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加大矿业开发科技投入,国内找矿大有可为——陈毓川院士 毛景文院士

日期:2022-09-14    来源:中国煤炭工业协会咨询中心

国际煤炭网

2022
09/14
09:13
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关键词: 矿业开发 矿山开采 选矿技术

近年来,矿业界存在一股思潮,认为我国境内矿产资源禀赋不好,2000米以浅的矿产资源已经基本摸清,看衰找矿前景,建议放弃国内找矿,投入转向境外找矿。作为长期从事地质工作的地质人员,我们认为国内矿产资源找矿大有可为,本文从以下几个方面来分析我国国内找矿的前景。

一、什么是矿

谈找矿首先要把矿的概念搞清楚。矿石是指从矿山中采出来含有某种有价值的矿物质的岩石,经过破碎、粉磨等逐级加工后可以应用在金属矿山、冶金工业、化学工业、建筑工业、铁(公)路基建、水泥工业及砂石行业等工程领域中。定义包含四个关键要素,即:可采出、有价值、可加工、可利用。这四个要素是区别矿石与普通石头的标准,缺一不可。值得注意的是,这四个界定要素并不是一成不变的,它们随着科学技术进步、市场需求的变化、政策改变等因素的影响会不断发生变化。

1、开采技术对找矿的影响

开采技术可行性和开采成本可行性是矿山开采中的双重制约因素。从技术可行性角度上看,矿山开采就是一部人类战胜恶劣的开采环境,挑战极限开采技术条件的科技发展史,即随着开采技术的不断进步,使以前受开采技术限制无法开采的地域成为可以被开发利用的矿山。如,仅以采矿深度而言,目前我国金属矿山开采深度一般达到600m~900m即为深部开采,而夹皮沟金矿应用先进的探采技术,开采作业深度已经达到了1600m。国外开采超2000米深度的矿山也不足为奇,据不完全统计有22座之多(其中5座已经关闭),例如,南非Witwatersrand金矿开采深度已经达到4000m,印度科拉尔金矿区采深超过3200m(已经关闭)。

那么,开采深度对于找矿意味着什么呢?目前我国矿床勘探深度多集中在400m~600m,这并不是因为我们的钻探技术无法达到更大的深度,而是受开采技术的制约。例如,如果我们的开采技术只能达到600m,那么我们找到600m以下的矿就无法开采,或者开采矿产没有经济价值,那么这样的矿就叫做“呆矿”或者就不能称之为“矿”。因此,开采技术能够达到的深度决定着找矿的深度。

规模化开采是降低成本、高效利用资源的重要途径。例如,福建省紫金山金铜矿勘探时提交铜储量64万吨和金5.5吨,改为露天开采后,铜的边界品位降低到0.25%,金边界品位到0.2g/t,由此铜和金资源量分别提高到350万吨和350吨。山西省铜矿峪斑岩铜矿由于品位太低,长期难以开发利用,后来使用崩落法大规模地下开采,日处理25000多万吨(900万吨/年),不仅能开发,而且效益相当可观。

2、选矿技术对找矿的影响

与开采技术相类似,选矿技术可行性和选矿成本也是选矿环节的制约因素。矿石中的有用组分能否从矿石中提取出来进行富集是选冶的先决条件。由于矿石种类不同,有用组分在矿石中的赋存状态、含量等都不同,根据矿石中不同矿物的物理、化学性质,把矿石破碎磨细以后,采用重选法、浮选法、磁选法、电选法等,将有用矿物与其他伴生矿物分开,并使各种共生的有用矿物尽可能相互分离,除去或降低有害杂质,以获得冶炼或其他工业所需原料。以我国特有的离子吸附型稀土矿为例,由于以往缺乏从风化壳型稀土矿中提取有用组分的选矿技术,上世纪80年代该类型矿并不是工业性矿产,直到1996年离子吸附型稀土第二代提取工艺———“原地浸矿工艺”的推出才真正意义上形成了我国的新型稀土矿种。在金矿领域,由于“堆浸选矿工艺”的采用,使得以往不能利用的低品位矿石得到开发利用,也使得找矿过程中圈定矿的边界品位大幅度下降,矿体规模得到极大提升。

选矿技术的发展,对于找矿工作而言,意味着以前不是矿的岩石类型可以作为有用矿物去寻找,以前由于品位低而不能称之为矿的石头也可以圈定为矿体。因此,选矿技术的进步不仅拓展了矿石的种类,而且降低了圈矿品位的门槛。

3、价值因素对找矿的影响

在通常情况下,市场供需关系决定着矿产品的价格,西方矿业理论总是在暗示我们只有能够获利的矿石才能叫做“矿”,在进行储量估算的时候给出一条矿产品价格与矿山可采储量的曲线,来显示每一个价格所对应的可称之为“矿”的储量。当一个矿床即使开采技术、选矿技术都可以将其有用组分开采、分选出来,但只要不能盈利,那么这个矿床就没有市场价值,就不能称之为“矿”。市场价值成为了衡量是否是“矿”的唯一价值标准。

然而,西方的这种理论总是让人觉得不太对劲,那么到底是哪里不对劲呢?这就是“非市场价值”。我们还是按照西方矿业理论去推导,一个矿山,只要现有开采技术和选矿技术能够把我们需要的有用组分提取出来,那么它必定会对应一个成本,在一个商品可以正常流通的市场里,没有人会愿意以低于成本价格去开采矿山,但不开采并不意味着这个矿山不可采,其矿产品不可利用,只不过是它无法作为商品体现其价值。当这个市场规则被破坏的时候,我们将会遇到两种情况,即:矿产品价格暴涨或是断供。我们拿铁矿石作为例子,我们国家不缺乏铁矿,但是我们国家的铁矿以贫矿为主,铁矿平均的开采成本在60~80美元/吨左右,而澳大利亚的铁矿开采成本在20美元/吨左右,如果澳大利亚铁矿石的出售价格在50美元以内,那么我们国家的铁矿企业就会处于亏损状态,按照市场运行规则,我国的钢铁企业自然会购买澳大利亚的铁矿,这就会导致国内的铁矿企业破产倒闭,国内的铁矿失去了其商品价值,国内的勘查企业也就没有积极性去找铁矿。按照这个逻辑去推演,国内的铁矿产业就会被彻底消灭,这时候澳大利亚的铁矿石可以肆无忌惮的开始涨价,2020年疯狂的铁矿石就是这么发生的。涨价还是比较好的一种情况,最危险的情况是断供,这次俄乌冲突期间西方国家对俄罗斯“绞链式”的制裁,可以让我们清醒的认识到这种情形是完全可能发生在我们自己身上的。这个时候,那些被定义为没有市场价值的矿此刻才会真正体现出它们真正的价值。

价值因素对找矿的影响是,找矿工作最底层的意义是保障一个国家的矿产资源供应安全,让我们自己手里永远拥有与市场谈判的筹码。这就是党中央为什么多次强调“把饭碗牢牢端在自己手上”的原因,因为矿产资源就是工业的粮食。

4、下游应用对找矿的影响

矿产资源支撑着整个工业体系,是工业体系的基础。然而下游需求的变化也在时刻影响着矿产资源的找矿勘查。以锂矿为例,今天炙手可热的锂矿,以前并不像现在这么风光。上世纪90年代以前,锂的主要用途是用于核武器制造和玻璃制造领域,使用量十分有限,是一种默默无闻的小矿种。随着电子产业迅速发展,锂电池的消费大幅上涨,锂在电池中的应用已经成了锂的主要消费领域,特别是在当下能源革命的大背景下,清洁能源替代化石能源已成为大趋势,锂的需求量成指数型上升,导致全球现有的锂矿资源难以满足下游需求。下游市场对锂的需求,极大的刺激了上游的锂矿资源领域,于是大量的资本涌入找矿领域,去寻找潜在的锂矿资源。根据自然资源部的统计,我国“十三五”期间锂矿的勘查投入增长了195.6%。与此相反,化石能源的代表性矿种煤炭就没有这么幸运了,随着人类环保意识的加强,在全球范围内,煤炭的开采量、使用量大幅下降,欧洲更是叫停了煤炭发电,关闭了大量煤矿。这就导致了资本从煤炭领域大量出逃,根据自然资源部的统计我国“十三五”期间煤炭勘查投入减少了83.5%。从以上实例可以看出,下游产业对矿产资源的需求将直接影响上游的找矿投入。既决定了找矿的投资规模,也决定了找矿的目标矿种。找矿不能只关注眼前,不能只注重找矿工作本身,同时要紧盯下游产业的需求和发展趋势,关注下游材料科技的研究动态,对矿产资源的需求进行前瞻性研究,这样才能快速调整找矿方向,获得矿产资源的先发优势。

二、怎么找矿

1、找矿理论的突破与应用

找矿是一个专业性极强的领域,需要理论的指导。而找矿理论是通过对地质环境的研究,对以往勘查工作的总结,对矿山开采实际情况的对比,从大量的生产实践中总结出来的。往往一个找矿理论的形成会改变一个国家的矿产资源格局。大庆油田的发现就是一个非常好的例子。建国初期,我国一直被认为是一个贫油国家,当时西方地质界盛行的是“海相生油理论”,西方学者认为中国主要是以陆相地层为主,不可能出现可供开采的石油资源。然而以李四光先生为代表的中国地质学家通过对我国西部油气地质构造的研究,总结出了我国自己的“陆相生油理论”,并将其运用在建国初期的找油实践中,最终在松辽盆地发现了大油田,也就是我们现在熟悉的大庆油田。可以说,“陆相生油理论”的提出以及其在我国油气勘探中的成功应用,彻底改变了当年我国石油供给的局面。再以金属矿产找矿为例,上世纪70年代,我国著名的矿床学家程裕淇先生等首次提出了“矿床的成矿系列理论”,对指导找矿勘查具有实际意义。根据“矿床的成矿系列理论”,进行“全位成矿、缺位找矿”预测,即针对工作地区的地质构造环境和岩石建造特征,可以预测该区可能存在的某一(些)矿床成矿系列,当在一个地区发现某种矿床类型时,也可根据成矿系列理论在该区找寻属于同一系列的其他矿床类型,起到举一反三作用。经过几代地质人对该理论的补充完善,“矿床的成矿系列理论”已经成为我国地质工作者指导找矿工作的重要理论,为国家找到了大量的矿产资源。没有一种找矿理论是可以包治百病的,地下世界千变万化,人类能够探知到的仅仅是冰山一角,这就需要广大地质工作者对已经揭露出来的地下世界认真研究、细致归纳、总结规律、敢于创新,不断提出新的找矿理论。在找矿生产实践中要充分重视找矿理论的指导作用,提升找矿成功率。

2、找矿勘查领域

找矿勘查在国际上通常分为两种类型,即在圈定的找矿远景区找矿(绿地找矿)和在已有矿区的深部和外围找矿(棕地找矿)。

过去30年以来,找矿勘查科学技术正在发生重大变革。地质找矿已从寻找露头矿、浅表矿转到隐伏矿,从低山区转到人迹罕至的中高山区-深切割区。针对浅覆盖区(包括森林、草原和沙漠等)以及人迹罕至的中高山区-深切割区,西方矿业大国纷纷开展研发计划。如,加拿大实施了为期20年的隐伏矿(Buried area)找矿计划,美国从全球资源战略出发开展新一轮全球矿产资源潜力评价,澳大利亚持续实施覆盖区(Under cover)找矿计划,包括近期开展的“未来勘查”(Future Exploration)重大研究项目(2017~2021,2020~2024),主要目的都是通过科技创新,圈定找矿靶区,引导企业风险投资,开展找矿勘查。

找矿勘查是一项复杂的系统工程,国内外通常是以成矿理论为指导,以勘查技术方法为辅助,以工程验证为准绳。首先是圈定找矿靶区,逐渐缩小范围;在勘查初期,对矿体范围和深度进行大致控制,圈定资源量;进入勘查后期以及开采阶段,加密工程控制及可行性等方面的研究,确定储量。开采过程由浅到深,边采边探,达到经济和技术的可预期深度。迄今为止,国内外开采的金属矿床绝大多数在1000米以浅,为人类提供资源量在95%以上;只有极少数的超大型富矿由浅入深,逐渐开拓到2000米至4000米,提供资源量微不足道(全球有16万座矿山)。在已有的22座2000米以深的矿山中,20座为金矿,仅加拿大有铜锌矿和镍矿各一处。在西方国家,从事找矿勘查单位的主体是上市公司以及极个别私有公司,以追求利益最大化为目标,因此,找矿目标是“找大矿、找富矿、找浅矿”。我国从国家整体利益考虑,有必要探获一些低品位和深度较大的矿产资源,作为战略储备。

3、找矿方法与装备的进步与应用

找矿技术方法是实现找矿突破的重要手段,将现代科学技术运用到找矿勘查是全球大趋势。根据市场需求,研发公司积极跟进,也有一些国家行为,例如,澳大利亚国家地调局、各州地调局与大型矿业企业联合出资,组建找矿协同研究中心,推进开展找矿勘查新技术研究(2019~2028),旨在研发覆盖区找矿新技术和新方法。

国外现代找矿勘查技术发展迅速,主要体现在卫星遥感多光谱、机载、地面和岩心红外光谱技术,航空地球物理电、磁、重、放技术,地面高精度、大深度地球物理激电技术,地气、生物和纳米级固体穿透性地球化学技术,模块化、自动化、智能化钻探技术,智慧勘查技术,即进行大数据地质信息的深度处理挖掘,圈定靶区。

多年以来,我国地质工作者在找矿技术和方法应用方面持续探索,取得了一系列进展,但找矿勘查设备和装备严重依赖于国外,形势堪忧。在改革开放之前,我国拥有一批国家级、省级找矿勘查仪器设备研发单位和群体,但随着国外设备、装备和仪器的大量进口,导致国内研发出现困局,即使自主研发出一些产品,也未能进入市场,没有市场检验,就难以生产出先进设备、装备和仪器。迄今,我国研发装备、设备和仪器的关键难点是芯片、软件和精密元器件。

三、在哪里找矿

1、与国外对比,我国可供找矿的面积亟待拓展

截至2021年12月底,我国探矿权登记面积269.15万平方公里。其中非油气探矿权登记面积仅为10.66万平方公里,占我国陆地国土面积960万平方公里的1.11%,是我国可开展地质工作面积700万平方公里的1.52%。那么国外这个数字又是什么样的呢?在加拿大,对矿产资源普查不设探矿权,因此全国的国土面积,除法律规定不允许矿业进入外,都是可普查地区;澳大利亚的南澳州,勘查许可证面积为58.2万平方公里,占南澳州面积104万平方公里的56%。从这组数据可以看出,我国勘查许可证面积与国外矿业大国相比差距极大。勘查许可证面积小是影响我国矿产资源安全的一个重要因素,总体来讲,一个国家的矿产资源禀赋与这个国家的国土面积成正相关关系,探明的矿产资源储量与勘查许可证面积成正相关关系。从这个角度来看,我国广袤的国土面积上还存在着巨大的找矿潜力。基于这样的认识,为了保障我国的矿产资源安全,调整现行地质勘查政策已势在必行,矿产资源管理部门应大幅度开放可用于地质勘查的区块面积,积极鼓励社会资本投入找矿工作。

2、我国找矿潜力很大

首先,我国具有较好的成矿地质构造环境。显生宙(近六亿年来)全球三大成矿域:古亚洲成矿域、环太平洋成矿域、特提斯成矿域均聚焦我国,均大量成矿。其次,2006年至2013年原国土资源部中国地质调查局组织矿产资源研究,对全国25种重要矿产进行了潜力评价,得到的结论是:目前找到的矿产仅占总量的1/3,尚有2/3资源潜力有待探测。而我国已发现的173种矿产潜力更大。关键是要进行有效的勘查。

3、我国现有矿山深部及边部的找矿潜力

1982年5月朱训同志在《地质报》发表的《论就矿找矿》一文,将“就矿找矿”从哲学层面上提升到理论高度。“就矿找矿”不仅是我国矿产勘查工作在空间布局上采用的一条与“新区找矿”并行不悖的指导方针,同时历史证明这是一种行之有效的重要找矿方向。

已有矿山深边部找矿勘查,国外称为棕地(Brown field)找矿。在21世纪之前,由于钻探和开采能力的限制,我国大多数矿产勘查深度不足500米;21世纪初我国开展了一轮老矿山深边部找矿勘查,国家出资帮助危机矿山探明新资源,并取得了重要成效。由于已有矿山深边部进一步探矿属于企业行为,部分企业自己投资找矿,不断取得进展,例如,西部矿业集团在川西嘎村铅锌矿南侧通过变形地层恢复研究,发现和探明了超大型富铅锌矿;驰宏锌锗股份有限公司通过矿田构造分析和构造-地球化学等技术在深部找矿不断取得新进展,先后探明数百万吨铅锌金属;胶东地区深部金矿找矿成果显著,探明了沙岭子、西岭和海域三个世界级大矿体。因此,在大多数已有矿山深边部找矿潜力大,通过科技创新,是实现老矿山找矿突破和快速增储的最佳路径。围绕我国现有矿山的深部及边部开展找矿活动是5年内快速缓解我国矿产资源危机的主要措施。从可预见的开采技术发展水平上看,未来20年内,我国找矿工作从深度上应主要集中在500m~2000m以浅的范围。在政策上,应调整现行矿权管理制度,让制度能够积极推动现有矿山深部、边部找矿工作。同时,国家应尽快设立化解矿产资源危机的专项资金,用于500m~2000m以浅的深部找矿研究工作,加大500m~2000m矿产资源开采技术装备的研发投入,在地下支撑起一柄维护我国未来几十年矿产资源安全的保护伞。

四、树立信心、依靠依托产学研科技创新平台,国内找矿大有可为

自新中国成立以来,通过系统的地质调查和找矿勘查为国家工业体系建立和社会经济发展提供了大量的矿产资源,但并不能判断我国已经没有找矿潜力。新一轮找矿潜力评价表明,我国在2000米以浅蕴藏着巨量矿产资源。去年年底自然资源部发布上一轮找矿突破行动十年探获晶质石墨资源量为3.36亿吨,锰12亿吨、钼1874万吨、钨612万吨、金8085吨,铅锌1.37亿吨、铝土矿18亿吨、钾盐5.23亿吨,铜3711万吨、镍349万吨、萤石9062万吨,新形成32处矿产资源基地,这些成果已经显示出我国潜在矿产资源十分丰富。

找矿从来不是一个专业、一个单位、一个行业就能解决的事情,是一项系统工程。建国初期,我们国家通过“找矿大会战”这种形式,将全国与找矿相关的各个专业、各个单位、各个行业组织起来,集中力量办大事,高效率地解决了我国建国初期矿产资源缺乏的问题。在当下市场经济环境下,“找矿大会战”这种形式依然有着强大的生命力,只不过换了一种方式。由中国产学研合作促进会支持成立的中国矿产资源与材料应用协同创新平台,将矿产资源与材料应用两大产业整合在一起,组织产、学、研、政、金、用等产业链单位,从产品应用、新材料研发、战略新兴产业建设的资源需求确定找矿方向;从矿山开采、选矿技术、矿石冶炼技术的进步,提高矿产资源的利用效率,降低找矿门槛;从地质勘探理论、找矿方法及找矿装备的研究与应用,缩短找矿周期,提高找矿成功率;从全产业链的产业政策建议为矿产资源安全在政策层面保驾护航。形成一个完整的矿业全产业链,从产业链角度思考并解决矿产资源安全问题。

国内找矿大有可为,探明更多资源前景可期。目前,找矿勘查处于低谷期,存在三个问题亟待解决:1)出台合理矿业政策,引导企业和社会资金投入风险勘查。2)国家设立重大科技专项,切实解决我国找矿勘查的重大科学问题和技术难题;产学研深度融合,以企业为主体,针对难题开展创新研究;自主研发一系列找矿勘查仪器、设备和装备,助推我国从矿业大国迈向矿业强国。3)健全人才培养和评价体系,职业本科、普通本科、甚至硕士研究生教育应强化实践,提高职业技能,弱化以论文论英雄,所有毕业生到工作岗位立即可以投入工作,承担任务,甚至领军一方,有效服务国家建设和社会发展。

五、矿产资源安全应架构立足国内,放眼世界的资源保障体系

矿产资源分布具有不均一性的特点,世界上没有一个国家拥有足够可利用的所有类型矿产,因此,构建国内大循环为主体国内国际双循环相互促进的矿产资源保障新格局,是我国发展现阶段的一项迫切任务。以科学研究为先导,充分理解全球成矿规律和矿床成矿系列,以大数据和多源信息处理为依托,引导国内企业走出去,积极融入国际矿业体系,不仅能有效发现和探明新矿产资源,而且可以以独资、合资和股份制加入紧缺大宗和新能源矿产的开发,以提高我国资源保障程度,造福当地人民,助推当地社会发展。

结语

中国是全球最大的矿产资源消费国、最大的矿产资源生产国、最大的矿产资源进口国、最大的矿产资源贸易国,同时,我们更是全球产业门类最齐全的工业大国。矿产资源是工业的粮食,矿产资源供给问题显著遏制着我国工业体系的咽喉。经济安全和国家安全有多种,从初级产品考虑就有粮食、油气和矿产资源。党中央国务院已经充分认识到矿产资源安全的重要性,将矿产资源安全提升到国家安全高度,中央多次在重要会议上提到矿产资源安全问题,矿产资源安全问题也写进了今年的政府工作报告。我们有理由相信,在党中央的正确领导下,通过矿业政策的及时调整,通过产学研用协同创新,我们有信心、有能力解决好国家矿产资源安全保障问题,产学研协同创新大有可为,国内找矿大有可为。

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