特殊地区矿产资源开发资料课件

特殊地区矿产资源开发廖 涛2012010117矿业工程2012级7/6/2024特殊地区矿产资源开发月球矿产资源开发极地资源及其开发高原高寒地区矿产资源开发7/6/2024一、月球矿产资源开发1.1 引言 人类的活动，正在以未知世界的探索及利用为目标扩大。目前，正在向地球上的海洋开发以及向地壳的深部扩展，并且正在向无限广阔的、无重力的、真空的宇宙探索，也许能找到一些意想不到的资源。如果说北美的育空或克朗代克地区曾经吸引19 世纪的开矿者们到那里去寻找金矿的话，那么当走近21 世纪的今天，为了在外层空间寻找各种新原料，我们的眼界已经远远扩展到作为宇宙飞船稳固基地的地球以外了。7/6/2024 全世界各种原料目前虽未耗尽但它们总是有限的，而太空的勘探、开发和利用将需要大量原料，这只能从太空中去解决。由于运输费用太昂贵，以致不能考虑从地球表面开采出原料后再将它们运往地球轨道和更远的空间。因为从月球输送原料至太空比从地球输送便宜2030倍。1967年，美国“探测者号”探测器第一次取回并分析了月球上的土壤。根据目前的探测结果，月球上的矿产资源极为丰富，其中探测与研究程度较高的有月海玄武岩中的钛铁矿和克里普岩中的稀土元素、钾、磷和铀、钍等。此外、月球上其他岩石还蕴藏着丰富的、极具开发潜力的铝、钙、硅等资源。可见，月球是未来人类矿产资源可持续开发与利用的宝库之一。7/6/20241.2 月球资源开发设想 50年代美国就曾提出了有关载人月球勘探和向月球移民的问题，而且美国矿山局对涉及月球环境中物料的专门开采问题的识别和界说做了鉴定。在实施阿波罗计划期间，该计划的主攻任务是：（1）研究月球环境对岩石物理强度、弹性以及热物理特性的影响，如对岩石碎裂的影响；（2）研究月球岩体的钻孔爆破方法，包括由玻璃质颗粒与玻璃质粘结块构成的月球风化层的新碎裂方法；（3）研究月球表面上物料的运搬方法；（4）研究月球上拟采物料的加工方法。7/6/20241.3 月球环境 月球表面大部分覆盖着风化层，此风化层系陨石生成的岩屑覆盖层，岩屑由平均粒度为40130um的细土到直径达数米的大小不一的石块和巨砾组成。风化层的平均厚度在月海区为5m，在月高地区为10m。在月海区，块状玄武岩填满了古代月坑，形成大片平原，偶有浅滩，就好像地球上的河床。在执行阿波罗15号航天探测任务时，观察到月球上裸露基岩层的厚度达到16m，而在阿波罗6号的探测区，风化覆盖层的厚度只有10cm。7/6/2024月球上的主要不利环境参数是:(1)缺乏大气，昼夜循环中大气的真空度范围为 。这种真空状态会造成用于润滑剂与密封件中的许多材料脱气和分解；(2)昼夜之间或日照与阴暗期间辐射热波动大，由-170到+110，温度变化速率达170 /min。这样大的温度波动使裸露物体产生严重的热应力；(3)太阳辐射强度大，耀斑能量强。银河系宇宙射线要求解决严格的防辐射屏蔽问题；(4)月球的昼夜循环时间长，一个循环相当于28 个地球日；7/6/2024 (5)月球重力仅为地球重力的六分之一，这会造成人体运动的反常动态，而且在物料运搬作业中会产生异常效应；(6)月面遭受微陨石的连续撞击。这些微陨石都是球形宇宙尘粒，质量通常为 ，运动速度平均为20000m/s；(7)月球表面上还有能见度的间题，而且低真空会造成设备操作的异常故障。7/6/20241.4 月球资源 月球资源主要是火山岩。其中少量由太阳风堆积而成。这里主要有7种元素，构成了近99%的月球物质，这些元素是:O、Si、Mg、Fe、Cu、Al 和Ti。目前，月球开采的注意力集中在回收含有氧和氢的矿物方面，因为氧和氢对于人类生存的支持系统以及作为火箭燃料是必不可少的。对满足上述需要来说氧是共有的，而氢对于制取水和作为燃料成分是最重要的。根据该现有的方案，月球初期的开采与加工作业限制于制取氧，而氢的初期供应则来自地球。如果考虑开展月球农业生产和加工Fe、Si、Ti、Mg和其他金属以利于制造业，则还应包含含碳气体的生成。通过各次阿波罗航天探测已经收集到关于月球7/6/2024 资源的一些情况，但还需要用遥感技术从月球轨道来加以改进，也需要用取自致密的月球土壤的试样来分析验证。绝大部分的氧需要量可以采用钛铁矿(FeTiO3)还原的方法得到满足，因为在月球表面上的月海土壤和岩石中已经找到了钛铁矿。对于以月球作为前哨站、基地与驻地各阶段月球生产的估计需要量列于表1。7/6/2024 对于上表中的氢、氧的需要量，对于建设月球基地，每年需60t氧，如果是用钛铁矿还原的方法取氧，在假设月屑土中含钛铁矿8%，其中4%可以用来提取氧，则需要19000t月屑土或9000t月岩石。至于回收氢，因其在月屑土中含量为50X10-6，那么每年回收15t氢，就需要开采300000t月屑土。这样的采矿作业，将和中等规模的露天砾石采场差不多。在月球的资源中，当前考虑的矿床有两种。一种是氧化物，存在于月岩和岩屑层中，有FeO，SiO2，Al2O3和TiO2。对于制造氧来说，主要是(FeOTiO2)比较集中的矿床。虽然在岩屑层中，含7/6/2024 氧有45%其中只有10%是钛铁矿，估计在开采时，平均可回收氧3%。另外，岩屑层中的岩块，在烧结后可用作建筑材料。而另外一种矿床则是氢、氦和氦-3，由太阳风带到月球表层，通常是富集在小于100um的颗粒表面，好在月球表层土壤中80%是8125um颗粒，可采深度达23m，其中主要是氢，含量为(20300)X10-6，预计可回收含量为50X10-6 的氢。但在温度达到400时才能扩散出来，况且在真空中如何收集，尚属难题。7/6/20241.5 月球开采方法选择 1.5.1 露天开采露天开采 迄今已有多项研究都考虑采用露天开采方案，其特点是：采用高度自动化的遥控挖掘、装载与运输设备，为钛铁矿还原制氧过程供给月球表层土。遗憾的是，作为一种候选方案，露天开采方法在物料参数与结构方面存在许多问题。超高真空环境再加上月面环境中的极低温度会造成材料疲劳、延展性以及表面摩擦问题，还会造成密封件与润滑剂的污染与变质。例如，在超高真空中，表面摩擦要比在正常地球环境中高出近5倍；造成如此之高的表面摩擦是由于缺少像在地球环境中那种可以起到润滑作用的表面膜。7/6/2024 因此月球露天开采用的采矿设备需要有适合在太空环境中使用润滑剂的新标准。含有挥发性成分的密封件与润滑剂在月球环境中除了因受温度作用而产生疲劳现象之外还会迅速变质。而且微陨石的撞击也会对裸露表面造成损害。此外，由于月球重力减小，设备的稳定性也是个大问题，露天开采用的机动设备，如电铲、装载机以及运输车辆，都必须将质量中心设计得比其地球上的同类设备低得多，以防倾倒。机动设备的能源也是一个令人伤脑筋的问题。7/6/2024 1.5.2 地下采矿地下采矿 相反，在密封环境下进行地下开采可以克服某些上述不利影响。因为地下作业是在加压介质中进行的，而且离开了月球表面，不会受到辐射，也没有超真空造成的危害条件，所以使挖掘过程简而易行。此外，地下玄武岩中的钛铁矿富集度估计约比月球风化层的钛铁矿含量高出1倍。在地下开采环境中，可能需要采用某柴创新的岩石爆破原理和岩石破碎新方法。地下硐室需要密封，钻孔爆破将是主要单元作业之一。有人曾经建议采用径向一轴向式劈裂器，但此种装置未必适用。近年出现了等离子爆破技术，是加拿大诺兰达技术研究中心研究出来的。此法利用电容器放电使电解质在孔内汽化，变成高温高压等离子。虽说现7/6/2024 在就对月球地下开采的各项作业的细节做出推测为时过早，但是地下环境还是可以为加工厂和月球矿工生活提供场所的。美国矿山局推荐了利用微波封闭地下硐室，形成如同地球上的环境(见图1)。地下开采存在废热散放问题，但是根据最终分析，地下矿很可能成为更加适合月球环境下候选的开采方法。7/6/20247/6/20241.6 月球采矿的作用 从本质上说，在宇宙活动中月球采矿有三种作用：首先，向月球基地提供原料；其次，为太空旅行和进一步宇宙勘探供给燃料和生活用品；再次，为满足地球需要开采新的和供应紧张的材料。当宇宙开发计划逐渐取得进展时，月球采矿越来越受到重视。7/6/20241.7 新世纪月球探测的趋势未来的月球探测将主要侧重于:(1)月球能源资源的全球分布与利用前景评估；(2)月球矿产资源的全球分布和利用前景评估；(3)月球特殊空间环境资源超高真空、无大气活动、无磁场、地质构造稳定、弱重力、超洁净的开发利用，建立月基天文台，建立特殊生物制品和特种新型材料生产基地，建立基础科学实验室等；(4)建立月球基地的方案与逐步实施。7/6/20241.8 我国月球探测的发展战略与科学目标 1.8.1 我国月球探测工程的发展规划设想我国月球探测工程的发展规划设想 我国在发展人造地球卫星和载人航天之后，与时俱进，适时开展以月球探测为主的深空探测。近期我国月球探测可分为三个阶段：第一阶段环月探测：研制和发射我国第一个月球探测器月球探测卫星，对月球进行全球性、整体性与综合性探测。主要目标是：获取月球高精度三维立体图像，勘察月球重要矿产资源的分布特点与规律，勘测月壤的厚度与核聚变发电燃料氦一3的分布与资源量，探测地一月空间环境并对月球表面的环境、地貌、地形、地质构造与物理场进行探测。7/6/2024 第二阶段：月面软着陆器探测与月球车月面巡视勘察，发射月球软着陆器，试验月球软着陆器和月球车技术，就地勘测月球资源，开展月基天文观测，并为月球基地的选择提供基础数据。第三阶段：月面巡视勘察与采样返回，发射小型采样返回舱，采集关键性月球样品返回地球。我国在基本完成不载人月球探测任务后，根据当时国际上月球探测发展情况和我国的国情国力，可进一步研究拟定我国载人月球探测战略目标和发展规划，择机实施载人登月探测以及与有关国家共建月球基地。7/6/20241.8.2 我国月球探测卫星我国月球探测卫星“嫦娥一号嫦娥一号”的目标的目标中国首次月球探测工程四大科学任务：(1)获取月球表面三维影像：获取月球表面三维影像，精细划分月球表面的基本构造和地貌单元，进行月球表面撞击坑形态、大小、分布、密度等的研究，为类地行星表面年龄的划分和早期演化历史研究提供基本数据，划分月球断裂和环形影像纲要图，勾画月球地质构造演化史，为月面软着陆区选址和月球基地的位置优选提供基础资料。(2)分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点：勘探月球表面有开发利用价值的14种元素(钛、铁、钍、铀、钾、氧、硅、镁、铝、钙、钠、锰、铬、稀土元素)的含量与分布，根据元素分布的特点和高光谱数据，确定克里普岩、斜长岩和玄武岩的7/6/2024 类型与分布发现各元素在月表的富集区，评估月球矿产资源凡、等的开发利用前景。(3)探测月壤厚度：利用微波辐射技术，获取月球表面月壤的厚度数据，这也是国际上第一次进行全月球的月壤厚度测量。获取月球表面月壤厚度的数据，从而得到月球表面年龄及其分布，估算月球表面氦-3的含量、资源分布及资源量。(4)探测地一月空间环境：月球与地球的平均距离约为三十八万公里，处于地球磁场空间的远磁尾区域，探测太阳宇宙线高能粒子和太阳风等离子体，研究太阳风和月球以及磁尾和月球的相互作用，对深入认识这些空间物理现象对地球空间以及对月球空间的影响有深远的科学及工程意义。7/6/2024二、极地资源及其开发 如果有人仅仅把南极和北极视为冰天雪地，那就陷入了误区，因为那里还有大量的矿产资源，仅以煤为例，极地的煤的储量就高达21030亿吨。经查资料，知道南极拥有巨大的煤的储量，约为5000 亿吨，煤层主要分布于南极大陆二叠纪的冰盖下面。由于国际社会已达成共识，暂时禁止在南极开采任何矿产资源，煤的开采自然也在禁绝之列。因此可以说，南极有煤，但还没有展露于世。北极呢？就煤而言，至少有两点与南极不同。一是储量远胜南极，高约16000 亿吨。二是得到大量开采。7/6/20242.1 南极资源 南极大陆是地球上唯一没有主权归属的陆地，蕴藏着极其丰富的资源和能源。目前，世界主要国家都借2007/2008第四次“国际极地年”的契机，大幅增加对南极的投入，争先恐后提出设立“南极特别保护区”，南极的资源纷争变的更为复杂、隐藏和尖锐，但表形式却更加科学化、外交化和法律化。目前世界各国对南极的纷争主要表现在三个方面：一是领土要求国与非领土要球国之间的纷争。经济、科技发达的国家对南极的领土和资源的欲望从来没有减弱过，千方百计染指南极大陆，独霸南极资源。他们从各自的利益出发，曾提出过所谓的“发现论”、“占有论”、“扇面论”等理论，为在南极地区的利益分配寻找依据。7/6/2024 二是发达国家与发展中国家之间的纷争。由于发达国家和发展中国家在政治、经济等多方面发展不平衡，一旦发达国家掌握了开发南极资源的技术手段，而发展中国家不具备这种能力，只能眼睁睁的看着别人获取资源。就如现在进行外层空间研究一样，发达国家如美国、俄罗斯等国家掌握了这种技术，实际就是占有了外层空间，而且还符合有关国际法，在南极也会出现类似情况。三是南极条约国与非条约国之间的纷争。非南极条约国也就是南极条约体系之外的大多数发展中国家，他们将南极类比于外层空间和国际海底区域，从而要求人类共同继承财产的概念适用与南极及其资源。7/6/2024 铁矿是南极大陆发现的储量最大的矿产，主要位于东南极洲；煤是南极洲常见的矿物；根据各国地质调查，南极洲的有色金属矿产可能有900处以上，其中在无冰区有20多处。以发现的100多处矿床、矿点中，除铁和煤外，有南极半岛的铜、钼以及少量的金、银、铬、镍和钴；南极横贯山脉地区的铜、铅、银、锡和金；东南极洲的铜、钼、锡、锰、钛和铀等有色金属；石油和天然气。7/6/20242.2 北极资源 北极同样是人类资源的巨大宝库。除了水资源、生物资源、土地资源、太阳能、风能、水电资源外，还有石油、天然气、煤、金属和非金属矿产等。北极有世界级的大铁矿，享誉世界的芬诺斯堪的亚和科拉半岛大铁矿就是其中之一；除铁矿外，北极还有世界上最大的铜-镍-钚多金属矿，诺里尔斯克矿产基地就是其中之一。除上述矿产资源外，北极还有丰富的铜、铅、锌、石棉、钨、磷矿和铀、钚等放射性元素。7/6/20242.3 极地资源开发 随着资源需求的日益旺盛，地球两极地区所蕴藏的资源也成为各国关注和争夺的目标。与极地相关的事务不仅限于资源利益的博弈，还涉及许多其他事务，如军事、环境保护、生物资源养护、科学考察等。无论过去还是现在，世界各国在极地事务上都进行了重要的国际合作，但各国能否在极地资源开发问题上达成共识，将在很大程度上决定是否会导致国际争端和冲突。极地资源开发问题具有非常鲜明的特点，这主要来自于极地特殊的政治和地理属性。一方面，开发不属于任何国家所有的极地资源，目前受到国际法环境保护技术和经济因素的制约，因此在短期之7/6/2024 内并不具有可行性。在国际法层面上，1991年的关于环境保护的南极条约议定书规定50年内禁止任何形式的南极矿产资源开发，这使得南极资源开发问题暂时告一段落；在北极部分区域主权之争没有结果之前，各国也不得开发不属于任何国家所有的北极资源。技术上，主要是要克服恶劣自然条件所带来的困难，还需要有先进技术的保证，以免破坏环境。但随着科学技术的发展，技术难题是能够逐步得到解决的，并且有些国家在开发北极资源中已积累了不少经验。经济上，主要是看开发和运输成本是否具有经济吸引力。但从另一方面来看，制约极地资源开发的技术经济和环境等因素并不会导致世界各国对极地资源漠不关心，与此相反，对极地实际或抽象的资源加7/6/2024 以控制的政治博弈会超越经济和技术因素，因为政治的核心问题是利益分配问题。毫无疑问，即使是在极地资源开发条件不成熟的情况下，有关国家也会进行事先的政治和技术准备，从这个意义上看，极地资源开发的政治因素可能会压倒经济因素。总之，资源的稀缺性会导致世界各国在极地资源开发问题上进行政治博弈。当今许多国家仍然对极地主权和资源充满兴趣。一旦极地资源的开采技术成熟，并且在不破坏极地环境的前提下，即使在现有国际法框架的限制下，极地的资源之争也可能再次浮出水面。7/6/20242.4 我国极地资源开发研究 我国地处北半球，北极地区的开发对我国具有重大意义。我国对北极的研究相关著述比较匮乏，最近几年来才开始出现专题研究，初始阶段主要是关注北极领土争端的国际法背景。近一年来，主要研究对象的领域开始变宽，扩展至北极环境保护法制问题、北极争端的海洋法背景、北极两大航道的法律地位问题、斯匹次卑尔根群岛条约相关法律问题、北极考察的法律规制、北极的软法治理等等。从总体上看这些研究成果初步填补了我国相关研究的空白，但是从我国在北极所拥有的既得海洋权益的维护以及潜在海洋权益的拓展来看，还有待进一步有针对性的深入研究。7/6/2024 我国对南极的考察活动也远较北极为早，早在上世纪80年代末，我国就已经开始了对南极法律问题的研究。时至今日我国关于南极法律的研究的成果主要集中于以下几个方面；(1)南极条约体系研究；(2)南极环境保护制度尤其是环境损害赔偿制度；(3)南极矿产资源开发法律规制的演变。相比之下，我国现有的对南极法律的研究主要仍是偏重于对南极条约体系的研究，以及我国在南极大陆开展考察及相关权益的相关法律问题研究。从总体来看，我国对南极海域存在的法律冲突还缺乏足够的关注，深入的对策性研究还远远不够。7/6/2024三、高原高寒地区矿产资源开发 高原高寒地区是指：(1)海拔高，气温低，冬寒夏凉，无霜期短；(2)空气稀薄，透明度好，太阳辐射强，日照长，晴天多；(3)昼夜温度差大；(4)降水量较少，但气温低，蒸发量弱；(5)雪山连绵，冰川纵横；(6)日照强烈，太阳能丰富。7/6/20243.1 青藏高原矿产资源概况 矿产资源丰富：矿产资源丰富：青藏高原地域辽阔，地处特提斯-喜马拉雅成矿区域，地质构造复杂，成矿作用强烈，是世界找矿潜力最好的地区之一。该区矿产资源十分丰富，矿种比较齐全，尤其是有色金属矿产资源极为丰富。资源开发利用程度低：资源开发利用程度低：青藏高原矿产资源开发利用程度较低，一是由于自然条件恶劣，交通不便，工业基础较薄弱，以粗放型开发为主，即使是优势矿产资源，也仅限于采掘和选矿。另一方面为可设计规划利用储量及暂难利用储量所占比重很大，表现在矿产资源保有储量多，但贫矿多、富矿少，且共生、伴生矿床多，单一矿床少，选矿难度大。7/6/2024 资源开发潜力大：资源开发潜力大：青藏高原矿产资源潜力巨大，具有寻找国家紧缺矿产和大型超大型矿床的地质条件，可成为我国重要的矿产基地。青藏高原的铜、铬铁、铅、锌、金、银、盐湖矿产(硼、锂)、地热、矿泉水为优势矿产，具有潜在优势的矿产有锑、钼、稀有金属(铷、铯、锶)、钾盐以及水泥用灰岩、花岗石等建筑非金属矿产。国家紧缺矿产铬铁矿床，已查明矿床资源储量519.6万t，保有 364.5万t，矿石品位高，多为冶金级矿石。玉龙斑岩铜矿带内，已查明矿产资源储量906.05万t，有大型矿床4处、中型矿产1处。7/6/20243.2 矿产资源开发诱发的地质环境问题 近些年来，由于自然和人类的影响，尤其是资源开发速度的加快，青藏高原地区出现了一系列极为严重的地质环境问题。这主要是由于受自然条件和技术水平的限制，由于该地区位于高寒地区，地质环境十分脆弱，而且企业大多采取粗放型，掠夺式资源开发模式，资源浪费十分严重，采富弃贫、单一开采、乱采滥挖，导致环境破坏和污染。特别是矿产资源在开发过程中对地表和地下的剧烈扰动，诱发了多种地质环境问题。7/6/2024矿山开采引发地质灾害：(1)采空区地面塌陷；(2)地裂缝；(3)崩塌；(4)泥石流；(5)尾矿库溃坝。7/6/20243.3 高原采矿面临的问题 由于高原地区复杂的气候、地理地质条件，使得高原采矿面临许多问题：(1)工作人员的工作效率和健康问题；(2)耗氧型矿山机械设备的效率和寿命问题；(3)采矿技术问题；(4)生态保护问题。7/6/20243.4 矿产开发与地质环境协调发展的保护对策 资源开发与环境保护不可偏废，使环境问题在发展过程中得到控制是我们最基本也是最现实的选择。这就需要我们避开以前先开发后治理的开矿老路，不仅要做好“在开发中保护，在保护中开发”的工作，而且从预防的角度来说，在开发前就要做好资源开发对环境的影响机制研究和矿产资源开发的环境承载力研究，这样才能做到对大自然有节制的索取，采取合理开发和有效利用，做到人与自然和谐相处。通过收集资料、遥感解译、野外调查、取样测试等技术手段，查清已采矿区的矿产资源类型、开采方式、历史、强度等，分析环境的演化过程，查明不同环境背景下资源开发对环境的影响机制。7/6/2024重点开展的研究如下：(1)青藏高原资源开发对地质环境的影响机制研究；(2)矿产资源开发地区的环境承载力研究；(3)矿产资源开发与环境保护对策研究；合理布局矿山；协调基础设施与矿产资源开发；加强矿山地质环境的监测及预测预报；切实进行矿山环境治理。(4)实施“绿色矿区”示范工程。7/6/20247/6/2024