采礦發(fā)展趨勢及未來人才知識結(jié)構(gòu)需求

朱萬成　關(guān)凱　閆保旭　牛雷雷　劉溪鴿

摘要：礦業(yè)將長期是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，礦產(chǎn)資源仍是國家發(fā)展最基礎(chǔ)的物質(zhì)支撐，是國家安全保障的重要組成部分。目前，我國正在加速邁向人才強(qiáng)國，礦業(yè)正處于筑底回升穩(wěn)步增長的態(tài)勢?；诖?，本文從礦業(yè)的國家需求、未來采礦發(fā)展趨勢以及未來采礦人才的知識結(jié)構(gòu)三方面論述，認(rèn)為采礦將面向深部開采、智能采礦、綠色開發(fā)方向發(fā)展；未來采礦人才需進(jìn)行多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)，不斷拓寬知識結(jié)構(gòu)，以便應(yīng)對礦業(yè)全球化的發(fā)展趨勢。同時采礦專業(yè)培養(yǎng)的人才在地?zé)衢_發(fā)、核廢料地質(zhì)處置、煤層氣開采、頁巖氣開采、CO2地質(zhì)處置等相關(guān)工程領(lǐng)域也有就業(yè)機(jī)會。

關(guān)鍵詞：采礦；發(fā)展趨勢；采礦人才；多學(xué)科交叉

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）30-0006-05

一、礦業(yè)發(fā)展是國家的需求

（一）礦業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈

國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開資源的可持續(xù)利用，要實現(xiàn)資源—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境相協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展，必須實現(xiàn)礦業(yè)強(qiáng)國。我們必須清醒地認(rèn)識到，即便完成了工業(yè)化，要支撐我們這樣一個經(jīng)濟(jì)體量巨大的國家的正常運轉(zhuǎn)，無論是對于能源礦產(chǎn)，還是用作原料的礦產(chǎn)資源的需求，仍將是巨量的，我國礦業(yè)發(fā)展的根基不會動搖。也就是說，只有等到新型工業(yè)化完成并進(jìn)入后工業(yè)化時代之后，礦產(chǎn)資源的需求壓力才會逐漸降低。但即便如此，繼續(xù)完成實現(xiàn)“中國夢”的偉大理想，仍需要礦產(chǎn)資源作為最基礎(chǔ)的物質(zhì)支撐。值得注意的是，礦業(yè)也是國家戰(zhàn)略資源，是國家安全保障的重要組成部分。

于潤倉在“第二屆金屬礦采礦科學(xué)技術(shù)前沿論壇”上指出：礦業(yè)是人類步入文明社會的奠基石，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展乃至高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在實現(xiàn)現(xiàn)代化的進(jìn)程中，無論從保障原材料可持續(xù)供應(yīng)的角度，還是從節(jié)能減排的角度，礦業(yè)現(xiàn)代化都處于突出的地位。畢國器[1]指出：礦業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，屬于典型的工業(yè)類周期性行業(yè)，行業(yè)景氣度與宏觀經(jīng)濟(jì)相關(guān)度很高。自1994年以來，礦業(yè)構(gòu)成了南非外匯收入的主要來源，其在南非生產(chǎn)總值中的比重大致在6%—10%之間，是南非創(chuàng)造就業(yè)的重要部門，在國家經(jīng)濟(jì)增長和發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[2][3]。礦業(yè)也是澳大利亞經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中堅力量，這使得其成為國際市場最重要的礦產(chǎn)原料供給者之一。礦業(yè)是澳大利亞最重要的外匯收入貢獻(xiàn)者，是聯(lián)邦中央和州政府財政收入的重要來源之一，是邊遠(yuǎn)社區(qū)和城鎮(zhèn)發(fā)展的主要推動力，是吸引外國投資的最主要行業(yè)，是對外投資的主力軍，是推動科技創(chuàng)新發(fā)展的前沿以及拉動投資的最主要力量[4]。加拿大的礦業(yè)不僅是其國家的主要產(chǎn)業(yè)，而且在全球礦業(yè)市場中占有重要地位，是世界重要的礦產(chǎn)資源生產(chǎn)和出口大國，也是全球最大的礦業(yè)融資市場[5][6]。據(jù)中國貿(mào)易救濟(jì)信息網(wǎng)，目前我國礦產(chǎn)資源提供了90%以上的能源，80%以上的工業(yè)原材料，90%以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，支撐著我國400多座礦業(yè)城市的生存和發(fā)展，涉及3.1億人口，總產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值的25.4%。當(dāng)前中國煤鐵資源產(chǎn)量均居世界第一，2014年我國煤炭產(chǎn)量達(dá)38.7億噸，接近世界一半；2015年首次下降，比上年下降2.5%左右；2016年煤炭產(chǎn)量23.0億噸，同比下降11.2%。未來50年，煤炭仍將是我國乃至世界的主要資源之一。高科技產(chǎn)業(yè)對礦業(yè)具有很強(qiáng)的依賴性。微電子科學(xué)和電子信息技術(shù)、空間科學(xué)和航空航天技術(shù)、光電子科學(xué)和光機(jī)電一體化技術(shù)、生命科學(xué)和生物工程技術(shù)、材料科學(xué)和新材料技術(shù)、能源科學(xué)和新能源、高效節(jié)能技術(shù)、生物等都嚴(yán)重依賴礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用。此外，礦業(yè)在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的影響下，也將會實現(xiàn)太空采礦、深海采礦、無害化開采，從而保障國家安全和國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

（二）礦業(yè)發(fā)展的國際化

我國正在倡議開展“一帶一路”，其中礦產(chǎn)資源領(lǐng)域合作是“一帶一路”倡議的重要組成部分。一些沿線國家擁有豐富的礦產(chǎn)資源，是世界礦物原材料的主要供給基地，更為重要的是，各國礦產(chǎn)資源合作具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。隨著我國綜合國力的提升，我國礦業(yè)公司正在逐步走向國際化，競爭實力明顯增強(qiáng)。面對新常態(tài)、新形勢、新機(jī)遇，我國大型礦業(yè)公司都應(yīng)具有爭做國際一流的戰(zhàn)略定位。例如：據(jù)經(jīng)濟(jì)觀察網(wǎng)（2017年4月7日），山東黃金與加拿大巴里克黃金公司達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議，將以9.6億美元收購巴里克黃金旗下阿根廷Veladero金礦50%的股權(quán)，制定了集團(tuán)公司將實現(xiàn)2020年全球十強(qiáng)、中國第二的目標(biāo)。國家統(tǒng)計局發(fā)布的《2016年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，2016年全年對外直接投資額（不含銀行、證券、保險）11299億元，按美元計價為1701億美元，比上年增長44.1%。其中我國采礦業(yè)去年對外直接投資86.7億美元。圖1為歷年來中資海外礦產(chǎn)能源投資金額及累計投資金額統(tǒng)計圖。

二、采礦發(fā)展趨勢

礦業(yè)開采生命周期包括勘探、開采、選礦和復(fù)墾。礦產(chǎn)資源的各開發(fā)環(huán)節(jié)涉及到多門學(xué)科的交叉運用及協(xié)同創(chuàng)新。隨著各交叉學(xué)科的迅速發(fā)展，許多能夠促進(jìn)礦業(yè)發(fā)展的新技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，出現(xiàn)了智能化、信息化、綠色化開采的新理念。古德生在“2017礦業(yè)前沿與信息化智能化科技年會”上闡述了礦業(yè)的三大發(fā)展主題，指出深部開采是發(fā)展的前沿，綠色開發(fā)是發(fā)展的道路，智能采礦是發(fā)展的目標(biāo)。另外，淺部資源已經(jīng)不能滿足國家的需求，新的開采技術(shù)促使采礦業(yè)向深地進(jìn)軍。

（一）深部開采

隨著淺部資源的不斷消耗，國內(nèi)外越來越多的金屬礦山進(jìn)入深部開采。根據(jù)我國礦體的地質(zhì)條件、開采技術(shù)水平、礦井裝備水平、巷道礦壓顯現(xiàn)的特征，一般認(rèn)為采深800m及以上為深部開采[8]。而南非深部開采現(xiàn)可達(dá)3000m以上。然而，新的開采深度給礦業(yè)人才也帶來了新的挑戰(zhàn)，例如，深部圍巖的“三高一擾動”（高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓，強(qiáng)開采擾動）狀態(tài)，將導(dǎo)致礦山災(zāi)害凸顯[9][10]（例如：巖爆、圍巖大變形、突水、煤與瓦斯突出、高溫?zé)岷Φ龋Ｈ鐖D2所示。

深部開采需要解決的深部巖石力學(xué)問題為：（1）巖石力學(xué)基本特性；（2）工程穩(wěn)定性研究；（3）深部開采基礎(chǔ)理論研究；（4）工程災(zāi)害發(fā)生機(jī)理及其控制對策等。

有專家認(rèn)為，大數(shù)據(jù)、智能科技將重塑未來礦業(yè)競爭新格局。人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實的發(fā)展將重新定義未來采礦的發(fā)展模式，推進(jìn)多技術(shù)、多方法的綜合與集成已成為共識[12][13]。在該背景下，東北大學(xué)采礦工程系巖石破裂與失穩(wěn)研究所課題組緊跟礦業(yè)發(fā)展前沿，著手建立物聯(lián)網(wǎng)、云計算和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的礦山災(zāi)害預(yù)警服務(wù)平臺，如圖3所示，該項目的研發(fā)以期為礦山安全開采提供技術(shù)支撐。該平臺將通過對礦山開采過程引起的圍巖體變形、微震信號進(jìn)行實時監(jiān)測，上傳至云端，然后通過專家系統(tǒng)進(jìn)行實時診斷，提出解決方案，以期達(dá)到對礦山災(zāi)害的預(yù)警預(yù)測的目標(biāo)。

此外，與深部采礦密切相關(guān)的一些深地工程包括：地?zé)衢_發(fā)、核廢料處置、煤層氣開采、頁巖氣開采、CO2地質(zhì)處置等。這些工程所面臨的深部巖石力學(xué)問題具有共同的特征和相同的理論基礎(chǔ)。這也為采礦工程專業(yè)的學(xué)生提供了更為廣闊的就業(yè)機(jī)會。

（二）智能采礦

智能開采著眼于研制開發(fā)智能化為主體的采礦設(shè)備，依托信息采集與高速通訊、設(shè)備精確定位與智能導(dǎo)航、智能采礦爆破、生產(chǎn)過程智能控制與調(diào)度、決策與管理信息化平臺等技術(shù)，提高礦山生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性，提高礦產(chǎn)資源的利用率和礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。古德生[14]和李夕兵等[8]展望了未來深部礦山發(fā)展遠(yuǎn)景，指出智能化和無人化是實現(xiàn)采礦工程可持續(xù)發(fā)展的必由之路。朱超等[15]結(jié)合現(xiàn)今國內(nèi)礦業(yè)發(fā)展形勢，認(rèn)為構(gòu)建數(shù)字礦山、推廣智能采礦是保證生態(tài)平衡和礦山安全高效生產(chǎn)的必然趨勢。

1.露天礦開采智能化。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，人們提出了露天礦山智能化開采的要求，裝備的大型化和智能化是露天開采實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)展方向[16]。大型露天礦的智能化開采涉及廣泛，包括無人鉆機(jī)、電鏟和汽車自動調(diào)度、衛(wèi)星定位及導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)、裝載量自動稱量、數(shù)據(jù)自動采集等。其智能化采礦流程可見圖4。

2.地下開采智能化。地下開采智能化的發(fā)展趨勢為自動化、無軌化和智能化[17][18]，涉及到鑿巖、裝藥、爆破、通風(fēng)、撬頂、產(chǎn)裝運輸、支護(hù)、測量等施工工序。相互之間的關(guān)系如圖5所示。當(dāng)前在鑿巖、裝藥、通風(fēng)、鏟運等方面都有了自動化的遙控設(shè)備，但還沒有形成成套的自動化的系統(tǒng)。

當(dāng)前，我國正在朝著智能化數(shù)字化的方向發(fā)展，自動化調(diào)度系統(tǒng)、采礦設(shè)備的自動化控制、智能化全球定位系統(tǒng)等現(xiàn)代技術(shù)也已在一些礦山得到推廣應(yīng)用，并取得了很好效果。但總體水平同國外發(fā)達(dá)國家相比，差距還很大。

3.信息化開采。信息化開采以計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)為手段，把礦山的所有空間和有用屬性數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字化存儲、傳輸、表述和深加工，應(yīng)用于各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)與管理和決策之中，以達(dá)到生產(chǎn)方案優(yōu)化、管理高效和決策科學(xué)化的目的。涉及計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)字圖像處理、信息與通訊工程、自動控制等。東北大學(xué)吳立新等[19]闡述了礦山物聯(lián)網(wǎng)、感知礦山與信息化開采對采礦系統(tǒng)決策與生產(chǎn)的重要性，信息化技術(shù)將對我國采礦業(yè)的管控模式、組織結(jié)構(gòu)、采礦工藝和應(yīng)急救援等方面進(jìn)行多方面革新。圖6為信息化開采示意圖。

（三）綠色開發(fā)

呂振華[20]認(rèn)為“十三五”期間，由于宏觀經(jīng)濟(jì)形勢的變化，礦山需向無廢綠色開采方向發(fā)展，在提高生產(chǎn)效率的同時實現(xiàn)與保護(hù)環(huán)境相協(xié)調(diào)，實現(xiàn)礦山企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。綠色開發(fā)是從廣義的資源角度去認(rèn)識和對待礦區(qū)范圍內(nèi)一切可以利用的各種資源，其基本出發(fā)點是防止或盡可能減輕開采對環(huán)境和其他資源的不良影響，以取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。綠色開發(fā)是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源消耗的礦山開采模式，是可持續(xù)發(fā)展的一個組成部分。在這方面，無廢開采，廢石不出坑，尾礦直接回填采空區(qū)，不建地面尾礦庫，地表不受破壞，從而實現(xiàn)了綠色開采。

（四）礦山生態(tài)修復(fù)

礦山生態(tài)環(huán)境問題是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的核心或樞紐，因為礦產(chǎn)資源開發(fā)利用對一定區(qū)域的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)擾動最大、破壞力最強(qiáng)。修復(fù)礦區(qū)土地的生產(chǎn)力、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)健康對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)均具有重要的現(xiàn)實意義。治理礦區(qū)環(huán)境污染、地質(zhì)災(zāi)害等涉及到生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測技術(shù)、水污染控制工程、環(huán)境化學(xué)、災(zāi)害防治工程、土壤修復(fù)改良技術(shù)、保育技術(shù)和植被恢復(fù)技術(shù)等。

（五）礦業(yè)經(jīng)濟(jì)全球化及應(yīng)對策略

經(jīng)濟(jì)全球化促進(jìn)了礦業(yè)全球化，礦業(yè)全球化給中國礦業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。由于礦產(chǎn)資源具有的特點及開發(fā)條件為：礦產(chǎn)資源的稀缺性、地域分布不均衡、資金密集型、需求日益增大等。因此，當(dāng)前礦業(yè)經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展趨勢為：礦產(chǎn)品貿(mào)易全球化、礦業(yè)投資全球化、礦業(yè)服務(wù)的全球化。目前，礦業(yè)經(jīng)濟(jì)全球化具有的特征為：礦產(chǎn)資源跨國勘探、開發(fā)，礦產(chǎn)品跨國加工和銷售，礦業(yè)公司跨國購并和上市，礦產(chǎn)開發(fā)多國聯(lián)合投資，礦業(yè)資金跨國流動，礦業(yè)信息國際共享。

由于我國礦業(yè)發(fā)展具有的特點為：資源儲量大，種類豐富，人均占有量較低，行業(yè)集中度低，生產(chǎn)方式粗放，處于城市化、工業(yè)化階段，資源需求量大，部分資源可持續(xù)供應(yīng)能力不足，對外依存度高，缺少定價權(quán)。因此，筆者針對我國礦業(yè)發(fā)展特點，提出如下應(yīng)對策略：加速礦業(yè)產(chǎn)業(yè)向海外轉(zhuǎn)移，促進(jìn)礦業(yè)產(chǎn)業(yè)向高端生產(chǎn)演進(jìn)，促進(jìn)礦業(yè)內(nèi)部行業(yè)、礦業(yè)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)融合，完善資源儲備體系，提升礦業(yè)相關(guān)機(jī)構(gòu)服務(wù)水平，完善礦業(yè)資本市場，把握定價權(quán)。此外，為了提高在國際礦業(yè)市場中的競爭力，高素質(zhì)復(fù)合型礦業(yè)人才的培養(yǎng)是關(guān)鍵，這將是積極應(yīng)對礦業(yè)全球化最有力的武器。

三、未來采礦發(fā)展前景展望

未來采礦將以如圖7所示由數(shù)字礦山到智能礦山、智慧礦山和無人礦山逐漸漸進(jìn)式發(fā)展。

2015年，美國《連線》月刊網(wǎng)站曾發(fā)表《太空采礦可能引發(fā)星球大戰(zhàn)》一文，有專家預(yù)言，太空采礦或?qū)⑹窍掳雮€世紀(jì)最賺錢的行業(yè)之一。盧森堡是一個國土面積不大的國家，而現(xiàn)在成為太空活動的積極參與者，可謂開了歐洲先河。耶魯科學(xué)家強(qiáng)調(diào)稱，iPhone上使用的所有62種金屬都已經(jīng)達(dá)到“臨界點”，這促使人們向深海探求資源。深海至少具有三種適合開采的礦物資源：第一種就是多金屬礦，或稱錳結(jié)核體，這種金屬礦多存在于海底；第二種是多金屬硫化物，這些混合物種包括金、銀、銅、鉛、鋅等，還有鉬、碲以及鈦等稀有金屬，它們通常沿著海底形成，多在海底火山口附近；第三種是海底形成的富鈷結(jié)殼。多金屬礦是使用現(xiàn)有技術(shù)最方便采集的海底礦產(chǎn)。目前，我國已經(jīng)把目光投向深海采礦。如福建馬尾造船公司正在建造全球首艘海底采礦船，表明中國正努力確保對資源的控制，以助力本國高科技電子產(chǎn)業(yè)。據(jù)新華社，2017年5月25日，中國試采可燃冰成功，是世界首次成功實現(xiàn)資源量占全球90%以上、開發(fā)難度最大的泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物安全可控開采。

四、未來采礦人才的知識結(jié)構(gòu)

在當(dāng)前礦業(yè)筑底回升趨于穩(wěn)定時期的大背景下，采礦工程專業(yè)人才必須能夠適應(yīng)行業(yè)發(fā)展，提高行業(yè)競爭力，力爭打造國際化創(chuàng)新團(tuán)隊，與國際接軌。采礦工程是一門多因素、集成性和綜合性很強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)工程，決策的制定需要考慮到多學(xué)科和多方法的協(xié)同應(yīng)用[14][21]。高林等[22]認(rèn)為新形勢下采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)可采取拓寬專業(yè)領(lǐng)域、加強(qiáng)青年教師執(zhí)教能力培養(yǎng)與提升、強(qiáng)化學(xué)生實踐能力培養(yǎng)、加大采礦工程與其他交叉學(xué)科科學(xué)研究以及加強(qiáng)就業(yè)引導(dǎo)力度等對策。

針對目前采礦行業(yè)向自動化、智能化、信息化、全球化發(fā)展的格局，未來采礦人才需進(jìn)行多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)，不斷拓寬知識結(jié)構(gòu)。新的太空采礦、深海采礦、深部采礦都將面臨前所未有的難題和挑戰(zhàn)，如何解決并且應(yīng)對都將給新的一代采礦人帶來機(jī)遇。因此，未來采礦人才的培養(yǎng)模式必然要適應(yīng)采礦行業(yè)的發(fā)展趨勢，采礦人才必須具備能夠適應(yīng)全球化、智能化、信息化的開采理念。采礦人才的知識不僅僅限于開采方法，而應(yīng)該具備軟件工程知識、數(shù)據(jù)處理能力、運營管理知識等其他相關(guān)學(xué)科。未來的采礦人才是具備多學(xué)科交叉知識的復(fù)合型人才。

五、結(jié)語

礦業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，在國家重大需求的驅(qū)動下，采礦業(yè)絕不是夕陽工業(yè)，應(yīng)放眼于20年后的事業(yè)。

面對“深部開采、智能采礦和綠色開發(fā)”的發(fā)展趨勢，礦業(yè)技術(shù)人才應(yīng)從事采礦與力學(xué)、地質(zhì)、環(huán)境、機(jī)械、自動化、計算機(jī)等學(xué)科的交叉科學(xué)研究，未來的采礦的本科生和研究生們必然大有作為。

礦業(yè)國際化是必然趨勢，面向國際前沿，培養(yǎng)創(chuàng)新性人才，這是提高我國礦業(yè)競爭力的核心所在。

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