謝和平 深圳大學特聘教授、中國工程院院士，主要從事力學與能源工程方面的研究，在國際上開創了巖石力學分形研究新領域；在我國最早建立了裂隙巖體宏觀損傷力學模型，開拓了裂隙巖體損傷力學研究；首次提出了深部原位巖石力學構想，構建了深部巖體力學與開采理論研究框架。研究成果已出版10余本中英文專著、發表500余篇論文，榮獲國家自然科學獎二等獎等國家級獎勵4項。

周宏偉 中國礦業大學（北京）教授，長期從事能源與礦業開發中的巖石力學研究，負責完成了國家973課題、國家十三五重點研發計劃課題、國家自然科學基金項目、科技部國際合作項目等10余項。曾獲國家自然科學獎二等獎、教育部自然科學獎、北京市教學成果獎等獎勵，發表論文200余篇。

摘 要

在廣泛調研和系統分析基礎上，根據礦業學科發展的自身特點和未來五年我國經濟社會發展的需求，提出了“十四五”期間礦業學科發展目標，梳理出14項應加強的優勢方向、17項需培育的發展方向、10項應促進的前沿方向和5項可鼓勵的交叉研究方向，并凝練出5項“十四五”優先發展領域和5項“中長期”（2035）優先發展領域。最后，從政策層面和學科層面提出了促進礦業學科發展的若干舉措和建議。

關鍵詞：礦業學科；發展戰略；“十四五”；深地、深海、深空資源開發

礦業工程學科是用以指導礦物資源安全、高效、環境友好地開采以及礦物資源有效加工和利用的工程技術科學[1]。由于大自然礦藏及礦業生產地質條件的多樣性、復雜性，礦業學科已發展成為學科綜合度和交叉關聯度很高的一門工程技術科學[2]。礦業學科涵蓋了煤炭資源、金屬與非金屬礦產資源、地熱資源、海洋礦產資源以及人類嘗試涉足的其它星球資源的開采，包含了煤炭資源、金屬與非金屬礦產的采掘、洗選、加工，涉及到資源開采的環境、安全和礦產資源的儲存、運輸等眾多科學與工程領域[3]。

當今，全球科技變革深入推進，新學科和新領域不斷涌現，學科界限不斷被打破，不同學科相互滲透、相互融合現象已成必然趨勢[4-7]，致使礦業工程學科不斷突破傳統學科的局限，進入一個全新的發展階段。在我國“十四五”發展階段初期，積極探討礦業工程學科的發展方向和發展重點，確定符合我國國情的礦業工程學科的“十四五”發展戰略，對促進我國礦業工程學科更快、更好地發展具有重要意義。

1   礦業學科的發展特點和趨勢

當前，人類所耗費的自然資源中，礦產資源占80%以上，地球上每人每年要耗費3噸礦產資源。其中能源占礦產資源生產、消費的絕大多數。當前，全球礦產資源總產量為227億噸，能源、金屬和非金屬產量分別占68%、7%和25%，體現出人類對于能源的高度依賴[8]。

礦業在經濟發展中同樣占重要位置，據最新報告顯示[8]，當前全球礦業總產值為5.9萬億美元，相當于全球GDP的6.9%，其中能源礦產占76%，金屬礦產占12%，重要非金屬礦產占12%（圖1）。從產業看，全球共有60多個重要礦業國家：11個國家礦業產值與本國GDP之比大于50%，17個國家礦業產值與本國GDP之比介于20%～50%，21個國家在10%～20%?？梢钥吹?，礦業對國家經濟發展的重要作用和地位。

圖1    全球礦業總產值占比

從能源消費結構上看，中國、印度、東盟等亞洲新興經濟體、美歐日韓等發達經濟體和其他國家分別消費了全球35%、36%和29%的能源，全球能源消費總體呈現“三分天下”的格局（圖2）。同時，氣候變化促使全球能源消費結構加速調整，我國“雙碳”目標約束下，煤炭占比將持續下降，清潔能源占比將持續增加。

圖2    全球能源消費格局

礦業學科的發展不僅受自然科學規律的約束，而且依賴資源賦存條件、經濟發展水平、社會發展需求的綜合影響[9]。隨著人類生存水平的提高和社會進步的需求不斷變化，礦業學科和所支撐的工程實踐持續地開發出大規模、多種類的礦產資源，這是與自然科學不斷揭示自然規律截然不同的學科特點，后者的任務是“探索、揭示、發現”，由此也決定了礦業工程學科一系列的屬性和發展規律。礦業工程在設計、建設、生產、保障系統功能的同時，越來越受到來自資源開采環境的“極限”挑戰，各種極端性、復雜性、非線性、不確定性等特性和因素廣泛存在于礦業工程系統及其運行過程中（圖3）。礦業學科的不斷發展和人類對豐富物質文明、挑戰自然的無限追求，導致礦業工程系統的服役環境越來越惡劣，工程系統的行為規律也愈加復雜多變；另外，人類對不可再生資源的消耗和對環境生態的破壞使得可持續發展成為21世紀全球共同面臨的重要課題。

圖3    礦業學科發展規律與發展趨勢

（1） “極端性”成為礦業學科未來發展所面臨的嚴峻挑戰

資源和能源是支撐人類社會的最重要的物質基礎之一，隨著淺部資源開采的枯竭，向深地、深海尋找更多資源已成為必然趨勢，深部陸地和深水海洋礦產資源的開發成為解決人類資源和能源的有效途徑[10-14]，高地壓、高地溫、高水壓、強海風、大海浪等極端開采環境是礦業學科發展必須面對的嚴峻挑戰。在極端環境和自然災害作用下，礦業工程系統的原位巖體力學行為、地應力環境與動力災害演變機制、多相并存多場耦合作用下滲流規律、強采動應力場—能量場演化特征、風浪流對采礦船的動力激勵、集礦機在海底的行走特性、深海采礦系統的動力學行為等成為礦業學科的核心科學問題。此外，月球、火星等太空資源的勘探開發也列入國家計劃。深地、深海、深空等極端環境下資源的勘探開發及轉化利用給傳統的礦業學科提出了嚴峻的挑戰。

（2） “復雜性”成為礦業學科未來發展所需解決的重要難題

深部巖體材料非線性、大形變的幾何非線性、各種非線性的耦合效應等復雜的非線性行為與機制給礦業學科帶來了挑戰[15]。20世紀微分幾何的發展使系統非線性動力學取得突破，系統的混沌、分岔、分形等非線性行為與機制獲得了數學上的解釋和描述，并在簡單系統的工程實踐中初步實現了對非線性行為的控制或利用。然而，復雜工程系統的非線性行為與機制仍然無法很好地被解釋和把握。深部資源開發過程中涉及的巖體非線性行為是礦業學科需要面對和解決的重要課題。同時，隨著深部資源復雜開采環境的深入，不同物理場之間的耦合效應也越來越強烈，深部陸地資源開發存在的熱—力耦合場、液—固耦合場、氣—固耦合場，深水海洋資源開采存在的氣—液—固耦合場、海底多相資源耦合共生現象，以及不同物理—化學—生物耦合場、資源型礦體與外部介質界面的耦合作用等使得礦業學科的研究內容變得極為復雜。

（3） “交叉性”成為礦業學科未來碳中和零碳、負碳技術發展的必然趨勢

當前，新一輪科技革命蓬勃興起，各種先進理論、先進技術大量涌現，信息化、智能化產業正在迅速崛起，通過信息技術與工業相融合以提升國家工業水平的產業戰略已經成為全球共識。德國、美國、日本等世界工業大國相繼提出了“工業4.0”“工業互聯網”“第四次工業革命”等概念并開始付諸實施[16,17]。當前形勢下的工業變革以物聯網和智能制造、智能控制為主導，正在深刻影響今后的全球工業產業布局。信息化、智能化、綠色化迅速向各學科領域滲透，帶動產生各種新的活動領域和合作形式。礦業學科既要按照生產、礦井的地質和經濟特性來完善和發展傳統的礦業工程科技，又要吸收和融匯現代科學技術的最新成就使礦業工程科技不斷提高和更新[18,19]。以信息化、智能化、綠色化為創新驅動的學科融合發展將極大提升礦業學科的科學內涵，促使礦業學科進入快速發展階段。

2    “十四五”發展目標及優先領域

根據國內外礦業工程學科發展趨勢和需要解決的科學問題，應加強礦業工程學科基礎理論研究，形成支撐現代礦業工程技術進步的基礎理論體系，加強相關理論、學科、技術等交叉，實現自動化、智能化開采，統一礦區環境保護與治理，減少或消除開采引起的環境破壞，使礦產資源開發與礦區環境協調發展。形成一批國際知名的礦業工程學科學者、專家、學術帶頭人，廣泛推進國際性學術交流，使我國真正成為世界上的礦業大國和強國，成為礦業工程學科理論研究、技術開發和學術交流的中心，引領世界礦業工程學科發展。

（1） 加強關鍵共性基礎理論研究

通過關鍵共性理論、方法和原理的研究，培育對礦業工程學科發展具有推動作用的重大科研成果。加強礦業學科基礎理論研究，形成支撐智能采礦技術體系的礦山壓力基礎理論：根據資源稟賦特征、開采方法，建立相應的、完善的巖石力學及采動巖石力學基礎理論。在深部巖體原位力學理論、近零生態損害保護性開采理論、面向智能化無人開采的理論、深地礦產與地熱資源共采基礎理論、關停礦井綜合利用理論與方法等領域取得重大理論突破。

（2） 調整完善礦業工程學科體系

根據我國經濟社會發展對礦業人才的需要，調整完善礦業工程學科體系，廣泛吸收基礎科學與相關學科的知識與技術，促進智能化、信息化相關學科交叉與融合，調整完善本科、碩士和博士培養方案，建立與時俱進的學科知識體系、知識結構，滿足社會經濟發展的需求，服務于我國新時代經濟社會的全面發展。

（3） 建設一流研究平臺和科研基地

充分發揮國家重點實驗室、高校和研究院所在基礎研究方面的優勢，加強科研平臺建設，建設一流的科研基地，加強社會合作交流和開放共享，提高資源利用效率，促進基礎理論原始創新研究。充分發揮國家工程研究中心、國家重點實驗室在產業技術創新戰略聯盟中的關鍵作用，促進產學研合作，提高我國產業的自主創新能力和國際競爭力。

根據未來五年我國經濟社會發展需求，在廣泛調研和系統分析相關學科國內外發展趨勢的基礎上，梳理出14項應加強的優勢方向、17項需培育的發展方向、10項應促進的前沿方向和5項可鼓勵的交叉研究方向，如圖4～圖7所示。

圖4    “十四五”期間我國礦業學科應加強的優勢方向

圖5    “十四五”期間我國礦業學科應培育的發展方向

圖6    “十四五”期間我國礦業學科應促進的前沿方向

圖7    “十四五”期間我國礦業學科可鼓勵交叉的研究方向

根據未來5～15年我國經濟社會發展需求層次和科技發展水平，從上述發展方向中，凝煉出5項“十四五”（2025）優先發展領域和5項“中長期”（2035）優先發展領域，如圖8、圖9所示。

圖8    “十四五”優先發展領域

圖9    “中長期”優先發展領域

3    礦業學科交叉發展與國際合作前沿

3.1    深部資源采選充（冶）一體化及原位轉化

深部礦產資源開采難度加大、生產成本增加，傳統資源開發方法難以適用，要使我國成為地球深部探測領域世界范圍內的“領跑者”，特別是要在深地煤炭資源綠色安全開發領域成為國際上的“領跑者”，就必須顛覆現有的礦產資源開發理論與技術，通過研究新的深部資源開發方式，提升我國深部資源獲取能力。深部礦產資源采選充（冶）一體化及原位轉化是一種顛覆性的深部資源開發模式，將傳統的地下采礦、地面分選、地面冶金三個相對獨立的生產鏈緊密銜接為地下采選充（冶）一體化生產系統，僅提取有用礦物及電熱氣，將分離出的廢棄物就地充填，實現固體廢棄物無害化處理，推進礦區生態文明建設，實現綠色礦業、智能礦山、循環經濟和可持續發展。同時，在此過程中出現的新理論與技術難題也是人類走向地球深部必須面對和優先探索的基礎性科學問題。

研究深部煤礦和金屬礦無人化智能化開采、分選、充填、冶金等過程的一體化，建立固體資源原位流態化開采理論與方法，形成傳統的地面分選、冶煉等過程全部在井下原位實現的模式，提出僅提取有用礦物及電熱氣、廢棄物不出地面留在井下用于充填的方法。該交叉領域的核心科學問題包括：(1) 深部開采巖體結構參數的透明化表征方法；(2) 固體資源流態化開采的原位采動巖體力學理論；(3) 固體資源流態化開采擾動下的多物理場耦合理論與近場圍巖溫度場—滲流場—應力場—裂隙場—化學場耦合作用機制；(4) 深部資源多組份、多相介質原位多元轉化的冶金動力學原理與方法；(5) 深部資源的原位智能化分選與有用礦物提取方法。該交叉領域的主要研究方向包括：(1) 地質構造探測及地質保障技術；(2) 基于復雜地形空間導航定位的深部礦產資源智能化開采；(3) 深部原位采選充（冶）體一體化技術與裝備研制前沿探索。

通過建立基于流態化開采的深部資源原位采選充（冶）一體化理論與技術體系，實現對深地固態資源采、選、充、冶的原位、實時和一體化開發，提高深地礦產資源的開發效率、運輸效率和利用轉換效率，轉變傳統的礦產資源的開發模式和運輸模式，實現“地上無礦、井下無人”的綠色環保開采終極目標，開辟新型采礦工業模式，引領礦產資源開采技術革命，實現固態礦產資源開采深度上的突破及深地礦產資源清潔高效和生態友好開發利用，為我國可采資源總量翻一番提供技術支撐。

3.2    深地/深海/深空礦產資源開發

地球上無法再生的礦產資源正在被過度消耗，部分礦產資源陸地開采供應的難度越來越大、甚至到了難以為繼的程度。深海采礦成為新一輪全球礦產資源開發競爭的焦點，美國、日本、德國等國家在20世紀70年代末就開展了深達5500m的錳結核聯合開采試驗[20,21]。太空采礦也正在成為礦產資源勘探開發的前沿陣地[22-25]，進入21世紀以來，美國、俄羅斯、歐盟紛紛啟動了太空采礦計劃，從而帶動了相關學科的發展。

從礦業學科自身發展需求看，隨著礦產資源的開采深度逐漸增加以及由陸地向深海延伸，開采難度和安全風險大幅增加，極地資源的勘探開發也給傳統的礦業學科提出了嚴峻的挑戰。從經濟社會發展趨勢看，物聯網、云計算、大數據、人工智能、移動互聯網、機器人化裝備的飛速發展，給傳統礦業學科帶來了顛覆性變革。在這一背景下，深地、深海、深空礦產資源開發必將成為未來礦業學科的重要發展領域。

該領域的核心科學問題和主要研究方向有：(1) 深地、深海、深空保真取芯與原位巖石力學理論（深部巖石原位保真取芯、深部原位保真測試技術、深部原位巖石力學理論）；(2) 深海采礦系統的動力學理論（水面母船設計的水動力理論、系統中管道的動力學特性）；(3) 低重力與極端溫度下太空采礦理論（太空礦產資源精準探測、太空原位保真取芯與智能探礦、太空資源地下開采與地下空間利用）。

當前我國深地、深海、深空資源開發還處于起步階段，面臨諸多發展瓶頸問題[26]。有必要加強國際交流合作，發展深地、深海、深空能源資源勘探與評估方法，建立深地、深海、深空資源開發基礎理論，研發深地、深海、深空資源開發技術與裝備，尤其是深地、深海、深空資源智能化、無人化開發技術與裝備。利用智能遙感、自主導航、人工智能和通信技術對深地、深海、深空礦產資源進行開發，力爭促使我國走到深地、深海、深空礦產資源勘探與開發的世界前列。

4    結論與建議

4.1    主要結論

根據礦業學科發展特點和國內外礦業學科發展趨勢，可以得出以下幾點結論：

（1） 人類對豐富物質文明、挑戰自然的無限追求，導致礦業學科越來越受到來自資源開采環境的極限挑戰，“極端性”“復雜性”和“交叉性”將成為礦業學科未來發展所面臨的嚴峻挑戰。

（2） 學科交叉研究在促進科學技術和經濟社會發展中的地位與作用日益重要，智能化、信息化、綠色化迅速向礦業領域滲透，礦業學科與其它學科的交叉融合成為必然發展趨勢?？鐚W部和跨部門合作成為促進礦業學科交叉合作的一項重要機制。

（3） 深部礦產資源采選充（冶）一體化及原位轉化是學科交叉融合的一個具體方向，是提升我國深部資源獲取能力的一種顛覆性開發模式。

（4） 深地/深海/深空礦產資源開發是促進我國由礦業大國向礦業強國轉變的重要前沿方向。

4.2    建議

根據礦業學科研究發展趨勢和促進學科發展的舉措，本文提出以下幾條建議：

（1） 設立學科優先發展領域專項基金

在整合現有科研力量、技術資源、研究平臺基礎上，設立學科優先發展領域專項資金，實施高等院校和科研機構共同參與的聯合攻關。吸引海內外優秀人才參與，對重要科學基礎問題、具有引領世界先進水平的關鍵核心理論與方法研發等進行重點支持。

（2） 設立人才培養專項基金

設立礦業學科人才培養專項基金，吸引高端創新人才投入到學科的研究工作中，進一步梳理完善學科基礎理論體系，優化合并或新建相關的學科方向，將傳統和新興學科進行交叉融合，推動礦業學科的持續創新發展，通過高水平、高質量的科學研究推動人才培養、學科發展，讓科研成為一種高水平人才培養模式。

（3） 創造寬松自由的科研環境

將國家自然科學基金發展戰略的源頭創新類研究項目系列、科技人才類的人才培養系列、創新環境類的科研環境建設等方面進行有機融合；同時在人才的培養使用、科研管理、薪酬待遇等方面具有靈活、實用的政策，參考國外基金項目管理的先進經驗，以科學家為中心，實行科學家對研究項目的“負責制”，使真正的科學家在寬松自由的科研環境中能夠一心一意地從事科學研究。

參 考 文 獻