現(xiàn)代礦山工程設(shè)計理念詮釋
——獻(xiàn)給中國有色工程設(shè)計研究總院建院65周年

于潤滄

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

1 前言

中國恩菲工程技術(shù)有限公司(前身為中國有色工程設(shè)計研究總院)已經(jīng)為中國非煤礦業(yè)的發(fā)展奮戰(zhàn)了65年，在不同的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，先后成功地完成了400多項(xiàng)礦山工程的設(shè)計，已經(jīng)完成的和正在設(shè)計的項(xiàng)目，其產(chǎn)能均分別超過我國有色、黃金、黑色礦山總產(chǎn)能的50%。不可謂沒有資歷、沒有經(jīng)驗(yàn)，然而在65年后的今天，我們卻深切地感受到有必要認(rèn)真探討“現(xiàn)代礦山工程設(shè)計的理念”。為此，提出4個方面值得深究的問題。

2 提出現(xiàn)代礦山工程設(shè)計理念的緣由

首先是礦業(yè)技術(shù)發(fā)展的要求。采礦業(yè)是一個非常古老的產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)能力長期處于落后狀態(tài)，采礦業(yè)對生態(tài)和環(huán)境的破壞長期得不到完善的治理。20世紀(jì)中葉之后，隨著無軌設(shè)備，特別是大型無軌設(shè)備的出現(xiàn)，礦山巖石力學(xué)研究成果的應(yīng)用，計算機(jī)和信息技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域的推廣，采礦技術(shù)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。礦山生產(chǎn)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，井巷掘進(jìn)速度在不斷提高，井巷支護(hù)技術(shù)在不斷更新，深井和高應(yīng)力區(qū)采礦難題在不斷攻克，大水礦床、低品位礦床、礦巖極為破碎的礦床都得到了有效開發(fā)利用，智能化采礦示范區(qū)已在多國建立，礦產(chǎn)資源開發(fā)和環(huán)境的矛盾開始得到關(guān)注和逐步改善，礦山的勞動生產(chǎn)率不斷提高。這一切都促使對采礦工程設(shè)計的理念、原則、方法和手段必須做出深刻的調(diào)整與改變，成為技術(shù)進(jìn)一步突破性創(chuàng)新的引領(lǐng)者。

其次是在經(jīng)濟(jì)全球化的背景下我國礦業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。從20世紀(jì)90年代開始，我國已進(jìn)入工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展階段，這種增長的速度需要消耗大量的礦產(chǎn)資源來支持。以有色金屬為例，我國有色金屬的產(chǎn)量和消費(fèi)量已多年位居世界第一，堪稱礦業(yè)大國，然而由于資源占有和稟賦的特點(diǎn)，大宗消費(fèi)的礦產(chǎn)資源對外依存度不斷攀升，有些超過了50%，有的甚至超過80%。雖然沒有哪一個大國可以完全依靠本國的礦產(chǎn)資源實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、現(xiàn)代化，問題是我國的礦業(yè)企業(yè)集中度低，體制上存在諸多不適應(yīng)之處，國際競爭力弱，可持續(xù)發(fā)展的瓶頸異常突出，因而還絕非礦業(yè)強(qiáng)國。采礦工程設(shè)計欲想在改變這種局面中發(fā)揮其應(yīng)有的引領(lǐng)作用，也必須隨著形勢的發(fā)展改進(jìn)其設(shè)計理念、原則、方法和手段。

3 現(xiàn)代礦山工程設(shè)計理念的主要內(nèi)涵

礦山工程設(shè)計的理念隨著時代的變遷在發(fā)展和調(diào)整，問題是發(fā)揮引領(lǐng)作用還是跟著時代的腳步費(fèi)力地奔跑。因此，現(xiàn)代礦山工程設(shè)計理念的內(nèi)涵是一個值得探討的問題，這里是一些拋磚引玉的看法。

面對一個礦山工程項(xiàng)目，需要進(jìn)行如下工作。

(1)立足項(xiàng)目和企業(yè)的競爭力研究國際大背景下的市場行情。采礦專業(yè)設(shè)計者不能只關(guān)注技術(shù)問題，礦業(yè)本身是一個經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境緊密融合的產(chǎn)業(yè)。尤其在經(jīng)濟(jì)日益全球化的今天，對一個礦業(yè)工程項(xiàng)目，必須研究該項(xiàng)目與該項(xiàng)目業(yè)主的競爭能力和市場發(fā)展的關(guān)系。這是一個礦業(yè)工程項(xiàng)目立足的基礎(chǔ)。體現(xiàn)該項(xiàng)目競爭能力的因素包括資源的稟賦，項(xiàng)目的生產(chǎn)規(guī)模及生產(chǎn)成本，產(chǎn)品供需格局及價格預(yù)測，業(yè)主的經(jīng)營思維、籌資能力和適應(yīng)價格周期變化的資金運(yùn)作水平。這些因素在市場研究、市場分析中的狀態(tài)對項(xiàng)目的綜合評價至關(guān)重要，是現(xiàn)代礦山工程設(shè)計必須首先關(guān)注的課題。

(2)以企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益為核心確定生產(chǎn)規(guī)模和裝備水平。在這一命題下，首先要研究的是提高單位可采儲量的產(chǎn)能。這不僅是反映礦山經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵指標(biāo)，也是衡量礦山現(xiàn)代化水平的重要尺度。過去，一直到20世紀(jì)八九十年代，在類似的開采條件下，我國的礦山生產(chǎn)規(guī)模要比礦業(yè)發(fā)達(dá)國家的低二分之一到三分之一，這反映了設(shè)計水平、技術(shù)水平、裝備水平、管理水平的綜合差距。從金川二礦區(qū)等一些重點(diǎn)大型項(xiàng)目開始，依靠設(shè)備大型化、無軌化、液壓化，采用高效率的采礦方法，基本克服了這一差距，但還未能形成普遍的情況。所以努力提高單位可采儲量的產(chǎn)能，仍然是現(xiàn)代礦山工程設(shè)計理念的關(guān)鍵點(diǎn)。它不僅可以有效地提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且對有效利用我國緊缺礦產(chǎn)資源，保障國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究礦山技術(shù)上可能的最大規(guī)模和經(jīng)濟(jì)合理的規(guī)模，最終根據(jù)項(xiàng)目在全球礦業(yè)市場中的特點(diǎn)進(jìn)行取舍。

(3)以資源—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境相協(xié)調(diào)的方案選擇和優(yōu)化。解決資源—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境相協(xié)調(diào)問題，須從資源的有效利用、綜合利用到提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，再到不但不破壞生態(tài)環(huán)境，而且要努力爭取優(yōu)化環(huán)境，這些都要依靠先進(jìn)的理念、先進(jìn)的工藝技術(shù)和不斷優(yōu)化的設(shè)計方案。工程設(shè)計單位的優(yōu)勢之一就在于通過多專業(yè)集成先進(jìn)技術(shù)用于生產(chǎn)，集成科研成果使之轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力。因此應(yīng)當(dāng)針對每一個項(xiàng)目的特點(diǎn)，均有所創(chuàng)新，包括設(shè)計方案創(chuàng)新、建設(shè)模式創(chuàng)新、社會協(xié)作創(chuàng)新等，特別是在構(gòu)建生態(tài)礦業(yè)工程方面，要有突破性的創(chuàng)新。生態(tài)工程作為一門新的學(xué)科，已有40多年的歷史，其目的就是解決社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)相協(xié)同的問題，亦即可持續(xù)發(fā)展問題。生態(tài)礦業(yè)工程是它的一個分支，其目的是要研究實(shí)現(xiàn)無廢開采的可能性，研究廢料資源化的途徑，使礦產(chǎn)資源的開發(fā)樹立工業(yè)過程生態(tài)化的理念，做到在礦業(yè)項(xiàng)目規(guī)劃、立項(xiàng)、設(shè)計、施工建設(shè)、生產(chǎn)、閉坑的全過程將生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)、環(huán)境治理融為項(xiàng)目的有機(jī)組成元素，保證各階段的資金投入，落實(shí)各階段社會責(zé)任，從而體現(xiàn)以人為本，可持續(xù)發(fā)展。

(4)著力研究縮短基建時間和基建期提前出礦的可能性。投資礦山企業(yè)的資金回收期本來就很長，基建時間拖長更會給項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益帶來顯著的不利影響。由于種種原因，比如建設(shè)方案的變更，比如施工隊(duì)伍的管理技術(shù)水平不適應(yīng)，比如豎井掘進(jìn)遭遇水患，比如籌資遇到某種困難等，項(xiàng)目建設(shè)長期沒有多大進(jìn)展。許多礦山的實(shí)際建設(shè)周期都長于設(shè)計預(yù)定的期限。因此如何依靠先進(jìn)的技術(shù)和技術(shù)服務(wù)縮短建設(shè)周期并且能提前出礦，對于改善企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益甚為重要，深井礦山尤為突出。所以希望對勘探程度一般都不高的第三類型(即直接開采深埋礦床)深井開采，在總體建設(shè)方案的基礎(chǔ)上，利用探建結(jié)合方式提前掘進(jìn)生產(chǎn)豎井，利用基建期的井巷工程配合坑內(nèi)鉆探加強(qiáng)勘探，開展原巖應(yīng)力和巖溫的測定以及其他必要的科研工作，還可利用基建期的副產(chǎn)礦石進(jìn)行連選試驗(yàn)。這些措施均可為此類項(xiàng)目順利建設(shè)、順利生產(chǎn)、盡早達(dá)產(chǎn)提供良好的技術(shù)保障。

(5)以建設(shè)智能礦山為長遠(yuǎn)目標(biāo)不斷創(chuàng)新和實(shí)踐。智能化是礦業(yè)發(fā)展的方向，是實(shí)現(xiàn)采礦工作者的夢想——采礦辦公室化的途徑，是解決礦山生產(chǎn)安全問題、效率問題、效益問題和礦工社會地位問題的密鑰。就金屬礦山而言，這方面同礦業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，大概落后了20年。必須用中國模式、中國速度超越。以比較復(fù)雜的地下礦為例，智能化礦山應(yīng)當(dāng)包括以下幾個方面。第一，全部固定安裝設(shè)備無人值守，遠(yuǎn)程監(jiān)控。這里涵蓋按需通風(fēng)系統(tǒng)、設(shè)備預(yù)防性維修設(shè)施。這方面的內(nèi)容從技術(shù)層面已可在大中型和重點(diǎn)小型礦山普遍推廣。至于提升系統(tǒng)的無人值守與現(xiàn)行礦山安全規(guī)程的某些抵觸，需要規(guī)程適應(yīng)科技的發(fā)展進(jìn)行調(diào)整。第二，智能化物流系統(tǒng)。這是指將人員、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)“人與人”、“物與物”、“人與物”之間的協(xié)同作業(yè)，智能管理的創(chuàng)新應(yīng)用。主要涉及人員定位與管理系統(tǒng)、有軌與無軌車輛定位自動運(yùn)行與管理系統(tǒng)、危險品流向與運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)。第三，直接生產(chǎn)過程的自動化與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，這是智能礦山最核心的部分，即由中控室的操作人員利用導(dǎo)航系統(tǒng)直接指揮采礦作業(yè)面的智能設(shè)備自動定位完成回采作業(yè)。目前許多礦山都采用了生產(chǎn)作業(yè)外包的模式，一般機(jī)械化水平都不是很高，根據(jù)自動化采礦的要求，對新建礦山、對新開拓的深部水平需要改變作業(yè)模式，才有可能實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)。第四，建立全礦智能化信息平臺，通過全礦自動化控制系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)信息高速公路硬件和軟件方面最大程度的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一；保護(hù)和控制功能融合化和共享化；實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備廠家、品種、型號、規(guī)格數(shù)量的最小化；實(shí)現(xiàn)使用技術(shù)數(shù)量方面的最小化；維護(hù)習(xí)慣方面一致化；維護(hù)和預(yù)維護(hù)大數(shù)據(jù)化；生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)自動化。第五，以中控室為中心建立礦山信息化管理系統(tǒng)，包括礦區(qū)地表及礦床模型可視化信息系統(tǒng)，礦山工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及巖石力學(xué)數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、存儲、顯示與探采工程集成系統(tǒng)，礦山規(guī)劃與開采方案決策優(yōu)化系統(tǒng)，礦山環(huán)境變化及災(zāi)害預(yù)警信息系統(tǒng)，礦山生產(chǎn)經(jīng)營管理及經(jīng)濟(jì)活動分析信息系統(tǒng)。上述這些系統(tǒng)需要依靠智能礦山頂層設(shè)計統(tǒng)籌安排。

這些系統(tǒng)的建立，不僅可以極大地改善礦山安全狀況，極大地提高勞動生產(chǎn)率，確立簡化的精準(zhǔn)的管理系統(tǒng)，提高設(shè)備效率和利用率，提高有效工時利用率，為提高單位可采儲量的產(chǎn)能奠定技術(shù)基礎(chǔ)，也會顯著降低生產(chǎn)成本，盡管初期投入會略有增加，但投入回報更高效。

(6)境外礦山工程設(shè)計項(xiàng)目應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行風(fēng)險評估。對于國內(nèi)礦業(yè)企業(yè)走出去從事礦產(chǎn)資源開采，周密的風(fēng)險評估是極為重要的，但由于種種原因，這方面卻有太多的教訓(xùn)。應(yīng)當(dāng)如何進(jìn)行風(fēng)險評估，風(fēng)險評估包含哪些內(nèi)容，第一，資源風(fēng)險評估：資源的可靠程度(勘探程度，品位分布情況，初期有無可能開采高品位礦段，遠(yuǎn)景資源的希望)；礦床中含有害雜質(zhì)情況；有無可選性試驗(yàn)，目前有無條件做可選性試驗(yàn)；有無不利的開采技術(shù)條件；預(yù)期生產(chǎn)規(guī)模的可行性和合理性；基建期的長短，可能影響基建期的因素；勘探過程所提供的地質(zhì)、水文地質(zhì)、礦巖巖石力學(xué)性質(zhì)資料深度。第二，建設(shè)條件評估：交通運(yùn)輸狀況及價格水平；供電、供水情況；氣象條件；地震級別；廠址選擇的難易程度；有無泥石流、颶風(fēng)海嘯等影響；周邊工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，有無采礦業(yè)，勞動力來源；輔助材料可供性 ； 對生態(tài)環(huán)境本底的初步了解，根據(jù)當(dāng)?shù)貙Νh(huán)境保護(hù)的要求，滿足環(huán)保要求的難易程度。第三，經(jīng)濟(jì)風(fēng)險評估：市場基本供需狀況； 金屬價格變化周期及預(yù)期；項(xiàng)目應(yīng)贏虧平衡點(diǎn)的價格水平，可采儲量消耗一半之前收回全部投資的價格水平；利率、匯率變動；通貨膨脹及金融危機(jī)；企業(yè)或項(xiàng)目競爭能力分析(生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品質(zhì)量、成本優(yōu)勢，銷售渠道，物流控制)。第四，政策風(fēng)險評估：礦山所在國政府的財政、稅務(wù)、貨幣、外匯、環(huán)保、勞工等政策；資源政策的調(diào)整；國有化征收。第五，政治風(fēng)險評估：政局變化；資源民族主義；貿(mào)易保護(hù)主義；社區(qū)動態(tài)、戰(zhàn)爭或武裝沖突；恐怖襲擊或綁架；社會動亂；民族、宗教沖突；治安犯罪。

4 建立新型設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 抓緊創(chuàng)立示范工程

要想引領(lǐng)礦業(yè)的發(fā)展，工程設(shè)計單位應(yīng)充分發(fā)揮其集成推廣科研成果的橋梁作用，可將科研成果最大限度地轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的優(yōu)勢，對技術(shù)基本成熟的工藝，如全部固定安裝設(shè)備無人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控等，應(yīng)建立新的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)造條件大力推廣。針對工程項(xiàng)目技術(shù)難題確立科研課題，推動技術(shù)發(fā)展。對于創(chuàng)建智能化生態(tài)礦業(yè)工程，從項(xiàng)目投標(biāo)報價開始，爭取采用虛擬礦山方案報出，使企業(yè)業(yè)主對人工智能的應(yīng)用獲得較直觀的了解，有利于推動建設(shè)示范采區(qū)、示范工程。確立現(xiàn)代礦業(yè)工程設(shè)計理念，引領(lǐng)礦業(yè)以中國模式、中國速度突破式創(chuàng)新發(fā)展。