吳愛祥 王 勇 張敏哲 楊鋼鋒

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083；2.北京科技大學(xué)膏體充填采礦技術(shù)研究中心，北京100083）

礦產(chǎn)資源在人類社會(huì)有著舉足輕重的地位，沒有礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用人類社會(huì)將無法進(jìn)步［1］。從最初的原始社會(huì)發(fā)展到現(xiàn)在的信息化社會(huì)，從人類對石器的利用到如今對核能、原子能的利用，人類對礦產(chǎn)資源的利用水平?jīng)Q定了人類社會(huì)的發(fā)展程度［2-3］。無論是人類社會(huì)的發(fā)展，還是國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，金屬礦產(chǎn)資源一直扮演著十分重要的角色。因此，金屬礦產(chǎn)資源的綜合開發(fā)利用水平在一定程度上直接關(guān)系到人民生活水平的提高，也成為影響國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類社會(huì)進(jìn)步的重要因素［4-7］。

礦業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要作用，國家政策、重大項(xiàng)目對礦業(yè)領(lǐng)域均給予了大力支持，廣大采礦科研工作者在金屬礦山地下開采技術(shù)方面也開展了大量深入的研究［8-14］。本研究系統(tǒng)介紹了我國金屬礦山“深部開采”、“智能開采”、“綠色開采”這3個(gè)方面的發(fā)展方向，圍繞金屬礦山地下開采的鑿巖爆破、運(yùn)輸提升、巖層加固、膏體充填及遠(yuǎn)程遙控五大關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)綜述了其發(fā)展歷程及新進(jìn)展，并對機(jī)器人采礦技術(shù)、流態(tài)化開采技術(shù)和超大型智慧礦山建設(shè)等金屬礦山地下開采的前瞻性理論和技術(shù)提出了展望。在礦業(yè)新形勢下，面對機(jī)遇和挑戰(zhàn)，亟需持續(xù)科技攻關(guān)，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸、自主研發(fā)核心裝備，保障我國金屬礦產(chǎn)資源安全。

1 我國金屬礦資源現(xiàn)狀

1.1 礦產(chǎn)資源在國民經(jīng)濟(jì)中的地位顯著

礦業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展與國家安全的重要支柱產(chǎn)業(yè)，為人類社會(huì)提供了基本物質(zhì)和能源保障?！吨袊V產(chǎn)資源報(bào)告2019》［15］和《全球礦業(yè)發(fā)展報(bào)告2019》［16］的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：地球人均礦產(chǎn)資源消耗量為3 t/（人·a），人類耗費(fèi)的總量超過了自然資源的80%；2018年全球礦業(yè)為人類提供能源、金屬和非金屬資源達(dá)到了227億t（其中能源、金屬、非金屬產(chǎn)量各占68%、7%、25%），總產(chǎn)值高達(dá)5.9萬億美元（其中能源、金屬、非金屬礦產(chǎn)各占76%、12%、12%），相當(dāng)于全球GDP的6.9%；我國礦產(chǎn)品產(chǎn)量增長迅速，礦業(yè)產(chǎn)值占我國GDP的比例達(dá)到7%，為國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了80%的原材料和95%的能源資源，在礦產(chǎn)品的生產(chǎn)和貿(mào)易方面均達(dá)到了世界第一。因此，礦業(yè)在中國乃至全球經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中具有越來越重要的地位，是現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系中不可替代的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。

1.2 我國金屬礦產(chǎn)資源供需矛盾突出

隨著近年來我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，礦業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，探明資源儲(chǔ)量大幅增長，已經(jīng)成為世界上為數(shù)不多的幾個(gè)礦種齊全、總量豐富的礦產(chǎn)資源大國之一?！吨袊V產(chǎn)資源報(bào)告2019》［15］和《全球礦業(yè)發(fā)展報(bào)告 2019》［16］的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：截至 2018年底，我國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的包括金屬礦產(chǎn)（59種）、非金屬礦產(chǎn)（95種）、能源礦產(chǎn)（13種）和水氣礦產(chǎn)（6種）在內(nèi)的各類礦產(chǎn)資源共173種；2018年我國礦產(chǎn)資源總產(chǎn)量位居世界第一，占全球總產(chǎn)量的31%，我國礦業(yè)總產(chǎn)值位居世界第一，占全球總產(chǎn)值的17%；2018年我國粗鋼、10種有色金屬、黃金的產(chǎn)量和消費(fèi)量繼續(xù)居全球首位，其中生產(chǎn)了9.3億t粗鋼，5 702.7萬t 10種有色金屬和401.1 t黃金。雖然我國資源總量大且種類豐富，部分礦產(chǎn)儲(chǔ)量甚至居世界前茅，但是我國人均占有量與世界人均水平相比仍有很大差距。其中以鐵礦石為例，據(jù)中國海關(guān)、國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)2015—2020（其中，2020年只有1—11月份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）年間的鐵礦石產(chǎn)量、進(jìn)口量、國內(nèi)粗鋼產(chǎn)量及鐵礦石對外依存度如表1所示。從整體趨勢來看，我國鐵礦石的產(chǎn)量在持續(xù)減少，進(jìn)口量不斷增加，粗鋼產(chǎn)量也在不斷上升，鐵礦石對外依存度常年保持在65%以上，尤其是2017年對外依存度超過了80%。目前，我國鐵礦石和銅精礦等大宗礦產(chǎn)原材料依然嚴(yán)重依賴進(jìn)口，對外依存度高［17-18］。因此，在國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的過程中，我國金屬礦產(chǎn)品的增加量與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不相適應(yīng)，金屬礦產(chǎn)資源供需矛盾十分突顯。

注：根據(jù)中國海關(guān)、國家統(tǒng)計(jì)局、智研咨詢等相關(guān)數(shù)據(jù)整理。

1.3 地下礦山是未來金屬礦開采的主戰(zhàn)場

當(dāng)前，我國大多數(shù)黃金礦山和有色金屬礦山均采用地下開采的方式進(jìn)行開采。我國對各種礦產(chǎn)資源的消耗隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷增多，金屬礦山由于長期開采，淺部資源越來越少，驅(qū)使礦山逐漸增加開采深度，部分露天礦山考慮生產(chǎn)成本因素逐步轉(zhuǎn)為地下開采，如江蘇鳳凰山鐵礦、安徽銅官山銅礦等［19］，同時(shí)大部分地下礦山也開始轉(zhuǎn)向深部開采，如云南會(huì)澤鉛鋅礦、遼寧紅透山銅礦等［20］。綜上，未來地下礦山比重將繼續(xù)上升，地下礦山將成為金屬礦開采的主戰(zhàn)場。

2 金屬礦開采理念研究新趨勢

目前，地球深部蘊(yùn)藏65%的金屬礦資源，面對生產(chǎn)機(jī)械化、智能化不足及礦山固廢嚴(yán)重污染等問題，為了加速金屬礦開采的現(xiàn)代化進(jìn)程，大幅提升金屬礦開采的國際競爭力，改變傳統(tǒng)開采產(chǎn)能落后的局面，“深部開采”、“智能開采”、“綠色開采”將是未來我國金屬礦開采理念的三大發(fā)展方向［21］。

2.1 深部開采

在近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程中，關(guān)于“深部”概念的確定，國內(nèi)外的專家學(xué)者提出了諸多建議，但是到目前為止，尚無對“深部”概念的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。我國有些專家學(xué)者建議以巖爆發(fā)生頻率明顯增加來界定，普遍認(rèn)為礦山轉(zhuǎn)入深部開采的深度為超過800～1 000 m［5，21］。謝和平院士提出：決定是否為深部的條件是力學(xué)狀態(tài)，而不是量化的深度概念，這種力學(xué)狀態(tài)由地應(yīng)力水平、采動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)和圍巖屬性共同決定，可以經(jīng)過力學(xué)分析得到定量化的表述，并從力學(xué)角度出發(fā)，提出了“亞臨界深度”、“臨界深度”、“超臨界深度”等概念［22］。由于淺部資源逐漸殆盡，全球金屬礦山開始進(jìn)入千米時(shí)代。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前國外112座有超千米的地下金屬礦山，最大采深達(dá)4 350 m，我國開采深度達(dá)到或超過千米的地下金屬礦山已達(dá)16座，目前金屬礦山的開采深度以大約10～30 m/a的速度下降，在未來，我國預(yù)計(jì)將有1/3的金屬礦山開采深度達(dá)到1 000 m［20］。目前，很多新發(fā)現(xiàn)資源的埋藏深度也達(dá)到千米甚至更深，深部開采將成為我國金屬礦山開采的重點(diǎn)方向。進(jìn)入千米時(shí)代，金屬礦山開采將面臨諸多挑戰(zhàn)，如“高井深”、“高應(yīng)力”、“高井溫”的技術(shù)難題以及由此引起的“強(qiáng)擾動(dòng)”附加屬性，同時(shí)還存在機(jī)械裝備以及工藝流程等一系列工程技術(shù)配套問題［20，23-26］。淺部開采時(shí)，開采深度為0～800 m，地應(yīng)力范圍為10～20 MPa，井溫一般小于30℃；深部開采時(shí)，開采深度超過千米甚至更深，原巖應(yīng)力達(dá)到40～80 MPa，工作面溫度高達(dá)30～60℃［21］。為此，未來金屬礦山開采的前沿領(lǐng)域必將屬于深部開采，且未來采礦科研重心將會(huì)向深部開采轉(zhuǎn)移，開展相應(yīng)的理論技術(shù)以及核心裝備研究。近年來，盡管從國家層面上支持開展了大量的相關(guān)技術(shù)研究［20，27-31］，但是在“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜條件下，我國仍需重點(diǎn)開展金屬礦山深部開采環(huán)境精準(zhǔn)識(shí)別、金屬礦山深部采掘一體化裝備及提升技術(shù)、金屬礦山深部開采災(zāi)害預(yù)警防控及資源化利用這三方面的研究，從而加速推進(jìn)我國“向地球深部進(jìn)軍”的進(jìn)程。金屬礦山深部開采總體架構(gòu)如圖1所示。

2.2 智能開采

智能采礦通過開采環(huán)境數(shù)字化、采掘裝備智能化、生產(chǎn)過程遙控化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化和經(jīng)營管理信息化等方法，實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的開采工藝，是21世紀(jì)礦業(yè)的重要發(fā)展方向，也是具有前瞻性的目標(biāo)［21］。目前，智能開采是礦業(yè)發(fā)達(dá)國家爭相搶占的技術(shù)制高點(diǎn)，同時(shí)在“中國制造2025”戰(zhàn)略背景下，國家工信部提出“智能制造”和“兩化融合”，發(fā)改委提出“互聯(lián)網(wǎng)+”、“云計(jì)算”和“大數(shù)據(jù)”，應(yīng)急管理部提出“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”，我國也在不斷推動(dòng)金屬礦智能開采的發(fā)展進(jìn)程［32］。近年來，國內(nèi)外對智能開采進(jìn)行了相關(guān)研究［33-36］，但是國內(nèi)外智能開采的差距較大。在作業(yè)面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域，國外已實(shí)現(xiàn)光纖、寬帶無線、透地及物聯(lián)網(wǎng)通信，而國內(nèi)的核心設(shè)備多為進(jìn)口，網(wǎng)絡(luò)可靠性不足、信息傳輸不暢；在采掘裝備遠(yuǎn)程遙控領(lǐng)域，國外已實(shí)現(xiàn)智能化行走和作業(yè)，國內(nèi)智能化控制還不成熟；在開采全過程調(diào)度領(lǐng)域，國外主要利用OptiMine、AutoMine等數(shù)字化軟件工具，分析和優(yōu)化采礦全過程調(diào)度，國內(nèi)主要針對井下有軌/無軌作業(yè)裝備實(shí)行局部過程調(diào)度；在礦山遠(yuǎn)程管控平臺(tái)領(lǐng)域，國外主要通過800XA、Pitram系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)礦山遠(yuǎn)程管控，而國內(nèi)在多類裝備、系統(tǒng)的整合和一體化管控方面比較薄弱?？梢?，智能采礦的發(fā)展是一個(gè)困難的過程，今后我國亟需從大型無軌裝備自主化及遠(yuǎn)程智能化控制、開采全過程三維可視化及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集智能化處理、礦山生產(chǎn)決策及管控一體化平臺(tái)這3個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)研究，穩(wěn)步推進(jìn)我國金屬礦山開采的智能化。金屬礦山智能開采總體架構(gòu)如圖2所示。

2.3 綠色開采

綠色開采旨在將礦區(qū)的資源和環(huán)境看作一個(gè)整體，在協(xié)調(diào)開發(fā)、利用和保護(hù)礦區(qū)土地、水體、森林等各種資源的前提下，充分回收、有效利用礦產(chǎn)資源，實(shí)現(xiàn)資源—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境三者統(tǒng)一協(xié)調(diào)的開發(fā)過程，使可持續(xù)發(fā)展理念在礦業(yè)中得以充分體現(xiàn)［21］。礦產(chǎn)資源可持續(xù)發(fā)展及其與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的實(shí)現(xiàn)，是當(dāng)今礦業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)話題［37-38］。2006年中國國際礦業(yè)大會(huì)上，國土資源部首次提出了“堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展，建設(shè)綠色礦業(yè)”的口號，為我國礦業(yè)指明了綠色發(fā)展的方向；2011年，國家“十二五”規(guī)劃提出了發(fā)展綠色礦業(yè)，強(qiáng)化礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用；2017年，黨的“十九大”報(bào)告再次明確了“綠水青山就是金山銀山”，踐行綠色發(fā)展理念，建設(shè)美麗中國。可見，綠色開采遵循礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式，是我國金屬礦山開采的發(fā)展道路和時(shí)代要求，已成為國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略［27，39］。同時(shí)，金屬礦山綠色開采有著全面的深刻內(nèi)涵和實(shí)質(zhì)內(nèi)容，充分體現(xiàn)了“綠水青山”和“金山銀山”和諧共存、互利互惠的原則。我國金屬礦山綠色開采需要依靠科技創(chuàng)新來提供有力支撐，亟需重點(diǎn)開展金屬礦山采選充一體化技術(shù)、特殊資源原位溶浸開采技術(shù)、閉礦后地下開挖空間綠色開發(fā)利用技術(shù)這3個(gè)方面的研究，將綠色礦山的建設(shè)作為推進(jìn)我國金屬礦山綠色開采的動(dòng)力。金屬礦山綠色開采總體架構(gòu)如圖3所示。

3 金屬礦山開采關(guān)鍵技術(shù)新進(jìn)展

金屬礦山正面臨著“由淺至深、由易至難、由富至貧”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期，在理論、技術(shù)、裝備等方面都面臨著全新挑戰(zhàn)［23，40-41］。面對以上挑戰(zhàn)，金屬礦山地下開采關(guān)鍵技術(shù)的研究顯得尤為關(guān)鍵。目前，金屬礦山地下開采關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：鑿巖爆破技術(shù)；運(yùn)輸提升技術(shù)；巖層加固技術(shù)；膏體充填技術(shù)；遠(yuǎn)程遙控技術(shù)。圍繞這五大關(guān)鍵技術(shù)，本研究系統(tǒng)綜述其發(fā)展歷程及新進(jìn)展，金屬礦山地下開采關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

3.1 鑿巖爆破技術(shù)

鑿巖爆破技術(shù)是金屬礦開采過程中的重要技術(shù)，同時(shí)在金屬礦開采的長期發(fā)展中也是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)。因此，持續(xù)提高鑿巖爆破效率，對于金屬礦山安全高效開采至關(guān)重要。目前，鑿巖爆破技術(shù)仍是地下開采的主要落礦手段，從最初的手工鑿巖到氣動(dòng)鑿巖機(jī)、液壓鑿巖機(jī)、鑿巖臺(tái)車（牙輪鉆機(jī)、潛孔鉆機(jī)），乃至現(xiàn)在的鑿巖機(jī)器人，鑿巖技術(shù)逐漸從機(jī)械化開始向自動(dòng)化、智能化、環(huán)?；较虬l(fā)展。經(jīng)過長期的研究，國內(nèi)外相繼研發(fā)了適合各種條件的鑿巖設(shè)備［42-43］。近年來，隨著鑿巖設(shè)備的完善，美國、加拿大等國家在地下開采中將露天鑿巖爆破技術(shù)引入進(jìn)來，中深孔分段鑿巖被大直徑階段深孔替代，取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。例如瑞典研發(fā)了一系列掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車，具有鑿巖效率高、操作安全、污染小等優(yōu)點(diǎn)；我國自主研制了集行走、鑿巖和裝藥作業(yè)于一體的全電腦三臂鑿巖臺(tái)車［44］，具有操作簡單、安全系數(shù)高、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，這些設(shè)備保證了鑿巖質(zhì)量與效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度與作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，自動(dòng)化、智能化、環(huán)保化水平達(dá)到了一個(gè)新高度。同時(shí)，由于地下開采的條件不同，且井巷掘進(jìn)和采礦作業(yè)應(yīng)用條件不同，傳統(tǒng)地下礦山常用的爆破方式呈現(xiàn)多樣化，普遍使用微差爆破、擠壓爆破和光面爆破等技術(shù)，在一定程度上改善了爆破質(zhì)量［45］。隨著爆破技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)爆破技術(shù)逐漸向精準(zhǔn)爆破、綠色爆破、智能爆破方向發(fā)展。精準(zhǔn)爆破主要通過孔網(wǎng)參數(shù)精細(xì)化設(shè)計(jì)、爆破能耗理論研究及爆破方案模擬構(gòu)建礦山精準(zhǔn)爆破體系；綠色爆破主要采用新型燃燒劑代替炸藥，無爆破氣體產(chǎn)生，大幅改善了井下空氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了井下綠色爆破；智能爆破主要通過爆破智能設(shè)計(jì)、智能裝備、爆破振動(dòng)智能預(yù)測及殘孔自動(dòng)識(shí)別等共同構(gòu)成智能爆破系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)爆破技術(shù)的智能化。在技術(shù)不斷進(jìn)步和創(chuàng)新的新時(shí)代，鑿巖爆破技術(shù)已經(jīng)由傳統(tǒng)的方法發(fā)展到機(jī)械物理破巖等非爆破巖技術(shù)［46-51］。例如采用連續(xù)采礦機(jī)對中硬及以下礦巖進(jìn)行機(jī)械破巖，工作效率高，施工條件好，有利于地壓控制；利用高壓水射流/熱力破碎的物理破巖技術(shù)，克服了單獨(dú)機(jī)械能破巖的限制，不產(chǎn)生粉塵和火花，大幅改善了作業(yè)環(huán)境。但由于能耗大、成本高、道具磨損嚴(yán)重等問題，至今尚未在我國進(jìn)行普及推廣，同時(shí)現(xiàn)階段我國在信息技術(shù)與人工智能技術(shù)研發(fā)方面起步晚，智能化的相關(guān)核心技術(shù)仍主要依賴國外。因此，目前我國硬巖礦山尚未真正實(shí)現(xiàn)連續(xù)開采［52］。

3.2 運(yùn)輸提升技術(shù)

運(yùn)輸提升系統(tǒng)在地下礦山生產(chǎn)中占有極其重要的地位，通過運(yùn)輸提升可將各個(gè)環(huán)節(jié)連成一個(gè)有機(jī)整體，從而保證礦山正常生產(chǎn)。采場出礦經(jīng)歷了“人工—有軌—無軌”運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展歷程，形成了從有軌為主、無軌為輔逐漸向無軌為主、有軌為輔的新局面。地下礦山采用無軌自行設(shè)備運(yùn)輸始于20世紀(jì)60年代，隨著地下無軌設(shè)備的完善，地下無軌開采技術(shù)得到了迅速發(fā)展，推動(dòng)了地下開采工藝的變革，是目前地下開采的發(fā)展趨勢。采場短距離出礦采用鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)輸，具有操作方便、工作可靠、出礦效率高、運(yùn)行靈便等優(yōu)點(diǎn)；井下長距離運(yùn)礦采用地下汽車，目前國外應(yīng)用較多，國內(nèi)較為少見。提升距離隨著采深的增加不斷增加，提升技術(shù)面臨著越來越大的挑戰(zhàn)，同時(shí)伴隨著各種礦石物料提升成本的增加。因此，發(fā)展深井礦石提升技術(shù)尤為重要。在總體上向大型化、大負(fù)載、高度自動(dòng)化方向發(fā)展是礦井運(yùn)輸提升的未來總趨勢［53］。經(jīng)過長期發(fā)展，在深部開采中，絕大多數(shù)礦井借助軌道運(yùn)輸、膠帶運(yùn)輸機(jī)或無軌設(shè)備等，進(jìn)行多級豎井提升，例如在南非TauTona金礦采用3級豎井提升方式［54-55］，在豎井之間再通過膠帶或者無軌設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。傳統(tǒng)敞開式膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是極易導(dǎo)致?lián)P塵和滑落，污染井下環(huán)境，爬坡能力差，安全系數(shù)低；如今SiCON公司研發(fā)了封閉式膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)［54，56］，防止運(yùn)輸中的滑落和揚(yáng)塵，運(yùn)輸速度可超過3 m/s，提升坡度能達(dá)到36°，適當(dāng)改進(jìn)該系統(tǒng)有望在未來應(yīng)用于深部開采的礦石運(yùn)輸提升中。目前，水力提升方式主要應(yīng)用在深海開采中，近年來，部分研究者試圖將水力提升應(yīng)用在深部礦井中［54，57］，該過程可連續(xù)進(jìn)行，更容易實(shí)現(xiàn)提升過程的自動(dòng)化與智能化，但是利用水力提升需要在深井建立礦石的破碎系統(tǒng)和粉磨系統(tǒng)，當(dāng)前難以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。與此同時(shí)，也出現(xiàn)了磁懸浮升降機(jī)提升這種創(chuàng)新性的構(gòu)想，但仍需開展深入細(xì)致的研究。這些新技術(shù)、新方法及新工藝給礦井運(yùn)輸提升領(lǐng)域注入了新鮮血液，極大地促進(jìn)了運(yùn)輸提升技術(shù)、方法及工藝的創(chuàng)新和革新。

3.3 巖層加固技術(shù)

金屬礦山主要針對軟弱、破碎、高應(yīng)力的巖層來進(jìn)行加固［58-61］。巖層加固技術(shù)可分為被動(dòng)支護(hù)和主動(dòng)支護(hù)，被動(dòng)支護(hù)無法改變巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只能被動(dòng)承受圍巖變形，例如傳統(tǒng)的木支護(hù)、砌碹支護(hù)以及鋼拱架支護(hù)［62］等；主動(dòng)支護(hù)可以改變巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主動(dòng)加強(qiáng)巖層自身強(qiáng)度，例如錨桿（錨索）、錨注、錨噴以及錨網(wǎng)噴等支護(hù)方式［63］，其中錨注支護(hù)、錨噴支護(hù)以及錨網(wǎng)噴支護(hù)屬于復(fù)合支護(hù)，錨噴支護(hù)更是成為了金屬礦山巖層的主要加固技術(shù)。全長式錨桿和黏結(jié)式錨桿復(fù)合成全長黏結(jié)式錨桿［64-65］，極大提高了錨固強(qiáng)度，在工程實(shí)際中具有很好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景；噴射混凝土從以往的干噴發(fā)展到如今的濕噴［66-67］，改善了作業(yè)環(huán)境，防止了巖層剝落。將噴射混凝土和錨桿進(jìn)行有效結(jié)合，可以在一定范圍內(nèi)控制圍巖的自由變形，使圍巖應(yīng)力重新分布，可有效防止巖層剝離掉落。隨著科技的迅速發(fā)展，國內(nèi)外都在加大有關(guān)錨噴支護(hù)先進(jìn)裝備的使用。例如國外已研發(fā)了一系列錨桿臺(tái)車、濕噴車以及掛網(wǎng)臺(tái)車等設(shè)備，同時(shí)，我國自主研制了輪胎式錨桿臺(tái)車（履帶式錨桿臺(tái)車）、礦用濕噴機(jī)以及兩臂混凝土濕噴機(jī)等設(shè)備［44］，在提高工作效率的同時(shí)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了作業(yè)安全，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了巖層加固技術(shù)的機(jī)械化、智能化。經(jīng)過數(shù)次技術(shù)革新，巖層加固技術(shù)已從傳統(tǒng)被動(dòng)的單一支護(hù)發(fā)展到新型主動(dòng)的復(fù)合支護(hù)，今后將呈現(xiàn)出機(jī)械化、智能化的發(fā)展趨勢，以期提高安全性和作業(yè)效率。

3.4 膏體充填技術(shù)

金屬礦山開采所引起的固廢污染、水體污染、大氣污染和侵占土地等現(xiàn)象十分嚴(yán)重。隨著充填采礦技術(shù)與裝備的發(fā)展［68-72］，膏體充填技術(shù)為解決傳統(tǒng)采礦問題和金屬礦山開采所引起的環(huán)境污染問題提供了新思路，將全尾砂等礦山固體廢棄物制備成飽和態(tài)、無泌水、牙膏狀的結(jié)構(gòu)流料漿，進(jìn)行膏體充填，可協(xié)同解決尾礦庫和采空區(qū)這兩個(gè)重大隱患，從而保證礦山可持續(xù)發(fā)展。與傳統(tǒng)的水砂充填相比，膏體充填具有“三不”特性，即漿體不分層、不離析、不脫水［73］。目前我國已建成國際首個(gè)工業(yè)級的膏體充填試驗(yàn)平臺(tái)，占地約2 000 m2，設(shè)備200余套，具有工業(yè)級、精度高、功能全、智能化的特點(diǎn)，可以對膏體充填工藝全流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、參數(shù)檢測并指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐，尤其多管徑、多走向、多流量的環(huán)管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，檢測結(jié)果較傳統(tǒng)方法更接近實(shí)際。金屬礦膏體充填的各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的共性基礎(chǔ)理論為金屬礦膏體流變學(xué)［74］，以膏體流變本構(gòu)方程為研究內(nèi)容，以理論計(jì)算、流變實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬為主要研究手段，滿足膏體充填中尾砂濃密、膏體攪拌、膏體輸送以及充填固化這4個(gè)工藝環(huán)節(jié)的工程需求［75-79］。其中，濃密技術(shù)旨在獲得穩(wěn)定合適的底流濃度，為制備合格膏體奠定基礎(chǔ)；攪拌技術(shù)使物料混合均勻，為膏體管道輸送流態(tài)化和力學(xué)特性均質(zhì)化提供條件；輸送技術(shù)追求低能耗、少磨損；填充技術(shù)實(shí)現(xiàn)充填體強(qiáng)度均勻分布與充分接頂率，上述4種工藝對應(yīng)著膏體充填的四大關(guān)鍵技術(shù)。膏體充填技術(shù)具有“安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效”的豐富內(nèi)涵，是金屬礦山綠色開采體系的一個(gè)重要技術(shù)支撐，被我國有關(guān)部委列為示范技術(shù)，是全球礦業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。膏體充填核心理論體系架構(gòu)如圖5所示。

3.5 遠(yuǎn)程遙控技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，采礦技術(shù)也在不斷進(jìn)步，從最初的人工開采到機(jī)械化開采，再到現(xiàn)在的自動(dòng)化開采、智能化開采，不論是自動(dòng)化開采還是智能化開采，遠(yuǎn)程遙控都是其核心技術(shù)。為此，遠(yuǎn)程遙控技術(shù)在現(xiàn)代化礦山開采中將扮演著不可替代的角色，是現(xiàn)代采礦發(fā)展的重要技術(shù)手段。遠(yuǎn)程遙控技術(shù)在國際上已是一種比較成熟的控制技術(shù)，也是地下礦山發(fā)展的一個(gè)方向，其中包括鑿巖遙控、裝藥遙控、出礦遙控等。但是該技術(shù)是一個(gè)國家工業(yè)整體發(fā)展到一定高度后的配套應(yīng)用技術(shù)，目前在我國尚未全面推廣［80］。遠(yuǎn)程遙控關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在開采環(huán)境遠(yuǎn)程感知、開采過程遠(yuǎn)程操作、開采系統(tǒng)遠(yuǎn)程管控這3個(gè)方面，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)感知與分析、無人作業(yè)、遠(yuǎn)程調(diào)配、自動(dòng)預(yù)警及遠(yuǎn)程決策等功能。此項(xiàng)技術(shù)正在中色非洲礦業(yè)有色公司旗下的贊比亞謙比希銅礦東南礦體進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用［81-82］，建立了謙比希銅礦東南礦區(qū)井下開采智能管控系統(tǒng)，以應(yīng)對東南礦區(qū)面臨的復(fù)雜開采問題。該智能管控系統(tǒng)以全礦的信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以智能設(shè)備和作業(yè)管控平臺(tái)——OptiMine系統(tǒng)作為依托，將井下各系統(tǒng)資源整合在一起，可對井下開采進(jìn)行智能化管控［82］。隨著該系統(tǒng)的建成和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化與智能化的目標(biāo)，謙比希銅礦東南礦區(qū)將成為非洲乃至世界范圍內(nèi)杰出的地下礦山，為未來智慧礦山的建設(shè)樹立了旗幟。

4 展望

在未來，隨著深部開采、綠色開采以及智能開采這3個(gè)方向不斷發(fā)展，仍將會(huì)產(chǎn)生一系列問題。例如，礦井溫度隨著開采深度的下降而增加，當(dāng)達(dá)到人類無法承受的高溫后，可以考慮利用機(jī)器人替代人力進(jìn)行井下采礦作業(yè)；同時(shí)在更深的區(qū)域，傳統(tǒng)的采礦方法將無法實(shí)現(xiàn)，部分礦種可顛覆性采用流態(tài)化開采技術(shù)；隨著科技的不斷發(fā)展，在未來應(yīng)當(dāng)結(jié)合高新科技的發(fā)展，著力建設(shè)超大型智慧礦山，將更多的科技產(chǎn)物引入到金屬礦山地下開采中。本研究從機(jī)器人采礦技術(shù)、金屬礦流態(tài)化開采技術(shù)和超大型智慧礦山建設(shè)等方面論述金屬礦山地下開采的前瞻性理論和技術(shù)，對未來金屬礦開采提出了一些展望。

4.1 機(jī)器人采礦技術(shù)

由于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展尚未完全成熟，且其成本較高，當(dāng)前還未應(yīng)用于金屬礦山地下開采中。由于深海采礦處于復(fù)雜性和多變性的特殊環(huán)境，人類無法在現(xiàn)場進(jìn)行采礦作業(yè)，采礦機(jī)器人技術(shù)率先成為了深海采礦的關(guān)鍵裝備。經(jīng)過長時(shí)間的研究與應(yīng)用，我國深海采礦機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)具備了一定的基礎(chǔ)，對富鈷結(jié)殼采礦機(jī)器人、多金屬硫化物采礦機(jī)器人和多金屬結(jié)核采礦機(jī)器人進(jìn)行了設(shè)計(jì)研發(fā)［83］，對采礦機(jī)器人行走的結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)以及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究［84-85］。航位推算定位系統(tǒng)［86］和水聲定位系統(tǒng)［87-89］在深海機(jī)器人的定位和導(dǎo)航方面得到了較多的應(yīng)用。陳勇等［90］提出了一種基于航位推算和偽長基線的組合定位方法，提高了傳統(tǒng)方法的精度，為深海采礦機(jī)器人定位系統(tǒng)研發(fā)提供了一種新的途徑。

金屬礦山開采將隨著深部開采的發(fā)展逐漸進(jìn)入極端環(huán)境，人類將無法在現(xiàn)場進(jìn)行采礦作業(yè)，可以在深海采礦機(jī)器人發(fā)展的基礎(chǔ)上，將采礦機(jī)器人應(yīng)用到金屬礦山地下開采中。對于金屬礦山地下開采，采礦機(jī)器人的主要應(yīng)用方向如下：

（1）鑿巖機(jī)器人。鑿巖機(jī)器人可以利用提前設(shè)計(jì)好的程序并配備精準(zhǔn)的傳感器在礦井的惡劣環(huán)境下進(jìn)行打孔作業(yè)，并可以根據(jù)要求進(jìn)行不同類型的鉆孔作業(yè)，人類在井下能夠完成的鑿巖作業(yè)該機(jī)器人均可完成，即可以完全替代人力。這樣不僅避免了人類在惡劣的環(huán)境中作業(yè)，還可以提高工作效率，對于未來金屬礦的地下深部開采具有重要意義。

（2）噴漿機(jī)器人。傳統(tǒng)在井下進(jìn)行噴漿作業(yè)由人工使用噴漿的機(jī)械設(shè)備完成，不僅工作繁重而且對人的健康有著很大的危害，具有很大的不足。將噴漿機(jī)器人引入地下礦山的噴漿作業(yè)中，不僅可以保證涂噴的質(zhì)量，還能避免人員親臨現(xiàn)場進(jìn)行噴漿作業(yè)，避免了噴漿作業(yè)給人員帶來的危害。

（3）巖爆監(jiān)測機(jī)器人。在金屬礦山地下開采中，巖爆事故一旦發(fā)生，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，威脅井下工作人員的安全。在未來可以研發(fā)一種帶有專用傳感器的監(jiān)測機(jī)器人，可以靈活移動(dòng)，監(jiān)測范圍廣，可以連續(xù)不間斷地進(jìn)行監(jiān)測，事故突發(fā)的先兆可及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，以便及時(shí)采取應(yīng)對措施，保障井下作業(yè)安全。

4.2 金屬礦流態(tài)化開采

隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，我國金屬礦的開采深度平均每年增加10～30 m。全球最大的金屬礦山開采深度已經(jīng)達(dá)到4 350 m。從理論上講，當(dāng)開采深度超過6 000 m后，傳統(tǒng)的采礦方法將無法使用［91］。相比于金屬礦開采的巨大限制，汽油和天然氣等資源的開采深度則超過了7 500 m，主要原因在于其采用流態(tài)化開采收集碳?xì)浠衔铮捎勉@機(jī)鉆井，機(jī)械被送往井下，人不下井［92］。金屬礦資源的流態(tài)化開采，是將地下固體的金屬礦資源進(jìn)行原位轉(zhuǎn)化，形成液體或液/固混合的形式，通過機(jī)械設(shè)備將礦物送至地表［93］。在未來，金屬礦山要想實(shí)現(xiàn)真正的深部或超深開采，需要顛覆傳統(tǒng)的開采理念，謝和平院士提出的固體資源流態(tài)化開采學(xué)術(shù)構(gòu)想將成為未來深部金屬礦山地下開采的重要攻關(guān)方向，將產(chǎn)生一系列新的理論。在金屬礦資源流態(tài)化開采中，地下巖體的破碎方式與傳統(tǒng)的開采方法存在本質(zhì)區(qū)別，同時(shí)在固體資源的轉(zhuǎn)化過程中也會(huì)擾動(dòng)原巖應(yīng)力狀態(tài)，巖體將會(huì)產(chǎn)生一系列不同于傳統(tǒng)金屬礦山地下開采的力學(xué)行為。突破傳統(tǒng)的巖石力學(xué)研究方法，構(gòu)建流態(tài)化開采下的巖石力學(xué)理論將成為未來金屬礦流態(tài)化開采所需突破的重大難題。原位轉(zhuǎn)化是流態(tài)化開采最重要的環(huán)節(jié)，是一個(gè)復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過程［94-95］。在地下借助不同的手段將固體的金屬礦資源進(jìn)行原位轉(zhuǎn)化，與傳統(tǒng)的采礦方法有本質(zhì)的不同［92］。研究金屬礦原位轉(zhuǎn)化的相關(guān)理論是金屬礦能否實(shí)現(xiàn)流態(tài)化開采的核心問題。同時(shí)，為了使金屬礦產(chǎn)資源能夠最大限度地轉(zhuǎn)換或提取出來，提高采礦效率，有必要不斷發(fā)展金屬礦資源的流態(tài)化轉(zhuǎn)化理論，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的開采目標(biāo)。目前，流態(tài)化開采在金屬礦山地下開采的應(yīng)用只是一個(gè)理論構(gòu)想，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還需要理論水平的不斷提高以及生產(chǎn)技術(shù)及裝備的不斷進(jìn)步。

4.3 超大型智慧礦山建設(shè)

超大型智慧礦山建設(shè)主要在于兩個(gè)方面，發(fā)展大型設(shè)備和提高互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的水平。采礦技術(shù)的發(fā)展其根本在于采礦裝備的發(fā)展和進(jìn)步，這也是超大型智慧礦山建設(shè)的基礎(chǔ)。在未來金屬礦山地下開采中，發(fā)展大型設(shè)備與智能化設(shè)備是總的趨勢，并結(jié)合連續(xù)采礦，以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；_采的目標(biāo)，突破礦山設(shè)計(jì)服務(wù)年限的限制，可以大幅度提高金屬礦山地下開采的效率，開采過后也可以快速恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。超大型智慧礦山的核心在于“智慧”。智慧礦山主要是將物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)［96］，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等各類高新技術(shù)，集成自動(dòng)控制器、傳輸軟件、組合式軟件、各類傳感器等，形成一套完備的智慧體系［97］。智慧礦山以數(shù)字礦山為基礎(chǔ)建立，但智慧礦山也只是礦山發(fā)展的一個(gè)中間過程，最終的目的是建立無人礦山［98］。我國智慧礦山的發(fā)展歷程經(jīng)歷了單機(jī)自動(dòng)化、綜合自動(dòng)化和局部智慧體3個(gè)階段，在主流技術(shù)方面、裝備發(fā)展方面以及推廣應(yīng)用方面均有了一定的發(fā)展，而距離真正實(shí)現(xiàn)智慧礦山仍有較大差距。推動(dòng)智慧化礦山的建設(shè)，除了重點(diǎn)發(fā)展高新技術(shù)外，隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展，基站的建設(shè)成本將會(huì)不斷降低，將5G技術(shù)與各類高新技術(shù)相結(jié)合，可以為智慧礦山建設(shè)注入新的活力。

在未來，將智慧礦山建設(shè)的核心技術(shù)與超大型礦山設(shè)備相結(jié)合，通過發(fā)展完備的理論體系，提供強(qiáng)有力的技術(shù)和設(shè)備支撐，將會(huì)大力推動(dòng)金屬礦山超大型智慧礦山的建設(shè)，而將5G技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用將會(huì)使超大型智慧礦山的建設(shè)水平得到質(zhì)的提升。

礦業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和重要支柱產(chǎn)業(yè)，國家政策、重大項(xiàng)目均給予了大力支持。新形勢給礦業(yè)發(fā)展帶來了新機(jī)遇，同時(shí)金屬礦山開采正面臨著“由淺至深、由易至難、由富至貧”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期，在理論、技術(shù)、裝備等方面都面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的情況下，研究金屬礦地下開采五大關(guān)鍵技術(shù)顯得尤為重要。在金屬礦山開采向著“深部開采”、“智能開采”、“綠色開采”這三大方向發(fā)展的過程中，任重而道遠(yuǎn)，亟需持續(xù)科技攻關(guān)，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸、自主研發(fā)核心裝備，保障我國金屬礦產(chǎn)資源安全。機(jī)器人采礦技術(shù)、流態(tài)化開采技術(shù)和超大型智慧礦山建設(shè)為未來金屬礦山地下開采提供了新的思路。