全球銅礦開(kāi)發(fā)利用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

楊卉芃，王威，柳林，曹飛

1．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，河南 鄭州 450006；2．自然資源部多金屬礦綜合利用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450006；3．河南省黃金資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450006

前言

銅是人類(lèi)最早使用的金屬之一，因具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、耐腐蝕性和耐磨性等優(yōu)良性能，被廣泛地應(yīng)用于電力、電子、能源、石化、機(jī)械、冶金、交通、輕工和新興產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。銅是我國(guó)最重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源之一[1]，也是實(shí)現(xiàn)未來(lái)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要原料。全球城市化、工業(yè)化、自動(dòng)化和數(shù)字化的快速發(fā)展，尤其是可再生能源產(chǎn)業(yè)和電動(dòng)汽車(chē)等新興產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展促進(jìn)了銅市場(chǎng)需求的持續(xù)增長(zhǎng)。銅礦的開(kāi)采涵蓋了露天采礦、地下采礦、露天轉(zhuǎn)地下采礦等多種采礦形式[2]，硫化銅礦的加工提取工藝以破碎、磨礦和浮選為主；氧化銅礦的加工提取工藝以破碎、堆浸、萃取和電積工藝為主[3]。銅礦床類(lèi)型眾多，采礦方式多樣，其巨大的礦石開(kāi)采量和選礦處理量使得銅礦的開(kāi)采和選礦技術(shù)水平在很大程度上代表著全球礦業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平和發(fā)展方向。

根據(jù)標(biāo)普全球(SPGI)公司統(tǒng)計(jì)，2020年，全球前十大銅礦企業(yè)(以2020年銅產(chǎn)量排序)分別為Corporación Nacional del Cobre、Glencore plc、BHP Group、Freeport-McMoRan Inc.、Southern Copper Corp.、First Quantum Minerals Ltd.、KGHM Polska Miedz S.A.、Rio Tinto Group、Antofagasta plc和Anglo American plc(具體見(jiàn)表1)，其銅產(chǎn)量合計(jì)為918.58萬(wàn)t，占全球銅產(chǎn)量的43.58%，基本代表了全球銅礦開(kāi)發(fā)利用技術(shù)水平和發(fā)展前沿。本文對(duì)全球前十大銅礦企業(yè)開(kāi)發(fā)利用技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜述和分析，針對(duì)礦山數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化、安全、環(huán)境保護(hù)和新技術(shù)新裝備等銅礦技術(shù)發(fā)展的六個(gè)方面進(jìn)行概述，以期為中資企業(yè)境外銅礦開(kāi)發(fā)和國(guó)內(nèi)銅礦業(yè)發(fā)展提供參考。

表1 全球前十銅礦企業(yè)產(chǎn)量及資源概況

全球工業(yè)產(chǎn)業(yè)正向數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展，未來(lái)的時(shí)代將發(fā)展為數(shù)字時(shí)代，由“數(shù)字”連接和“人工智能”系統(tǒng)收集和分析數(shù)據(jù)信息，人工智能做出最佳決策和控制，從而推動(dòng)生產(chǎn)率的提高和全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

采礦業(yè)也正處于轉(zhuǎn)型發(fā)展的階段。雖然在過(guò)去十年中采礦業(yè)一直處于設(shè)備自動(dòng)化和移動(dòng)設(shè)備無(wú)人控制應(yīng)用領(lǐng)域的前沿，但其數(shù)字轉(zhuǎn)型工作進(jìn)展仍然緩慢。根據(jù)全球最大的十家銅礦公司的創(chuàng)新發(fā)展策略來(lái)看，銅礦產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展主要圍繞著礦山數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化、安全、環(huán)境和新技術(shù)新裝備六個(gè)方面進(jìn)行。

1 數(shù)字化

數(shù)字化通常包含將礦山的全部生產(chǎn)要素如空間、地理位置、地質(zhì)、礦床等信息屬性數(shù)據(jù)化，對(duì)采礦場(chǎng)、鉆機(jī)、鑿巖機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)、運(yùn)輸車(chē)輛和選冶設(shè)備等生產(chǎn)要素采用衛(wèi)星定位、激光測(cè)量、可視化攝像及各種傳感器采集全面的信息數(shù)據(jù)，并通過(guò)光纖、衛(wèi)星和Wi-Fi等無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)傳送到礦山控制中心儲(chǔ)存和加工處理，這些數(shù)據(jù)主要應(yīng)用在礦業(yè)勘探、礦山作業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化和生產(chǎn)管理系統(tǒng)優(yōu)化方面。

在礦業(yè)勘探方面，Corporación Nacional del Cobre公司正在建設(shè)地理位置信息數(shù)字系統(tǒng)，幫助分析解釋在勘探過(guò)程中獲得的數(shù)據(jù)[4]。BHP Group公司使用大數(shù)據(jù)和人工智能建立了地球物理模型，并重新分析已有的鉆探數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)研究，2018年11月在南澳大利亞現(xiàn)有的奧林匹克壩銅鈾礦床附近又新發(fā)現(xiàn)了橡樹(shù)壩銅礦床[5]。

在礦山作業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化方面，KGHM Polska Miedz SA公司2018年開(kāi)始實(shí)施KGHM 4.0計(jì)劃，旨在利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化和數(shù)字化技術(shù)統(tǒng)一管理公司生產(chǎn)，以提高公司產(chǎn)能和生產(chǎn)效率，該公司正在建設(shè)Rudna和Lubin地下礦山的數(shù)字寬帶傳輸系統(tǒng)，計(jì)劃通過(guò)數(shù)字化智能管理支持系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化礦山作業(yè)和維護(hù)礦山機(jī)械，該公司還研發(fā)了新的深部礦床地下開(kāi)采數(shù)字系統(tǒng)，使采礦系統(tǒng)的幾何形狀自動(dòng)匹配當(dāng)?shù)氐牡V床地質(zhì)和采礦條件，進(jìn)行合理的采礦方案設(shè)計(jì)[6]。Corporación Nacional del Cobre公司已通過(guò)數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化了Chuquicamata銅礦磨礦和浮選作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本[4]。BHP Group公司在Escondida銅礦試驗(yàn)場(chǎng)安裝了大量傳感器，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析礦石的質(zhì)量和等級(jí)，并將其與專(zhuān)有的算法相結(jié)合，對(duì)堆場(chǎng)礦石進(jìn)行分類(lèi)，決定將哪些礦石轉(zhuǎn)移到選礦廠，哪些礦石轉(zhuǎn)移到浸出廠，從而提高工廠的效率，降低處理成本[5]。

在生產(chǎn)管理方面，Corporación Nacional del Cobre公司 2019年10月啟動(dòng)了將數(shù)據(jù)從公司網(wǎng)站的服務(wù)器遷移到云服務(wù)器平臺(tái)中，以降低各部門(mén)數(shù)據(jù)中心的復(fù)雜性，最大限度地利用云平臺(tái)，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全，避免技術(shù)過(guò)時(shí)[4]。Rio Tinto Group建立了數(shù)據(jù)收集和分析系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通訊在內(nèi)的信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使公司所有的礦山、港口和鐵路系統(tǒng)能夠在統(tǒng)一的管理下運(yùn)行[7]。Antofagasta PLC公司制定了數(shù)字路線(xiàn)圖，建設(shè)了開(kāi)放的數(shù)字化在線(xiàn)協(xié)作平臺(tái)，并且正在評(píng)估建設(shè)Antofagasta遠(yuǎn)程操作中心，進(jìn)行數(shù)字化傳輸和數(shù)據(jù)處理，分析管理實(shí)時(shí)信息，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析等工具優(yōu)化工藝和生產(chǎn)管理[8]。

2 智能化

智能化一般是指對(duì)傳輸和儲(chǔ)存在控制中心的海量礦山數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生和數(shù)字模型等工具開(kāi)發(fā)人工智能軟件，優(yōu)化各生產(chǎn)環(huán)節(jié)調(diào)度與管理，提高礦山生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)礦山安全和高效生產(chǎn)。智能化的應(yīng)用主要體現(xiàn)在生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化、智能決策和安全監(jiān)測(cè)方面。

在生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化和智能決策方面，Rio Tinto Group公司使用數(shù)字孿生技術(shù)，研發(fā)了礦山操作和模擬系統(tǒng)，將工廠實(shí)際的數(shù)據(jù)與歷史信息結(jié)合起來(lái)，通過(guò)人工智能和預(yù)測(cè)軟件等強(qiáng)大工具和技術(shù)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)一起，作出最佳決策，提高包括勘探、采礦、運(yùn)輸和生產(chǎn)礦產(chǎn)品等各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率和安全性，研發(fā)的技術(shù)成果正被推廣到包括銅礦項(xiàng)目在內(nèi)的公司其他項(xiàng)目中[7]。Freeport-McMoRan Inc.公司在2018年與麥肯錫的數(shù)據(jù)科學(xué)家合作，分析Bagdad銅礦采場(chǎng)和選廠的數(shù)千個(gè)傳感器三年數(shù)據(jù)，成功地利用大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字孿生技術(shù)完善了人工智能系統(tǒng)[9]。完善后的系統(tǒng)通過(guò)礦山的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，可以預(yù)測(cè)和融合最有效的采選工序操作設(shè)置，并向調(diào)度發(fā)送命令，以調(diào)整采礦和選礦工序按最佳性能執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)Bagdad銅礦七種不同類(lèi)型礦石進(jìn)行不同采選工藝控制操作，Bagdad銅礦的采礦、選礦及設(shè)備使用效率均得到有效提高，產(chǎn)量增加了10%～15%，銅的回收率增加了1%，生產(chǎn)成本降低了10%～15%。公司正計(jì)劃在公司所有的北美和南美洲銅礦推廣該項(xiàng)技術(shù)。Anglo American Plc公司通過(guò)數(shù)字孿生、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)構(gòu)建了過(guò)程控制模型，實(shí)現(xiàn)智能控制，優(yōu)化設(shè)備和工藝性能，智能控制對(duì)部分生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的操作穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率提高可以達(dá)到40%[10]。

在安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面，KGHM Polska Miedz SA公司在Zelazny礦區(qū)建立了基于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的尾礦儲(chǔ)存設(shè)施狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]。Anglo American Plc公司正在開(kāi)發(fā)一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)和智能操作套件，以監(jiān)測(cè)預(yù)警工人工作環(huán)境，保障工作人員安全[10]。

3 自動(dòng)化

伴隨著全球工業(yè)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化，礦業(yè)自動(dòng)化在銅礦產(chǎn)業(yè)興起，銅礦企業(yè)開(kāi)始大量使用無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、無(wú)人自動(dòng)鉆機(jī)、無(wú)人自動(dòng)裝藥機(jī)、無(wú)人自動(dòng)鑿巖機(jī)和無(wú)人駕駛運(yùn)輸車(chē)輛等自動(dòng)運(yùn)行設(shè)備，配合智能控制系統(tǒng)，提高了銅礦生產(chǎn)效率，減少了人員傷亡等安全事故。自動(dòng)化的發(fā)展基于自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展和進(jìn)步，在銅礦開(kāi)發(fā)的應(yīng)用主要集中在采礦、選冶及運(yùn)輸方面。

在采礦方面，Rio Tinto Group公司建立了RTVISTM-力拓可視化系統(tǒng)，通過(guò)一個(gè)3D引擎，可以幫助操作中心操作員看到礦山所有的現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程，該系統(tǒng)軟件匯集了地質(zhì)、巖土、鉆井、爆破、生產(chǎn)和規(guī)劃數(shù)據(jù)，并對(duì)地表和地下的礦床特征可視化[11]。公司還開(kāi)發(fā)了礦山自動(dòng)化系統(tǒng)MAS，這些數(shù)據(jù)通過(guò)人工智能分析，可以自動(dòng)生成礦體模型，幫助組織設(shè)備調(diào)度、優(yōu)化工藝、預(yù)測(cè)和控制礦山爆破。2019年，Kennecott銅礦開(kāi)始大量使用遠(yuǎn)程操作遙控地形車(chē)和無(wú)人機(jī)進(jìn)行勘探及危險(xiǎn)工作，進(jìn)行實(shí)時(shí)3D繪圖和設(shè)施檢查，檢查礦山斜坡、頂部和巖壁是否存在裂縫和巖石移動(dòng)跡象等安全風(fēng)險(xiǎn)，使用裝有熱診斷能力的無(wú)人機(jī)從空中識(shí)別設(shè)備是否需要檢修。2019年，Corporación Nacional del Cobre公司在El Teniente銅礦引進(jìn)了兩臺(tái)自動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)(LHDS)，進(jìn)口了三輛無(wú)人駕駛運(yùn)輸卡車(chē)，這些自動(dòng)化設(shè)備提高了采礦生產(chǎn)效率，提升了坑采礦產(chǎn)量。公司還在 Chuquicamata Subterranea銅礦部署了8臺(tái)具有相同技術(shù)規(guī)格的自動(dòng)化鏟運(yùn)機(jī)單元(LHD)，于2020年第一季度開(kāi)始運(yùn)營(yíng)[4]。KGHM Polska Miedz SA公司逐步采用自動(dòng)機(jī)械采礦技術(shù)，利用數(shù)字化自動(dòng)控制技術(shù)保證采礦、選礦及運(yùn)輸車(chē)輛的效率，提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化水平，降低成本，節(jié)省能量消耗，并減少采礦業(yè)對(duì)環(huán)境的影響[6]。Anglo American Plc公司開(kāi)發(fā)了自動(dòng)和連續(xù)的巖石機(jī)械切割車(chē)輛，安全地采取地下的目標(biāo)礦石，不需要炸藥爆破，從而保障了巖石穩(wěn)定性，提高了回采率和礦石質(zhì)量，公司與昆士蘭大學(xué)合作研發(fā)先進(jìn)的智能爆破破碎技術(shù)，對(duì)大塊礦石的爆破破碎減少了大塊礦石的破碎成本，可以節(jié)能并增加選廠碎礦工序的處理能力，并正在研究利用自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)來(lái)改造硬巖開(kāi)采工藝[10]。

在選冶工藝方面，2019年，Rio Tinto Group公司使用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)優(yōu)化了位于猶他州的Kennecott銅礦選礦廠工藝的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)出的礦石類(lèi)型，來(lái)自動(dòng)調(diào)整工藝，提高了礦物的回收率和生產(chǎn)效率[10]。Antofagasta PLC公司在Centinela銅礦布置了自動(dòng)駕駛運(yùn)礦卡車(chē)，在Los Pelambres礦區(qū)布置了無(wú)人自動(dòng)鉆機(jī)和用于更換半自磨機(jī)襯版的機(jī)器人自動(dòng)手臂，公司還在Centinela礦區(qū)采用無(wú)人機(jī)探測(cè)礦石中混入的金屬等硬物，避免對(duì)選廠破碎系統(tǒng)的影響[8]。在蒙古Oyu Tolgoi銅金礦使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行爆破清除檢查，提高了工作效率，并確保了人員團(tuán)隊(duì)的安全。Corporación Nacional del Cobre公司在Ministro Hales選礦廠浮選系統(tǒng)中建立了石灰配料自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)，提高了銅精礦的品位[4]。

在運(yùn)輸方面，Rio Tinto Group公司的自動(dòng)駕駛火車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)AutoHaul通過(guò)列車(chē)、鐵路網(wǎng)和地形等信息來(lái)智能控制列車(chē)，提高了運(yùn)輸安全性和生產(chǎn)效率，消除了運(yùn)送司機(jī)往返火車(chē)的需要，提高了生產(chǎn)力[7]。在2018年，每輛火車(chē)的平均運(yùn)行時(shí)間比傳統(tǒng)的運(yùn)輸火車(chē)多700 h，成本降低了15%。在美國(guó)Bingham 銅礦，公司制造的低成本機(jī)器人爬蟲(chóng)Mark II可以深入銅礦峽谷的各種地形，檢測(cè)氣體、收集巖石、土壤和水樣，保護(hù)了人們的安全，節(jié)省了資金。Glencore Plc公司在Nickel Rim South銅鎳礦采用了無(wú)人自動(dòng)控制技術(shù)確保礦工能夠安全和舒適地坐在地面上遠(yuǎn)程操控鏟運(yùn)車(chē)和運(yùn)輸車(chē)，Nickel Rim South的安全控制包括地下激光屏障系統(tǒng)、車(chē)載攝像機(jī)和控制系統(tǒng)，采礦現(xiàn)場(chǎng)有一個(gè)控制電纜和一個(gè)激光屏，如果出現(xiàn)失控或有人越過(guò)線(xiàn)，則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉設(shè)備系統(tǒng)[12]。BHP Group公司位于智利的Escondida和 Spence銅礦正在評(píng)估使用無(wú)人自動(dòng)駕駛卡車(chē)車(chē)隊(duì)的潛力，并計(jì)劃逐步將鉆機(jī)等設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)人自動(dòng)操作。公司在Jimblebar鐵礦的自動(dòng)駕駛運(yùn)輸車(chē)隊(duì)已證明，無(wú)人駕駛車(chē)隊(duì)可以提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本20%，最重要的是可減少安全事故80%[5]。

4 安全

安全生產(chǎn)是礦山企業(yè)運(yùn)營(yíng)的首要任務(wù)，包括員工和所在社區(qū)的安全，其主要發(fā)展方向是提高員工安全生產(chǎn)方面的保障程度。

BHP Group公司的可持續(xù)發(fā)展價(jià)值觀將安全當(dāng)作開(kāi)展業(yè)務(wù)方式的基本要素。2016年，HP Group公司設(shè)定了全球安全優(yōu)先事項(xiàng)，強(qiáng)調(diào)安全先于生產(chǎn)力并建立了最常見(jiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)及其最低限度的控制，另外，該公司將實(shí)施更清潔、更安全的采礦車(chē)輛作為推進(jìn)安全生產(chǎn)的重要內(nèi)容[13]。Corporación Nacional del Cobre公司研發(fā)了一種使用伸縮臂和專(zhuān)利黏合劑處理和放置炸藥的設(shè)備“block caver”，已成功應(yīng)用于了100多個(gè)礦巷，提高了爆破的安全性[4]。Norilsk Nickel公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了工業(yè)外骨骼系統(tǒng)以幫助惡劣環(huán)境下工作的工人，有助于解決健康和安全問(wèn)題，并提高運(yùn)行效率[14]。公司正在開(kāi)發(fā)一種可以錄制視頻的雷達(dá)導(dǎo)航無(wú)人機(jī)，在不依賴(lài)GPS的情況下在地下礦山巷道中自主移動(dòng)，無(wú)人機(jī)用于檢查人工難以到達(dá)地區(qū)的設(shè)施狀況，從而加快檢查速度，降低診斷成本，最重要的是，提高安全性。公司還設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)用于自動(dòng)巡視禁止員工進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域，這可以防止設(shè)備意外關(guān)閉和事故[15]。KGHM Polska Miedz SA公司研究開(kāi)發(fā)了“操作人員防撞系統(tǒng)”，消除最常見(jiàn)的安全危害[6]。

5 環(huán)境保護(hù)

銅礦行業(yè)非常重視環(huán)境保護(hù)，前十大銅礦企業(yè)設(shè)立了未來(lái)的減排目標(biāo)，多數(shù)企業(yè)推廣使用可再生能源和節(jié)能設(shè)備，部分企業(yè)改進(jìn)工藝充分利用回水和淡化海水，以節(jié)約水資源。環(huán)境保護(hù)的發(fā)展方向主要在“碳減排”和水資源保護(hù)方面。

在“碳減排”方面，Corporación Nacional del Cobre公司為應(yīng)對(duì)氣候變化和可持續(xù)發(fā)展，致力于推廣電動(dòng)化，公司2018年在各部門(mén)開(kāi)始部署電動(dòng)皮卡車(chē)，2019年Chuquicamata和ElTeniente部門(mén)開(kāi)始測(cè)試部署電動(dòng)公共汽車(chē)，在ElTeniente銅礦運(yùn)行了第一個(gè)混合動(dòng)力鏟運(yùn)機(jī)(LHD)，大幅減少了柴油消耗[4]。BHP Group公司設(shè)定了2020—2030年的中期目標(biāo)為溫室氣體排放減少30%以上，公司將使用太陽(yáng)能裝置、礦井內(nèi)粉碎和電動(dòng)輸送機(jī)以及電動(dòng)車(chē)取代柴油運(yùn)輸車(chē)的解決方案，公司計(jì)劃建設(shè)光伏發(fā)電廠，并收購(gòu)附近的風(fēng)力發(fā)電站，使用更多的清潔能源，實(shí)現(xiàn)環(huán)保目標(biāo)[15]。

在水資源保護(hù)方面，2020年，BHP Group公司的Escondida和Spence銅礦用水實(shí)現(xiàn)了40%的淡化海水用量，并計(jì)劃2030年礦業(yè)開(kāi)發(fā)用水全部使用淡化海水[15]。Grupo Mexico公司將在秘魯Tia Maria銅礦浸出—萃取項(xiàng)目中全部使用淡化海水，保護(hù)當(dāng)?shù)氐牡叵滤Y源和環(huán)境[16]。Antofagasta PLC公司為L(zhǎng)os Pelambres選廠擴(kuò)建項(xiàng)目建造了400 L/s的海水淡化工廠和輸水管道，保護(hù)當(dāng)?shù)氐牡叵滤Y源[8]。

6 新技術(shù)和新裝備

有利于節(jié)能、環(huán)保的新技術(shù)和新裝備一直都是推動(dòng)銅礦產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。近年來(lái)，高壓輥磨、高效濃密機(jī)、粗粒浮選設(shè)備、光電預(yù)選設(shè)備、硫化礦堆浸技術(shù)和低溫超導(dǎo)量子探礦技術(shù)等一批新技術(shù)正在銅礦產(chǎn)業(yè)得到推廣應(yīng)用。機(jī)械切割采礦法、水力壓裂采礦和智能爆破法碎礦技術(shù)等創(chuàng)新型技術(shù)正在探索試驗(yàn)中。新技術(shù)和新裝備的研發(fā)方向主要集中于采選裝備的進(jìn)步和高效選冶技術(shù)的發(fā)展。

在采選裝備和技術(shù)方面，Glencore Plc公司在巴拿馬 Cobre 銅礦和智利Collahuasi銅礦采用Jameson 浮選槽取代了老式浮選槽，提高了銅的選礦回收率和銅精礦的品位，Jameson 浮選槽還在 Newcrest Mining公司澳大利亞 Cadia銅金礦和Barrick公司贊比亞 Lumwana銅礦等得到廣泛應(yīng)用[12]。公司在秘魯 Antapaccay銅礦采用IsaMill細(xì)磨工藝，提高了銅回收率和銅精礦品位，并實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。IsaMill磨在 Nevsun Resources 公司厄立特里亞Bisha銅鋅礦、Pan Australian公司老撾Phu Kham銅礦和哈薩克斯坦 Aktogay銅礦等得到應(yīng)用。Corporación Nacional del Cobre公司為應(yīng)對(duì)ElTeniente銅礦和Chuquicamata銅礦深部采礦的地質(zhì)力學(xué)挑戰(zhàn)，與世界各地專(zhuān)家合作，提出了應(yīng)用水力壓裂技術(shù)破碎巖石進(jìn)行采礦的工藝[4]。Grupo Mexico公司在Toquepala銅礦選廠擴(kuò)建項(xiàng)目中使用安裝了變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高壓磨輥(HPGR)，改進(jìn)Tokepala的破碎工藝，使Toquepala銅礦選礦廠的礦石處理量從6萬(wàn)t/d提高到11.7萬(wàn)t/d，大大提高了礦石破碎效率，降低運(yùn)行成本，減少維護(hù)、檢修的成本和時(shí)間[16]。公司在Cuajone銅礦用高效濃密機(jī)取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)濃密機(jī)，簡(jiǎn)化了浮選流程，提高了回水利用率，將尾礦固體含量從54%提高到61%，降低了淡水消耗。KGHM Polska Miedz SA公司建立現(xiàn)代化的礦石分類(lèi)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了礦物自動(dòng)顯微鏡系統(tǒng)”(AMCO)等儀器快速識(shí)別礦物。公司還開(kāi)發(fā)了礦石破碎系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和優(yōu)化控制系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)的移動(dòng)可視化系統(tǒng)FloVis system調(diào)節(jié)浮選工藝，使其適應(yīng)不同的礦石類(lèi)型，獲得最佳浮選工藝參數(shù)[6]。Antofagasta PLC公司的Centinela選廠擴(kuò)建項(xiàng)目考慮采用高壓輥磨工藝取代半自磨工藝，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和降低生產(chǎn)成本，并設(shè)計(jì)了新型尾礦壩濃密尾礦，提高回水利用率[8]。Norilsk Nickel公司的Talnakh選礦廠采用Outotec新型浮選槽(OK-100TS) 、Outotec新型高效濃密機(jī)(HRT)和再磨機(jī)取代老舊設(shè)備，用智能自動(dòng)化系統(tǒng)取代了陳舊的浮選單元控制系統(tǒng)，使所有的主金屬回收率提高了4%～7%[14]。Anglo American Plc公司正在研究利用自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)來(lái)改造硬巖開(kāi)采工藝，開(kāi)發(fā)了自動(dòng)和連續(xù)的巖石機(jī)械切割車(chē)，可以安全地開(kāi)采地下的目標(biāo)礦石，不需要炸藥爆破，從而保障了巖石穩(wěn)定性，提高了回采率和礦石質(zhì)量[10]。公司和合作伙伴研發(fā)了機(jī)載設(shè)備+地球物理信息系統(tǒng)，用于探測(cè)礦床和繪制地質(zhì)圖，該技術(shù)的核心是低溫超導(dǎo)量子干涉儀(LT-Squid)，可以從空中收集地下高分辨率的電磁、磁、輻射和重力信息，特別適用于在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中遙測(cè)金屬硫化礦物，能夠發(fā)現(xiàn)埋藏在地下的被其他導(dǎo)電金屬礦掩蓋的金屬礦床，該系統(tǒng)可用飛機(jī)或無(wú)人機(jī)搭載。Norilsk Nickel公司在Taimyrsky礦和 Komsomolsky礦推出一項(xiàng)新的巖石錨桿支護(hù)技術(shù)，在降低成本的同時(shí)，可以顯著提高安全性，加速井筒下沉，該技術(shù)可縮短施工周期25%，也可減少14%的勞動(dòng)力投入，在避免了人員暴露于危險(xiǎn)區(qū)域工作的時(shí)間的同時(shí)加快了作業(yè)速度[14]。

在選冶工藝方面，Corporación Nacional del Cobre公司在智利的RadomiroTomic銅礦成功地利用微生物輔助堆浸含黃銅礦的硫化銅礦石，提高了銅回收率，公司的其他礦山也開(kāi)始試驗(yàn)推廣微生物輔助的硫化銅礦堆浸工藝[4]。BHP Group公司發(fā)明了新的堆浸專(zhuān)利技術(shù)，該技術(shù)改善了堆浸的動(dòng)力學(xué)，可以最大限度地使用堆浸墊，浸出液儲(chǔ)存容量可達(dá)20萬(wàn)t，比常規(guī)堆浸的金屬回收率提高10%～12%，堆浸時(shí)間縮短50%，該技術(shù)在智利的Spence銅礦應(yīng)用，銅的回收率提高了約10%，抵消了該礦品位下降對(duì)成本的影響，并且這一技術(shù)在公司剛剛完成的奧林匹克壩銅礦堆浸試驗(yàn)中又獲得了成功[5]。Grupo Mexico公司正在El Pilar銅礦推廣使用高效益、低成本和環(huán)保的堆浸—萃取—電積技術(shù)，建設(shè)年產(chǎn)3.5萬(wàn)t電積銅的工廠[16]。First Quantum Minerals公司研發(fā)了從西班牙 Las Cruces多金屬礦床原生黃銅礦中綜合回收銅、鋅、銀和鉛的專(zhuān)利選礦技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了浮選和濕法冶金工藝，通過(guò)浮選得到含量12%～15% Cu+Zn+Pb的混合精礦，再通過(guò)高價(jià)鐵氧化常壓酸浸銅和鋅，萃取分離銅鋅，浸渣再用熱鹵水浸出，回收鉛和銀副產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)金屬回收率達(dá)到95%，比常規(guī)浮選提高了25%的技術(shù)指標(biāo)[17]。KGHM Polska Miedz SA公司也在致力于新環(huán)保浮選藥劑的研制和細(xì)粒浮選技術(shù)研發(fā)，用于提高浮選回收率，減少浮選藥劑對(duì)環(huán)境的影響[6]。Antofagasta PLC公司在Zaldívar銅礦堆浸工藝中，研發(fā)出了氯化物輔助浸出技術(shù)，銅回收率提高了10%[8]。Norilsk Nickel公司在Taimyrsky礦和 Komsomolsky礦推出一項(xiàng)新的巖石錨桿支護(hù)技術(shù)，在降低成本的同時(shí)，可以顯著提高安全性，加速井筒下沉。研發(fā)了塊礦預(yù)選裝置，通過(guò)脈沖快熱中子傳感器測(cè)定有用礦物含量，分選出優(yōu)質(zhì)塊狀礦石，實(shí)現(xiàn)早期預(yù)選拋尾，這項(xiàng)技術(shù)在El Soldado銅礦的試驗(yàn)結(jié)果顯示，可以提高選礦廠處理量及選廠入選礦石品位5%～15%，節(jié)能15%，節(jié)水20%，直接成本節(jié)約30%，目前該技術(shù)正在向公司巴西的Barro Alto鎳礦、南非的Mogalakwena 鉑礦和智利的Los Bronces銅礦推廣[10]。公司引進(jìn)了粗粒浮選技術(shù)，該技術(shù)可以在保證回收率的條件下浮選比常規(guī)浮選顆粒粒度大2～3倍的原料，浮選粒度的上限可以達(dá)到0.25 mm，只要礦物破碎解離后就可以以較粗的粒度進(jìn)入浮選工序，減少磨礦和后續(xù)處理成本。El Soldado銅礦的工業(yè)試驗(yàn)表明，粗粒浮選可以增加選廠產(chǎn)能20%，節(jié)能20%，降低直接成本10%，實(shí)現(xiàn)85%的回水再利用。公司將向?qū)傧碌你~礦山和鉑族金屬礦山推廣此項(xiàng)技術(shù)。

7 結(jié)論與展望

銅是實(shí)現(xiàn)未來(lái)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要原料，尤其是可再生能源產(chǎn)業(yè)和電動(dòng)汽車(chē)等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，促進(jìn)了銅市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)。銅礦開(kāi)發(fā)利用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)銅礦資源保證的關(guān)鍵，也是支撐銅礦產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

全球工業(yè)產(chǎn)業(yè)正向數(shù)字化、智能化和自動(dòng)化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展，未來(lái)的時(shí)代將發(fā)展為數(shù)字時(shí)代，由“數(shù)字”連接和“人工智能”系統(tǒng)收集和分析數(shù)據(jù)信息，人工智能做出最佳決策和控制，可進(jìn)一步推動(dòng)生產(chǎn)率的提高，礦山數(shù)字化、智能化和自動(dòng)化也將是未來(lái)銅礦技術(shù)發(fā)展的主流方向。

安全、環(huán)境保護(hù)和新技術(shù)新裝備應(yīng)用領(lǐng)域一直是銅行業(yè)關(guān)注的技術(shù)研發(fā)方向，并且隨著全球環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦業(yè)開(kāi)采、運(yùn)輸?shù)碾妱?dòng)化、高效低碳裝備等綠色節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)將會(huì)是未來(lái)銅礦技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。