新時期我國礦產資源行業高質量發展路徑

邵安林 劉 暢,2 岳星彤,3 王懷遠,3 張興帆,4 王連成

(1.北京科技大學礦產研究院,北京 100083;2.鞍鋼集團礦業有限公司,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)

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

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

1 礦產資源行業發展機遇與挑戰

1.1 礦業發展新機遇

新時期,我國經濟轉向高質量發展新階段,為礦業發展提供了前所未有的戰略機遇。

(1)國家高度重視礦業發展,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、重要產業鏈供應鏈安全”以及“必須加強戰略謀劃,及早做出調整,確保供給安全”。 2023 年初召開的中央經濟工作會議也明確提出,“要加強重要能源、礦產資源國內勘探開發和增儲上產”。 當前,黨中央高度重視礦產資源產業安全,持續加大政策支持力度,重視程度、支持力度空前。 推動“新一輪找礦突破戰略行動”“基石計劃”的實施落地,明顯提振了礦業發展信心。

(2)經濟穩步發展,礦產資源需求量持續增長。近年來,伴隨著我國經濟和工業化進程的快速發展,國內市場對礦產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、高端裝備制造等領域,對礦產資源的需求將進一步增加[2]。 2022 年,我國粗鋼產量10.1 億t,銅、鋁、鉛等10 種常用的有色金屬產量近6 800 萬t。 中國式現代化建設需要大量礦產資源,這為我國礦業產業提供了更多的發展機會和市場空間。

(3)能源結構調整,戰略性礦產資源需求激增。在“雙碳”戰略目標引領下,在產業結構和能源結構轉型過程中,新能源產業及其他戰略性新興產業的高速發展,對鎳、鈷、鋰、稀土等礦產資源的需求激增,礦業產業迎來新發展機遇[3]。 根據國家2030 碳達峰目標測算,2021—2030 年我國太陽能光伏、風力發電、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中銅、鋰、鈷、鎳需求的快速增加。

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

1.2 礦產資源行業發展面臨的挑戰

(1)資源供給形勢嚴峻,礦業戰略布局亟需調整。 當前,我國礦產資源對外依賴嚴重,平均對外依存度高達65%,對外依存度超過80%的礦產資源有12 種,超過50%的礦產資源有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,戰略性礦產資源的博弈加劇,外部環境的變化對我國礦業戰略布局和產業發展節奏產生了諸多影響。

(2)安全、環境約束加大,技術創新急需突破。隨著我國進入高質量發展新階段,注重生態環境保護、履行社會責任、提高治理水平等理念已深入人心,ESG(企業環境Environmental、社會責任Social 和公司治理Governance)躍升為礦業可持續發展的首要議題。 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 我國礦業發展約束多,勘查開發投入嚴重不足,近10 a 非油氣礦產勘查投入下降66%,探礦權數量下降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、深海礦產資源勘探開發技術水平比國外仍有明顯劣勢,如加拿大、澳大利亞、美國等礦業發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)產業集中度低,管理體制與發展需求不協調。 從礦山企業數量看,2021 年底,全國規模以上鐵礦企業數量一千多家,鐵精礦年產量達到千萬噸的只有幾家;有色工業企業數量多達近萬家,但規模較大的數量極少。 企業布局分散,規模效益不足,缺乏具有國際影響力、市場競爭力、行業引領力的大型集團化礦業公司。 現有管理體制機制已不適應當前嚴峻的供應鏈安全形勢。 由于礦業管理部門多,市場主體多,缺乏集中統一管理,礦業開發整體效率較低,資源保障能力提升困難。 另外,由于資源開發與生態保護、安全生產缺乏統籌協調,有些地區針對個別企業出現的安全環保問題,采取一刀切的極端辦法,使得一些礦山處于關停狀態。

2 礦產資源行業高質量發展路徑

進入新時期,礦產資源行業需立足于中國式現代化的內在要求,堅持智能和綠色兩大目標方向,不斷提升行業發展水平。

2.1 以智慧礦山建設賦能產業轉型升級

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

(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,必將使礦山發展能力和水平得到革命性提升。 當前,正值礦山行業調整轉型的關鍵時期,加強礦山領域的技術和管理創新研究勢在必行。

(2)智慧礦山建設是以實現礦山數字化開采、無人化操作、云數據共享、大數據分析、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全流程的優化,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、環境保護、生態和諧的目的,為高效、綠色、安全、智能的礦山生產提供技術保障。

(3)智慧礦山建設需重點從3 個層面做好路徑規劃:① 戰略層面做好頂層設計。 樹立系統觀和整體觀,從“大礦業”整體角度出發,將采、選、冶的各個環節視為一個有機整體,全流程、全業務鏈系統優化,實現整體價值最大化。 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、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 技術層面實現協同融合。 把自然崩落法、深部開采、高效選礦等工藝技術的創新與大數據、5G、人工智能、云計算等信息技術充分融合,不斷拓展礦產資源開發數字化、智能化與智慧化的深度與廣度。 未來,產業經濟發展必將打破企業間、行業間的界限,最終形成標準統一、資源集中、服務共享、產業協同的智慧礦業生態圈,賦能行業融通發展。

2.2 打造綠色新體系構筑產業發展新格局

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

礦業綠色發展的本質不僅是節能減排,而是發展方式的根本變革,是能源體系、生態體系、資源體系的全面轉型升級。 在國家“雙碳”戰略背景下,礦業領域需明確目標、統籌規劃,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,優化礦業用能結構,建設礦山智能微電網,實現分布式光伏發電、分散式風力發電等多能互補的新能源模式。

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

(3)儲碳增匯方面。 加強礦山生態修復,提高碳增匯能力,要從簡單的復綠,轉變為生態功能修復。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 礦業技術攻關重點與探索實踐

加快實現高水平科技自立自強,是推動礦業高質量發展的必由之路。 當前,礦產行業可從幾個重點關注的方向出發,加大技術攻關力度,突破產業瓶頸。

3.1 地下礦山采選一體化工藝

隨著淺部資源日益枯竭,礦產資源開發受土地和生態環境約束,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化礦石流網絡結構,貫徹“廢石尾礦能拋早拋”理念,實現入選礦石的量質優化,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填充,提高充填采礦效率,減少對地表環境的影響[10-11]。 此外,要依托采選一體化工藝的推廣,優化礦山生產組織模式,建立安全高效的采選集約化生產管理系統。目前,鞍鋼集團礦業公司(以下簡稱“鞍鋼礦業”)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。 目標是在地下實現采選全流程,完全實現無廢無擾動綠色開發。

3.2 懸浮焙燒工藝

隨著國內優質礦產資源日益枯竭,突破常規選礦工藝限制,盤活呆滯礦產資源,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,實現復雜難選礦石的提質優化,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、菱鐵礦深度開發利用方向獲得規?；晒?。 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,鞍鋼礦業正利用該技術實施尾礦再選項目,僅鞍山地區年生產精礦可超過500 萬t,且生產成本低,經濟和社會效益顯著,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資源利用中同樣取得了成功的工業應用。 但仍需解析難選礦產資源高溫礦相轉化機制,控制產品質量穩定,促進懸浮焙燒技術在多種復雜難選礦產資源開發中的創新應用。

3.3 干磨干選工藝

干磨干選工藝借鑒了水泥、電力行業高效制粉經驗,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,使礦物得到充分解離,實現磨礦產品窄粒級分布,并借助風力使礦物在高分散度狀態下進入有效磁場,實現磁性礦物高效富集。 該技術與傳統選礦工藝相比,具有技術工藝簡單、流程短,投資強度小,工藝生產過程無水作業,生產成本低等特點。

干磨干選工藝開辟了貧磁鐵礦高效開發利用的新路徑,尤其是對干旱缺水地區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

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,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

針對閑置排土場、廢棄尾礦庫等大量的土地資源,發展綠色清潔能源,構建“礦山智能微電網”,實現零碳礦山建設目標。 這方面我國礦山潛力巨大,根據中國冶金礦山企業協會相關調研統計,我國冶金礦山總占地面積約4 萬hm2,已開發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,可供光伏發電和風能發電裝機使用。 如能實現充分利用,不僅有助于實現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,我國礦產資源行業正處在高質量發展開局起步的關鍵時期,挑戰與機遇并存,轉型與發展并行。智能開采和綠色開采是大勢所趨,亟需持續科技攻關、突破關鍵技術瓶頸、自主研發核心裝備,保障我國礦產資源安全。 譜寫礦業高質量發展的新篇章,任重而道遠,行業全體同仁要緊緊抓住新時期礦業發展新機遇,攜手同心、砥礪奮斗,助力中國式現代化早日實現。