新时期我国矿产资源行业高质量发展路径

邵安林 刘 畅,2 岳星彤,3 王怀远,3 张兴帆,4 王连成

(1.北京科技大学矿产研究院,北京 100083;2.鞍钢集团矿业有限公司,辽宁 鞍山 114001;3.鞍钢集团北京研究院有限公司,北京 102209;4.中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁 沈阳 110169)

矿产资源是人类社会赖以生存的重要物质基础,是制造业产业链供应链的源头,是国家安全与经济发展的战略资源和重要保证。 在21 世纪初期,我国使用的95%以上的能源、80%以上的工业原材料和70%以上的农业生产资料都来自于矿产资源[1]。 2022 年矿产资源直接支撑了下游33.5 万亿的工业制造业和8.3 万亿的建筑业,二者约占我国GDP 的35%。

当前,世界进入新的动荡变革期,正在经历大调整、大分化、大重组,不确定、不稳定、难预料因素增多。推动矿业高质量发展,确保矿产资源安全稳定供应,对于保障国家安全,应对复杂国际形势具有重大意义。 本研究立足我国经济发展新时期矿产资源行业所面临的新机遇、新挑战,阐述新阶段矿山行业高质量发展路径,指明未来我国矿业技术的重点攻关方向。

1 矿产资源行业发展机遇与挑战

1.1 矿业发展新机遇

新时期,我国经济转向高质量发展新阶段,为矿业发展提供了前所未有的战略机遇。

(1)国家高度重视矿业发展,支持力度空前。 党的二十大报告中强调,“要加强重点领域安全能力建设,确保粮食、能源资源、重要产业链供应链安全”以及“必须加强战略谋划,及早做出调整,确保供给安全”。 2023 年初召开的中央经济工作会议也明确提出,“要加强重要能源、矿产资源国内勘探开发和增储上产”。 当前,党中央高度重视矿产资源产业安全,持续加大政策支持力度,重视程度、支持力度空前。 推动“新一轮找矿突破战略行动”“基石计划”的实施落地,明显提振了矿业发展信心。

(2)经济稳步发展,矿产资源需求量持续增长。近年来,伴随着我国经济和工业化进程的快速发展,国内市场对矿产品的需求也在不断增长,特别是在基础设施建设、新能源开发、高端装备制造等领域,对矿产资源的需求将进一步增加[2]。 2022 年,我国粗钢产量10.1 亿t,铜、铝、铅等10 种常用的有色金属产量近6 800 万t。 中国式现代化建设需要大量矿产资源,这为我国矿业产业提供了更多的发展机会和市场空间。

(3)能源结构调整,战略性矿产资源需求激增。在“双碳”战略目标引领下,在产业结构和能源结构转型过程中,新能源产业及其他战略性新兴产业的高速发展,对镍、钴、锂、稀土等矿产资源的需求激增,矿业产业迎来新发展机遇[3]。 根据国家2030 碳达峰目标测算,2021—2030 年我国太阳能光伏、风力发电、新能源汽车、电化学储能装机容量还将分别增长3.0、1.3、3.3、19.0 倍[4],这将极大带动新能源矿产中铜、锂、钴、镍需求的快速增加。

(4)数字化融合发展为矿业转型升级提供新动能。 党的二十大明确提出,“要坚持把发展经济的着力点放在实体经济上,推进新型工业化,加快建设制造强国、网络强国,推动制造业高端化、智能化、绿色化发展;加快发展数字经济,促进数字经济和实体经济深度融合”。 当前,新一轮科技革命、产业变革和数字经济蓬勃发展,大数据、人工智能、云计算等新一代信息技术与矿业发展深度融合,赋予了矿业领域变革突破的新机遇。

1.2 矿产资源行业发展面临的挑战

(1)资源供给形势严峻,矿业战略布局亟需调整。 当前,我国矿产资源对外依赖严重,平均对外依存度高达65%,对外依存度超过80%的矿产资源有12 种,超过50%的矿产资源有17 种[5]。 并且资源来源集中度较高,62%的进口铜矿来自智利和秘鲁、83%的进口铁矿来自澳大利亚和巴西、96%的进口红土镍矿来自印尼和菲律宾、近100%的进口钴矿来自刚果(金)[6]。 供应链通道安全风险大,73%的矿产资源运输都需要通过南海航线。 除此之外,全球地缘政治形势动荡,战略性矿产资源的博弈加剧,外部环境的变化对我国矿业战略布局和产业发展节奏产生了诸多影响。

(2)安全、环境约束加大,技术创新急需突破。随着我国进入高质量发展新阶段,注重生态环境保护、履行社会责任、提高治理水平等理念已深入人心,ESG(企业环境Environmental、社会责任Social 和公司治理Governance)跃升为矿业可持续发展的首要议题。 但在矿权管理、绿色开采等方面还存在诸多亟待解决的问题:① 我国矿业发展约束多,勘查开发投入严重不足,近10 a 非油气矿产勘查投入下降66%,探矿权数量下降73%;② 绿色开采技术水平、装备水平、智能化水平与国外先进矿山还有一定差距;③ 深地、深海矿产资源勘探开发技术水平比国外仍有明显劣势,如加拿大、澳大利亚、美国等矿业发达国家开采深度超过2 000 m 的矿井有十余座,目前国内深地开采矿井深度在1 000～2 000 m 徘徊[7-8]。

(3)产业集中度低,管理体制与发展需求不协调。 从矿山企业数量看,2021 年底,全国规模以上铁矿企业数量一千多家,铁精矿年产量达到千万吨的只有几家;有色工业企业数量多达近万家,但规模较大的数量极少。 企业布局分散,规模效益不足,缺乏具有国际影响力、市场竞争力、行业引领力的大型集团化矿业公司。 现有管理体制机制已不适应当前严峻的供应链安全形势。 由于矿业管理部门多,市场主体多,缺乏集中统一管理,矿业开发整体效率较低,资源保障能力提升困难。 另外,由于资源开发与生态保护、安全生产缺乏统筹协调,有些地区针对个别企业出现的安全环保问题,采取一刀切的极端办法,使得一些矿山处于关停状态。

2 矿产资源行业高质量发展路径

进入新时期,矿产资源行业需立足于中国式现代化的内在要求,坚持智能和绿色两大目标方向,不断提升行业发展水平。

2.1 以智慧矿山建设赋能产业转型升级

智慧矿山是行业发展的大势所趋。 近年来,我国许多矿山企业相继进行了数字矿山、智能矿山建设,取得了一些成果[9]。 但发展水平参差不齐,局部改造、修修补补的多,整体性、系统性、颠覆性的案例少。大部分企业存在重展现、轻业务,重装备、轻软件,重采集、轻分析等现象。 智慧矿山的内涵不能简单地理解为信息化或智能,而是遵循系统工程理论,利用现代信息技术和已知知识应对未知变化,实现对矿山生产经营主动感知,统筹优化各种资源,在符合矿山安全生产、环境保护要求的前提下,实现矿山资源利用效率与经济社会效益自主动态平衡。

(1)智慧矿山的实质是以工艺技术升级为基础、以信息技术和智能制造为手段的管理模式的深度变革,必将使矿山发展能力和水平得到革命性提升。 当前,正值矿山行业调整转型的关键时期,加强矿山领域的技术和管理创新研究势在必行。

(2)智慧矿山建设是以实现矿山数字化开采、无人化操作、云数据共享、大数据分析、智能化指挥和自动化调度为主要目标,通过智能化关键技术实现全流程的优化,进行有效的矿山资源配置,进而达到矿山安全开采、智慧开采、降耗增效、环境保护、生态和谐的目的,为高效、绿色、安全、智能的矿山生产提供技术保障。

(3)智慧矿山建设需重点从3 个层面做好路径规划:① 战略层面做好顶层设计。 树立系统观和整体观,从“大矿业”整体角度出发,将采、选、冶的各个环节视为一个有机整体,全流程、全业务链系统优化,实现整体价值最大化。 ② 管理层面明确功能定位。物质流、能量流和信息流的集成和高效调控是智慧化建设的关键,应重点从智慧感知、智慧生产、智慧决策、智慧服务4 个层次上明确功能需求,构建起完整的智慧化运营管理体系。 ③ 技术层面实现协同融合。 把自然崩落法、深部开采、高效选矿等工艺技术的创新与大数据、5G、人工智能、云计算等信息技术充分融合,不断拓展矿产资源开发数字化、智能化与智慧化的深度与广度。 未来,产业经济发展必将打破企业间、行业间的界限,最终形成标准统一、资源集中、服务共享、产业协同的智慧矿业生态圈,赋能行业融通发展。

2.2 打造绿色新体系构筑产业发展新格局

绿色发展是矿产资源行业高质量发展的必然要求。 当前,控制碳排放已成为全球大型矿业公司发展的重要方向。 力拓计划到2050 年实现运营净零排放,淡水河谷计划到2050 年底前促进采矿业实现碳中和,英美资源计划到2040 年实现所有业务的碳中和。

矿业绿色发展的本质不仅是节能减排,而是发展方式的根本变革,是能源体系、生态体系、资源体系的全面转型升级。 在国家“双碳”战略背景下,矿业领域需明确目标、统筹规划,构建“源头减碳+过程降碳+储碳增汇”的全链条碳管理模式。

(1)源头减碳方面。 矿山设计方案要全程贯彻绿色低碳理念,从顶层设计上全面打造零碳矿山;构建矿业绿色低碳、安全智能的装备体系,逐步提升新能源设备占比;打造矿山新能源系统,优化矿业用能结构,建设矿山智能微电网,实现分布式光伏发电、分散式风力发电等多能互补的新能源模式。

(2)过程降碳方面。 探索建立矿产资源碳足迹跟踪和碳标签管理机制,持续优化行业碳减排方案;以科技创新提升能源利用效率,实现低碳高效生产。

(3)储碳增汇方面。 加强矿山生态修复,提高碳增汇能力,要从简单的复绿,转变为生态功能修复。加强地质勘探评估,挖掘储碳潜力。 加强特殊空间的合理开发利用,推进二氧化碳地质封存;围绕资源综合利用,提升矿化固碳能力。 发挥富含氧化钙和氧化镁的矿物、废石、尾矿等碱性矿物的碳捕捉和矿化固碳能力。

3 矿业技术攻关重点与探索实践

加快实现高水平科技自立自强,是推动矿业高质量发展的必由之路。 当前,矿产行业可从几个重点关注的方向出发,加大技术攻关力度,突破产业瓶颈。

3.1 地下矿山采选一体化工艺

随着浅部资源日益枯竭,矿产资源开发受土地和生态环境约束,地下矿山比例将逐步增大,未来10 a内,我国1/3 的地下金属矿山开采深度将达到或超过1 000 m。

地下采选一体化工艺技术可重构优化矿石流网络结构,贯彻“废石尾矿能抛早抛”理念,实现入选矿石的量质优化,从根本上降低深地开采运输成本。 同时,在井下将选矿废石、尾矿直接用于采空区填充,提高充填采矿效率,减少对地表环境的影响[10-11]。 此外,要依托采选一体化工艺的推广,优化矿山生产组织模式,建立安全高效的采选集约化生产管理系统。目前,鞍钢集团矿业公司(以下简称“鞍钢矿业”)正积极探索地下采选一体化工艺技术在张家湾铁矿的应用。 目标是在地下实现采选全流程,完全实现无废无扰动绿色开发。

3.2 悬浮焙烧工艺

随着国内优质矿产资源日益枯竭,突破常规选矿工艺限制,盘活呆滞矿产资源,提高开采回采率、选矿回收率和综合利用率,是增强矿产资源供应链韧性的长期有效举措。

悬浮焙烧技术通过控制矿相高温重构和元素迁移,实现复杂难选矿石的提质优化,是活化“呆矿”资源的关键方向[12]。 近年来,悬浮焙烧技术在低品位赤褐铁矿、菱铁矿深度开发利用方向获得规模化成功应用。 通过悬浮焙烧高温矿相转化技术,为难选铁矿资源深度开发利用提供支撑,可以盘活难选铁矿资源100 亿t 以上。

目前,鞍钢矿业正利用该技术实施尾矿再选项目,仅鞍山地区年生产精矿可超过500 万t,且生产成本低,经济和社会效益显著,具有很好的推广前景。悬浮焙烧技术在低硫铜钴矿难选矿产资源利用中同样取得了成功的工业应用。 但仍需解析难选矿产资源高温矿相转化机制,控制产品质量稳定,促进悬浮焙烧技术在多种复杂难选矿产资源开发中的创新应用。

3.3 干磨干选工艺

干磨干选工艺借鉴了水泥、电力行业高效制粉经验,运用物料层压粉磨理论和风力分级原理,建立矿石干法碎磨制粉系统,使矿物得到充分解离,实现磨矿产品窄粒级分布,并借助风力使矿物在高分散度状态下进入有效磁场,实现磁性矿物高效富集。 该技术与传统选矿工艺相比,具有技术工艺简单、流程短,投资强度小,工艺生产过程无水作业,生产成本低等特点。

干磨干选工艺开辟了贫磁铁矿高效开发利用的新路径,尤其是对干旱缺水地区的贫磁铁矿加工利用意义重大[13]。 同时,该工艺进一步拓宽了资源利用界限,是解决当下国内尾矿库容量近饱和共性问题、提升矿山服务年限的直接有效手段,并为推广地下采选一体化工艺做技术储备。

该工艺已成功应用于新疆大马庄山铁矿,取得良好效果。 鞍钢矿业弓长岭露天矿正积极推进干磨干选工艺在超贫磁铁矿资源回收中的应用,提高采选效率和成本管控优势。

目前,干磨干选工艺存在适用矿石种类少、处理量低、设备磨损严重和干选精度不足的主要问题。 亟待攻关研发新一代的高通量干式磨矿和高精度干式分选技术与装备。

3.4 固废资源开发

我国矿山废石、尾矿堆存量巨大。 以铁矿为例,截至2022 年底,我国铁矿山废石堆存量约400 亿t,铁尾矿堆存量约100 亿t。 并且,每年新增废石量约15 亿t,新增尾矿量5 ～6 亿t。 如此巨量的铁尾矿不仅造成资源浪费、成本增加,还占用了大量的土地、带来了一系列环保问题。 因此,需要特别注重固废资源化技术攻关[14]。

(1)从工艺源头解决问题,实现无废开采,以固废胶凝材料制备技术为例,利用尾矿制备绿色充填胶凝材料,采用井下充填法采矿工艺,将尾矿充填到采空区,有效降低充填材料成本,推动全尾砂充填技术推广应用。

(2)强化过程控制,通过采选一体化、充填法采矿、磁化焙烧等技术,全面提升资源利用效率。

(3)末端治理,把存量的尾矿资源化,对岩石中的有用组分进行二次拣选回收,拣选抛废产品可以制备砂石骨料;通过尾矿再选技术,二次回收金属资源,同时,再选尾砂用于生产建筑材料、装饰材料,制备矿物肥料、土壤改良剂等。

3.5 清洁能源开发

针对闲置排土场、废弃尾矿库等大量的土地资源,发展绿色清洁能源,构建“矿山智能微电网”,实现零碳矿山建设目标。 这方面我国矿山潜力巨大,根据中国冶金矿山企业协会相关调研统计,我国冶金矿山总占地面积约4 万hm2,已开发利用的绿色清洁能源占地约1 000 hm2,仅占2.5%左右;具有开发利用价值的绿色清洁能源可用总占地面积较大,可供光伏发电和风能发电装机使用。 如能实现充分利用,不仅有助于实现零碳矿山的建设目标,而且可形成宝贵的碳汇指标。

4 结 语

当前,我国矿产资源行业正处在高质量发展开局起步的关键时期,挑战与机遇并存,转型与发展并行。智能开采和绿色开采是大势所趋,亟需持续科技攻关、突破关键技术瓶颈、自主研发核心装备,保障我国矿产资源安全。 谱写矿业高质量发展的新篇章,任重而道远,行业全体同仁要紧紧抓住新时期矿业发展新机遇,携手同心、砥砺奋斗,助力中国式现代化早日实现。