题是我国的矿业企业集中度低，体制上存在诸多不适应之处，国际竞争力弱，可持续发展的瓶颈异常突出，因而还绝非矿业强国。采矿工程设计欲想在改变这种局面中发挥其应有的引领作用，也必须随着形势的发展改进其设计理念、原则、方法和手段。

3 现代矿山工程设计理念的主要内涵

矿山工程设计的理念随着时代的变迁在发展和调整，问题是发挥引领作用还是跟着时代的脚步费力地奔跑。因此，现代矿山工程设计理念的内涵是一个值得探讨的问题，这里是一些抛砖引玉的看法。

面对一个矿山工程项目，需要进行如下工作。

(1)立足项目和企业的竞争力研究国际大背景下的市场行情。采矿专业设计者不能只关注技术问题，矿业本身是一个经济、技术、环境紧密融合的产业。尤其在经济日益全球化的今天，对一个矿业工程项目，必须研究该项目与该项目业主的竞争能力和市场发展的关系。这是一个矿业工程项目立足的基础。体现该项目竞争能力的因素包括资源的禀赋，项目的生产规模及生产成本，产品供需格局及价格预测，业主的经营思维、筹资能力和适应价格周期变化的资金运作水平。这些因素在市场研究、市场分析中的状态对项目的综合评价至关重要，是现代矿山工程设计必须首先关注的课题。

(2)以企业经济效益为核心确定生产规模和装备水平。在这一命题下，首先要研究的是提高单位可采储量的产能。这不仅是反映矿山经济效益的关键指标，也是衡量矿山现代化水平的重要尺度。过去，一直到20世纪八九十年代，在类似的开采条件下，我国的矿山生产规模要比矿业发达国家的低二分之一到三分之一，这反映了设计水平、技术水平、装备水平、管理水平的综合差距。从金川二矿区等一些重点大型项目开始，依靠设备大型化、无轨化、液压化，采用高效率的采矿方法，基本克服了这一差距，但还未能形成普遍的情况。所以努力提高单位可采储量的产能，仍然是现代矿山工程设计理念的关键点。它不仅可以有效地提高企业的经济效益，而且对有效利用我国紧缺矿产资源，保障国民经济可持续发展具有重要意义。在此基础上进一步研究矿山技术上可能的最大规模和经济合理的规模，最终根据项目在全球矿业市场中的特点进行取舍。

(3)以资源—经济—环境相协调的方案选择和优化。解决资源—经济—环境相协调问题，须从资源的有效利用、综合利用到提高项目的经济效益，再到不但不破坏生态环境，而且要努力争取优化环境，这些都要依靠先进的理念、先进的工艺技术和不断优化的设计方案。工程设计单位的优势之一就在于通过多专业集成先进技术用于生产，集成科研成果使之转化为现实生产力。因此应当针对每一个项目的特点，均有所创新，包括设计方案创新、建设模式创新、社会协作创新等，特别是在构建生态矿业工程方面，要有突破性的创新。生态工程作为一门新的学科，已有40多年的历史，其目的就是解决社会经济发展和生态环境保护相协同的问题，亦即可持续发展问题。生态矿业工程是它的一个分支，其目的是要研究实现无废开采的可能性，研究废料资源化的途径，使矿产资源的开发树立工业过程生态化的理念，做到在矿业项目规划、立项、设计、施工建设、生产、闭坑的全过程将生态环境保护和生态修复、环境治理融为项目的有机组成元素，保证各阶段的资金投入，落实各阶段社会责任，从而体现以人为本，可持续发展。

(4)着力研究缩短基建时间和基建期提前出矿的可能性。投资矿山企业的资金回收期本来就很长，基建时间拖长更会给项目的经济效益带来显著的不利影响。由于种种原因，比如建设方案的变更，比如施工队伍的管理技术水平不适应，比如竖井掘进遭遇水患，比如筹资遇到某种困难等，项目建设长期没有多大进展。许多矿山的实际建设周期都长于设计预定的期限。因此如何依靠先进的技术和技术服务缩短建设周期并且能提前出矿，对于改善企业经济效益甚为重要，深井矿山尤为突出。所以希望对勘探程度一般都不高的第三类型(即直接开采深埋矿床)深井开采，在总体建设方案的基础上，利用探建结合方式提前掘进生产竖井，利用基建期的井巷工程配合坑内钻探加强勘探，开展原岩应力和岩温的测定以及其他必要的科研工作，还可利用基建期的副产矿石进行连选试验。这些措施均可为此类项目顺利建设、顺利生产、尽早达产提供良好的技术保障。

(5)以建设智能矿山为长远目标不断创新和实践。智能化是矿业发展的方向，是实现采矿工作者的梦想——采矿办公室化的途径，是解决矿山生产安全问题、效率问题、效益问题和矿工社会地位问题的密钥。就金属矿山而言，这方面同矿业发达国家相比，大概落后了20年。必须用中国模式、中国速度超越。以比较复杂的地下矿为例，智能化矿山应当包括以下几个方面。第一，全部固定安装设备无人值守，远程监控。这里涵盖按需通风系统、设备预防性维修设施。这方面的内容从技术层面已可在大中型和重点小型矿山普遍推广。至于提升系统的无人值守与现行矿山安全规程的某些抵触，需要规程适应科技的发展进行调整。第二，智能化物流系统。这是指将人员、设备、网络联系起来，实现“人与人”、“物与物”、“人与物”之间的协同作业，智能管理的创新应用。主要涉及人员定位与管理系统、有轨与无轨车辆定位自动运行与管理系统、危险品流向与运输监控系统。第三，直接生产过程的自动化与远程监控系统，这是智能矿山最核心的部分，即由中控室的操作人员利用导航系统直接指挥采矿作业面的智能设备自动定位完成回采作业。目前许多矿山都采用了生产作业外包的模式，一般机械化水平都不是很高，根据自动化采矿的要求，对新建矿山、对新开拓的深部水平需要改变作业模式，才有可能实现自动化作业。第四，建立全矿智能化信息平台，通过全矿自动化控制系统融合，实现信息高速公路硬件和软件方面最大程度的协调和统一；保护和控制功能融合化和共享化；实现控制设备厂家、品种、型号、规格数量的最小化；实现使用技术数量方面的最小化；维护习惯方面一致化；维护和预维护大数据化；生产统计数据自动化。第五，以中控室为中心建立矿山信息化管理系统，包括矿区地表及矿床模型可视化信息系统，矿山工程地质、水文地质及岩石力学数据采集、处理、传输、存储、显示与探采工程集成系统，矿山规划与开采方案决策优化系统，矿山环境变化及灾害预警信息系统，矿山生产经营管理及经济活动分析信息系统。上述这些系统需要依靠智能矿山顶层设计统筹安排。

这些系统的建立，不仅可以极大地改善矿山安全状况，极大地提高劳动生产率，确立简化的精准的管理系统，提高设备效率和利用率，提高有效工时利用率，为提高单位可采储量的产能奠定技术基础，也会显著降低生产成本，尽管初期投入会略有增加，但投入回报更高效。

(6)境外矿山工程设计项目应认真进行风险评估。对于国内矿业企业走出去从事矿产资源开采，周密的风险评估是极为重要的，但由于种种原因，这方面却有太多的教训。应当如何进行风险评估，风险评估包含哪些内容，第一，资源风险评估：资源的可靠程度(勘探程度，品位分布情况，初期有无可能开采高品位矿段，远景资源的希望)；矿床中含有害杂质情况；有无可选性试验，目前有无条件做可选性试验；有无不利的开采技术条件；预期生产规模的可行性和合理性；基建期的长短，可能影响基建期的因素；勘探过程所提供的地质、水文地质、矿岩岩石力学性质资料深度。第二，建设条件评估：交通运输状况及价格水平；供电、供水情况；气象条件；地震级别；厂址选择的难易程度；有无泥石流、飓风海啸等影响；周边工业发展状况，有无采矿业，劳动力来源；辅助材料可供性 ； 对生态环境本底的初步了解，根据当地对环境保护的要求，满足环保要求的难易程度。第三，经济风险评估：市场基本供需状况； 金属价格变化周期及预期；项目应赢亏平衡点的价格水平，可采储量消耗一半之前收回全部投资的价格水平；利率、汇率变动；通货膨胀及金融危机；企业或项目竞争能力分析(生产规模、产品质量、成本优势，销售渠道，物流控制)。第四，政策风险评估：矿山所在国政府的财政、税务、货币、外汇、环保、劳工等政策；资源政策的调整；国有化征收。第五，政治风险评估：政局变化；资源民族主义；贸易保护主义；社区动态、战争或武装冲突；恐怖袭击或绑架；社会动乱；民族、宗教冲突；治安犯罪。

4 建立新型设计标准 抓紧创立示范工程

要想引领矿业的发展，工程设计单位应充分发挥其集成推广科研成果的桥梁作用，可将科研成果最大限度地转化为生产力的优势，对技术基本成熟的工艺，如全部固定安装设备无人值守远程监控等，应建立新的设计标准，创造条件大力推广。针对工程项目技术难题确立科研课题，推动技术发展。对于创建智能化生态矿业工程，从项目投标报价开始，争取采用虚拟矿山方案报出，使企业业主对人工智能的应用获得较直观的了解，有利于推动建设示范采区、示范工程。确立现代矿业工程设计理念，引领矿业以中国模式、中国速度突破式创新发展。