2016年9月國土資源部出臺的《國土資源“十三五”科技發(fā)展規(guī)劃》明確提出，要以深地、深海、深空為主攻方向和突破口，構(gòu)建向地球深部進軍、向深海空間拓展和深空對地觀測的國土資源戰(zhàn)略科技新格局。對于礦業(yè)行業(yè)來說，也明確了采礦技術(shù)未來發(fā)展的方向：深地采礦技術(shù)、深海采礦技術(shù)、深空采礦技術(shù)。
1 深地開采技術(shù)
深地采礦，即向地球深部進軍，開展深部重要礦產(chǎn)資源勘查與高效利用，有學(xué)者研究認為，如果我國固體礦產(chǎn)勘查深度達到2000米，探明的資源儲量可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻一番。近期目標(biāo)是2020年形成至2000米礦產(chǎn)資源開采。
深地采礦現(xiàn)狀
為了加速金屬礦業(yè)現(xiàn)代化，大力提升我國金屬礦業(yè)的國際競爭力，“深部高效開采、綠色安全開發(fā)、智能化采礦”將成為我國地下金屬礦采礦技術(shù)今后一個時期的三大主題。當(dāng)前國外采深1000米以上的金屬礦山112座。按數(shù)量排名，處于前幾位的國家是：加拿大28座，南非27座，澳大利亞11座，美國7座，俄羅斯5座。我國已經(jīng)超過澳大利亞，居世界第3位。但是，如果按照現(xiàn)在的發(fā)展速度，我國在較短時間內(nèi)深井礦山數(shù)量就會居世界第一。在國外112座深井礦山中，采深超過3000米的有16座，其中12座位于南非，全部為金礦。我國16座深井礦山中，金礦8座，有色金屬礦山7座。國內(nèi)外情況基本相似，深井礦山中，黃金礦山數(shù)量最多。
深地采礦關(guān)鍵難題
深地采礦面臨的關(guān)鍵難題：一是深部高應(yīng)力問題。深部高應(yīng)力可能導(dǎo)致破壞性的地壓活動，包括巖爆、塌方、冒頂、突水等由采礦開挖引起的動力災(zāi)害。二是巖性惡化問題。淺部的硬巖到深部變成軟巖，彈性體變成潛塑性體，這給支護和采礦安全造成很大負擔(dān)，嚴(yán)重影響采礦效率和效益。三是深井高溫環(huán)境問題。巖層溫度隨深部以1.7℃/100米~3.0℃/100米的梯度增加，嚴(yán)重影響工人的勞動生產(chǎn)效率。而為了進行有效降溫，又必將大大增加采礦成本。同時，隨著開采深度的增加，礦石和各種物料的提升高度顯著增加，提升難度和提升成本大大增加，并對生產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。
深地采礦技術(shù)發(fā)展方向
深地采礦具體技術(shù)發(fā)展方向：深部巖體力學(xué)與開采理論、深部金屬礦建井與提升關(guān)鍵技術(shù)、特大型地下礦開采關(guān)鍵技術(shù)及裝備、地下金屬礦山智能化開采技術(shù)與裝備、崩落法轉(zhuǎn)充填法開采關(guān)鍵技術(shù)、地下金屬礦山智能化開采技術(shù)與裝備、現(xiàn)代化礦山綠色開采技術(shù)。
深部巖體力學(xué)與開采理論主要研究內(nèi)容包括金屬礦山完整性開采安全理論體系研究、超大規(guī)模礦山重大災(zāi)害預(yù)控與充填安全保障技術(shù)研究、超深礦井重大災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報與防控技術(shù)研究、礦山采空區(qū)致災(zāi)機理及預(yù)警防控技術(shù)研究、基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的金屬礦安全風(fēng)險預(yù)控技術(shù)研究、金屬非金屬礦山重大災(zāi)害情景構(gòu)建與應(yīng)急救援裝備研究。
深部金屬礦建井與提升關(guān)鍵技術(shù)主要研究內(nèi)容包括深豎井建井工程風(fēng)險分析理論與優(yōu)化設(shè)計方法、金屬礦深豎井高效掘進與成井關(guān)鍵技術(shù)及裝備、金屬礦深豎井井壁結(jié)構(gòu)與圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)、深豎井大噸位高速提升裝備與控制關(guān)鍵技術(shù)、大噸位輕量化提升容器與牽引關(guān)鍵技術(shù)。
特大型地下礦開采關(guān)鍵技術(shù)及裝備主要研究內(nèi)容包括大空間強擾動礦巖力學(xué)動態(tài)特性與地壓管控技術(shù)研究、復(fù)雜水環(huán)境下大規(guī)模開采地下水防控關(guān)鍵技術(shù)研究、大參數(shù)采場超強開采關(guān)鍵技術(shù)與回采工藝研究、大規(guī)模高效能低成本充填關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究、特大型地下礦山作業(yè)環(huán)境調(diào)控技術(shù)研究。
崩落法轉(zhuǎn)充填法開采關(guān)鍵技術(shù)主要研究內(nèi)容包括崩落法轉(zhuǎn)充填法的可行性和經(jīng)濟評價體系研究、崩落法轉(zhuǎn)充填法開采技術(shù)研究、低成本高強度新型充填材料研究應(yīng)用、高濃度料漿自流管道輸送技術(shù)和裝備、高濃度充填連續(xù)監(jiān)測與預(yù)警預(yù)報等。
地下金屬礦山智能化開采技術(shù)與裝備主要研究內(nèi)容包括礦山虛擬現(xiàn)實平臺研究、開采過程智能化管控平臺研究、智能開采軟件、礦山生產(chǎn)智能化系統(tǒng)、礦山物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究、井下通風(fēng)智能化動態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究、智能開采裝備及其智能操控技術(shù)研究、智能開采標(biāo)準(zhǔn)體系、采礦環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)研究等。
現(xiàn)代化礦山綠色開采技術(shù)主要研究內(nèi)容包括采空區(qū)治理技術(shù)體系研究、無廢開采技術(shù)、全尾礦充填采礦技術(shù)、高濃度膠結(jié)充填技術(shù)、保水開采技術(shù)及裝備、低擾度控制爆破技術(shù)、地表深陷及位移變化控制技術(shù)、電動采礦設(shè)備研究、尾礦綜合利用技術(shù)、礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)技術(shù)。
2 深海采礦技術(shù)
深海采礦，即向深海空間拓展，進行深海礦產(chǎn)資源開采；地球上海洋接近90%的面積是水深超過1000米的深海，深海蘊藏著豐富的油氣、礦產(chǎn)、生物等戰(zhàn)略資源。近期目標(biāo)是到2020年，攻克海域天然氣水合物試采關(guān)鍵技術(shù)和裝備，實現(xiàn)商業(yè)化試采。
深海采礦現(xiàn)狀及進展
據(jù)中國國土資源部的一份報告估計，海底蘊藏有880億噸稀土、10億噸鈷、3萬億噸多金屬結(jié)核礦。這些礦產(chǎn)在電子、醫(yī)療設(shè)備、紡織、有色金屬、汽車和化學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
中國目前已經(jīng)供應(yīng)著世界上95%的稀土，而風(fēng)力渦輪和太陽能電池板等環(huán)保科技產(chǎn)品的新需求，甚至可能超過了中國的陸上供應(yīng)能力，因此海地稀土的開發(fā)利用無疑具有重要的戰(zhàn)略意義。中國在國際海底區(qū)域調(diào)查和研究工作始于上世紀(jì)70年代，目前已經(jīng)在4個國際水域擁有采礦權(quán)。
目前，礦產(chǎn)資源的開發(fā)程度與人們未來的需求并不匹配，陸地資源早已被過度開采，礦物供不應(yīng)求促使越來越多的公司考慮在海底作業(yè)。據(jù)悉，銅、鎳、鈷等金屬在海底的貯藏非常豐富，而黃金和鉑金的數(shù)量相對較少。
目前，聯(lián)合國國際海底管理局（ISA）已經(jīng)批準(zhǔn)了20多份海底探索和采礦合同，涵蓋數(shù)十萬平方英里海域，且已經(jīng)向政府和公司頒發(fā)了26個海底礦產(chǎn)勘查許可證。包括新西蘭、納米比亞、斐濟、湯加、瓦努阿圖和所羅門群島在內(nèi)的國家已經(jīng)頒發(fā)了海底礦產(chǎn)勘查證。庫克群島甚至舉行了一輪海底礦產(chǎn)勘查項目招標(biāo)，但是巴布亞新幾內(nèi)亞是目前唯一頒發(fā)海底采礦證的國家。
加拿大鸚鵡螺礦業(yè)公司將于2019年啟動全球首個深海采礦作業(yè)——索爾瓦拉一期(Solwara 1)，屆時，該公司將派遣多名遙控采礦機器人遠征到太平洋西南部的俾斯麥海海底，希望在此找到富饒的銅和黃金等礦物。如果該公司成功，很可能會引發(fā)一場深海“淘金熱”。
索爾瓦拉一期項目中的主切割機示意
20年前，大多數(shù)采礦公司都認為到海底采礦太難了。但現(xiàn)在有一些公司發(fā)現(xiàn)，去幾千米的水下采礦，可能比到幾千米的巖石下采礦更容易。目前，深海采礦作業(yè)最大的難題是如何克服陡峭且起伏的海床。由于上世紀(jì)七八十年代，國際上投入6億多美元用于海底錳礦開采技術(shù)的研發(fā)，深海采礦技術(shù)得到了很大發(fā)展，可以采用基于成熟工業(yè)技術(shù)的巨大機器人協(xié)助采礦。
鸚鵡螺礦業(yè)公司近期宣布，已完成組裝第一套由英國制造的采礦機械部件，用于海底采礦生產(chǎn)作業(yè)。這個8米高的機器人將用于采集海底硫化物，并抽吸至海面，然后用駁船運送到30英里外的拉包爾港。
深海采礦機器人
深海采礦方法
深海采礦方法是為在4000～6000米水深的大洋底開采錳結(jié)核礦床而設(shè)計的采礦方法。主要有連續(xù)鏈斗開采系統(tǒng)、流體開采系統(tǒng)和穿梭開采系統(tǒng)三種采礦法，已在不少發(fā)達國家研制和試采，但還未開始商業(yè)性應(yīng)用。
續(xù)鏈斗采礦法，由機械驅(qū)動采礦，其原理與鏈斗采砂船相似，是通過絞車、滑輪等設(shè)置，使每隔25～50米系有鏟戽斗的鋼纜或尼龍索不斷地在海底循環(huán)，依靠戽斗鏟挖錳結(jié)核并將其提升回海面。作業(yè)時由單船或雙船縱、橫向移動，進行連續(xù)回采。這種方法采掘設(shè)備比較簡單，調(diào)整作業(yè)區(qū)靈便，處理故障比較容易，且使用不受水深和海底地形限制，但可能發(fā)生纜繩纏結(jié)而影響作業(yè)。
流體采礦法，從采礦船上將一根提升管伸到海底沉積物的表面，管的末端連接集礦裝置錳結(jié)核通過裝在輸送管上的高壓離心泵或船上的空壓機，利用水力或氣舉，沿管道被升舉到船上，為了提高采礦效率，采集器可帶配水力式高速噴水裝置或機械式的耙滾裝置，用以沖、松礦層。該采礦系統(tǒng)造價相對昂貴，但試采證明具有良好的應(yīng)用前景。
穿梭采礦法，使用自帶有推進裝置和作業(yè)動力的遙控集礦器，由壓載艙控制下沉、采集和上升。作業(yè)時下沉壓載使集礦器下潛到海底，然后由螺旋漿推進器驅(qū)動沿海底采集并分離得錳結(jié)核。當(dāng)?shù)V石采集到一定數(shù)量時，自動棄掉壓載艙內(nèi)的壓載，上浮出海面并駕駛回母船，此采礦法設(shè)備自控，作業(yè)安全、靈活機動，工作效率高，但造價昂貴，現(xiàn)僅在個別國家研制、試驗。
海底礦產(chǎn)資源開發(fā)國際聯(lián)合研究中心建立
為落實國家“海洋強國戰(zhàn)略”、“一帶一路”倡議、部署國家“十三五”國際科技合作的重大舉措，提高我國深海采礦國際合作水平和全球競爭力，促進海底礦產(chǎn)資源商業(yè)開發(fā)早日實現(xiàn)，2018年3月，依托中國五礦所屬長沙礦冶研究院、長沙礦山研究院共建的 “海底礦產(chǎn)資源開發(fā)國際聯(lián)合研究中心”被國家科技部批準(zhǔn)認定，該中心是我國在海洋礦產(chǎn)開發(fā)領(lǐng)域唯一的國際聯(lián)合研究中心。
該中心以我國國際海底礦區(qū)勘探開發(fā)重大工程需求為依托，圍繞深海礦產(chǎn)資源開發(fā)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，開展海底礦產(chǎn)勘查與評價、海底礦產(chǎn)資源開發(fā)、深海開采作業(yè)、海底長距離輸送、海底采礦系統(tǒng)遠程監(jiān)控技術(shù)、海底礦物加工利用、深海開采的環(huán)境影響等科學(xué)研究。通過多種形式的國際聯(lián)合研究和與產(chǎn)學(xué)研合作，突破和掌握深海采礦關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)海底礦產(chǎn)資源開發(fā)領(lǐng)域的科研和經(jīng)營人才，用5到10年的時間形成工業(yè)化開采的系統(tǒng)集成技術(shù)，培育海底礦產(chǎn)資源開發(fā)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，擇機進行商業(yè)開采。
中國惟一一個海底采礦的金礦
三山島金礦成為全球首座安全高效開采海底金屬資源的礦山，是全國惟一一個海底采礦的金礦。三山島金礦是國家黃金工業(yè)“七五”期間重點建設(shè)項目，是中國100家最大有色金屬礦采選業(yè)企業(yè)之一，也是目前全國機械化程度最高的地下開采黃金礦山。三山島開采深度已經(jīng)達到1050米，是我國目前僅有16座金屬礦山深度超過1000米的礦山之一。三山島金礦礦山采用主豎井、斜坡道聯(lián)合開拓和點柱式機械化水平分層充填采礦方法，用于采礦、出礦、運輸、提升、探礦的設(shè)備全部從國外引進。
深海采礦船研制
深海采礦船是為海上采礦提供生產(chǎn)支持與控制的母船，是深海礦產(chǎn)開發(fā)中最為重要的水面系統(tǒng)，航程遠，作業(yè)水域深，系統(tǒng)復(fù)雜且集成度高。
中國正在建造的世界首艘深海采礦船將于2018年底完工并交付使用。資料顯示，該船設(shè)計長約227米、高約75米，最大設(shè)計作業(yè)水深達2500米，載重4.5萬噸，能在海上連續(xù)作業(yè)5年多時間。該船融合當(dāng)今世界多項高端技術(shù)，集成深海采礦機器人、深海提升系統(tǒng)、儲水系統(tǒng)和裝卸貨系統(tǒng)，可容納約200人居住和作業(yè)，礦物儲存量可達到39000噸。
該船設(shè)計及絕大部分關(guān)鍵設(shè)備，如水下作業(yè)裝備布放回收系統(tǒng)、礦物脫水系統(tǒng)、礦物存儲與轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、中壓雙級智能環(huán)形供電系統(tǒng)等，均為中國船舶制造業(yè)首次應(yīng)用，代表著當(dāng)今世界深海采礦作業(yè)領(lǐng)域的最新技術(shù)成就。中國建造的首艘海底采礦船將首先租借給加拿大鸚鵡螺公司，預(yù)計于2019年初在巴布亞新幾內(nèi)亞的海上開始深海采礦，租期至少5年。銅陵有色金屬集團將成為鸚鵡螺開采的銅礦的首個買家。
深海采礦船建造
3 深空采礦技術(shù)
深空采礦（太空采礦），即利用太空望遠鏡技術(shù)、太空衛(wèi)星技術(shù)、載人航天技術(shù)、智能機器人技術(shù)等進行的深空資源的探測和開采。
人類首個太空采礦立法誕生
2015年11月25日，美國總統(tǒng)奧巴馬簽署了《美國商業(yè)太空發(fā)射競爭法》，該法賦予了太空采礦的合法性，明晰了太空資源的私有財產(chǎn)權(quán)，意味著私企開采太空資源和進行商業(yè)用途在技術(shù)上成為可能的基礎(chǔ)上，又獲得了法律上的權(quán)利。雖然該法只是美國的法律，但其為太空采礦立法提供國際借鑒。
太空采礦專業(yè)開辦
世界上采礦方面研究實力最強的機構(gòu)之一——美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院，低調(diào)開設(shè)了一門新專業(yè)——太空采礦專業(yè)。在上世紀(jì)90年代，該學(xué)院便已開始從事“太空資源以及就地利用”方面的研究，但一直僅限于理論方面，現(xiàn)在終于付諸行動。
美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院
自從該學(xué)院2017年宣布招生以來，已經(jīng)收到了來自世界各地的150多份簡歷，其中就有一份來自于中國。2018年秋季正式開學(xué)，分為碩士課程和博士課程，將設(shè)1-2個分科，每科招收24名學(xué)生。
太空采礦專業(yè)主要研究太空中所有可利用的資源，太空采礦不同地球采礦，涉及到的學(xué)科門類非常龐大，包含航空航天學(xué)、地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、采礦學(xué)、材料學(xué)、遙感學(xué)、機器人學(xué)等眾多學(xué)科。
太空采礦或成全球最賺錢職業(yè)
過去一個世紀(jì)以來，為了滿足人類不斷擴張的“胃口”，地球的礦脈幾已窮盡，人們也早已在尋找新的儲備源，直到將目光轉(zhuǎn)向了外星球。
太空采礦或?qū)⑹窍掳雮€世紀(jì)最賺錢的行業(yè)之一。盡管據(jù)預(yù)測，不包括實際采礦和返回器材，小行星采礦初期投入就可能達數(shù)百萬美元，但另一筆推算顯示，太陽系中普普通通的一顆名為241 Germania的小行星，擁有的礦產(chǎn)資源總價就接近百萬億美元，超過了全世界的GDP總量（據(jù)世界銀行2017年報告，2015年全球GDP總量為74萬億美元）；而太陽系內(nèi)最有價值的5顆小行星中，最低的估價也超過萬億美元。目前美國國家航空航天局（NASA）跟蹤著大約16700個近地天體。
對“太空經(jīng)濟”來說，這些小行星可能價值連城，其水、硅、鎳、鐵都是開發(fā)重點。水分解成氫和氧后，可以作為動力燃料填充飛行器，清潔且成本較低；硅可用于發(fā)展太陽能系統(tǒng)；鎳和鐵則是太空制造業(yè)的潛在資源。
太空采礦的難點
太空采礦的方式無非分2種：一是運回地球附近開采，二是就地開采，難度都非常大。在太空作業(yè)遇到的問題會有很多，比如真空環(huán)境、零重力/微重力、強紫外線、隨時會面臨隕石的撞擊等。
太空采礦技術(shù)研究方向
目前最先需要的是望遠鏡，因為行星資源必須通過望遠鏡進行分類。行星上可用的資源種類繁多，憑借搜索、跟蹤并檢測光譜信息，可以判斷小行星的組成。正確分類后，才能真正實施低成本開采計劃。目前還沒有適當(dāng)?shù)耐h鏡可以進行小行星礦藏勘測。現(xiàn)在有很多機構(gòu)制定了初步方案，計劃通過望遠鏡對小行星進行觀察和分類，但無論是深空工業(yè)公司、行星資源公司還是非營利機構(gòu)B612基金會，都還做不到，因為這需要性能非常高的大型專用望遠鏡，而且還得在需要時立即投入觀測。
其次，小行星采礦還需要考慮很多必要因素。小行星采礦業(yè)融合了“難以置信”的交叉科學(xué)，包括工程上的挑戰(zhàn)、創(chuàng)業(yè)精神以及想象力。人類目前還需要進一步研究小行星低重力條件下表層土壤的特性，在地球上進行模擬試驗，測試采礦設(shè)備，同時調(diào)查太陽系中不同類型小行星的元素含量情況。
另外，如果目標(biāo)是一顆體積較大的小行星，登陸采樣將會容易得多，但如果是寬度僅50米至500米的小行星，困難就會翻倍。這都需要提前收集數(shù)據(jù)，研制可適用目標(biāo)天體的挖掘機器人。
“袖珍王國”盧森堡已投資小行星開采多年，也與深空產(chǎn)業(yè)合作設(shè)計了一個實驗航天器，目的就是為了測試其采礦技術(shù)。
未來探險者在月球上采礦的設(shè)想圖
太空資源開采設(shè)想
太空資源項目是為了研究太空中所有的可利用資源，其中包括了太空采礦、太空制造等課程，學(xué)習(xí)如何探測太空資源，確定資源在哪里，如何開采，如何制造，如何就地利用，甚至今后如何實現(xiàn)將資源帶回地球等。
太空采礦假想圖
美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院阿布德·馬德里教授：“太空資源的開采將在約15年后成為現(xiàn)實。”其可分為三步走：
（1）第一階段的5年，需要精確定位，比如，月球的水資源在哪里，有多大儲量，濃度有多少等；
（2）下一個5年，也就是10年后，將會看到如何開采這些資源，如何將水資源就地轉(zhuǎn)化為氫氣，如何儲存加工后的燃料等解決方案；
（3）最后的5年，將見證太空資源開采工作的開啟以及資源的就地利用。
4 結(jié)語
深地采礦技術(shù)、深海采礦技術(shù)、深空采礦技術(shù)是針對未來資源開發(fā)利用的趨勢所在。深地采礦技術(shù)已經(jīng)積累了足夠多的經(jīng)驗，但在不同國家、不同地域、不同礦山仍要進行因地制宜地研究和應(yīng)用。深海采礦技術(shù)及裝備已在不少發(fā)達國家研制和試采，但還未開始商業(yè)性應(yīng)用，未來的深海采礦業(yè)很可能是一組采礦、海洋能源利用和深海農(nóng)牧漁業(yè)等綜合發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)群。深空采礦充滿了無限可能，尤其當(dāng)前太空探測和飛行技術(shù)發(fā)展迅速，但在具體采礦技術(shù)及設(shè)備方面，仍需要巨大的人、財、物投入。人類社會的進步和發(fā)展離不開礦產(chǎn)能源資源的開發(fā)利用，通過國內(nèi)外礦業(yè)科技工作者的不斷創(chuàng)新和探索，相信人類上天入地下海開發(fā)資源必將成為現(xiàn)實。
