【兴证金属·自然崩落法深度】崩落法，紫金的下一个技术“征途”
◾自然崩落法是唯一能与露天开采经济效益相媲美的高效地下采矿方法。其生产能力大，便于组织管理，作业安全，开采成本低。该采矿方法的工艺已趋于成熟，被广泛地应用于厚大矿体的开采，特别是特厚大、低品位的矿体，采用此法开采，可获得较好的经济效益。随着工艺的成熟及资源的枯竭，全球越来越多的矿山应用自然崩落法，未来或将成为地下大规模开发矿山的主流采矿工艺。
◾国外应用情况：自然崩落法已有百年历史，已在全球20多国、超50座矿山上得到应用。特尼恩特铜矿：全球最大的地下开采铜矿，该矿最早采用留矿法和矿柱崩落法的联合法采矿，但经济效益等原因，崩落法取代了早先的采矿法。亨德森钼矿：该矿属于较难崩落的类型，但考虑到：矿体水平面积大，顶部覆盖岩层厚，在重力作用下，扩大拉底面积则矿石能自行崩落；加大放矿漏斗尺寸，并用大型铲运机出矿，可以大大减少卡矿事故，故仍然选用自然崩落法。
◾国内应用情况：我国自然崩落法采矿技术起步晚，20世纪60年代起开始运用，目前金属矿山中仅铜矿峪铜矿、普朗铜矿取得大规模试验成功。铜矿峪铜矿：国内首座自然崩落法开采矿山，使用自然崩落法后成功扭亏为盈。原采用有底部结构分段强制崩落采矿法，年生产能力仅80万吨，采矿成本高企，亏损严重；后采用自然崩落法进行技术改造，2000年时矿山实际生产能力已达设计量400万t/a，扭亏为盈。普朗铜矿：国内第二座大规模成功应用自然崩落法的矿山，是生产规模最大的自然崩落法矿山，设计采矿规模为1250万吨/年。普朗铜矿矿石品位低，品位和矿岩性质分布比较均匀；矿体厚大，倾角近乎垂直，有足够的崩落面积；矿岩易崩落；矿石无自燃和粘结性；地表容许塌陷，故采矿方法选用自然崩落法。
◾紫金矿业的“三步走”远景规划中，崩落法提到了战略高度，旗下的四个大型斑岩型铜矿拟应用自然崩落法开采，崩落法将是紫金在开矿领域的下一个“征途”。技术创新一直是紫金成长过程中的“核心竞争力”，采选冶炼领域的技术领先成就了紫金过去的发展，未来的技术突破或更多的在采矿领域——自然崩落法。公司现有4个大型斑岩型未开发铜矿，斑岩铜矿床的特点是储量大，品位低，适于规模化开采，塞尔维亚紫金JM矿、Timok下带矿、多宝山铜山、紫金山罗卜岭，都具有自然崩落法的应用潜力，使得采矿成本大幅下降，比如多宝山铜山矿使用充填法的采矿成本为91.37元/t，而使用崩落法成本仅为63.09元/t，采矿成本下降31%。未来随着自然崩落法的研发与应用成熟，将为2023-2025年产量超预期打下基础，同时采矿成本或进一步下降，公司发展或进入新的阶段。
◾推荐标的：紫金矿业
◾风险提示：金属价格大幅下跌，疫情控制不达预期，终端需求低于预期，全球通缩预期加剧等
报告正文
1、自然崩落法概况
1.1 自然崩落法采矿原理
◾自然崩落法是一种大规模和低成本的地下采矿方法，其生产能力大，便于组织管理，作业安全，开采成本低，是唯一能与露天开采经济效益媲美的高效地下采矿方法。该采矿方法的工艺已趋于成熟，被广泛地应用于厚大矿体的开采，特别是特厚大、低品位的矿体，只有采用这种方法，才可获得比较好的经济效益。
◾自然崩落法是具备高技术含量，其原理为：在易于自然崩落的矿体中，利用矿体本身所固有的节理裂隙分布特征、低强度特性，在矿块底部进行一定面积的拉底形成矿石冒落的自由面，必要条件下辅以巷道、深孔割帮，削弱矿块与周围矿石及围岩的联系等诱导工程，改变矿体内应力的分布状态，促使矿石按要求逐渐产生破坏、失稳并借助矿体重力场的作用，自然崩落成适宜的矿石块度，达到最终落矿的目的。自然崩落法生产工艺的核心是如何实现矿体的有效崩落。
◾拉底工作是自然崩落法产生自然崩落的必然前提条件，而自然崩落是动力学过程，一般分为4个阶段。拉底是指在出矿工程上部，整体岩体的下端，人工爆破开挖出有效空间，待该空间的连续水平面积足够大时，引起岩体发生崩落的系统工程。自然崩落过程是动力学过程，一般分为拉底至初始崩落阶段、初始崩落至持续崩落阶段、持续崩落至崩通地表阶段和崩通地表至开采结束阶段，其中前两个阶段对于自然崩落法的成功应用和实践最为关键。具体来看，矿块大面积拉底后，失去支撑的矿石在重力和地压作用下，出现裂隙破坏而自然崩落，过一定时间形成暂时稳定的平衡拱而停止崩落。之后借助向上开掘的切帮巷道，破坏拱的稳定性，使边界内矿石自然崩落，直至全阶段崩落完毕。
◾自然崩落法开采涉及的关键技术主要包括：放矿理论、矿岩工程质量与块度预测、崩落矿岩流动、放矿控制、放矿计划编制、放矿管理等。
1.2、自然崩落法适用条件
◾自然崩落法的适用条件为：1）矿体必须厚大，具有足够大的开采规模；2）矿化较均匀，矿体内夹石含量不宜多；3）矿体是易于破碎的岩体；4）矿石无结块和自燃的危险；5）矿体覆盖层要能随矿石一道崩落，否则会因空顶过高而突然冒落，引起强烈冲击波的危害；6）覆盖岩石最好能破碎成较大的块度，而矿石破碎的块度较小；7）地表允许塌陷。前两项是矿体地质条件，是应用的基本条件；第三、四项是岩体物理性质条件条件，是必要条件；最后三项是自然崩落法的重要影响因素。
◾自然崩落法是具有较大风险的采矿方法，在地质资料、矿岩体数据收集、矿岩崩落的连续性、崩落块度、和底部放矿结构研究方面均具有挑战性。
◾我国自然崩落法已在理论研究和工程实践方面取得了进展；但在实践经验、生产管理、生产效率以及自动化程度方面还具有较大提升空间。
◾从未来方向上来看，自然崩落法采矿将朝着更大的矿石生产规模、更高的采掘段、更多地应用在硬岩矿山、更加自动化和新的拉底战略方向发展：1）矿石生产规模大，一个矿山的年产量达几百万吨，甚至数千万吨；2）采掘段的高度越来越大，从最初的低段高发展到300~400m，甚至更大；3）越来越多的硬岩矿山采用自然崩落法；4）自动化采矿是自然崩落法重要的发展方向；5）拉底顺序由后拉底战略转变为前进式拉底和预拉底战略。
2、自然崩落法的优势与必要性
2.1 采矿工艺细分：固态矿物主要的开采方式是露天开采和地下开采
◾ 露天开采：基本方法有台阶式开采和条带剥离式开采。台阶式开采主要用于开采金属矿床以及其他硬岩矿床；条带剥离式开采主要用于开采埋藏较浅的煤炭。露天开采方法近些年来没有发生根本性的变化，而开采工艺上的改进主要体现在陡工作帮和分期开采，以及不同运输方式的应用上，例如铁路、汽车和间断—连续运输。
◾ 地下开采：基本方法包括崩落采矿法、空场采矿法以及充填采矿法。实际生产中，地下开采最常见的是空场开采法。
2.2 各类采矿方法对比
◾矿体不同的特征适用不同的采矿技术，各采矿技术也有各自的优缺点。自然崩落法具有采准工程量小，劳动生产率高，采矿成本低以及作业安全的优点；但是缺点是生产技术与放矿管理要求严格，大块产出率高以及矿石损失较大。
2.3 必要性：自然崩落法是最接近露天开采的地下采矿技术
◾因为适用大规模开采，自然崩落法是最接近露天开采的地下采矿技术，大规模开采一般为地表大露天坑开采或地下矿块和盘区崩落法开采、分段崩落法开采、深孔爆破或分段空场法开采以及其他衍生出来的井下开采方式。随着开采技术的发展以及机械化程度的提高，将有越来越多的矿山进入大规模开采的行列。按照澳大利亚自然崩落法专家ET Brown关于大规模开采产量口径的定义，若一个露天矿山的产量为3万吨/天，或1000万吨/年，地下矿山的产量为1万吨/天或300万吨/年，那么这个露天或地下矿山的开采均可以称为大规模开采。而大规模开采作为国际采矿业安全、经济开采煤、铜、铁、金和钻石等重要矿产的优先考虑方式，有着越来越显著的意义。
3、自然崩落法在矿山上的应用
3.1 自然崩落法在国外矿山上的应用
◾ 自然崩落法采矿技术已有百余年历史，已在20多个国家、超过50座矿山上得到应用。自然崩落法自1895年、在美国密歇根州苏必利尔湖铁矿皮瓦贝克铁矿首次试验成功以来，经过100余年不断发展，已在美国、加拿大、智利、印尼、南非、菲律宾等20多个国家的50多座矿山得到了应用。20世纪60年代以前，自然崩落法主要用于开采松软破碎不稳固的矿体；后来随着较为系统的开采工艺流程及相关研究方法提出，以及矿山开采设备等技术获得巨大进步，自然崩落法的应用范围也拓展至硬岩中，并逐渐实现了工业化。自然崩落法是目前世界上唯一可与露天开采相媲美的开采方式。
◾特尼恩特铜矿：世界上最大的地下开采铜矿，最终选择自然崩落法取代先前采矿法。该矿1905年投产，已探明铜资源量达到1.11亿吨，年产铜50万吨，约占全国总产的四分之一。特尼恩特铜矿在智利中部安第斯山脉，矿体的围岩为安山岩（80%）、闪长岩（15%）和英安岩（5%），上下共有9个工作面，内部巷道穿梭的总长度达到2400公里。主要矿物是黄铜矿和辉铜矿，也有非硫化物的铜和少量的钼。该矿最早采用的采矿方法是留矿法和矿柱崩落法的联合法，因经济效益等原因，矿块崩落法很快就取代了早先的采矿法，并且逐渐演变成重力出矿崩落法。采下的矿石直接溜进倾角很陡的高溜井，到达主运输水平的装矿横巷，而在中间水平或上部水平都没有运输作业。主矿石溜井从运输水平向上开凿到它将承担的生产水平之下约50m的集矿水平。矿石溜井横截面为2m×2m，根据通过集矿水平的距离，沿运输横巷每隔一定间隔布置一条。矿石由列车从主平硐直接运到破碎车间的粗矿石仓。
◾ 亨德森钼矿：该矿属于较难崩落的类型，但考虑到以下因素，仍然选用阶段自然崩落法：1.矿体水平面积大，顶部覆盖岩层厚，在重力作用下，采取扩大拉底面积的方法，矿石能自行崩落；2.加大放矿漏斗尺寸，并用大型铲运机出矿，可以大大减少卡矿事故。该矿为石英脉型辉钼矿，在平面上呈椭圆形，尺寸为670~915m，长轴方向北东，矿体厚度120~240m，延伸较大，最初勘探发现的矿化作用的上部水平为海拔2620m，下部水平为2040m。矿石储量为3.03亿吨，MoS2平均品位为0.49%。该矿设计规模为日产矿石3万吨，年产金属钼5000万磅。根据可崩性研究的结果，将第一个开采水平定在2470m，第二个开采水平为2348m，主运输水平为2348m。亨德森矿体按宽24m划分为一系列盘区，连续崩落的各盘区间不留矿柱，沿走向和垂直走向同时推进。生产平巷之间按12m间距掘进横巷，交错布置，开始6.7m按45°掘进，然后与生产平巷垂直。每条生产平巷上面17m掘进类似规格的拉底平巷，从这些平巷中按1.8m中心距钻凿拉底扇形炮孔。出矿点之间的漏斗从每条横巷中间的切割天井形成，拉底爆下的矿石直接落入漏斗。亨德森矿在生产区全部采用铲运机，使得出矿效率和出矿能力更高。
3.2 自然崩落法在国内矿山上的应用
◾我国自然崩落法采矿技术起步晚，在20世纪60年代才开始运用，目前仅少数矿山试验成功。上世纪我国从国外引进阶段自然崩落法采矿方法，最初在易门铜矿狮子山坑和莱芜马庄铁矿进行采矿方法试验，之后在金山店铁矿、金川镍矿、程潮铁矿、镜铁山铁矿、铜矿峪铜矿、丰山铜矿、四川石棉矿和漓诸铁矿等矿山进行了试验研究。然而，我国金属矿山仅铜矿峪铜矿、普朗铜矿等少数的矿山试验成功，其他矿山因结构参数、采场控制、放矿管理各种原因导致试验失败。
◾ 铜矿峪铜矿：国内首座自然崩落法开采矿山，使用自然崩落法后成功扭亏为盈。铜矿峪矿系大型斑岩铜矿床，是中条山有色金属集团下属矿山，铜矿峪矿床储量较大，矿区地质总储量达3.2亿吨，铜金属达200多万吨。矿床上部出露地表，下部埋藏较深。全区平均地质品位仅0.67％，虽伴生有钼、钴、金、银等有益金属元素，但品位仍偏低。
◾ 普朗铜矿：中国第二座大规模成功应用自然崩落法的矿山，是生产规模最大的自然崩落法矿山，设计采矿规模为1250万吨/年。该矿总矿石量14.49亿吨，铜矿品位低于1%，是一座储量大、单位矿石价值低的特大型贫矿床铜矿山。矿体呈筒状，北西向展布，南部较宽，达360m~600m，北部变窄为120m~300m，为超大型斑岩铜矿。普朗铜矿有以下特征：矿石品位低，品位和矿岩性质分布比较均匀；矿体厚大，倾角近乎垂直，有足够的崩落面积；矿岩易崩落；矿石无自燃和粘结性；地表容许塌陷，故采矿方法选用自然崩落法。矿山采用先进的中深孔凿岩台车进行凿岩拉底、14吨电动铲运机出矿、无人驾驶电机车进行中段运输、大型旋回破碎机碎岩、长距离胶带输送机运矿，于2017年3月投产，2020年矿山生产能力已突破1000万吨。
3.3 紫金矿业旗下或有四个矿山可运用自然崩落法采矿
◾紫金矿业旗下四个大型斑岩型铜矿拟应用自然崩落法开采，有望增厚公司利润。自然崩落法节省了大量的凿岩爆破工作和费用，生产能力大，且具备便于组织管理、作业安全、开采成本低、易于实现自动化等优点。据紫金矿业公告披露，在2021-2022年，将争取多个地下斑岩铜矿大规模、高效、低成本自然崩落法采矿项目开工建设。斑岩铜矿床的特点主要有：储量大，品位低，适于规模开采。公司现有4个大型斑岩型铜矿：塞尔维亚紫金JM矿、Timok下带矿、多宝山铜山、紫金山罗卜岭，都具有自然崩落法的应用潜力，随着自然崩落法的研发与应用，将为2023-2025年产量超预期打下基础，同时采矿成本或进一步下降，增厚公司利润。
◾塞尔维亚紫金JM矿：斑岩矿，地下开采、资源储量大、品位较低，或可使用自然崩落法
◾多宝山-铜山铜矿：铜山矿适用于生产能力大、生产成本较低的无底柱分段崩落法方案
◾Timok下带矿：具备自然崩落法采矿的技术经济条件。
◾紫金山罗卜岭：斑岩型铜钼矿，据研究，通过使用改进拉底方式的分区开采方案，可实现自然崩落法安全开采
4、推荐标的
4.1 紫金矿业：“三步走”战略描未来宏图，具备阿尔法的资源成长股
◾公司公布未来五年（2+3）规划和战略，绘就未来发展蓝图：产量方面，到2025年，公司实现矿产金80-90吨、矿产铜100-110万吨，2020-2025年矿产铜和矿产金产量的CAGR分别为15%-17%和17%-19%；资源方面，勘探&并购共行，①2020-2022年，新项目并购和地质勘查取得进展；②2023-2025年，加大地质勘查力度，关注中大型金铜生产型矿业公司并购机会；科技创新方面，实现加快崩落法采矿技术与工程突破，自然崩落法是未来大型地下铜矿开发的蓝海，技术突破将有利于公司Timok下带矿、罗卜岭铜矿、多宝山和波尔铜矿的资源开发，并且矿山采矿成本大幅下降同时全面推广矿石流“五环归一”运营模式，保障项目按时按质按效完成。通过实施“三步走”战略，到2030年全面建成高技术效益型特大国际矿业集团，主要经济指标争取进入全球前3-5位。
◾除了价格带来的贝塔，公司还具备阿尔法属性。1）紫金具有较行业更低的收矿成本，并购标的具备“成本低+升值高”两大属性；2）公司拥有优秀的地质勘探研究团队，具备卓越识矿能力，为资源内生增长提供动力；3）通过改造现有项目，降低成本，提升产量，变低效矿山为优质资产，赚资产升值的钱。
◾在当前宏观环境下，金、铜的价格或维持强势，公司或迎来量价齐升的业绩高速发展期。疫情给全球经济带来较高的不确定性，黄金避险属性凸显。各国央行的宽松货币政策，名义利率下降空间有限，而8月美联储发表新的“新的《长期目标和货币政策策略声明》，允许通胀超调。通胀上行，使得黄金的持有成本下降，且铜作为以美元计价的大宗商品具备一定的抗通胀属性。而对于铜来说，供应紧张持续、库存低位，叠加需求的持续好转，铜供需错配或在一段时间内持续，助力铜价维持高位。金铜价格高位，公司矿产金、矿产铜产量持续扩张，或迎来量价齐升的业绩高速发展期。
◾盈利预测与评级：金铜价格高位，且公司调高矿产铜、矿产金计划产量，我们预计2020-2022年公司将实现归母净利66.2亿元、99.8亿元和167.7亿元，对应2月5日收盘价PE为37.7x、25.1x和14.8x，维持“审慎增持”评级。
◾风险提示：金、铜价格大幅下跌；公司重要在建项目建设及投产进度不及预期等
5、风险提示
◾金属价格大幅下跌；
◾疫情控制不达预期；
◾终端需求低于预期；
◾全球通缩预期加剧等。
重要声明
自媒体信息披露与重要声明
注：文中报告依据兴业证券经济与金融研究院已公开发布研究报告，具体报告内容及相关风险提示等详见完整版报告。
证券研究报告：【兴证金属·邱祖学团队】行业深度报告：崩落法，紫金的下一个技术“征途”
对外发布时间：2021年2月8日
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邱祖学 SAC执业证书编号：S0190515030003
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