深层金属矿原位流态化开采构想

吴爱祥，王洪江，尹升华，阮竹恩

1.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083

从2002年开始，我国10种有色金属产量已经连续多年高居世界第一，并于2020年首次突破60 Mt[1]，金属矿产资源为国民经济的快速发展提供了有力的支撑。但是，随着我国经济社会发展对矿产品需求的持续增长和矿产资源的不断开发，我国浅部金属矿资源已趋于枯竭，逐渐转入1 000 m以深的开采。据不完全统计，我国开采深度达到或超过1 000 m的地下金属矿山已达16 座。目前，金属矿山的开采深度以10～30 m/a 的速度加深。在未来，我国预计将有1/3 的金属矿山开采深度达到1 000 m[2-3]，我国矿业将迎来千米时代。习近平主席在2016年5月30日的全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上举例强调：“从理论上讲，地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下10 000 m”。学者研究预测，如果我国固体矿产勘查深度达到2 000 m，探明的资源储量可以在现有的基础上翻一番[4]。但是，深地金属矿床开采面临着高应力、高井温、高井深的特殊开采环境[5]，采用传统的采矿模式难以实现深部资源的安全、高效、经济开采。

为此，本文基于谢和平等[6]提出的深地矿产资源流态化开采构想，对深层金属矿产资源的原位流态化开采的具体构想与挑战进行阐述。

1 基本定义

1.1 深层开采

世界上各个采矿大国对深部开采的深度划分各不相同，目前尚无统一的定量划分标准[5，7-10]。我国有些专家学者建议以岩爆发生频率明显增加来界定，普遍认为矿山转入深部开采的深度为 800～1 000 m[5，11]。

为了区分深部开采和深层开采，本文规定深度为1 000～2 000 m的开采为深部开采，深度为2 000～3 000 m的开采为深层开采，都属于深地开采。

1.2 原位流态化开采

根据全世界30 余个国家的地应力实测结果， 6 000 m以深的岩体基本处于三向等压状态，深部岩体进入全范围塑性流变状态[12]，因此传统金属矿开采方式将失效。源于石油、天然气、盐溶流态开采的启发，得益于地下选矿厂等理念和技术的探索，本文提出深层金属矿原位流态化开采构想。原位流态化开采是指改变传统的原矿散体物料开采模式，将深层金属矿产资源原位转化为液或多相混合的流态介质，实现采选冶、采选充一体的智能化颠覆性技术。

当前开采模式存在提升与钻探装备水平不适用于2 000 m以深资源开采、井下必须有人、全流程环节冗长和环境损伤严重等不足，而原位流态化开采将具有以下显著的优势：

(1) 开采深度颠覆，实现3 000 m以浅资源流态化高效开采；

(2) 人员参与颠覆，实现井下无人、井上智能遥控；

(3) 短流程能耗低，采用原位选冶获得流态介质，再管道输送至地表；

(4) 环保模式颠覆，实现井下无空区、地表无尾废(尾砂、废石等)、多流程集成开采。

2 具体构想

要实现深层金属矿从固体开发向流态开发的根本转变，原位转化是关键。根据不同的原位转化方式，将深层金属矿原位流态化开采分为深层金属矿原位溶浸开采和采选充一体化两个方向。

原位溶浸开采是指从地表经钻孔把溶液注入深层金属矿，溶液在矿层与目标矿物发生物理、化学、生物等反应，生成可溶性离子进入溶液，经抽液孔提升至地表，从而提取有价金属，如图1所示。

图1 原位溶浸开采示意图

原位溶浸开采在安全、环保、经济方面具有显著的优势。安全方面：采选冶全过程一体化、管道化，无矿岩开挖；井上遥控、井下无人，规避人员伤亡。环保方面：废石、尾矿、废水近零排放，保护生态；能源消耗最少，碳排放量最低，保护气候。经济方面：据统计，原位浸铀成本为传统开采1/4，原地浸铜成本为传统开采的50%。

采选充一体化是指深层金属矿开采后，矿石就地破碎、加工处理，获得的精矿浆流态化管道输送至地表，剩下的尾矿制备成膏体就地充填至采空区。采选充一体化包括两种模式：一是将选矿厂和充填站直接建在地下深处，形成采场、选矿厂、充填站均处于地下的采选充体系，如图2所示；二是以深地盾构作业(TBM)为先导，由采矿舱、选矿舱、充填舱构成TBM式采选充舱，如图3所示。

图2 深层金属矿采选充一体化示意图

图3 TBM式采选充舱示意图

采选充一体化将选矿厂与充填站建在井下采场附近，矿石就地处理，尾矿就地制备成膏体充填，因此只需建竖井用于高浓度精矿输送与生产水供给，减少了开拓工程、提升设备、运输设备；避免了选矿厂、充填站、尾矿库占用土地；实现了“废石不出坑、尾矿不入库”，选矿废水循环利用，可实现无废开采，有利于环境保护。

3 国内外研究应用现状

3.1 原位溶浸开采研究应用现状

20世纪60年代，美国、苏联的核工业得到大力发展，分别采用酸浸和碱浸的方式对铀矿进行原位浸取，美国率先在怀俄明州建成了世界上首座原位溶浸采铀矿山[13-14]。据统计，2014年原位溶浸开采的铀矿产量占世界总产量的51%[14]。

我国原位溶浸技术主要应用于稀土、铀矿的开采[15]，我国东乡铜矿[16]、中条山铜矿[17]先后采用地下破碎原位浸出技术。原位溶浸开采的优点，在于对低品位矿床具有显著的经济性，且对地表扰动最小化、无须建尾矿库；缺点在于溶浸液体难控制，导致地下环境污染和资源的损失[18]。

对于2 000 m以深的深层金属矿资源开采，面临高井深、高地温、高应力以及岩体高致密等难题，现有的“就地破碎浸出”等传统溶浸开采技术将失效，而深地原位浸出技术凭借其高效化、无人化、绿色化等优势，成为未来深部开采的重要发展方向[19-21]。

目前，关于浅部矿产资源原位溶浸采矿的理论架构、本构规律及耦合数学模型已经建立，为深层金属矿原位溶浸开采理论建立及工程模拟，提供了理论指导与参考[22]。对于耐高温、高压等适应深层金属矿极端环境的浸矿菌种研究取得了一定进展，相继获取Sulfolobus[23]、Acidianusmanzaensis[24]、Metallosphaerasedula[25]等可耐受65 ℃以上高温的浸矿菌种，并揭示了其生长动力学与浸矿参数等。

3.2 采选充一体化研究应用现状

澳大利亚GEKKO公司提出了Python地下选矿集成平台，并进行了渣浆泵两相流提升等研究，形成采选充一体化系统[26-27]，如图4所示。Python地下选矿集成平台包括岩石破碎与筛分、矿物重选浮选、浓缩和尾矿处置等多个子系统。Python地下选矿集成平台于2004年在英国的Gwynfynydd 矿成功应用，建成了世界首座地下重选金矿选厂，但是尾矿料浆也提升至地表进行资源化利用而非就地充填[28]。此后，Python地下选矿集成平台在南非中央兰德黄金公司成功应用。

图4 GEKKO公司采选充一体化系统(根据文献[27]修改)

邵安林院士[29]提出了“矿产资源开发地下采选一体化系统”，并详细论述了鞍钢矿业建设地下采选一体化系统的必要性和可行性。孙豁然等[30]针对本溪某深部铁矿提出了地下采选一体化系统：采矿方法选用充填采矿方法；将选矿厂建在与矿体相邻的地下深部，并建大型水池供选矿厂使用；建立大型地下充填站，以作临时小型尾矿库。唐廷宇、许洪亮等[31-32]设计了张家湾铁矿地下采选一体化工程，地下选矿厂设计在采场附近较稳固的围岩中，尾矿和废石就近充填至采空区。

采选一体化实现矿石短距离运输、地下选矿，精矿管道输送到地表、尾砂就近地下充填，是深部矿床开采的一种新模式，但是采矿方法与充填技术、大型硐室的开挖与稳定性、选矿工艺及设备优化等一系列问题，还有待解决[33]。

南京栖霞山铅锌矿已开展地下采选联合方案设计，把所有采选设备全部安置在甘家巷矿区井下，将生产活动转移出栖霞山风景区规划范围，以解决现银茂铅锌矿生产与栖霞山风景区规划的冲突，但目前还没有投入实施。

近年来，全尾砂膏体充填技术因其安全、环保、经济、高效的优势已经成为绿色开采的关键技术之一[34-35]。同时，膏体充填采矿法具有采场不脱水、接顶好及强度高等特点，将有效解决深层金属矿开采应力高等难题[36]，特别是随着移动式膏体充填系统的提出与应用[37]，将避免传统深井充填的管道磨损与振动问题。因此，膏体充填成为深层金属矿采选充一体化的必然选择。

4 挑战与展望

深地开采是金属矿未来发展的必然选择，如何“变害为利”、催生相关高新技术方法，是解决深地开采“三高”(高应力、高井温、高井深)问题的重要保障。开展深地金属矿流态化开采，可以实现金属矿开采无人化、无废化、智能化。但是，要实现深层金属矿原位流态化开采，还面临巨大挑战，许多难题还需要解决：

(1) 深层流态化开采过程多场作用下岩体力学行为。深层环境参数随开采深度的增加而不断变化，深层应力场-能量场-裂隙场等多场耦合作用导致深层原位岩体力学行为复杂，深层岩体力学行为变化明显，传统岩石力学理论不再适用。“十三五”期间，初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系[38]，但是对于深层资源开采过程中能量演化规律、能量特征原位理论等认识不清。因此，急需开展深层金属矿流态化开采的原位多场力学理论研究，构建深层流态化开采下岩体能量致灾模型与安全评价体系。

(2) 深层金属矿原位溶浸开采理论。目前，浅部资源原位溶浸开采的理论已经构建[22]，但是深层矿岩多尺度孔裂结构复杂，生化反应影响下渗流通道不断演变，导致溶液渗流行为不清、浸矿体系渗流与反应响应关系不明。同时，深层环境下微生物增殖行为未知，流态转化过程生物-化学耦合作用机理不明，流态化开采过程调控技术缺乏。因此，需要建立深层金属矿原位生物流态化开采理论体系，进而攻克金属矿流态化开采的颠覆性技术。

(3) 深层金属矿采选充一体化装备。采选充一体化在钻切、智能分选、流态转化、充填调控、远程控制等实现多流程协同作业，是一种“短流程多工艺协同”颠覆性技术集成，国内外尚未形成大规模生产系统，一体化装备匮乏且研发难度空前。同时，深井提升存在效率低、能耗大和成本高难题，对深井提升设备提出了挑战。因此，急需研发采选充一体化的流态化开采技术与装备，形成新型深部金属矿资源开发技术模式的突破。

(4) 深层金属矿开采环境监控及再造技术。深层金属矿赋存环境复杂，深层“透明”程度低，且受开采作业影响矿层环境动态多变，开采条件恶劣、采区布置原则不清、可控性差，传统监测方法难以适用，无法为流态化开采提供保障。因此，急需构架深层开采环境重构技术体系，提出采区布置优化方法，为深层金属矿安全高效流态化开采提供支撑。

(5) 深层金属矿智能高效开采技术。深层金属矿原位流态化开采过程工艺复杂、设备繁多导致行进路线长、行进阻力大、行进困难多，急需研发自主行走、智能控制等关键技术。同时，深层环境复杂，开采过程精确定位导航技术缺乏，安全应急指挥与调度智能化技术有待完善。因此，急需开发基于全局感知、人工智能和大数据分析的智能开采技术与装备体系，提高深层金属矿开采的本质安全性。