“十三五”矿业工程发展战略研究

　　关键词：“十三五”规划；矿业工程；矿山压力与开采沉陷；矿井建设；优先发展领域；

　　作者简介：何满潮(1956—)，男，河南灵宝人，中国科学院院士，教授，主要从事深部岩体力学与工程灾害控制方面的研究工作

　　矿业工程是以矿物资源的安全、高效、环境友好地开采以及矿物资源有效加工和利用的应用性基础学科，包括采矿工程、矿山压力与开采沉陷、矿井建设、矿山安全、矿井新能源等五方面。矿业工程的研究内容广泛，研究对像迥异，方法也不尽相同，既存在共性规律，也有各自的规律。由于矿业工程学科的研究对象是以地质体为主的自然物质系统，其往往是多尺度与多场耦合的，既包括诸如岩石介质中微纳尺度的吸附、解吸问题，又包括细观尺度的流体运移、裂纹扩展及岩石损伤问题等，这使应用性和复杂性成为矿业工程学科的两个重要特点。这些特殊性导致矿业工程与人工设计的工业系统不同，对于地学系统的复杂性人类到目前为止尚不能完全认知，广大科研人员、工程技术人员在长期的学科发展与生产实践中付出了巨大的努力，也为经济与社会的发展作出了不可磨灭的贡献。

　　随着“十二五”规划目标的实现，“十三五”期间又对广大矿业工程从业人员提出了新的要求与目标[1]。这些新的要求与目标对于矿业工程学科的发展而言也是学科自身和经济社会发展的必然需求。本文谨对矿业工程领域广大科研和技术工作者的现阶段部分成果进行简要总结，结合中共中央关于下一个五年的规划建议，对本学科的发展战略进行分析，简述矿业工程学科未来发展趋势和优先发展领域。在此，希望与广大科技工作者共同探讨，力求推动矿业工程不断发展，为我国由矿业大国向矿业强国转变提供坚实的理论和技术基础。

　　1矿业工程“十二五”发展概况

　　“十二五”期间，矿业工程学科对我国发展的主要贡献可简要概括为：对我国发展的矿物资源贡献、能源贡献和学术研究贡献三个方面。

　　1.1矿物资源贡献

　　在煤炭、金属矿物与非金属矿物三个方面，中国贡献最大，占53.1%、77.32%和40%；在石油与天然气方面，中国的贡献居于中等水平，分别占15.45%和11%。中国为世界上__大能源生产和消费国，2014年，一次能源生产总量为36.0亿吨标准煤，同比增长0.5%；消费总量为42.6亿吨标准煤，增长2.2%；能源自给率为84.5%。能源结构不断改善，煤炭比重不断下降，天然气等清洁能源比重不断上升。2014年能源消费结构为：煤炭占66.0%，水电、风电、核电、天然气等占16.9%。原油产量2.11亿t，增长0.7%，居第四位。天然气产量1301.6亿m3，增长7.7%，居第六位。2015年上半年，原油产量1.06亿t，同比增长2.1%；天然气630亿m3，增长2.5%[2，3，4]。2012年中国与典型国家的矿物资源产量对比见表1。

　　1.2能源贡献

　　中国和典型国家能源结构图如图1所示。目前，我国的总发电量最大，且煤电仍占主体地位；美国是以煤电与天然气发电为主体，总发电量与我国相当。在水力发电方面，我国略优于所列典型国家；在核电方面，我国达到了同英国、加拿大等国相当的规模[5]。

　　1.3学术贡献

　　在矿业工程领域(以论文发表为例)，世界前20名国家的国际高水平学术论文(SCI为主，包括高水平的定期国际学术会议论文)在2007—2013年间发表的数量如图2所示。中国排在__位(24.00%)，美国紧居中国之后(15.34%)，印度排在第9位(4.40%)。

　　通过分析总结__前20个国家近10a在矿业工程领域的研究热点可知：地下开采与岩石力学仍然是世界范围内的研究主题。其中，矿山安全、露天开采、岩石力学、采矿废弃物、高应力岩爆、尾矿处理及高温矿井问题的研究也占有重要地位。

　　通过将我国同典型国家研究热点对比发现：在岩石力学、露天开采、高应力岩爆、以及矿山安全等五个研究方向上，中国的研究集中度均高于其他国家。特别是在岩石力学与高应力岩爆两个方向上，中国远高于美、英、澳等发达国家，更远远高于印度。同时发现，单从论文发表总量上来说，中国已经是在矿业工程领域的研究大国。但由于中国的论文研究内容跟踪多，创新少，而原始创新的数量则更少，所以不是研究强国。

　　综合判断，在过去的这一时期，虽然矿业工程领域在国家经济和社会发展中做出了一定的贡献，但也面临诸多矛盾叠加、风险隐患增多的严峻挑战。因此，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》[1]对矿业工程学科和相关产业过去及未来的发展具有十分重要的指导意义，认真总结经验并制定合理的学科发展战略规划，成为当前的重中之重。

　　2矿业工程“十三五”发展战略研究

　　为满足未来我国国民经济发展和全面建设小康社会的需求，做好矿物资源和能源需求的基础保障，以及相关领域内的技术支持和未来发展的知识储备，是矿业工程学科发展的首要任务。按照“十三五”规划要求，高效开采、环境友好型开采及生态屏障建立的需求更为显著，同时，矿物资源加工，以及随着开采产生的越来越严重的工程地质灾害等问题，都对矿业工程学科提出了新的重大需求。

　　根据基金委有关制定《学科发展战略研究与十三五规划》的要求，本文主要对目前发展良好并有很大潜力、具有国家重大需求背景，但目前还比较薄弱的两个学科领域，即矿井建设和矿山压力与开采沉陷二个主要研究领域进行发展战略规划分析[6，7，8，9，10]，对采矿工程、矿山安全和矿井新能源做简要分析。

　　2.1矿业工程“十三五”发展战略规划分析

　　2.1.1矿井建设

　　矿井建设[11，12，13，14，15，16]是为获取地下矿产资源而实施的地下工程技术。建井工程是依据地下复杂工程地质条件而实施的不同类型和用途的井筒、巷道及工作面开挖与支护的技术科学。矿井建设学科包括井筒建设、煤巷支护、岩巷支护及采场支护等，主要与各类岩层打交道，地下各类岩层的开挖和支护问题是矿井建设的核心问题。为实现矿井建设过程中科学的开挖与支护，需要弄清井筒、巷道与采场围岩所处的地质力学环境，需要研究不同地应力环境、不同性质、不同结构岩层、不同含水条件等多种情况下井筒、巷道及采场围岩的稳定性，需要研究不同条件下围岩稳定性控制理论与方法。由于地下矿层及地质条件的多样性、复杂性，矿井建设还需要进行大量的基础研究，研究内容涉及地质学、力学、运动学、测量学、机械学等多个学科。

　　2.1.1.1发展规律和发展态势

　　目前，我国各类矿井深度超过700m的井筒已占1/3以上，深部矿产资源开发利用已进入实施阶段，多个煤矿和金属矿山的开拓开采深度已超过千米；新一批超千米大型矿井正在规划和建设中；开凿大直径、深立井井筒，将是我国今后一段时间矿井建设的主要任务。岩石巷道工程支护技术发展历程大致可以划分为三个时代。__代为被动支护，第二代为主动支护，第三代为耦合支护。近年来，针对传统支护材料无法适应巷道围岩大变形而破断失效的问题，提出并研发了具有负泊松比效应的恒阻大变形锚杆(索)支护新材料，其拉而不断的超常力学特性，为有效控制巷道围岩大变形以及岩爆、冲击地压等大变形灾害提供了有效途径，改变了以传统支护材料为基础建立的巷道支护理论，为真正实现耦合支护理念奠定了材料基础。

　　我国学者针对深部围岩由于吸水软化、结构破坏以及岩爆、冲击地压等引起的灾害现象，进行了系统的巷道变形和致灾机理等方面的理论和实验研究，并取得了突破性进展。针对煤矿岩体中的黏土矿物成分吸水膨胀大变形导致的巷道塌方灾害，进行了软岩吸附量子力学研究。利用自主研发的岩爆力学实验系统，设计了不同类型岩爆实验方法，实验室再现了岩爆全过程这一复杂的力学现象。针对深井开采高温高湿环境引起围岩软化大变形导致的巷道塌方灾害，采用深部高温岩体力学特性实验系统，对围岩在常温低湿到高温高湿环境下的力学特性进行了实验研究，揭示了高温高湿环境易导致围岩软化大变形、强度衰减而发生破坏的规律，得出了深井高温高湿环境的控制是解决深部环境效应引起围岩软化大变形的关键。

　　建井工程及围岩支护经过多年的建设和发展，已形成以中国矿业大学南北两校、煤炭科学研究总院建井分院为龙头，北京科技大学、东北大学、安徽理工大学、山东科技大学、河南理工大学等广泛参与的基础理论研究基地，可以承担深部建井工程领域的重大基础理论和应用技术理论的研究工作。煤炭科学研究总院建井分院具有复杂地层的大型冻结法、钻井法、注浆法的模拟试验设施，设计并成功推广应用了多项深厚表土冻结、钻井和立井快速施工技术。在软岩工程力学支护理论与技术体系方面，研发形成了具有负泊松比效应恒阻大变形锚杆(索)支护理念、工艺、材料及机具于一体的成套支护技术，未来可以此为基础，进一步开展多场耦合深部岩体力学响应特性、恒阻大变形锚杆支护理论、监测技术等方面的研究。

　　2.1.1.2发展目标及实现途径

　　为进一步深入开展建井工程领域的研究，宜在以下方面进行突破。建立深厚表土(650~1000m)冻结壁合理设计理论及高效冻结法工艺技术；建立斜井或立井全机械化掘进技术理论体系；建立千米以上深井快速施工的技术理论与井壁结构合理设计理论。在围岩支护方面，深入认识巷道围岩吸水强度衰减规律及其大变形破坏机理、巷道围岩吸附膨胀能量机理，研发巷道围岩软岩结构效应及破坏模式的物理模拟技术、深部巷道恒阻大变形锚杆(索)支护材料与技术。重点开展复杂应力条件下岩巷工程岩体与支护结构相互作用机理研究，大力研发适用于岩巷工程围岩大变形控制的支护材料及支护结构，从而形成针对复杂开采条件下的第三代岩巷支护稳定性理论、设计方法及控制理论。

　　2.1.2矿山压力与开采沉陷

　　矿山压力与开采沉陷[17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27]是基于岩石(体)力学原理，揭示采掘围岩应力分布规律，探究岩层变形、破坏及其稳定性演化机理和控制原理的学科；是在岩石(体)力学基础上，根据矿山开采的特点发展起来的新兴学科和边缘学科，是应用性和实践性很强的应用基础学科。矿山压力与开采沉陷学科的研究对象包括在采掘过程中形成的矿山岩体工程结构、采场结构、矿山压力场、覆岩及其中的流体。

　　岩体是天然介质，通常包含有液体、气体，地质构造复杂，具有明显的非均质性、非连续性及各向异性。因此，该研究领域的特点有三：一是研究对象复杂。同时，开挖、回填及矿山岩体结构的破坏使得矿山结构处于不断地变化状态。二是矿山岩体是受扰动岩体，承受外界环境如重力、开挖、回填、放炮等力学(机械)作用，温度、湿度变化等物理作用。三是矿山工程结构环境作用的非线性，导致矿山结构的响应具有强非线性特性。

　　2.1.2.1发展规律和发展态势

　　随着现代岩石工程日趋复杂和向深部开采，矿山岩体工程结构的变形、破坏、稳定性问题和灾变机理更趋复杂。这种复杂情况导致已有的一些理论无法满足工程实践的要求。在多年的科研与实践工作中，钱鸣高院士和宋振骐院士分别提出了“砌体梁”理论和“传递岩梁”理论，并将理论应用于工程实践，取得了广泛的认可。近年来，在研究中提出了工程岩体大变形灾害致灾机理及控制理论，并逐步形成了“切顶短臂梁”理论，基于此形成切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术。即通过顶板定向预裂切缝，切断部分顶板的矿山压力传递，同时加固支护回采巷道顶板，在采空区侧顶板岩层矿山压力作用下，顶板部分岩体切落，实现自动成巷和无煤柱开采，称之为长壁开采110工法，并开始在国内多个矿区推广应用。并可进一步实现N00工法，即通过改变原来三条上山的布置方式和开采工艺布局，在一个采区内，不掘进工作面巷道，通过切顶卸压自动成巷方法，边回采边形成工作面巷道，实现采区内无工作面巷道掘进。同时，诸多专家、学者研究出一系列新的计算原理和方法，如离散元法、流形元法、拉格朗日元法等用于矿山岩体工程结构分析；将系统论、分形、突变论、耗散结构论、协同论、分叉和混沌等现代非线性系统科学用于认识和解释矿山岩体非线性灾变中的各种复杂过程；或是提出革命性新的本构理论及工程岩体控制与设计理论。

　　矿山压力与开采沉陷学科的发展过程，始终伴随着岩石力学试验机与试验技术的大发展。近年来，随着矿山开采向深部发展，我国在开展非常规岩石力学特性试验研究方面已经取得了可喜的成绩。其中包括：高围压、高温的岩石力学特性试验、多相介质耦合实验、岩石的细观时效损伤特性试验、岩石损伤力学特性的CT扫描试验等等。矿山岩体的强度和本构理论是矿山岩体工程结构变形、破坏和稳定性分析的核心。然而，在深部开采中岩体的非线性本构关系研究方面始终没有大的进展。近年来，随着数学、力学、计算机等相关领域新成果的不断引入，我国的开采沉陷研究取得了新的进展。如利用大变形理论、蠕变理论、砌体梁理论及数值方法等探讨了地表沉陷机理，并在矿山实施了条带开采、离层注浆、采空区充填等措施减缓地面沉陷。

　　2.1.2.2发展目标及实现途径

　　开展矿山压力与开采沉陷领域的研究，应该以开展深部矿山压力与开采沉陷学科亟待解决的科学问题研究为主线，以确保深部采矿安全开采和岩层移动规律研究为目的，针对深部开采涉及的关键科学问题如岩层运动演化规律、高应力及采动应力作用下围岩动力破坏及强流变变形破坏、多相、多过程耦合致灾机制、高应力下软岩、硬岩和破坏岩体力学行为和力学响应，同时兼顾浅部开采的岩层运动演化规律，形成基本完善的深部和浅部安全开采理论体系和具有国际影响的矿山压力与开采沉陷理论体系，进而为保障我国矿产资源科学、安全、绿色开采提供理论支持，并为国际矿山压力与开采沉陷的发展做出贡献。

　　2.1.3采矿工程、矿山安全与矿井新能源

　　2.1.3.1采矿工程

　　采矿工程的工作对象主要是地壳中的岩体，其本质是大规模的岩体开挖过程与活动。在露天开采中，边坡稳定性研究是安全采矿的关键技术问题，并一直是岩石力学等相关学科的基本命题。目前，露天矿山边坡的研究领域主要涉及以下领域，即：矿山边坡灾变模式与机理研究、矿区边坡灾变时空演化规律、矿山边坡稳定性评价与计算、矿山边坡灾变信息采集与预警、矿山边坡生态恢复与环境保护等，在目前丰硕成果的基础上，未来时期将面临更多新的挑战。

　　随着矿产资源的长期大规模开发，浅部资源日渐枯竭，地下采矿向深部发展成为必然。深部开采主要面临的问题有：高应力、多层矿体(煤层)联合或顺序开采，导致采动应力集中和叠加，需要高效安全的开采方法；高应力诱发冲击地压、采场与巷道难以支护问题；高井深导致提升、通风、排水、充填等作业困难，效率降低、费用增大等问题。

　　海洋采矿是人类未来采矿活动的必然，海洋的矿产资源分布在海水中、大陆架和深海底部，可分为海水中的溶解矿产资源、海底表面矿床和海底基岩内矿床。除伸入海上石油开采及天然气开采外，海洋采矿主要研究对海底表面矿床的开采，其矿产资源主要有大洋多金属结核矿和富钴结壳。未来海洋采矿将涉及到海洋资源的勘探、采矿、选矿与冶炼方面的一系列复杂的理论与技术问题。

　　2.1.3.2矿山安全

　　矿山安全责任重于泰山，矿业工程工作者们在先前的研究和实践中针对矿井煤岩瓦斯动力灾害防治、矿井通风与火灾防治、矿井水害防治、粉尘与职业危害防治、矿井热害防治、安全监测监控技术、非煤矿山安全等方面做了大量研究工作，矿山安全事故率大幅降低。但随着深边坡和深部地下开采的进行，矿山安全也面临着新的挑战。按照“十三五”规划相关建议，到2020年预期在超大规模超深井矿山安全开采和典型灾害防治技术领域形成引领性的研究方向，如：煤矿瓦斯动力演化及灾害综合防治基础理论研究、矿山通风与火灾综合防治基础理论与方法研究、现有开采条件下的职业危害治理与监测需求下的应用基础研究、矿井水灾孕育机制及监测预警理论及技术研究、不同地质环境和开采条件下深部开采热害成灾模式及防治与利用策略研究、矿山灾害风险因素感知传播理论、技术及方法研究等方向，并有望在相关技术和装备上取得有阶段性的研究成果。

　　2.1.3.3矿井新能源

　　由于其开发历史、地质条件、工艺技术、生产安全、国家政策以及市场需求等各方面的原因，针对矿井新能源中的页岩气、致密气、煤层气和地热能等发展的战略需求肯定会存在差异。在“十三五”期间矿井新能源发展的总体目标是形成相应的地质理论、突破关键技术、建立先进工艺、研发设备仪器，系统的建立适合我国地质背景和储层条件的页岩气、致密气、煤层气和地热能的开发评价技术体系，初步实现四种资源在煤矿开采过程中的绿色、环保、高效以及可持续开发，并初步建立我国矿井新能源开发和评价方面的标准。

　　2.2矿业工程优先发展领域分析

　　矿业工程优先发展的目的是，建立我国矿山开采、矿山岩体力学的理论与支撑技术体系以及监测和控制方法，为我国资源与能源的安全提供有力支撑；对在极地、极端寒冷或高温等极端条件下的岩石力学及采矿技术进行预研，为我国月球资源探测及深海采矿提供理论与技术支持。

　　目前面临的部分关键科学问题包括：①开采工程岩体本构关系；②开采条件下多相、多场耦合作用大变形破坏机理；③深部工程重大灾害防控理论与技术；④复杂条件下开采机器人化(机械化、信息化、智能化)的多信息融合分析和决策模型；⑤极端寒冷或高温等条件下的岩石力学及采矿技术；⑥多种新能源综合高效开发理论与关键工程技术等。

　　根据我国发展规划，未来优先发展领域主要研究方向有：①工程岩体力学的理论，包括工程岩体本构关系、平衡方程和工程岩体稳定性评价和设计方法；②高应力岩爆和冲击地压的机理研究、控制、监测及预报方法；③露天开采中滑坡灾害机理、控制、监测及预报理论及方法；④深井开采高温高湿矿井的热害机理与调控技术；⑤千万吨级综采工作面机器人化(自动化、信息化、机械化)；⑥深井矿压新理论及切卸压自动成巷先进技术；⑦矿山岩体多尺度、多相、多场耦合作用流体运移研究及瓦斯动力灾害控制、监测和预报技术；⑧月球环境下的岩石力学基础理论研究；⑨南海海域深海采矿技术的研究等。

　　3矿业工程“十三五”发展战略的保障措施

　　矿业工程“十三五”发展战略的保障措施有以下几方面[28，29，30，31]：

　　3.1硬件措施

　　1)协同其他部门开展科研攻关和示范工程建设。通过国家高科技发展计划(如国家863计划、国家973计划等)、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等渠道，对解决我国矿山安全生产先进技术的基础理论、原始创新和重大共性关键技术研发的问题，提供更有力的支撑；加强先进、适用技术的推广应用和安全科技示范工程的建设。

　　2)建立__、省部级及企业级重点实验室。建立__、省部级及企业级重点实验室并形成灵活有效的系统运行机制和体制。__重点实验室应涵盖一个领域，并对其中的关键基础研究问题进行探索；省部级重点实验室应涵盖若干研究方向，并对其中的关键应用基础研究问题进行科研，企业级重点实验室则更注重实际科学问题，针对性强，解决生产中遇到的实际问题。

　　3.2人才队伍建设

　　1)努力创造宽松自由的科研环境，形成和谐诚实的科学文化。将国家自然科学基金发展战略的源头创新类的研究项目系列、科技人才类的人才培养系列、创新环境类的科研环境建设等方面有机融合，形成更加明确的国家研究团队；同时在人才培养、科研管理、待遇等方面实施灵活、实用的政策，实行科学家对研究项目的“负责制”，使科学家在优越的科研环境中一心一意地从事科学研究。

　　2)制订科学合理评价制度与考核标准。制订科学合理公正的成果评价制度与考核标准，针对需要解决的科学问题，重点考核科学家到底解决了什么科学问题或科学问题的哪个方面。

　　3)培养具有国际视野、国际领先研究水平的矿山压力与开采沉陷学的创新团队，吸引本领域世界高水平科研人才加盟合作开展研究。

　　3.3经费投入保障

　　在整合现有科研力量、技术资源、试验平台的基础上，设立优先发展课题专项资金，实施高等院校和科研机构共同参与的联合攻关；吸引海外优秀人才参与，鼓励高层次国际合作，对重要科学基础问题、具有引领世界先进水平的关键核心技术研发等进行重点支持；争取经费来源多元化，完善联合资助机制，充分发挥科学基金的辐射效应，积极引导社会资源投入基础研究，调动多方面积极性，促进科技资源共享，推动产学研用结合，增强科学基金引导科技资源配置的能力；规范财务管理，健全科学基金财务管理体系，提高科学化、精细化管理水平。

　　3.4政策保障

　　包括过程监督管理，通过国家自然基金委引领学科基础理论发展，引导经费支持方向；完善评审机制，积极探索创新评审机制，及时资助具有潜在深远影响力、高创新价值或具有变革意义的研究，提升原始创新能力，同时加强评审专家库建设，建立专家信誉评价机制，保障评审质量，推进评审制度化和规范化建设；加强绩效评估，建立和完善尊重基础研究发展规律、体现科学基金工作特点的绩效评估机制。

　　4结语

　　矿业工程为我国经济社会发展中的矿产资源、能源保障做出了时代贡献，理论和技术研究方面亦取得了卓越成果。但面对在矿井建设、矿山安全中的深部开采，伴随着深部重大灾害防控、灾害动力演化等新问题，对矿业工程及领域内的广大科研工作者、工程师和技术工作人员提出了新的要求和目标。通过分析矿业工程各个领域的发展现状和未来趋势，讨论了优先发展领域，为建立起我国矿山开采、矿山岩体力学的理论与支撑技术体系以及监测和控制方法提供坚实的理论和技术基础，力争在矿业工程领域取得更多里程碑意义的科研成果。