郭奇峰，蔡美峰?，吳星輝，席 迅，馬明輝，張 杰

1) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 2) 金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 3) 山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦，煙臺(tái) 261400

目前我國(guó)金屬礦深部開(kāi)采面臨的挑戰(zhàn)與難題主要包括金屬礦深部開(kāi)采動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)與防控、深井高溫環(huán)境與熱害控制及治理、深部非傳統(tǒng)采礦方法研究、深井遙控自動(dòng)化智能采礦、適應(yīng)深部開(kāi)采的選礦新工藝與新技術(shù)[1-4].解決金屬礦深部開(kāi)采所面臨關(guān)鍵難題的最有效手段便是智能開(kāi)采，礦山智能化建設(shè)是實(shí)現(xiàn)礦山本質(zhì)化安全的必由之路，也是推動(dòng)礦山高質(zhì)量發(fā)展的必由之路.

中國(guó)工程院2019年啟動(dòng)了中國(guó)工程科技中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略研究項(xiàng)目《面向2035的金屬礦深部多場(chǎng)耦合智能開(kāi)采戰(zhàn)略研究》，旨在針對(duì)金屬礦深部開(kāi)采面臨的難題，調(diào)研國(guó)內(nèi)外金屬礦智能開(kāi)采研究布局和現(xiàn)狀，參考國(guó)外智能開(kāi)采方案與規(guī)劃，理清智能開(kāi)采未來(lái)的發(fā)展方向，深入總結(jié)深部高地應(yīng)力、高溫、高巖溶水壓以及多源強(qiáng)擾動(dòng)等多場(chǎng)耦合開(kāi)采環(huán)境對(duì)深部開(kāi)采提出的新挑戰(zhàn)，分析該領(lǐng)域基礎(chǔ)研究需要攻克的技術(shù)難題和技術(shù)裝備的發(fā)展需求及方向，提出深部金屬礦智能開(kāi)采的發(fā)展戰(zhàn)略和路線圖.項(xiàng)目研究對(duì)我國(guó)金屬礦產(chǎn)資源供應(yīng)保障有重要的戰(zhàn)略意義，對(duì)我國(guó)金屬礦深部開(kāi)采基礎(chǔ)理論體系建立具有重要的科學(xué)價(jià)值，對(duì)我國(guó)建設(shè)一流礦業(yè)強(qiáng)國(guó)有著重要的應(yīng)用前景.

本文圍繞《面向2035的金屬礦深部多場(chǎng)耦合智能開(kāi)采戰(zhàn)略研究》項(xiàng)目的工作內(nèi)容和研究成果，介紹該領(lǐng)域技術(shù)需求和發(fā)展態(tài)勢(shì)，詳述亟待發(fā)展的關(guān)鍵前沿技術(shù)、基礎(chǔ)研究方向、關(guān)鍵技術(shù)裝備、技術(shù)發(fā)展路線圖及支撐保障建議.

1 深部金屬礦智能開(kāi)采發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 全球智能采礦行動(dòng)計(jì)劃與發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外以加拿大、瑞典、芬蘭為代表，從國(guó)家戰(zhàn)略層面出臺(tái)了相關(guān)計(jì)劃，推進(jìn)適應(yīng)深部多場(chǎng)耦合環(huán)境的智能化開(kāi)采技術(shù)攻關(guān)和裝備研發(fā).加拿大提出2050計(jì)劃和超深采礦網(wǎng)絡(luò)2.0（UDMN2.0）計(jì)劃，旨在建成全智能無(wú)人化礦山，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙控.瑞典制定了面向礦山自動(dòng)化的Grountechnik 2000計(jì)劃，發(fā)展了阿特拉斯等一批智能采礦領(lǐng)軍企業(yè).芬蘭啟動(dòng)國(guó)家智能礦山技術(shù)研究計(jì)劃（IM）和智能礦山實(shí)施研發(fā)計(jì)劃（IMI），推動(dòng)了山特維克等礦山設(shè)備智造領(lǐng)軍企業(yè)的發(fā)展.歐盟啟動(dòng)地平線2020科研規(guī)劃，著力研究國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)性科技難題.此外，美國(guó)、南非、澳大利亞、智利等礦業(yè)大國(guó)均有礦山智能化的相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃，正在逐步推進(jìn)礦山智能化建設(shè)和開(kāi)采運(yùn)營(yíng).

國(guó)內(nèi)開(kāi)展了以信息化為基礎(chǔ)，以采礦裝備智能化運(yùn)行以及采礦生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制為目標(biāo)的地下金屬礦智能開(kāi)采技術(shù)與裝備研究，為促進(jìn)我國(guó)從礦業(yè)大國(guó)走向礦業(yè)強(qiáng)國(guó)提供技術(shù)支撐[1].如“數(shù)字化采礦關(guān)鍵技術(shù)與軟件開(kāi)發(fā)”、“地下無(wú)人采礦設(shè)備高精度定位技術(shù)和智能化無(wú)人操縱鏟運(yùn)機(jī)的模型技術(shù)研究”、“井下（無(wú)人工作面）采礦遙控關(guān)鍵技術(shù)與裝備的開(kāi)發(fā)”、“千米深井地壓與高溫災(zāi)害監(jiān)控技術(shù)與裝備”等項(xiàng)目，為遙控自動(dòng)化智能采礦的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ).“十二五”期間國(guó)家又部署了“863”研究項(xiàng)目“地下金屬礦智能開(kāi)采技術(shù)”，針對(duì)地下金屬礦山的特殊性，以信息采集、井下高頻寬帶實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)、井下定位技術(shù)、調(diào)度與控制系統(tǒng)等為技術(shù)手段，以井下鏟運(yùn)鑿巖爆破裝備為控制對(duì)象，通過(guò)多層次、在線實(shí)時(shí)調(diào)度與控制，優(yōu)化礦山生產(chǎn)過(guò)程，形成具備行業(yè)性和通用性的地下金屬礦山智能開(kāi)采平臺(tái).十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深地資源勘查開(kāi)采”更是布局了“基于大數(shù)據(jù)的金屬礦開(kāi)采裝備智能管控技術(shù)研發(fā)與示范”重點(diǎn)專項(xiàng)，突破了開(kāi)采過(guò)程及裝備大數(shù)據(jù)采集與融合，以及基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)、診斷、控制與調(diào)度等技術(shù)瓶頸.隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展，采礦行業(yè)成為5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)探索和應(yīng)用的熱門(mén)領(lǐng)域，涌現(xiàn)出金川集團(tuán)龍首礦“5G+電機(jī)車無(wú)人駕駛系統(tǒng)”、山東黃金集團(tuán)三山島金礦“5G+鑿巖車、5G+遠(yuǎn)程破碎系統(tǒng)、運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)無(wú)人化”、洛陽(yáng)鉬業(yè)“5G+鉆、鏟、裝超遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制和純電動(dòng)礦用卡車智能編隊(duì)運(yùn)行”等金屬礦智能化開(kāi)采應(yīng)用場(chǎng)景.

1.2 智能采礦技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)

為全面了解國(guó)內(nèi)外金屬礦深部多場(chǎng)耦合智能開(kāi)采領(lǐng)域的整體研究進(jìn)展，通過(guò)工程技術(shù)預(yù)見(jiàn)技術(shù)與方法，構(gòu)建檢索技術(shù)體系（圖1），采用戰(zhàn)略咨詢智能支持系統(tǒng)（ISS）和科睿唯安公司W(wǎng)eb of Science數(shù)據(jù)庫(kù)的論文分析和專利分析功能，從不同的維度，對(duì)金屬礦深部多場(chǎng)耦合智能開(kāi)采領(lǐng)域目前的總體態(tài)勢(shì)進(jìn)行宏觀分析.

圖1 技術(shù)體系圖Fig.1 Technological system

各國(guó)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)（圖2）和專利統(tǒng)計(jì)（圖3）分布反映出該國(guó)家對(duì)本領(lǐng)域的重視程度以及對(duì)該領(lǐng)域研究的支持力度，也反映了該國(guó)家在該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展水平和國(guó)際地位[5].隨著我國(guó)進(jìn)入深部開(kāi)采礦山數(shù)量的增長(zhǎng)，研究和技術(shù)人員發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，美國(guó)、英國(guó)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域發(fā)表的成果積累較多，緊隨其后的是加拿大、澳大利亞等礦業(yè)大國(guó).美國(guó)、日本、俄羅斯三個(gè)國(guó)家發(fā)布申請(qǐng)的專利數(shù)量最多，彰顯出其創(chuàng)新能力和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)說(shuō)明其在該領(lǐng)域設(shè)備研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新的領(lǐng)先地位.

圖2 各國(guó)文獻(xiàn)收錄情況Fig.2 Literature collection in various countries

圖3 各國(guó)專利申請(qǐng)情況Fig.3 Patent applications in various countries

通過(guò)ISS和Web of science數(shù)據(jù)庫(kù)檢索“深部金屬礦”、“深部開(kāi)采”、“多場(chǎng)耦合”和“智能開(kāi)采”等關(guān)鍵詞，得到金屬礦深部多場(chǎng)耦合智能開(kāi)采詞云熱點(diǎn)（圖4和圖5）.詞云分析能夠體現(xiàn)出領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、研究主題，也可衍生出新的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，關(guān)鍵詞數(shù)量越多，說(shuō)明該方向熱度越高，通過(guò)高頻關(guān)鍵詞分析特定領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，有助于更好地把握研發(fā)動(dòng)向，更好地進(jìn)行技術(shù)研發(fā)布局.面對(duì)金屬礦開(kāi)采的復(fù)雜環(huán)境，數(shù)值模擬方法成為研究深部多場(chǎng)耦合智能開(kāi)采的主要手段.深部開(kāi)采、巖石力學(xué)、多場(chǎng)耦合問(wèn)題成為重點(diǎn)研究對(duì)象.深部地下礦山開(kāi)采裝備是智能開(kāi)采的重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象.連續(xù)鑿巖機(jī)、支護(hù)設(shè)備、水力壓裂設(shè)備是深部智能開(kāi)采設(shè)備的研究熱點(diǎn).

圖4 文獻(xiàn)詞云熱點(diǎn)Fig.4 Hot word cloud in the literature

圖5 專利詞云熱點(diǎn)Fig.5 Hot word cloud in patents

基于ISS的技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)分析，組織高校、研究院、企業(yè)單位相關(guān)專家和工程技術(shù)人員對(duì)金屬礦深部多場(chǎng)耦合智能開(kāi)采中亟待解決的工程科技難題進(jìn)行討論，借鑒國(guó)內(nèi)外技術(shù)預(yù)見(jiàn)成果、重大科技項(xiàng)目指南，總結(jié)該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、重大科技需求和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，梳理出了該領(lǐng)域關(guān)鍵熱點(diǎn)和前沿技術(shù)清單.后經(jīng)院士專家研判，形成面向2035年的金屬礦深部多場(chǎng)耦合智能開(kāi)采關(guān)鍵前沿技術(shù)、發(fā)展目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)、技術(shù)路線圖.

2 深部開(kāi)采基礎(chǔ)理論及相關(guān)技術(shù)

金屬礦深部開(kāi)采面臨高地應(yīng)力、高溫、高巖溶水壓以及多源強(qiáng)擾動(dòng)等多場(chǎng)耦合開(kāi)采環(huán)境.實(shí)現(xiàn)深部安全高效開(kāi)采跨越式發(fā)展的關(guān)鍵是變革性的開(kāi)采基礎(chǔ)理論與方法.近年來(lái)，隨著開(kāi)采裝備、信息化技術(shù)、先進(jìn)破巖技術(shù)、支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，一些前沿采礦理念或理論陸續(xù)被提出，其中包括：

（1）深部非傳統(tǒng)開(kāi)采方法.

采用機(jī)械掘進(jìn)、機(jī)械鑿巖方法，以連續(xù)切割技術(shù)和設(shè)備取代傳統(tǒng)爆破采礦工藝進(jìn)行開(kāi)采是一個(gè)重要的發(fā)展方向[6].機(jī)械切割破巖掘進(jìn)與采礦技術(shù)、高壓水射流破巖技術(shù)、激光破巖技術(shù)[7-8]、頂板誘導(dǎo)崩落技術(shù)、誘導(dǎo)致裂破巖技術(shù)、等離子爆破破巖技術(shù)等相關(guān)研發(fā)是實(shí)現(xiàn)非傳統(tǒng)爆破開(kāi)采的關(guān)鍵[9].

（2）深部膏體連續(xù)充填.

通過(guò)自動(dòng)化升級(jí)，智能量化調(diào)控配料和攪拌系統(tǒng)，加強(qiáng)自適應(yīng)泵送控制，保障計(jì)量的精度、穩(wěn)定性以及快速響應(yīng)能力，可實(shí)現(xiàn)膏體連續(xù)充填作業(yè).待進(jìn)一步突破的關(guān)鍵問(wèn)題在于超細(xì)、高強(qiáng)、價(jià)廉、速凝充填材料和充填外加劑研發(fā)，尾砂濃密理論、技術(shù)和設(shè)備開(kāi)發(fā)，長(zhǎng)距離管道自流輸送理論和控制技術(shù)[10-13].

（3）深部采選充一體化.

地下采選一體化系統(tǒng)將地表選礦作業(yè)轉(zhuǎn)移到地下空間，一方面可大幅減少礦巖提升量，另一方面礦物和多余尾砂可通過(guò)管道流態(tài)化提升[14-15].創(chuàng)新深井“排水-提礦”一體化作業(yè)模式，建立深井水力提升理論技術(shù)體系，解決深井大型硐室群建造和穩(wěn)定性控制難題，以及固廢就地綠色充填技術(shù)是實(shí)現(xiàn)采選充一體化高效開(kāi)發(fā)的根本.

（4）深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采.

3 深部智能開(kāi)采關(guān)鍵前沿技術(shù)

礦山智能化建設(shè)是解決金屬礦深部開(kāi)采所面臨關(guān)鍵難題的最有效手段.面向2035年的金屬礦深部開(kāi)采中長(zhǎng)期科技發(fā)展目標(biāo)應(yīng)重點(diǎn)布局開(kāi)采環(huán)境智能感知、開(kāi)采過(guò)程智能作業(yè)、開(kāi)采系統(tǒng)智能管控三大主題，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、掘進(jìn)、采礦、運(yùn)輸、充填、支護(hù)、提升、安全監(jiān)測(cè)等全過(guò)程的智能化，為無(wú)人采礦奠定基礎(chǔ).

3.1 深部開(kāi)采環(huán)境智能感知

（1）地應(yīng)力智能測(cè)量.

針對(duì) “三高一擾動(dòng)”問(wèn)題，研發(fā)考慮深部巖體非線性的地應(yīng)力測(cè)量理論與技術(shù)，深部高應(yīng)力易破碎巖體的地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，鉆進(jìn)過(guò)程的原位巖體力學(xué)參數(shù)實(shí)時(shí)獲取技術(shù)[19]，深部高應(yīng)力積聚區(qū)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位辨識(shí)方法[4]，基于光學(xué)測(cè)量的新型地應(yīng)力測(cè)試方法[20].

（2）巖體結(jié)構(gòu)智能識(shí)別.

針對(duì)深部巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面難以準(zhǔn)確識(shí)別的問(wèn)題，研發(fā)透地巖體結(jié)構(gòu)智能識(shí)別技術(shù)[21]，巖體表面與內(nèi)部鉆孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，露頭結(jié)構(gòu)面推算巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙的算法[22]，大尺寸巖體結(jié)構(gòu)智能識(shí)別技術(shù)，巖體結(jié)構(gòu)面連續(xù)移動(dòng)掃描技術(shù)與裝備.

（3）微震監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)警.

血清D-二聚體水平與急性腦出血疾病嚴(yán)重程度及早期預(yù)后的關(guān)系 … …… 董蔚蔚，李新星，王文卿，等 219

針對(duì)全自動(dòng)、全天候、高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、快速預(yù)警與防控技術(shù)難題，研發(fā)自動(dòng)感知與智能診斷的分布式微震監(jiān)測(cè)技術(shù)[23]，基于互相關(guān)與雙重殘差的微震定位及成像技術(shù)[24]、震源機(jī)制與應(yīng)力場(chǎng)反演的動(dòng)態(tài)分析技術(shù)[25]和全自動(dòng)震相拾取-時(shí)空定位-快速預(yù)警技術(shù)[26]，構(gòu)建深部地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警與災(zāi)害防控運(yùn)維云服務(wù)平臺(tái).

（4）智能空間探測(cè).

針對(duì)深部井巷空間探測(cè)面臨的測(cè)量條件苛刻、測(cè)量精度低、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等難題[27]，研發(fā)無(wú)人機(jī)載三維激光掃描系統(tǒng)，攻克復(fù)雜地下空間無(wú)人機(jī)自主飛行與避障技術(shù)，復(fù)雜地下空間無(wú)人機(jī)通訊信號(hào)可靠傳輸技術(shù)，無(wú)GPS條件下地下空間即時(shí)定位與成圖技術(shù)[28]，三維激光掃描海量點(diǎn)云顯示及模型構(gòu)建技術(shù)，三維激光掃描點(diǎn)云漂移檢測(cè)及誤差標(biāo)定技術(shù)[29].

（5）深部金屬礦人-機(jī)系統(tǒng)智能感知技術(shù).

針對(duì)深部金屬礦井下人、車、巖、場(chǎng)的關(guān)鍵智能感知難題，研發(fā)深部環(huán)境人員智能穿戴裝備及傳感交互技術(shù)[30]，深部環(huán)境采掘裝備一體化的自動(dòng)感知控制技術(shù)[31]，深部環(huán)境下礦巖變形光纖光柵智能感知技術(shù)[32]，深部復(fù)雜場(chǎng)環(huán)境的探測(cè)感知與集成反饋技術(shù)[33].

3.2 深部開(kāi)采過(guò)程智能作業(yè)

（1）全斷面掘進(jìn)成井裝備智能化控制技術(shù).

面向全斷面掘井鉆機(jī)智能化程度低、裝備結(jié)構(gòu)大、轉(zhuǎn)場(chǎng)困難、所需硐室規(guī)格大等難題，研發(fā)掘井鉆機(jī)性能與深井環(huán)境匹配技術(shù)[34]，全斷面掘井鉆機(jī)鉆進(jìn)自適應(yīng)技術(shù)[35]，全斷面掘井鉆機(jī)智能控制技術(shù)系統(tǒng)[36].

（2）巖體智能匹配支護(hù)技術(shù)與裝備.

面向深部復(fù)雜地質(zhì)條件和多場(chǎng)耦合開(kāi)采環(huán)境下的地壓調(diào)控與支護(hù)難題，研究深部開(kāi)采過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)反演技術(shù)，深部井巷圍巖力學(xué)特性及失穩(wěn)垮落機(jī)理，深部高應(yīng)力開(kāi)采潛在地壓致災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)評(píng)估，深部井巷分區(qū)分級(jí)的高強(qiáng)度智能支護(hù)技術(shù)，深部開(kāi)采過(guò)程地壓動(dòng)態(tài)調(diào)控一體化服務(wù)平臺(tái).

（3）智能化連續(xù)采礦技術(shù)與裝備.

面向常規(guī)采礦方法作業(yè)工序多、難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)問(wèn)題，研究深部金屬礦智能連續(xù)開(kāi)采的原理及方案，深部采場(chǎng)智能化采礦工藝技術(shù)體系，深部金屬礦機(jī)械截割落礦機(jī)理，全巖不穩(wěn)固巖體機(jī)械落礦截齒分布與形態(tài)[37-39]，深部環(huán)境復(fù)合地層盾構(gòu)開(kāi)挖卸荷機(jī)理與控制技術(shù).

（4）采掘裝備的無(wú)人化智能作業(yè)技術(shù).

為實(shí)現(xiàn)深地環(huán)境采掘裝備的高效、安全和連續(xù)作業(yè)，提高深部金屬礦智能化水平，研發(fā)基于開(kāi)采環(huán)境和裝備特性的自適應(yīng)作業(yè)控制系統(tǒng)[40]，基于人工智能的作業(yè)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，開(kāi)采裝備故障診斷及自健康管理系統(tǒng)，基于周界激光掃描的定位導(dǎo)航技術(shù)，自主行駛空間感知及路徑優(yōu)化技術(shù)[41].

（5）充填系統(tǒng)智能化控制技術(shù).

為實(shí)現(xiàn)深部充填制備精細(xì)化、過(guò)程智能化，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠輸送[42]，研發(fā)充填參數(shù)智能決策算法，充填工藝流程智能化自主運(yùn)行技術(shù)，智能優(yōu)化配比與精準(zhǔn)給料制備技術(shù)[43]，深井充填管道智能化監(jiān)測(cè)與診斷維護(hù)技術(shù)[10].

（6）井巷微氣候智能調(diào)控技術(shù).

面向深部井巷環(huán)境復(fù)雜，深井按需通風(fēng)面臨系統(tǒng)復(fù)雜、調(diào)控困難等難題，研究深部井巷按需通風(fēng)智能調(diào)控理論[44]，多因素耦合礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算技術(shù)[45]，深部井巷通風(fēng)智能控制系統(tǒng)，無(wú)極節(jié)距角變頻智能風(fēng)機(jī)裝備，通風(fēng)系統(tǒng)與采礦協(xié)同技術(shù).

（7）高效智能提升技術(shù)及裝備.

面向傳統(tǒng)提升在控制方式、提升高度和載荷難以滿足深井大規(guī)模智能化開(kāi)采等難題，研究點(diǎn)驅(qū)動(dòng)智能提升原理，多點(diǎn)連續(xù)提升分布式智能控制技術(shù)，連續(xù)提升系統(tǒng)智能裝卸載及高效平衡提升技術(shù).

3.3 深部開(kāi)采系統(tǒng)智能管控

（1）作業(yè)面柔性數(shù)據(jù)通信.

為解決深井作業(yè)面井巷環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)裝備眾多、信號(hào)干擾嚴(yán)重、協(xié)同作業(yè)困難等問(wèn)題，研發(fā)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)柔性組網(wǎng)和高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，井下惡劣環(huán)境下的通信裝備高效防護(hù)技術(shù)[46]，井下多級(jí)以太網(wǎng)環(huán)境下的高精度授時(shí)及時(shí)間同步技術(shù)[47]，實(shí)現(xiàn)井下多通信基站間的數(shù)據(jù)多跳傳輸和快速無(wú)縫切換[48].

（2）深井開(kāi)采全生命周期智能規(guī)劃.

為解決基于商業(yè)礦業(yè)軟件的深部金屬礦全生命周期開(kāi)采規(guī)劃難題，研究深部開(kāi)采地質(zhì)-工程-力學(xué)-經(jīng)濟(jì)一體化模型，深部開(kāi)采過(guò)程全生命周期模型構(gòu)建技術(shù)，開(kāi)采設(shè)計(jì)可視化與動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)，生產(chǎn)計(jì)劃智能化編制與優(yōu)化技術(shù)，提出深部開(kāi)采應(yīng)力演化與開(kāi)采順序整體方案設(shè)計(jì)方法.

（3）開(kāi)采全過(guò)程智能調(diào)度.

為解決深部開(kāi)采過(guò)程開(kāi)采裝備的集群自主協(xié)同作業(yè)難題，研發(fā)礦山異構(gòu)信息系統(tǒng)間的結(jié)構(gòu)化融合技術(shù)，深部開(kāi)采全作業(yè)鏈裝備智能調(diào)度算法，作業(yè)區(qū)域人員裝備的精準(zhǔn)識(shí)別及定位技術(shù)，異常工況下人員裝備應(yīng)急調(diào)度決策方法，多系統(tǒng)多裝備的高效協(xié)同控制技術(shù)，全礦區(qū)開(kāi)采計(jì)劃自主編排及智能派配系統(tǒng).

（4）開(kāi)采過(guò)程管控一體化平臺(tái).

為解決深部開(kāi)采過(guò)程信息孤島嚴(yán)重、信息重用性差、流程優(yōu)化不到位等問(wèn)題，研發(fā)管控一體化平臺(tái)組織與數(shù)據(jù)協(xié)議統(tǒng)一方法，管控一體化平臺(tái)數(shù)據(jù)與辦公自動(dòng)化融合技術(shù)，全礦區(qū)信息數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘與分析預(yù)判技術(shù)，地上地下真實(shí)感顯示與智能交互技術(shù)，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的管控信息三維交互技術(shù)[49-50].

（5）深部開(kāi)采云計(jì)算大數(shù)據(jù)分析.

為滿足金屬礦山行業(yè)大數(shù)據(jù)整合、分析及云計(jì)算服務(wù)需求，開(kāi)展工業(yè)混合云的云計(jì)算大數(shù)據(jù)架構(gòu)優(yōu)化，研發(fā)深井開(kāi)采大數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建與知識(shí)挖掘技術(shù)[51]，多源異構(gòu)線下信息獲取與數(shù)據(jù)清洗技術(shù)，基于海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)并行計(jì)算技術(shù)，云計(jì)算模式下的信息編碼與數(shù)據(jù)安全技術(shù)[52].

4 發(fā)展目標(biāo)與重點(diǎn)任務(wù)

4.1 發(fā)展目標(biāo)與需求

2020年至2035年我國(guó)金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)工程以深部開(kāi)采、智能開(kāi)采、地下礦山原位利用為發(fā)展方向，致力于建立深部開(kāi)采和原位利用基礎(chǔ)理論和技術(shù)體系，解決深部開(kāi)采面臨的安全、提升、降溫、原位開(kāi)發(fā)利用等技術(shù)瓶頸，提高開(kāi)采機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化程度，提高深部資源開(kāi)發(fā)利用效率，減小礦石提升和回填量，減少?gòu)U石、尾礦排放，安全、環(huán)保、高效開(kāi)采利用深部礦產(chǎn)資源[53].重點(diǎn)突破深部金屬礦開(kāi)采面臨的多場(chǎng)耦合環(huán)境約束，研究突破性開(kāi)采理論、多場(chǎng)耦合開(kāi)采環(huán)境識(shí)別與控制技術(shù)，建立深部環(huán)境智能感知方法、深井智能化開(kāi)采標(biāo)準(zhǔn)、礦業(yè)大數(shù)據(jù)分析理論，攻克深部開(kāi)采條件智能探測(cè)和采礦作業(yè)智能化技術(shù)，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深部開(kāi)采智能傳感器和智能采掘裝備，建設(shè)礦山云計(jì)算大數(shù)據(jù)管控平臺(tái).

2035年形成深部地下礦山原位開(kāi)發(fā)利用新模式，建立適應(yīng)深部多場(chǎng)耦合環(huán)境的智能化開(kāi)采基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)體系；實(shí)現(xiàn)中型礦山機(jī)械化，大型礦山機(jī)械化、自動(dòng)化，示范礦山機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化；逐步實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人、井上遙控的智能化開(kāi)采新模式；全面實(shí)現(xiàn)礦山廢料的資源化，保障金屬礦產(chǎn)資源可持續(xù)發(fā)展，提高金屬礦產(chǎn)資源自產(chǎn)自足能力；建成深部金屬礦智能化開(kāi)采示范礦山，為國(guó)家千米深井礦產(chǎn)資源規(guī)?；_(kāi)發(fā)提供支撐.

4.2 基礎(chǔ)研究方向

（1）深部全場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)重構(gòu).

開(kāi)展基于關(guān)鍵點(diǎn)控制測(cè)量、區(qū)域地質(zhì)信息數(shù)學(xué)模型與物理模型的多尺度全場(chǎng)地應(yīng)力場(chǎng)反演重構(gòu)研究，實(shí)現(xiàn)工程區(qū)域信息化反饋與自適應(yīng)調(diào)整的深部地應(yīng)力場(chǎng)精準(zhǔn)測(cè)量和反演重構(gòu)，提高原位數(shù)字化地應(yīng)力測(cè)量的深部適用性，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力解除過(guò)程中原位巖體力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取.

（2）深部多場(chǎng)環(huán)境參量與地球物理參數(shù)本構(gòu)關(guān)系.

在深部地下滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)精準(zhǔn)測(cè)量理論的基礎(chǔ)上，基于定量地球物理學(xué)建立地球物理參數(shù)與環(huán)境參量間的本構(gòu)方程；通過(guò)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)約束反演，基于環(huán)境參量的本構(gòu)方程，將鉆孔精細(xì)測(cè)量的成果向整個(gè)研究區(qū)域延拓，從而實(shí)現(xiàn)深部地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)探測(cè)技術(shù)和環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)反演.

（3）深部多場(chǎng)耦合巖體力學(xué)特征及破壞機(jī)理.

研發(fā)鉆進(jìn)過(guò)程中原位巖體力學(xué)參數(shù)實(shí)時(shí)獲取技術(shù)，研究開(kāi)采強(qiáng)擾動(dòng)和爆破動(dòng)荷載作用下工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜受力特征及破壞機(jī)理等關(guān)鍵問(wèn)題，解決影響深部開(kāi)采工程高效建設(shè)與運(yùn)維安全的技術(shù)瓶頸，為金屬礦深部開(kāi)采提供全面的理論和技術(shù)支撐.

（4）深部智能化連續(xù)采選理論技術(shù).

攻克深部開(kāi)采過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)反演、深部巖層致災(zāi)機(jī)理及控制、高能量吸收支護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，形成采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、能量場(chǎng)等多場(chǎng)動(dòng)態(tài)閉環(huán)調(diào)控的巖體智能匹配支護(hù)技術(shù)，建立深部智能化連續(xù)采礦技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)深部充填制備精細(xì)化、過(guò)程智能化，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠輸送.

4.3 關(guān)鍵技術(shù)裝備

（1）深部開(kāi)采環(huán)境智能感知裝備.

開(kāi)發(fā)新型地應(yīng)力測(cè)試及多場(chǎng)耦合智能監(jiān)測(cè)裝備，可移動(dòng)便攜式大尺寸巖體結(jié)構(gòu)連續(xù)掃描設(shè)備，解決巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)識(shí)別與三維建模難題.攻克無(wú)人機(jī)自主飛行、自主定位及三維激光掃描儀即時(shí)成圖技術(shù)，開(kāi)發(fā)地下空間無(wú)人機(jī)載三維激光掃描系統(tǒng)，創(chuàng)新地下空間形態(tài)獲取手段，打破礦山傳統(tǒng)測(cè)量方式.構(gòu)建基于“人工智能+云服務(wù)”的深部全自動(dòng)微震監(jiān)測(cè)與災(zāi)害在線預(yù)警體系，創(chuàng)新微震監(jiān)測(cè)在開(kāi)采-監(jiān)測(cè)-預(yù)警-治理中的閉環(huán)應(yīng)用，大幅提高微震監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析時(shí)效性和災(zāi)變預(yù)警專業(yè)性.研發(fā)面向“人-車-巖-場(chǎng)”的深井開(kāi)采環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)探測(cè)感知儀器，形成深井開(kāi)采空間信息多變條件下的深地采礦環(huán)境感知技術(shù)與裝置集成.

（2）深部開(kāi)采過(guò)程智能作業(yè)裝備.

研發(fā)深部金屬礦山連續(xù)采掘裝備，形成深部智能化連續(xù)采礦技術(shù)與裝備系統(tǒng).開(kāi)發(fā)深部全斷面成井鉆機(jī)智能化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)成井鉆機(jī)智能精準(zhǔn)施工.完善深部井巷通風(fēng)裝置智能調(diào)控理論，構(gòu)建深部井巷實(shí)時(shí)按需通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)與采礦協(xié)同.開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深部采掘裝備無(wú)人化智能作業(yè)技術(shù)，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，構(gòu)筑適合我國(guó)深井作業(yè)條件的無(wú)人采礦技術(shù)體系.

（3）深部開(kāi)采系統(tǒng)智能管控平臺(tái).

構(gòu)建適合礦山工作面復(fù)雜環(huán)境的高可靠、高帶寬、高性能綜合數(shù)字通訊平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)柔性數(shù)據(jù)通信，保障深井礦山智能化生產(chǎn).建立生產(chǎn)規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)收益、深井高應(yīng)力環(huán)境的反饋優(yōu)化機(jī)制，形成深部金屬礦開(kāi)采全生命周期智能化規(guī)劃理論與方法.創(chuàng)建深井條件下全采區(qū)、多系統(tǒng)自適應(yīng)智能調(diào)度技術(shù)與系統(tǒng)，形成開(kāi)采全過(guò)程智能管理及調(diào)配解決方案.突破系統(tǒng)離散管控的傳統(tǒng)模式，實(shí)現(xiàn)地下金屬礦復(fù)雜離散系統(tǒng)一體化、智能化、可視化集中管控.構(gòu)筑基于工業(yè)混合云平臺(tái)的礦山大數(shù)據(jù)整合與數(shù)據(jù)挖掘，并實(shí)現(xiàn)基于云技術(shù)平臺(tái)的全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)學(xué)研用一體化運(yùn)行模式.

5 發(fā)展路線圖

面向2035年金屬礦深部多場(chǎng)耦合智能化開(kāi)采戰(zhàn)略的實(shí)施，明確了關(guān)鍵技術(shù)路線圖（圖6）：實(shí)施深部地質(zhì)與應(yīng)力環(huán)境精準(zhǔn)探測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害智能感知分析、災(zāi)害精準(zhǔn)控制與防治等金屬礦深部開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)突破，制定深井智能開(kāi)采標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建設(shè)礦業(yè)大數(shù)據(jù)中心，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建智能化開(kāi)采理論體系.研制井下智能探測(cè)、采礦作業(yè)自動(dòng)化裝備，推動(dòng)智能采礦裝備自主創(chuàng)新.加強(qiáng)深部采礦感知系統(tǒng)、礦業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)，發(fā)展人機(jī)智能協(xié)同系統(tǒng)、信息交互與虛擬技術(shù)；研發(fā)基于智能感知技術(shù)的開(kāi)采作業(yè)設(shè)備，利用VR技術(shù)控制井下無(wú)人化智能作業(yè)設(shè)備；研究深部智能管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)控系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、作業(yè)設(shè)備之間的數(shù)字通訊，構(gòu)建礦山智能開(kāi)采大數(shù)據(jù)平臺(tái).

圖6 面向2035的技術(shù)路線圖Fig.6 Technological roadmap for 2035

6 戰(zhàn)略支撐與保障

面向2035年金屬礦深部多場(chǎng)耦合智能化開(kāi)采戰(zhàn)略的實(shí)施需要在明確關(guān)鍵技術(shù)路線的基礎(chǔ)上，發(fā)揮我國(guó)的制度優(yōu)勢(shì)、組織優(yōu)勢(shì)、資本優(yōu)勢(shì)、人力資源優(yōu)勢(shì)，建立完善的科學(xué)體系、政策框架、技術(shù)框架及人才隊(duì)伍，形成產(chǎn)業(yè)、技術(shù)、人才等戰(zhàn)略支撐與保障系統(tǒng).

金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)具有長(zhǎng)期性和行業(yè)迫切性，發(fā)展成為具有高科技特點(diǎn)的新產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代礦山發(fā)展的共識(shí)，現(xiàn)代化礦山智能化升級(jí)市場(chǎng)需求大，具備良好的市場(chǎng)前景.國(guó)內(nèi)部分大型礦山正在結(jié)合國(guó)家“中國(guó)制造2025”、“新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃”等政策倡議，打破傳統(tǒng)模式，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)打造“智能礦山”的產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)礦山向智能化、無(wú)人化方向的發(fā)展進(jìn)程將不斷加快，“打造智能礦山”成為我國(guó)礦業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路.山東黃金、洛陽(yáng)鉬業(yè)、金川集團(tuán)等礦業(yè)集團(tuán)投入大量資金開(kāi)展智能礦山建設(shè)，有序規(guī)范地帶動(dòng)了礦山深部多場(chǎng)耦合智能化開(kāi)采戰(zhàn)略實(shí)施進(jìn)程.

礦業(yè)智能化升級(jí)要加強(qiáng)智能礦山人才隊(duì)伍建設(shè).在符合條件的高校開(kāi)設(shè)與智能開(kāi)采相關(guān)的專業(yè)或基礎(chǔ)學(xué)科，加大復(fù)合型人才培養(yǎng)力度，以實(shí)踐為導(dǎo)向與國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)合作教學(xué)，增強(qiáng)人才的實(shí)踐能力.通過(guò)“產(chǎn)教融合”、“校企合作”方式，將政府、企業(yè)、高校和民間機(jī)構(gòu)共同帶入金屬礦智能化的生態(tài)建設(shè)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化，激發(fā)人才的創(chuàng)新培養(yǎng).高等院校、科研機(jī)構(gòu)、高新企業(yè)等相關(guān)單位已開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)研究和技術(shù)產(chǎn)業(yè)布局，形成了龐大的技術(shù)研發(fā)梯隊(duì)，能夠提供充足的技術(shù)支撐與保障.

7 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目組織金屬礦領(lǐng)域的高等院校、科研院所、礦山企業(yè)、智造服務(wù)商進(jìn)行研討，開(kāi)展了較為廣泛的調(diào)研，總結(jié)了金屬礦深部安全高效開(kāi)采面臨的復(fù)雜作業(yè)環(huán)境及環(huán)境識(shí)別技術(shù)，梳理了智能化開(kāi)采需要解決的硬件和軟件技術(shù)瓶頸，最終確定了面向2035年的金屬礦深部多場(chǎng)耦合智能開(kāi)采戰(zhàn)略技術(shù)路線圖，為金屬礦智能化基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)提供了方向.通過(guò)穩(wěn)步有效的產(chǎn)業(yè)、人才、技術(shù)保障與推進(jìn)，我國(guó)金屬礦智能化產(chǎn)業(yè)升級(jí)將步入發(fā)展的快車道.