采矿发展趋势及未来人才知识结构需求

朱万成　关凯　闫保旭　牛雷雷　刘溪鸽

摘要：矿业将长期是国民经济发展的命脉，矿产资源仍是国家发展最基础的物质支撑，是国家安全保障的重要组成部分。目前，我国正在加速迈向人才强国，矿业正处于筑底回升稳步增长的态势。基于此，本文从矿业的国家需求、未来采矿发展趋势以及未来采矿人才的知识结构三方面论述，认为采矿将面向深部开采、智能采矿、绿色开发方向发展；未来采矿人才需进行多学科交叉学习，不断拓宽知识结构，以便应对矿业全球化的发展趋势。同时采矿专业培养的人才在地热开发、核废料地质处置、煤层气开采、页岩气开采、CO2地质处置等相关工程领域也有就业机会。

关键词：采矿；发展趋势；采矿人才；多学科交叉

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）30-0006-05

一、矿业发展是国家的需求

（一）矿业是国民经济发展的命脉

国民经济的发展离不开资源的可持续利用，要实现资源—经济—环境相协调的可持续发展，必须实现矿业强国。我们必须清醒地认识到，即便完成了工业化，要支撑我们这样一个经济体量巨大的国家的正常运转，无论是对于能源矿产，还是用作原料的矿产资源的需求，仍将是巨量的，我国矿业发展的根基不会动摇。也就是说，只有等到新型工业化完成并进入后工业化时代之后，矿产资源的需求压力才会逐渐降低。但即便如此，继续完成实现“中国梦”的伟大理想，仍需要矿产资源作为最基础的物质支撑。值得注意的是，矿业也是国家战略资源，是国家安全保障的重要组成部分。

于润仓在“第二届金属矿采矿科学技术前沿论坛”上指出：矿业是人类步入文明社会的奠基石，是国民经济发展乃至高新技术产业的重要物质基础，在实现现代化的进程中，无论从保障原材料可持续供应的角度，还是从节能减排的角度，矿业现代化都处于突出的地位。毕国器[1]指出：矿业作为国民经济的基础产业，属于典型的工业类周期性行业，行业景气度与宏观经济相关度很高。自1994年以来，矿业构成了南非外汇收入的主要来源，其在南非生产总值中的比重大致在6%—10%之间，是南非创造就业的重要部门，在国家经济增长和发展中发挥着重要作用[2][3]。矿业也是澳大利亚经济发展的中坚力量，这使得其成为国际市场最重要的矿产原料供给者之一。矿业是澳大利亚最重要的外汇收入贡献者，是联邦中央和州政府财政收入的重要来源之一，是边远社区和城镇发展的主要推动力，是吸引外国投资的最主要行业，是对外投资的主力军，是推动科技创新发展的前沿以及拉动投资的最主要力量[4]。加拿大的矿业不仅是其国家的主要产业，而且在全球矿业市场中占有重要地位，是世界重要的矿产资源生产和出口大国，也是全球最大的矿业融资市场[5][6]。据中国贸易救济信息网，目前我国矿产资源提供了90%以上的能源，80%以上的工业原材料，90%以上的农业生产资料，支撑着我国400多座矿业城市的生存和发展，涉及3.1亿人口，总产值占工业总产值的25.4%。当前中国煤铁资源产量均居世界第一，2014年我国煤炭产量达38.7亿吨，接近世界一半；2015年首次下降，比上年下降2.5%左右；2016年煤炭产量23.0亿吨，同比下降11.2%。未来50年，煤炭仍将是我国乃至世界的主要资源之一。高科技产业对矿业具有很强的依赖性。微电子科学和电子信息技术、空间科学和航空航天技术、光电子科学和光机电一体化技术、生命科学和生物工程技术、材料科学和新材料技术、能源科学和新能源、高效节能技术、生物等都严重依賴矿产资源的开发和利用。此外，矿业在高新技术产业的影响下，也将会实现太空采矿、深海采矿、无害化开采，从而保障国家安全和国民经济的可持续发展。

（二）矿业发展的国际化

我国正在倡议开展“一带一路”，其中矿产资源领域合作是“一带一路”倡议的重要组成部分。一些沿线国家拥有丰富的矿产资源，是世界矿物原材料的主要供给基地，更为重要的是，各国矿产资源合作具有很强的互补性。随着我国综合国力的提升，我国矿业公司正在逐步走向国际化，竞争实力明显增强。面对新常态、新形势、新机遇，我国大型矿业公司都应具有争做国际一流的战略定位。例如：据经济观察网（2017年4月7日），山东黄金与加拿大巴里克黄金公司达成战略合作协议，将以9.6亿美元收购巴里克黄金旗下阿根廷Veladero金矿50%的股权，制定了集团公司将实现2020年全球十强、中国第二的目标。国家统计局发布的《2016年国民经济和社会发展统计公报》显示，2016年全年对外直接投资额（不含银行、证券、保险）11299亿元，按美元计价为1701亿美元，比上年增长44.1%。其中我国采矿业去年对外直接投资86.7亿美元。图1为历年来中资海外矿产能源投资金额及累计投资金额统计图。

二、采矿发展趋势

矿业开采生命周期包括勘探、开采、选矿和复垦。矿产资源的各开发环节涉及到多门学科的交叉运用及协同创新。随着各交叉学科的迅速发展，许多能够促进矿业发展的新技术如雨后春笋般涌现出来，出现了智能化、信息化、绿色化开采的新理念。古德生在“2017矿业前沿与信息化智能化科技年会”上阐述了矿业的三大发展主题，指出深部开采是发展的前沿，绿色开发是发展的道路，智能采矿是发展的目标。另外，浅部资源已经不能满足国家的需求，新的开采技术促使采矿业向深地进军。

（一）深部开采

随着浅部资源的不断消耗，国内外越来越多的金属矿山进入深部开采。根据我国矿体的地质条件、开采技术水平、矿井装备水平、巷道矿压显现的特征，一般认为采深800m及以上为深部开采[8]。而南非深部开采现可达3000m以上。然而，新的开采深度给矿业人才也带来了新的挑战，例如，深部围岩的“三高一扰动”（高地应力、高地温、高岩溶水压，强开采扰动）状态，将导致矿山灾害凸显[9][10]（例如：岩爆、围岩大变形、突水、煤与瓦斯突出、高温热害等）。如图2所示。

深部开采需要解决的深部岩石力学问题为：（1）岩石力学基本特性；（2）工程稳定性研究；（3）深部开采基础理论研究；（4）工程灾害发生机理及其控制对策等。

有专家认为，大数据、智能科技将重塑未来矿业竞争新格局。人工智能、物联网、云计算、大数据、虚拟现实的发展将重新定义未来采矿的发展模式，推进多技术、多方法的综合与集成已成为共识[12][13]。在该背景下，东北大学采矿工程系岩石破裂与失稳研究所课题组紧跟矿业发展前沿，着手建立物联网、云计算和虚拟现实技术的矿山灾害预警服务平台，如图3所示，该项目的研发以期为矿山安全开采提供技术支撑。该平台将通过对矿山开采过程引起的围岩体变形、微震信号进行实时监测，上传至云端，然后通过专家系统进行实时诊断，提出解决方案，以期达到对矿山灾害的预警预测的目标。

此外，与深部采矿密切相关的一些深地工程包括：地热开发、核废料处置、煤层气开采、页岩气开采、CO2地质处置等。这些工程所面临的深部岩石力学问题具有共同的特征和相同的理论基础。这也为采矿工程专业的学生提供了更为广阔的就业机会。

（二）智能采矿

智能开采着眼于研制开发智能化为主体的采矿设备，依托信息采集与高速通讯、设备精确定位与智能导航、智能采矿爆破、生产过程智能控制与调度、决策与管理信息化平台等技术，提高矿山生产效率和生产安全性，提高矿产资源的利用率和矿山企业的经济效益。古德生[14]和李夕兵等[8]展望了未来深部矿山发展远景，指出智能化和无人化是实现采矿工程可持续发展的必由之路。朱超等[15]结合现今国内矿业发展形势，认为构建数字矿山、推广智能采矿是保证生态平衡和矿山安全高效生产的必然趋势。

1.露天矿开采智能化。随着人工智能技术的发展，人们提出了露天矿山智能化开采的要求，装备的大型化和智能化是露天开采实现大规模生产的发展方向[16]。大型露天矿的智能化开采涉及广泛，包括无人钻机、电铲和汽车自动调度、卫星定位及导航系统、机器人技术、装载量自动称量、数据自动采集等。其智能化采矿流程可见图4。

2.地下开采智能化。地下开采智能化的发展趋势为自动化、无轨化和智能化[17][18]，涉及到凿岩、装药、爆破、通风、撬顶、产装运输、支护、测量等施工工序。相互之间的关系如图5所示。当前在凿岩、装药、通风、铲运等方面都有了自动化的遥控设备，但还没有形成成套的自动化的系统。

当前，我国正在朝着智能化数字化的方向发展，自动化调度系统、采矿设备的自动化控制、智能化全球定位系统等现代技术也已在一些矿山得到推广应用，并取得了很好效果。但总体水平同国外发达国家相比，差距还很大。

3.信息化开采。信息化开采以计算机及其网络为手段，把矿山的所有空间和有用属性数据实现数字化存储、传输、表述和深加工，应用于各个生产环节与管理和决策之中，以达到生产方案优化、管理高效和决策科学化的目的。涉及计算机科学与技术、数字图像处理、信息与通讯工程、自动控制等。东北大学吴立新等[19]阐述了矿山物联网、感知矿山与信息化开采对采矿系统决策与生产的重要性，信息化技术将对我国采矿业的管控模式、组织结构、采矿工艺和应急救援等方面进行多方面革新。图6为信息化开采示意图。

（三）绿色开发

吕振华[20]认为“十三五”期间，由于宏观经济形势的变化，矿山需向无废绿色开采方向发展，在提高生产效率的同时实现与保护环境相协调，实现矿山企业的可持续发展。绿色开发是从广义的资源角度去认识和对待矿区范围内一切可以利用的各种资源，其基本出发点是防止或尽可能减轻开采对环境和其他资源的不良影响，以取得最佳的经济效益、社会效益和环境效益。绿色开发是一个综合考虑环境影响和资源消耗的矿山开采模式，是可持续发展的一个组成部分。在这方面，无废开采，废石不出坑，尾矿直接回填采空区，不建地面尾矿库，地表不受破坏，从而实现了绿色开采。

（四）矿山生态修复

礦山生态环境问题是区域可持续发展的核心或枢纽，因为矿产资源开发利用对一定区域的生态环境系统扰动最大、破坏力最强。修复矿区土地的生产力、维护生态系统健康对区域农业生产、环境保护均具有重要的现实意义。治理矿区环境污染、地质灾害等涉及到生态经济学、环境监测技术、水污染控制工程、环境化学、灾害防治工程、土壤修复改良技术、保育技术和植被恢复技术等。

（五）矿业经济全球化及应对策略

经济全球化促进了矿业全球化，矿业全球化给中国矿业带来了前所未有的发展机遇和挑战。由于矿产资源具有的特点及开发条件为：矿产资源的稀缺性、地域分布不均衡、资金密集型、需求日益增大等。因此，当前矿业经济全球化发展趋势为：矿产品贸易全球化、矿业投资全球化、矿业服务的全球化。目前，矿业经济全球化具有的特征为：矿产资源跨国勘探、开发，矿产品跨国加工和销售，矿业公司跨国购并和上市，矿产开发多国联合投资，矿业资金跨国流动，矿业信息国际共享。

由于我国矿业发展具有的特点为：资源储量大，种类丰富，人均占有量较低，行业集中度低，生产方式粗放，处于城市化、工业化阶段，资源需求量大，部分资源可持续供应能力不足，对外依存度高，缺少定价权。因此，笔者针对我国矿业发展特点，提出如下应对策略：加速矿业产业向海外转移，促进矿业产业向高端生产演进，促进矿业内部行业、矿业与相关产业融合，完善资源储备体系，提升矿业相关机构服务水平，完善矿业资本市场，把握定价权。此外，为了提高在国际矿业市场中的竞争力，高素质复合型矿业人才的培养是关键，这将是积极应对矿业全球化最有力的武器。

三、未来采矿发展前景展望

未来采矿将以如图7所示由数字矿山到智能矿山、智慧矿山和无人矿山逐渐渐进式发展。

2015年，美国《连线》月刊网站曾发表《太空采矿可能引发星球大战》一文，有专家预言，太空采矿或将是下半个世纪最赚钱的行业之一。卢森堡是一个国土面积不大的国家，而现在成为太空活动的积极参与者，可谓开了欧洲先河。耶鲁科学家强调称，iPhone上使用的所有62种金属都已经达到“临界点”，这促使人们向深海探求资源。深海至少具有三种适合开采的矿物资源：第一种就是多金属矿，或称锰结核体，这种金属矿多存在于海底；第二种是多金属硫化物，这些混合物种包括金、银、铜、铅、锌等，还有钼、碲以及钛等稀有金属，它们通常沿着海底形成，多在海底火山口附近；第三种是海底形成的富钴结壳。多金属矿是使用现有技术最方便采集的海底矿产。目前，我国已经把目光投向深海采矿。如福建马尾造船公司正在建造全球首艘海底采矿船，表明中国正努力确保对资源的控制，以助力本国高科技电子产业。据新华社，2017年5月25日，中国试采可燃冰成功，是世界首次成功实现资源量占全球90%以上、开发难度最大的泥质粉砂型天然气水合物安全可控开采。

四、未来采矿人才的知识结构

在当前矿业筑底回升趋于稳定时期的大背景下，采矿工程专业人才必须能够适应行业发展，提高行业竞争力，力争打造国际化创新团队，与国际接轨。采矿工程是一门多因素、集成性和综合性很强的复杂系统工程，决策的制定需要考虑到多学科和多方法的协同应用[14][21]。高林等[22]认为新形势下采矿工程专业人才培养可采取拓宽专业领域、加强青年教师执教能力培养与提升、强化学生实践能力培养、加大采矿工程与其他交叉学科科学研究以及加强就业引导力度等对策。

针对目前采矿行业向自动化、智能化、信息化、全球化发展的格局，未来采矿人才需进行多学科交叉学习，不断拓宽知识结构。新的太空采矿、深海采矿、深部采矿都将面临前所未有的难题和挑战，如何解决并且应对都将给新的一代采矿人带来机遇。因此，未来采矿人才的培养模式必然要适应采矿行业的发展趋势，采矿人才必须具备能够适应全球化、智能化、信息化的开采理念。采矿人才的知识不仅仅限于开采方法，而应该具备软件工程知识、数据处理能力、运营管理知识等其他相关学科。未来的采矿人才是具备多学科交叉知识的复合型人才。

五、结语

矿业是国民经济的命脉，在国家重大需求的驱动下，采矿业绝不是夕阳工业，应放眼于20年后的事业。

面对“深部开采、智能采矿和绿色开发”的发展趋势，矿业技术人才应从事采矿与力学、地质、环境、机械、自动化、计算机等学科的交叉科学研究，未来的采矿的本科生和研究生们必然大有作为。

矿业国际化是必然趋势，面向国际前沿，培养创新性人才，这是提高我国矿业竞争力的核心所在。

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