基于耗散结构理论的矿产资源循环利用系统研究

摘　要：将耗散结构理论应用于矿产资源循环利用系统，矿产资源循环利用系统是复杂的开放系统，具有非线性有序结构，矿产资源循环利用系统内部各子系统之间的作用是非线性的，外部和内部的涨落对矿产资源循环利用系统的稳定性影响是显著的。耗散结构理论对矿产资源循环利用有重要的启示，力图从理论上把耗散结构系统扩大到矿产资源循环利用系统，从而为实现人类社会与自然和谐发展的崇高追求进行有益的思考和探索。

关键词：耗散结构理论；矿产资源；循环利用；对策
我国疆域辽阔、成矿地质条件优越、矿种齐全配套、资源总量丰富，是具有自己资源特色的一个矿产大国。改革开放以来，中国经济的快速发展是以资源的高消耗、环境的严重破坏为代价的。随着我国经济的进一步发展，这种粗放的经济运行方式已不能保证经济的持续健康发展，能源对经济良性发展已构成严重制约[1]。面对这些问题，矿产资源利用迫切需要新的理论作为指导。耗散结构理论[2]对于目前解决矿产资源利用中遇到的各种问题，提供了理论基础和现实可能性，对构建矿产资源循环利用系统具有重要的现实意义。
　　1.矿产资源开发存在的问题
　　矿产资源的开发，有利于促进经济的发展和社会的进步，但是目前矿产资源开发中存在的一些问题也相当严重，我国长期以来矿产沿用的是大量消耗资源和传统的粗放式经营模式。重速度、数量，轻效益和质量；重外延扩大再生产，轻内涵挖潜；对矿产资源重开发，轻保护，造成了资源的过度破坏和巨大浪费，自然资源面临枯竭，导致了矿业的可持续发展面临巨大的挑战。目前，我国矿产资源在开发过程中存在的问题如下[3-4]：
　　(1)矿产资源枯竭，后备资源储备不足。随着我国经济的高速发展，对于各种矿产资源的消耗也随之增加，加之我国矿业秩序混乱，投资环境差，地质勘探投入严重不足，导致新发现的矿产数目急剧减少，矿产资源探明储量每年呈现下降趋势，出现了后备矿产资源储量增长速度严重滞后于消耗速度。我国矿产资源对经济社会的支持力度不断减弱，可以预见，在未来的几十年内，随着我国工业化进程的加快，对于矿业资源的消费需求还将面临严峻的挑战。
　　(2)矿产资源有用矿物的回收率低。目前我国选矿工艺及其装备相当落后，技术水平低，使许多有用的矿物得不到有效的回收，导致矿物资源回收率低。目前我国铁矿和有色金属矿有用矿物回收率为50%～60%；非金属矿有用矿物回收率为20%～60%；煤矿有用矿物回收率为30%～50%。由于选矿和冶金水平与国外有较大差距，导致我国矿产资源总回收率只有30%～40%，远远低于国际矿产资源总回收率的平均水平。
　　(3)矿产资源的综合利用率低，矿产资源经营粗放。我国的共生、伴生矿较多，但是对共生、伴生矿产进行综合开发的只占总数的1/3，其综合回收率不及20%，造成大量矿产资源的浪费。以我国有色金属矿产的综合利用而言，国外先进矿山综合利用率可以达到80%～90%，而国内有色金属矿产的综合利用的平均水平为50%。
　　(4)非金属矿产资源开发利用落后。国内外非常重视非金属矿产资源的开发利用，我国有丰富的非金属矿产资源，种类繁多，性质各异，被广泛应用于各行各业。但是我国非金属矿选矿技术落后，造成非金属矿回收率低，精矿品味低，超级精品少，直接导致非金属矿产品质量不高。
　　(5)二次资源的回收利用率低。目前，我国矿山排放的尾矿堆存量巨大，并且每年以2.0×108～3.0×108t的速度增长，尤其是矿山剥离废石的堆存量达数百亿吨。由于我国综合利用率低，尾矿中存在的大量有价值元素及可利用的非金属矿遗留在固体废弃物中，每年矿产资源开发损失总值高达1000亿元，特别是建造较早的尾矿，由于受到当时技术条件等方面的限制，尾矿中有价值元素及可利用的非金属矿损失更大。
　　矿产资源所面临的上述问题，如果不能尽快妥善解决，势必威胁到矿业的可持续发展，而且也会动摇钢铁工业的基础，进而威胁到我国的社会、经济、政治安全和稳定。面对如此严峻的形势，运用耗散结构理论，使得矿产资源可持续发展，从而实现我国资源、经济、环境的可持续发展。
　　2.矿产资源可持续发展的耗散结构
　　2.1耗散结构理论
　　普里戈金在非平衡热力学系统的线性区的研究的基础上，探索非平衡热力学系统在非线性区的演化特征。在研究偏离平衡态热力学系统时发现，当系统离开平衡态的参数达到一定阈值时，系统将会出现“行为临界点”，在越过这种临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态；若将系统推向离平衡态更远的地方，系统可能演化出更多新的稳定有序结构。普里戈金将这类稳定的有序结构称作“耗散结构”。从而提出了关于远离平衡状态的非平衡热力学系统的耗散结构理论。
　　耗散结构理论指出，系统从无序状态过渡到这种耗散结构有几个必要条件[5]，一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；二是系统必须是远离平衡状态的，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；三是系统内部不同元素之间存在着非线性相互作用，并且需要不断输入能量来维持。
　　2.2矿产资源可持续发展的耗散结构特性
　　目前我国矿产资源可持续发展面临来自两方面的巨大压力[6]，一是国民经济持续、快速的增长要求矿业提供更多的矿产资源；二是矿山开发过程中环境保护的任务艰巨。矿产资源可持续发展是传统发展的内容与非传统发展内容的有机结合，改变了传统上关于矿产资源发展关系的认识，运用市场机制、依靠科技进步和发现可替代资源的基础上，规划与协调矿产资源的最佳耗竭率，使得矿产资源的发展既能满足当代人的需要，同时不会对后代人的需要构成威胁，从而实现矿产资源可持续发展和人类代际之间的公正。
实现矿产资源可持续发展必须明确。社会生产力系统是一切经济活动的基础，是人们从事生产和进行各种社会活动的载体，要研究耗散结构系统的运行规律，必须首先认识决定其本质的生产力系统的构成和基本内容。矿产资源可持续发展是一个开放的、能与外界进行物质、能量、信息交换的系统；系统的平衡是一种动态平衡，在实践的过程中为了使矿产资源发展保持绝对的平衡，往往会不自觉地走向另一极端追求平衡，导致整个系统的动态平衡被打破，出现远离平衡状态；系统从无序状态向有 序状态的跃进，需要不断输入能量使远离平衡的机体要有相当的自身活力和抵抗力，通过涨落达到临界点实现系统从无序状态恢复到有序状态。
　　3.矿产资源利用的建议与对策
　　为推动循环经济在矿产资源领域的发展，要加强相关理论和实践模式的研究，提高各级矿产资源管理部门和相关企业对发展循环利用的重要性的认识，借鉴国内外先进经验，采取综合措施，积极开展矿产资源循环利用的实践[7-8]。基于耗散结构理论下的矿产资源循环利用是通过优化系统内部结构，借助非线性机制的调节和自组织作用，从而使系统达到一种远离平衡态的稳定有序的耗散结构的过程和动态行为。
　　3.1基于耗散结构理论下的建议
　　1.不断完善相关法规改革，促进循环经济在矿业领域中的普及和推广。立法是推广循环经济的最主要手段。尽快完善涉及国土资源安全的法律、法规体系，进一步完善和健全各种单项资源和环境保护法，修改、补充相关法律，使矿产资源循环利用形成一个开放的系统。 开放是系统有序进化的前提，是耗散结构得以形成、维持和发展的首要条件。耗散结构系统作为一个复杂的系统，其开放程度如何，直接决定系统功能的大小。耗散结构系统一刻也离不开它赖以生存和发展的大环境，它必须通过充分的开放，不断地吸收外界的“负熵”和增大负熵值，才能发生组织结构有序化的转变。
　　2.不断开发应用新技术、新工艺，提高矿业资源综合利用的技术水平。我国矿产资源综合利用率不高，关于在于工艺技术水平较低。因此，要加强矿产循环利用技术的基础理论研究，不断创新，尤其要开发新技术、新工艺，并使其渗透到矿产资源循环利用的各个领域。远离平衡态是耗散结构形成的前提条件。一个充满活力的矿产资源循环利用系统，必须是一个有差异、非平衡的系统。只有远离平衡态,才能形成耗散结构。通过企业开发应用新技术、新工艺的能力不同，使系统中各个部分的发展区分先后，形成有序结构和动态特征，提高了竞争性，对企业的发展起到极大的推动作用。
　　为了使耗散结构系统摆脱僵化的平衡态模式，脱离平衡态或远离平衡态，最后达到动态平衡形成耗散结构，就必须打破旧的平衡态，积极创造促使系统发展的非平衡发展。通过变革、学习、竞争，努力实现动态平衡,形成较高层有序的耗散结构。为此,我们必须做到以下几个方面：一是改善思维惯式，增强创新意识。改变传统的矿产资源的发展模式，树立矿产资源循环利用理念。二是打破静态平衡，增强竞争意识，鼓励企业之间开展竞争，通过竞争的方式，使矿产资源循环利用系统在更高层次上实现动态平衡。三是不断实现自我超越，增强危机意识。通过与外界不断交流物质、能量和信息,使人们在精神和心理上时常保持一种紧迫感和危机感，并把这种感觉转变为内在动力,通过建立学习型组织，实现自我超越。
　　3.大力将高新技术引入矿物加工工程领域。高新技术已经在许多领域发挥了巨大的作用，因此，将高新技术引入矿物加工工程领域，用高新技术改造传统产业，是解决矿产资源循环利用的有效途径。矿产资源循环利用系统应成为各要素相互调节的自组织系统，矿物加工工程领域就是矿产资源循环利用系统中重要要素之一，为了系统稳定在新的有序的耗散结构上，必须通过内部的非线性机制来调节。
　　系统非线性机制的调节必须贯彻以下三种基本思想：一是善于在决策中运用非线性调节思想。将非线性调节思想运用到决策和计划中，建立考虑非线性目标、非线性约束和决策函数的模型，做到统筹规划、周密运筹、科学决策，从而减少失误，达到耗散结构的要求。二是善于在具体操作中贯彻优化结构的思想。运用非线性调节思想对系统的要素进行优化，并通过合理组合，实现系统软硬资源的最优配置，使要素具备功能非线性加和的性质。三是善于在实践中贯彻自我完善系统的思想。强化系统深层次的调节，人是负熵流之源，通过理顺关系，在系统内逐步形成一种趋同和竞争关系，使系统自我发展、自我完善。
　　4.矿山固体废弃物处置的具体技术措施。矿山固体废弃物主要分为尾矿和废石。对于这些矿山固体废弃物处理或处置不当，会给社会、经济和环境造成严重的危害，直接威胁人类的生存。矿山固体废弃物具有危害性的同时，也具有可利用的特性，是宝贵的二次资源。矿产资源循环利用必须通过涨落来实现，强调了“涨落导致有序”的观点在非平衡系统具备了形成有序结构的客观条件后，涨落对实现这种有序结构起着决定作用。
　　首先, 矿产资源循环利用系统也存在涨落现象，例如一项新技术、新工艺的创新或突破都会对区域的发展起到重要的影响，甚至成为其兴衰成败的关键点和转折点。其次，决策者要善于利用涨落规律，在系统处于发生质变的临界点之前，要积极创造条件、因势利导，使其结构能够通过自反馈与自调节在各种涨落在作用中趋利避害，使系统向所希望的分支跃迁。其三，当系统完成了质变以后，要及时通过非线性机制的调节和自组织效应达到稳定有序。涨落是一种启动力,可以导致有序，但也可能将企业带入新的混乱状态。它强调系统中某个微小变化,可能会带来大的结果性偏差。这就需要具备把握全局的能力，利用敏锐的洞察力，善于把握趋势，调整制度、优化决策、调配资源，使涨落引发的非线性相关作用向着有利于形成功能更加完善的耗散有序结构方向演化发展，推动矿产资源循环利用系统不断前进。
　　3.2矿产资源利用的对策
　　开展矿山固体废弃物处置与处理，进行无废工艺的研究，实现矿山固体废弃物的“减量化、资源化、无害化”，化害为利，变废为宝，从根本上改善和提高矿区生态环境质量，提高矿山经济效益，促进我国矿产资源的合理配置，实现矿产资源循环利用，是我国矿业所面临的主要任务。为此，必须做到：
　　(1)从源头做起，开展资源综合利用。从源头做起，开展一次资源的综合利用，减少固体废弃物的产生量，特别是细粒尾矿的产生量。在工艺设计和生产实际中，除了要提高矿石中主元素的回收率外，还要考虑伴生、共生的金属元素、非金属元素的综合回收。对于综合回收技术还不太成熟的复合多金属矿，可以采取资源储备方式，同时建立尾矿整体利用的数据库及信息管理系统。
　　(2)开展矿山固体废弃物的资源化，增加资源补给。由于我国矿产资源贫、细、杂的特点，以及受当时经济技术条件的限制，矿 产综合利用工艺技术还存在一些尚未解决的问题，致使不少矿产资源未能综合利用，即使进行了综合回收，关于这方面的典型例子已很多；废石、尾矿用于建筑材料、生产建材产品或用于采空区充填料。
　　(3)建设矿山固体废弃物整体利用示范工程和无废矿山。按产业部门选择大、中、小代表性矿山建设固体废弃物整体利用示范工程，开展尾矿资源特征及整体利用研究，建立示范矿山。另外，国家要积极组织好试点工作，试点工作要全面展开，同时国家有关部门要加强与其他部门的相关合作，共同搞好试点工作，使矿产资源循环利用的工作真正落实到实处。
　　我国的矿山企业要实现矿产资源的循环利用，必须针对自己的实际情况制定出具体的对策和措施，依靠技术创新和理论突破，有效开发和利用矿产资源，采用新的工艺技术、新型设备，加强对矿产资源的循环利用的研究。
　　4.结论
　　矿产资源循环利用系统具有明显的耗散结构系统的特性，应用耗散结构理论，可以有效地理解和分析我国在矿产资源利用方面存在的问题。矿产资源的有效配置或利用是决定和制约国民经济发展的重要因素。根据矿产资源循环利用系统具有开放性、动态平衡、非线性和涨落的耗散结构特征，运用耗散结构理论，提出矿产资源循环利用的四点建议：不断完善相关法规改革，不断开发应用新技术、新工艺，大力将高新技术引入矿物加工工程领域，矿山固体废弃物处置的具体技术措施。从而使我国对矿产资源利用实现从源头做起，开展资源综合利用；开展矿山固体废弃物的资源化，增加资源补给；建设矿山固体废弃物整体利用示范工程和无废矿山。矿产资源循环利用可以有效地缓解我国目前资源的短缺和大量消耗的困境，为我国经济的持续发展起到推动作用。
参考资料:
[1] 吴季松.新循环经济学[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2] 沈小峰, 胡岗, 姜璐. 耗散结构论[M]. 上海: 上海人民出版社,1987.
[3] 张德明，乔繁盛.循环经济：矿业经济发展的必然模式[J].国土资源情报,2005
[4] 王冰冰,于传利,宫国靖.循环经济:企业运行与管理[M].北京:企业管理出版社,2005.