3.1 采矿技术的发展演化
3.1.1 采矿技术的整体流变趋势
1.从手工化向智能化的流变
人类采矿已有7000多年历史，采矿方法和采矿手段经历了手工化—机械化—自动化—智能化的演变。石器时代主要以手工化开采为主，由于开采工具和方法的制约，无法开采金属矿产资源。青铜器时代已经可以开采铁、铜等金属。随着开采技术的不断进步，斧、钺、凿等采矿工具的稳步发展使得人类可以触及地下数十米左右的富矿带，矿车、钻孔机、抓岩机等设备的出现保证了采矿活动的顺利开展。同时，地下采矿活动的实现标志着与其相关的通风、排水、安全、提升等一系列技术的同步发展。总体来看，工业革命发生之前人类的采矿活动依赖于纯粹的原始劳动力，由于采矿方法和工具的限制导致采矿效率和采矿规模极度有限。
第一次工业革命带来了采矿设备的跨越式变革，蒸汽泵、运载车、挖掘机等机械化设备的投用将采矿活动从繁重的手工作业推向高效的机械作业，大幅度提升采矿效率和运输能力。与此同时，火药的发明和使用带来了采矿工艺的巨大变革，爆破破岩技术的诞生推动了采矿作业活动的规模化发展，尽管其在解放生产力、改善作业效率方面发挥了不可磨灭的作用，但造成的风险和损失也激发了人类采矿安全意识的觉醒。第二次工业革命带来了矿业生产力的跃迁，采矿动力基础由机械化向自动化转移，球磨机、牙轮钻机、竖井钻机、电提升机等采矿设备的发明与应用全面优化了采矿流程，推动了采矿活动向大规模开采发展。第三次工业革命以电子计算机、传感器技术的深入发展为标志，加速了信息技术与传统采矿技术的结合，尤其是系统控制理论的成熟推动了采矿工艺和采矿模式的颠覆性变化，在工业自动控制系统的支持下，矿山企业能对采矿过程实现精细化管理，科学合理地设计各个环节的生产计划，矿山生产管理得到前所未有的发展。随着矿山企业对矿山产能需求的不断提高，触发了采矿设备生产商向服务商转型，它们从最初只提供采矿设备到逐渐开始提供“个性化的采矿解决方案”。设备服务商通过倾听用户的产能需求，调查矿山的环境特征和采矿工艺，为矿产商提供设备维护保养、采矿计划等集成的解决方案，这反过来促进了矿产商生产效率的提升，奠定了诸多设备服务商和矿企的行业地位。
第四次工业革命的到来颠覆了矿山企业的运营模式、采矿工艺和治理理念，实现了矿山全要素生产效率的提升（见表3-1）。大数据、云计算、工业互联网等技术与传统采矿技术的融合，使数据资源成为矿山企业的另一个“富矿”，数据治理正在成为矿山企业持续发展的关键。通过打通不同生产管理系统之间、不同生产装备之间的数据壁垒，实现全业务流程数据化和数据网络化的全域覆盖。通过数字孪生技术构建实体矿山的三维图景，实现对各个现实场景数据、规划设计数据和设备设施运行数据的实时更新，各个生产环节的运作状态能被实时监测，在交互式智能管控平台的驱动下，矿山管理决策由经验驱动向数据驱动转变。一方面，管理者能根据采矿流程的实时数据及时调整生产计划，减少非必要资源损耗，优化全局资源配置，实现全流程的协同作业；另一方面，矿山云平台能根据汇集的大数据开发适应不同采矿场景的应用，不断创造场景附加价值。除此之外，人工智能的应用加速实现“智慧矿山”和“无人矿山”，在自动化系统、无人驾驶技术和远程遥感技术的支持下，传统的凿岩、装药、爆破、运输等诸多采矿工艺环节正在向少人化甚至无人化作业转变。随着5G技术拥抱矿山，5G网络的高可靠、大带宽和低延时的特性将进一步提升信息的传输效率，通过井下生产全过程可视化监控、井下作业状态的实时感知、人员车辆精确定位，促进矿山安全生产效率的再度飞跃。
表3-1 采矿技术从手工化向智能化的流变
2.从浅部向深部开采技术流变
金属矿山开采技术的创新轨迹显示了采矿技术正逐渐从浅部开采向深部开采发生流变。事实上，世界上大部分露天矿藏在未来或许会被开采殆尽。为了提升黄金储量，战略性扩充黄金矿产资源，加强深部矿藏采掘技术的探索不仅成为企业构筑未来技术壁垒的着眼点，更是被提升到国家战略的高度，成为国家战略技术攻坚的重点领域。我国“十三五”规划纲要中强调加强深地、深海、深空等领域战略高技术部署，“十四五”规划纲要进一步将深地、深海等视为科技创新的前沿领域，拟实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。然而，金属矿山的深部开采由于技术难度的限制，诸多关键核心技术尚处于探索阶段。中国工程院院士蔡美峰指出：“为了解决深部开采一系列关键技术难题，必须广泛吸收各学科的高新技术，开拓先进的非传统的采矿工艺和技术，创造更高效率、更低成本、最少环境污染和最好安全条件的采矿模式。”因此，深部开采技术的探索绝不能仅仅局限于单一技术领域的点式突破，而是需要多学科领域技术的齐头并进。在国家宏观发展战略的指引下，深地、深海和深空将是黄金矿业发展的未来。
深地采矿是一场“地心”之旅，是在原有采矿技术基础上的不断延续和创新，底层理论和技术基础较为成熟。国外深井采矿技术研究起步较早，20世纪60年代末，美国爱达荷州便有三座矿井深达1650米；1983年苏联岩石力学专家开展了1600米深矿井专题研究；1989年各国采矿专家齐聚法国召开“深部岩石力学国际会议”，针对深部岩石力学问题展开深入讨论；南非于1998年7月启动了深井研究计划，旨在解决3000～5000米深井金矿开采技术难题。据不完全统计（见表3-2），目前国外开采深度超过千米的地下金属深井矿山有112座，其中开采深度1000～1500米的58座，1500～2000米的25座，2000～2500米的13座，3000米及以上的16座（12座位于南非）。[1]
表3-2 全球开采深度3 000米以上的地下金属矿山
续表
资料来源：蔡美峰，薛鼎龙，任奋华.金属矿深部开采现状与发展战略[J].工程科学学报，2019，41（4）：417-426.
位于南非的姆波尼格金矿拥有全球最深的矿井，深度达4350米。我国占据着世界最多的超1000米深的金属矿山，开采深度最深达到1600米，是位于河南省灵宝市朱阳镇的崟鑫金矿。从各国深井采矿技术的发展进程来看，我国虽起步较晚，却发展迅速，但也应该意识到我国与先进国家仍存在不小的差距，目前世界先进水平深井开采深度已达2500～4000米，而我国普遍位于800米。专家指出，当矿产勘查深度达到2000米时，探明的矿产资源储量将有望实现重大突破。然而，深地采矿技术难度会随着矿井深度的增加呈现指数级的增长，原因在于随着矿井深度的加大，地压增大，温度增高，矿山在提升、排水、通风、充填等方面的一系列困难便会接踵而至，由高地应力引发的开采动力灾害、深井开采中的高温环境治理、提升能力和安全性等成为制约深井开采技术发展的关键技术难题。“十四五”时期，面向深地战略的深井采矿技术变革将迈入全新的发展阶段，我国地下金属矿山开采深度正式向2000米以上进军。
深海采矿是一场“海底”之旅，海洋中蕴藏着大量的稀有金属资源。20世纪50年代末，美国、日本等国家已经开始了针对深海矿产资源开发系统的研究，而我国深海采矿技术的研究起步于80年代，这导致我国深海采矿系统、采矿装备的自主开发能力严重落后于发达国家。深海采矿涉及诸多复杂技术，尤其需要考虑海洋环境的独特性，关键核心技术的突破离不开采矿、海洋能源利用、深海农牧渔业、海洋环境科学等诸多学科领域知识的交叉运用。尽管已有不少国家掌握了深海采矿技术，并陆续进行了深海矿藏的联合海试和商业化开采，但是仍存在诸多尚未解决的难题。实际上，深海采矿可能远远比深地采矿要更为容易，但亟待解决的问题是如何降低由深海采矿装备运作引发的海底沉积物的重新分布对海洋生态系统的扰动和污染，围绕环境评估进行的深海采矿技术创新极其重要。总而言之，海底矿产资源的争夺战已然打响，我国海洋强国战略也已启动，在未来，谁突破了深海采矿技术，谁便掌握了海洋的“制霸权”。
深空采矿充满了无限可能。对传统的金属采矿技术发展而言，深空采矿无疑开辟了一个全新的赛道，这可能为后来者带来更多颠覆性创新的契机。近些年来，太空探测和运载技术发展迅速，但是人类想要实现从“可探察”到“可开采”宇宙矿产资源的过渡，会面临更多的技术挑战。与此同时，深空采矿也面临着远超过深地和深海采矿的人、财、物投入，采矿成本尚无法控制在可接受的范围之内。虽然深空采矿技术尚处于初期的探索阶段，但是相信在不远的未来，宇宙空间一定会成为各个国家争夺金属矿产资源的另一个“战场”。深地、深海与深空采矿的核心技术与难点如表3-3所示。
表3-3 深部采矿核心技术与难点
资料来源：中国矿业报。
3.1.2 数据生产要素的崛起
新一代数字技术为传统矿业企业的发展带来了新的生命力。数据资源已经成为企业创造价值所依赖的关键生产要素，数据将成为与黄金矿石同等重要的矿业企业的标志性资产。面对数字化浪潮的来临，所有矿业企业都被推向生存挑战的边缘，任何战略决策的失误都会让矿业企业付出惨痛的代价。面对数据资源的崛起，矿业企业如何在数字化浪潮中抢占先机？
1.在数字化浪潮中抢占数据“富矿”
每一轮科技革命都对经济社会产生颠覆性的影响，即便世界上最古老的行业也绝无例外。大数据、人工智能、云计算、工业互联网等新一代数字技术正加速为传统生产加工模式的矿业企业注入新的发展动能，数字技术与传统矿业的融合恰逢其时。实际上，数字化对黄金矿业发展的影响并非一时，早在2007年山东黄金集团下属焦家金矿便开始了一系列的数字化转型试点建设，将建设数字化矿山作为战略目标。2008年，我国正式将数字矿山建设列入国家“863”计划，着重围绕矿井信息获取、信息传输和信息处理等三个环节开展关键技术攻坚。埃森哲也曾就数字矿山建设采访了来自世界151家矿业企业的高层管理者，调查结果显示，高管团队中85%的人员表示企业正在积极计划和开展数字化建设，88%的人员表示企业已经利用数字技术挖掘出利益增长的机会，90%的人员表示企业已将数字化发展视为一种战略层面的指引并纳入高层决策中。
当多数矿企在数字化转型的投入与产出之间犹豫不决时，国际领先的矿业企业早已加入了数字化转型的第一批“淘金者”行列。从长远来看，第一时间直面行业发展的不确定性，积极抢占数字化转型的战略制高点，通过运用数字技术降本增效已经成为新一轮产业变革下矿业企业竞争力的主要来源。这批“淘金者”率先感知到数字技术对未来矿业行业发展的颠覆性影响，将数字化矿山建设提升至公司发展的战略层面。先行者之一的力拓集团于2008年启动了“未来矿山”计划（见图3-1），该计划旨在探索一种能从地球深度采集矿石，并同时降低采矿对自然环境的影响、提高安全性的先进方式。重点攻坚的四大领域分别是自动卡车运输系统、自动钻掘系统、从矿山到港口的自动铁路运输系统以及远程遥控系统。目前，力拓集团已经将数字孪生技术引入管理决策环节，试图通过矿山设备智能化管理系统构建矿山三维地理信息，实时掌控设备与系统中的数据，通过数据的集中分析提升决策的精准性与实效性。先行者之二的纽蒙特公司于2018年开启了对创新性技术的探索。它聚焦于利用数字技术促进可靠采矿的实践，以使企业可持续价值最大化。为加速公司的数字化转型进程，纽蒙特制定了为期5年的数字化发展战略，在公司层面成立了专业的跨部门数字化攻坚团队，旨在通过加快部署组织中的数字化基础设施，建立信息化与业务化相互集成的系统架构，实现全流程的数据化管理。除此之外，在一线生产层面成立了矿山监测控制团队，主要专注于采矿效率提升与安全的可穿戴设备的引入，而机器控制和自动化团队则主要关注如何通过人工智能等新一代数字技术提升设备的性能、可靠性、安全性和兼容性。简言之，通过数字化转型，传统矿山可以实现五个方面的提升：一是推动矿山的持续机械化；二是有助于建立维护、管理和供应的一体化系统；三是为矿山的地质与工程技术提供可优化的软件；四是矿山和矿物加工厂规模的扩大；五是加强信息技术在矿山全生命周期过程中的控制，从而打通采矿、选矿、矿物加工等不同工序间的数据壁垒。
图3-1 力拓集团“未来矿山”计划
资料来源：山东黄金集团三山岛金矿“国际一流示范矿山”规划方案。
面对资源稀缺的状况，数字化、智能化成为未来矿山发展的大势所趋，一场群雄逐鹿的矿山数字化革命已经打响。这场革命对中国绝大多数的传统矿业企业而言将是一次史无前例的蜕变，更是一次无“样板”可依的孤独探索。一方面，任何企业的数字化转型都必须培育与之对应的数字化能力，这种能力的培育关键在于对数据资源的掌控，谁掌握了数据，谁就掌握了时代的主导权。这对具备市场灵活性的企业而言相对容易，因为它们能以较低的成本获得并积累大量的终端用户数据，但矿业企业相对传统，起关键性作用的数据资源并不来源于人们日常熟知的“客户”，而是在于对以采掘、充填、选矿等生产工艺为主线的全生命周期矿石流的数据采集，其中每一个环节的数据获取都面临着极度复杂多变的环境约束以及采集设备数字化关联程度的客观限制。想要重构矿山的核心能力体系不仅需要拥抱全新的数字理念和数字文化，更为重要的是将数字化、机械化和自动化有机地融为一体，这对传统矿业企业而言可谓困难重重、举步维艰。我国矿山的实际情况比想象的更为复杂，这决定了我国矿山的数字化不能完全照搬国外模式，更多的应该是采用兼收并蓄的整合方法，通过持续的技术创新实现“量身定制”，这一建设绝非易事。
2.数字未来已来
数字化时代的到来让数据资源成为矿业企业另一处亟待开采的“富矿”，它是矿山数字化转型的密钥，更是撬动矿山数字经济崛起的支点。但是，数字矿山建设仅是矿业行业焕发生机的开端，想要激活整个黄金矿业的生机与活力，还需要借助工业互联网等数字技术构筑数字矿业生态系统。这是因为数字矿山往往致力于单体矿山的数字化部署，重点在于矿山内部生产环节与业务流程的管理提升，而数字矿业则需要将数据资源的运用全域覆盖企业下属的所有矿山，通过打通不同矿山之间的数据壁垒，实现对矿山集群的协同式管理，从而达到全要素生产率的提升，以此带来管理效能与经济效益从量变到质变的跃迁。
自然资源日益稀缺，时代发展风云莫测，矿业行业面临的资源挑战愈演愈烈。倘若将矿产资源视为一扇门，那么在这扇门尚未关闭之时，时代已然为我们开启了一扇窗，一扇数字化的“机会之窗”。数字技术与采矿技术的深度融合将赋予矿业行业无限的可能，在不远的未来，以最低的成本、最安全的方式开采最宝贵的资源终将会成为现实。
[1] 蔡美峰，薛鼎龙，任奋华.金属矿深部开采现状与发展战略[J].工程科学学报，2019，41(4)：417-426.