摘要：詳細闡述了黃金礦山深井開采國內外研究現(xiàn)狀及所面臨的技術難題，圍繞采動巖石力學理論、巖體結構識別與巖體質量分級、礦山三維工程災害建模、深部采礦設計方法研究、深部采場爆破落礦技術、采動地壓調控、采動地壓監(jiān)測、自承載主動釋壓支護技術、深部采動對地表巖移影響、通風降溫技術、智能開采技術、超深豎井建設等展開了詳細的討論與分析；對于黃金礦山非爆采礦機器人研制、采動巖石力學、深部采動地壓災害防控、深井降溫技術、超深豎井建設、基于采動地壓均衡的深部連續(xù)智能化開采技術等方面的未來發(fā)展趨勢提出了展望，為黃金礦山深井開采的系統(tǒng)研究提供參考依據(jù)。

關鍵詞：黃金礦山；深井開采；采動巖石力學；采礦方法；通風降溫；智能開采；地壓調控；超深豎井

中圖分類號：TD85""""""""""文章編號：1001-1277（2024）08-0001-18

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240801

引"言

深部采礦已經成為世界礦產資源開發(fā)的必然趨勢［1］。當前國外開采深度超過1 000 m的金屬礦山有130余座。其中，開采深度超過3 000 m的有16座；最具代表性的國家是南非、加拿大［2］，南非的TauTona、Mponeng、SaVuka 3座金礦山開采深度超過4 000 m，南非South Deep金礦建成2 990 m深豎井［3］；加拿大的Kidd Creek多金屬礦、LaRonde金礦等開采深度超過3 000 m，Creighton多金屬礦［4-5］開采深度超過2 700 m；美國的Lucky Friday鋅礦開采深度達到3 000 m。歐洲開采最深的金屬礦是俄羅斯Skalistaja（BC10）銅礦，開采深度2 100 m；澳洲開采最深的礦山為昆士蘭Mount Isa銅礦，開采深度1 800 m；亞洲開采最深的礦山是印度Kolar金礦，開采深度超過3 000 m［6-7］，由于嚴重的巖爆災害，造成礦山被迫關閉。

目前，中國超千米開采的黃金礦山約有20座，主要集中在膠東半島、夾皮溝金成礦帶、靈寶—秦嶺金成礦帶等。膠東半島金礦開采深度超過1 000 m的主要有：三山島金礦（1 400 m），采礦證深度達2 700 m，在建1 915 m超深豎井，目前該豎井建設深度已達1 568 m；紗嶺金礦建成1 551.8 m超深豎井，新城金礦豎井建設深度達1 527 m，瑞海金礦建設深度超1 500 m，金洲礦業(yè)建成1 260 m深豎井，焦家金礦在建1 100 m超深豎井，玲瓏金礦東風礦田、崟鑫金礦等礦山開采深度超過1 000 m。吉林夾皮溝金礦開采深度達1 600 m，其成礦帶上的板廟子金礦、大線溝金礦、粗榆金礦開采深度均超過1 000 m。陜西潼關秦嶺金礦開采深度1 400 m，潼關金礦開采深度1 200 m。河南靈寶文峪金礦開采深度1 300 m。山西繁峙東峪金礦開采深度達1 300 m。此外，遼寧二道溝金礦、湖北大冶雞冠嘴銅金礦、湖南湘西金礦等開采深度均超過1 000 m，青海大柴旦礦業(yè)擬建1 300 m超深豎井。初步統(tǒng)計，中國深部黃金資源儲量約15 000 t，未來10～20年，中國將有更多黃金礦山進入2 000 m深度開采［8］。由此可見，黃金礦山深部開采已經成為中國黃金采礦業(yè)的重要組成部分。

黃金礦山深部采礦在高井深（＞1 500 m）、高地壓（＞50 MPa）、高地溫（＞35 ℃）、高承水壓力（＞10 MPa）、強腐蝕、強開挖擾動條件下開采，地質條件更加復雜、區(qū)域構造應力大、破碎巖體增多、承壓涌水量加大、高溫高濕，導致深部礦山生產和作業(yè)環(huán)境嚴重劣化。特別是在深部強采動應力“驅動”下，在淺部十分普通的“硬巖”，在深部表現(xiàn)出“軟巖”特性［9］，致使深部采場/巷道產生了剝落、層裂、屈曲、巖爆、脆-延性大變形等應力控制型破壞。與淺部開采相比，深部采動巖體損傷機制、演化機理、致災過程、響應特征等均發(fā)生了顯著變化［10-14］，仍沿用淺部“經驗法”“工程類比法”指導深部采礦，將導致深部地壓活動頻繁、災害頻發(fā)、采礦損失貧化加大、資源浪費嚴重［15］。究其原因，當前中國對于深部黃金資源開采缺乏正確的基礎理論指導，導致深部采掘活動普遍存在盲目性、低效性和不確定性；現(xiàn)有的采礦設計理論、地壓控制方法，均未充分考慮采動應力影響，導致深部黃金礦山開采存在工程難掘、礦體難采、災害難防、地壓難控、生產不連續(xù)、效率低、安全性差［16-19］等問題；單純盲目加大采場結構參數(shù)、增加采場數(shù)量，采用以“礦石流”為基礎的連續(xù)智能化開采等，難以滿足深部黃金資源安全、高效、智能化開采理論與技術需求［20］。

2024年第8期/第45卷""礦業(yè)工程礦業(yè)工程""黃"金

因此，深部黃金資源開發(fā)需充分考慮深部采動地壓影響，系統(tǒng)深入研究深部采動巖體損傷機制及其響應，建立深部采場結構設計理論和地壓防控方法，形成以采動地壓均衡為基礎的連續(xù)智能化安全開采理論和關鍵技術，也是中國深部金屬礦產資源開發(fā)亟待解決的關鍵性科學問題［21］。

1"國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析

與淺部采礦相比，深部金屬礦開采是在復雜地質構造、巖性劣化、高應力（高原巖應力、強采動應力）和特殊環(huán)境（高溫、高濕、大水）下的開采［22］。因此，為解決深部金屬礦安全、高效、連續(xù)智能化開采問題，需從深部礦體賦存地質條件出發(fā)，分析礦體所處應力環(huán)境，系統(tǒng)研究深部采動巖體損傷本構及其響應，并以此為基礎研究采場結構設計、地壓災害防控等基礎理論；創(chuàng)新采礦設計方法，開發(fā)以采動地壓均衡為基礎的連續(xù)智能化開采關鍵共性技術，為中國黃金礦山深部連續(xù)智能化安全、高效開發(fā)提供基礎理論與關鍵技術。

1.1"采動巖石力學理論

巖體作為天然的地質體，是巖塊和結構面的組合體，具有非連續(xù)、非均勻及各向異性等特征［23-26］。多年來，國內外學者根據(jù)大量的室內巖石力學試驗，建立彈性本構、脆性本構、完美塑性本構、應變軟化本構及延性本構等基本本構模型，每種本構模型均揭示了某類巖石的某一基本應力變形特征［27-29］；通過室內試驗、現(xiàn)場原位試驗、分析測試等，提出了彈-脆-塑性本構、彈性-應變軟化本構、彈性-完美塑性本構、彈性-脆性-塑性-延性本構等多種反映巖體應力變形本構關系，且每種本構模型依據(jù)巖體類型、巖體質量、應力環(huán)境等因素具有不同的適用范圍［30-32］。在深部高應力條件下，不同質量等級巖體具有不同峰后變形特征及其響應，常見的基本本構模型包括完美塑性本構、應變軟化本構及彈脆塑性本構模型等，而完美塑性本構因其峰后參數(shù)變化簡單而被廣泛應用于理論研究與工程實踐，然而其適用范圍是非常有限的［33］。

Hoek-Brown結合巖體工程實踐，提出了以GSI標定巖體質量分級為基礎的本構模型，建議：當GSIgt;75時，采用彈脆塑性本構模型；當25lt;GSIlt;75時，采用應變軟化本構模型;當GSIlt;25時，采用完美塑性本構模型［34］。在應變軟化本構模型中，巖體峰后強度參數(shù)常隨軟化系數(shù)線性衰減，采用Hoek-Brown屈服強度準則時，衰減強度參數(shù)包括Hoek-Brown常數(shù)，即m，s與a，以及剪脹角；采用Mohr-Column屈服準則時，衰減強度參數(shù)包括內聚力、內摩擦角及剪脹角，一般選取塑性剪應變、最大塑性主應變、最小塑性主應變?yōu)槟Ｐ蛙浕禂?shù)［35］。僅Carranza-Torres在采用更為簡單的TRESCA屈服準則條件下，應用應變軟化本構模型，獲得了平面圓形及三維球形開挖體圍巖應力變形狀態(tài)閉合解［36］。但是，本構模型本身的復雜性，使其在理論計算中很難獲取開挖巖體應力變形狀態(tài)閉合解［37］，當前該模型主要在平面圓形開挖體應力、變形與破壞的半理論解析計算與數(shù)值模擬中應用［38-42］，對于非圓斷面地下采動巖體結構，其理論解析根本無法實現(xiàn)，僅可通過數(shù)值模擬對深部各種斷面形狀巖體結構的應變軟化表現(xiàn)進行分析計算。Hoek、Brown等推薦的選取本構模型的量化標準，絕非適用于任意條件下巖體本構模型的選擇，很多學者仍對其存在質疑并提出了修正結果［43-45］。在實踐理論研究與應用中，對于本構模型的選擇仍需慎重，特別是在深部差異化采動條件下，深部采動巖體應力變形表現(xiàn)復雜多變，而任意單一本構模型僅能針對某一類采動巖體應力變形表現(xiàn)進行闡釋，存在很大局限性［46-48］。

為全面、充分揭示深部采動巖體復雜多變的應力變形特征，發(fā)展采動巖石力學理論，提出深部采動巖體“廣義”應力變形本構模型理念，針對深部采動巖體復雜多變的應力變形特征，以巖體基本應力變形特征及其相對應的應力變形本構模型為基礎，構建采動巖體基本本構模型數(shù)據(jù)庫，考慮深部采動巖體工程地質條件、區(qū)域構造應力場及巖體力學特性等，借助三維激光測量、微震監(jiān)測、鉆孔電視、鉆孔應力計、多點位移計等應力與位移監(jiān)測、鉆孔探視手段，對礦山深部不同開采方法、不同回采順序下采動巖體結構失穩(wěn)全過程進行全時空域應力、變形及其微震活動性監(jiān)測，獲取礦山深部采動巖體應力變形特征，以對建立的深部采動巖體損傷本構模型（組）進行校驗，實現(xiàn)對深部采動巖體響應特征預測分析，揭示深部采動巖體損傷本質。

1.2"巖體結構識別與巖體質量分級

巖體結構是巖石工程設計、穩(wěn)定性分析與災害防控的關鍵因素。多年來，地質工程師和巖石力學工程師主要采用測線法［49］人工測量巖體結構，該方法主要采用地質羅盤和測尺，沿巖石工程某一方向素描出巖體結構二維平面分布及其相互位置關系。為使巖體結構識別具有一定的空間范圍，KULATILAKE等［50］建立了統(tǒng)計窗法描述局部巖體結構特征。為更好地滿足現(xiàn)場巖石工程巖體結構識別，ZHANG等［51］和MAULDON［52］分別建立了矩形統(tǒng)計窗法和圓形統(tǒng)計窗法，相對提高了統(tǒng)計窗法適用范圍和適用條件。但是，無論測線法還是統(tǒng)計窗法，均為人工采集和描述巖體結構信息，不能全空間尺度反映巖體結構分布特征，且存在低效、費力、耗時、安全性差等問題，難以滿足現(xiàn)代巖體工程快速施工的要求。

攝影測量技術［53-58］是一種非接觸測量手段，主要應用計算機三維成像技術、影像匹配、模式識別等理論與方法，采用雙目相機攝取巖石工程表面影像圖片，開發(fā)巖石結構識別算法，統(tǒng)計和分析巖石工程的三維巖體結構信息，對于地表和露天巖石工程受雙目相機焦距影響，圖像分辨率差異較大；對于地下工程，攝影測量技術受空間范圍、照明條件限制，攝取的巖體結構圖像成像質量差、圖像拼接困難，且不能在巷（隧）道等進行全三維空間尺度巖體結構測量。為獲取全空間尺度巖體結構信息，三維激光掃描技術被應用于巖體結構測量。三維激光掃描技術［59-60］不但能夠測量識別巖體結構，而且能夠構建工程巖體全空間尺度三維模型。

以三維激光點云數(shù)據(jù)為基礎，獲取巖體露頭點云數(shù)據(jù)，選用點的法向量作為結構面判斷的依據(jù)，并設定相應的閾值，對區(qū)域生長算法進行了改進。改進后的算法通過比較相鄰點的法向量來確定哪些點屬于同一結構面。如果點的法向量之間差異小于設定的閾值，這些點將被認為屬于同一結構面，并被分為一個簇。利用改進的區(qū)域生長法與解析幾何理論，實現(xiàn)了巖體結構面智能識別與信息提取，利用巖體結構面的平面性質和法向量的一致性，準確地得出巖體結構面產狀信息（走向、傾向、傾角、跡長等）（見圖1）。

通過大量巖體結構面調查、巖體破壞形式調查及破壞巖體所在位置的采動應力分析，構建了以巖體結構間距、組數(shù)分布和采動應力分析為基礎的巖體質量分類圖表（JSI，見圖2）。該分類圖表依據(jù)巖體結構分布和采動應力閾值，直接確定采場/巷道可能發(fā)生的破壞類型，為地壓災害防控提供依據(jù)。

1.3"礦山三維工程災害建模

礦床地質及礦體地質特征變化的復雜程度是劃分礦床勘探類型的根據(jù)。地質勘探資料是正確評價礦床勘探質量、提交勘探成果和礦山合理開發(fā)的必備基礎資料；而地質勘探鉆孔鉆取的地質巖芯含豐富的巖性、地質結構、巖石力學及地下水等信息。當前，三維地質構造模型［61］包括概念模型（Conceptual Models）、物理模擬模型（Physical Analog Models）、數(shù)學模型（Mathematical Models）、統(tǒng)計學模型（Statistical Models）及可視化模型（Visualization Models）［62］等，構成了一個完整的地質模型模擬系統(tǒng)。

三維地質可視化建模的數(shù)據(jù)來源主要包括：①直接觀測得到的數(shù)據(jù)，野外填圖、測量、遙感、GPS等；②鉆孔獲取巖芯資料和測井資料；③地震資料［63］。其中，地質鉆孔獲取的數(shù)據(jù)大多呈規(guī)律性離散，僅通過鉆孔數(shù)據(jù)用TIN表面法來構建三維地層模型，不能有效反映地質形態(tài)的原貌，需要對原始地質鉆孔數(shù)據(jù)進行預處理、加密。三維可視化地質建模技術包括數(shù)學建模及可視化2個方面；構建三維模型的方法主要有斷面構模法、表面構模法、塊體構模法、線框構模法、實體構模法和體視化技術等。利用三維可視化結果可以實現(xiàn)三維空間中最完整的地質構造解釋，描述復雜的地質構造情況，反映礦床的構造形態(tài)和屬性特征的三維圖形圖像，實現(xiàn)全三維資料解釋、三維地質建模、地質過程的仿真模擬等高級可視化應用功能［61］。

當前礦山三維可視化模型直觀反映了礦床地質、巖性、礦體空間形態(tài)、斷層構造、礦石品位等地質勘探信息。目前三維空間建模中的地質構造解釋方法和表達方式仍以剖面和平面（構造等值線）圖等為主，以相對簡單的內插、外推方法，包含礦區(qū)地層、巖性、巖相，控礦斷裂、褶皺構造，圍巖蝕變及礦化度的控制等，僅反映埋深、礦體及產狀、圍巖、構造和采掘工程空間關系的三維可視化模型［62-64］。但此類三維地質建模是三維問題二維化，構建的三維地質模型不能直觀表達巖體力學、巖體質量等級、地質災害風險等與數(shù)值模型、采掘工程設計的空間映射關系，特別是不能直觀展現(xiàn)采掘工程設計與復雜地質結構、地質災害風險間的三維空間映射關系。究其原因是該建模方法未對礦床富含的巖體質量、巖體力學、地質災害風險等內部屬性信息充分解析，且未與三維可視化模型形成映射關系，無法在“開采前”指導采掘設計，且無法將巖體力學直接賦入礦山三維數(shù)值模型參與采動地壓分析。

地質巖芯含豐富的地質數(shù)據(jù)、巖體質量與巖體力學等信息，以紗嶺金礦地質巖芯為基礎，開發(fā)了基于地質巖芯深度學習的RQD識別技術［65］和巖性智能識別方法［66］。通過巖石力學試驗、巖體質量分級、巖體力學參數(shù)估算等，研究地質勘探鉆孔巖芯隨鉆孔深度變化的地質災害工程屬性，以勘探線地質巖芯鉆孔RQD為基礎，基于改進的克里金插值算法對呈規(guī)律性“離散”勘探鉆孔進行同源異構、歸一化處理，通過三維可視化建模平臺，實現(xiàn)深部礦（巖）體地質災害建模與數(shù)據(jù)存儲，構建了含地質災害風險等級的礦山三維可視化工程災害模型（見圖3），揭示深部未采動礦巖體地質災害風險。構建含礦床地質、巖體力學、地質災害風險等級的礦山三維工程災害結構模型，既能指導深部采掘設計，又能為深部采動巖體穩(wěn)定性分析提供工程物理模型。

1.4"深部采礦設計方法研究

地下金屬礦山依據(jù)地壓管理將采礦方法劃分為空場采礦法、崩落采礦法和充填采礦法。隨著黃金礦山開采深度增加，環(huán)境保護意識增強及相關政策規(guī)定，充填采礦法成為黃金礦山開采的首選［67-68］。黃金礦山深井開采常用的充填采礦法包括上向水平分層充填采礦法［69-70］、上向/下向進路充填采礦法［71-73］、機械化盤區(qū)上向水平分層充填采礦法［74-75］、削壁充填采礦法［76］和點柱式分層充填采礦法［77-78］等。但上述傳統(tǒng)的充填采礦法存在采切工程量大，開拓、采切工藝復雜，安全性差，生產能力小等突出問題，采礦方法與礦山產能及深部開采需求不相適應的矛盾，直接影響深部礦山生產管理系統(tǒng)和未來黃金礦山深部的安全高效開發(fā)。深部開采需進一步簡化開拓、采準設計，發(fā)展大型機械化設備與連續(xù)智能化開采，提高礦房回采速度和回采效率，形成標準的鉆-爆-運生產循環(huán)。因此，采場結構參數(shù)對采場及其采動區(qū)域穩(wěn)定性起著決定性作用，也影響著礦山開采技術、經濟指標，反映礦山生產技術裝備水平［79-81］。

為設計合理的采場結構參數(shù)，Mathews于1980年首次提出了穩(wěn)定性圖表法，其實質是依據(jù)大量工程實例提出的經驗公式法，未考慮采動應力影響；1992年，POTVIN等［82-83］通過收集更多深部采礦現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料，對穩(wěn)定性圖表法合理性進行驗證，考慮深部采動應力影響，提出修正的穩(wěn)定性圖表法；2000年，TRUEMAN等［84］根據(jù)大量新增的現(xiàn)場實例資料，采用對數(shù)回歸方法重新定義修正穩(wěn)定性圖表法內的穩(wěn)定區(qū)和嚴重破壞區(qū)；2004年，MAWDESLEY［85］給出了穩(wěn)定性圖表法內穩(wěn)定區(qū)破壞與嚴重破壞區(qū)的等概率圖，適用于多類型巖體條件下采場結構參數(shù)選擇及其穩(wěn)定性研究，但對采動應力大、巖體質量差（Qlt;1）或巖體質量非常好（Qgt;20）的采場結構設計適用性差。當前中國對于采礦方法選擇與采場結構設計主要以礦床地質條件為基礎，輔以計算機模擬優(yōu)選采場結構參數(shù)，確定采場結構參數(shù)［16］。優(yōu)化采場結構參數(shù)多采用工程類比法［86-89］、解析法［90-93］、數(shù)值分析法［94-97］、綜合分析法［98-99］，對淺部采場結構參數(shù)設計具有一定的指導意義。但沿用此方法設計出的深部采場結構尺寸偏大，導致礦山深部采場及巷道穩(wěn)定性難以保障，采礦損失貧化加劇，甚至無法進行開采［100］。

當前淺部金屬礦主要以礦床地質、技術經濟等為基礎，綜合考慮國家法律、法規(guī)，以“經驗法”和“工程類比法”設計采場結構；但隨礦山開采深度增加，采動應力亦在增加，需充分考慮采動應力對采場結構（形狀）穩(wěn)定性的影響，以采動巖體結構損傷失穩(wěn)過程響應為基礎，以采場形狀、采動地壓響應為主要變量，引入系統(tǒng)科學、數(shù)學等理論，研發(fā)采場結構量化設計方法，根據(jù)礦山地質和生產情況自適應設計采礦結構，開發(fā)智能采場結構設計系統(tǒng)（見圖4）。三山島金礦在無人采礦實驗區(qū)建設中將原有的進路式充填采礦法替換為連續(xù)機械化分段空場嗣后充填采礦法［101-103］（見圖5），該采礦方法采用下向中深孔爆破成井技術和下向中深孔序次梯段式采場落礦方法，實現(xiàn)了采礦多工序連續(xù)循環(huán)作業(yè)，提高了采礦工藝的連續(xù)性和生產效率，降低了采礦損失貧化；采用平底結構出礦，通過搭建運行平臺使得人員可遠程遙控智能設備，改善了人員生產作業(yè)環(huán)境，最大程度保證作業(yè)安全。

1.5"深部采場爆破落礦技術

鉆爆法因對地質條件適應性強、成本低且效率高，在未來很長一段時間將是金屬礦床開采的主要手段［104-105］。對于深部黃金礦床開采而言，高地應力對巖體爆炸應力與爆炸能量的分布有著重要影響［106-107］，因此，深部高應力巖體開挖的爆破參數(shù)設

計方法應當與淺部不同。然而，中國當前大部分礦山采場爆破參數(shù)的確定主要依據(jù)經驗類比法，采場爆破設計缺乏理論和試驗依據(jù)，例如：幾乎所有采用165 mm大直徑深孔落礦的國內地下礦山，其炮孔孔網參數(shù)均為3 m×3 m，很少根據(jù)礦山具體巖體情況去優(yōu)化爆破參數(shù)。對于深部采場爆破而言，由于其受到三向不等采動應力的影響，其爆破能量和爆破裂隙的分布具有方向性，因此，爆破孔網參數(shù)的設計應當充分考慮地應力的大小和方向［108-109］。開展現(xiàn)場爆破漏斗試驗，對于優(yōu)化采場爆破參數(shù)具有重要意義。

切割天井作為切割槽爆破的初始自由面和補償空間，對切割槽的形成質量及后續(xù)爆破落礦作業(yè)影響巨大［110］。由于圍巖夾制作用大，掘進量大，且施工困難，因此切割天井掘進方法一直是業(yè)界關注的一項關鍵技術［111］。采用常規(guī)的普通法、吊罐法或爬罐法掘進天井存在工作環(huán)境惡劣、安全性差、成本高、效率低的問題；采用鉆井法則存在施工機械龐大，施工準備時間長，設備購置費用高的問題；深孔爆破法則有效率高、安全性好、成本低、施工工藝簡單的優(yōu)點，是值得推廣的成井技術［112］。對深孔爆破法掘進天井模式和參數(shù)的選擇成為深孔爆破成井法成敗的關鍵。近年來，隨著對深孔爆破成井法掏槽爆破機理、掏槽方式、爆破參數(shù)的研究［113-116］，深孔爆破成井法逐漸從分層或分段爆破的VCR法成井模式向直孔掏槽模式轉變，一次成井高度可達15 m左右，對于斷面較大的天井，一次成井高度甚至可達32 m［117］。西藏某礦山實施的切割天井孔網參數(shù)見圖6，其中紅色炮孔為裝藥孔，孔徑165 mm，藥卷直徑140 mm，采用分段微差爆破技術成井，一次成井高度可達15 m左右。此外，數(shù)值模擬技術的發(fā)展為確定合理的爆破參數(shù)提供了依據(jù)，沙溪銅礦切割井爆破過程巖體損傷演化規(guī)律模擬結果［118］見圖7。由圖7-b）可知，數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場試驗結果一致，說明數(shù)值模擬技術可以有效模擬巖體的爆破損傷過程，因此，通過建立合理的數(shù)值模型，可為爆破參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

電子數(shù)碼雷管的普及，為采場大規(guī)模落礦提供了技術支撐。通過合理的微差時間，可以達到控制爆破振動強度的目的，課題組開發(fā)了適用于深部采場爆破落礦的下向扇形深孔梯段式爆破落礦技術（見圖8），通過三步法完成采場爆破落礦，減少了爆破輔助作業(yè)時間，提升采場落礦效率，減少了采場圍巖暴露時間，便于地壓防控。利用倒階梯形便于爆破能量向下傳遞、減小側向爆破能量的特點，削弱了側向崩礦對鄰近充填體損傷大的缺點。通過增大兩次爆破的炮孔排間距以提升爆破能量利用率，改善爆破效果，試驗采場爆破參數(shù)見圖9，整個試驗采場一共包含3次爆破。爆破后現(xiàn)場照片見圖10。由圖10可以看出：采場側幫裸露出充填體，充填體完整性好，無大范圍垮塌，采空區(qū)形態(tài)與設計采場形態(tài)基本吻合；而崩落的礦石塊度較為均勻，大塊較少，爆破效果較好。

1.6"采動地壓調控

隨著開采深度增加，采動應力亦在增加，這需要在原采場結構設計理論的基礎上，充分考慮采動應力對采場結構設計的影響。原巖應力是存在于地層中的天然應力［119］，是在沒有開挖擾動情況下巖體處于平衡狀態(tài)的地應力。井巷工程的開挖和礦體的回采會打破原始的平衡狀態(tài)，導致原巖應力向圍巖釋放進而重新達到平衡狀態(tài)，同時會引發(fā)巖體的變形和向自由面的移動。在這個過程中出現(xiàn)的應力集中將導致井巷工程和采場的變形甚至破壞和失穩(wěn)（見圖11）。因此，需要通過有效手段減輕因開挖導致地壓顯現(xiàn)造成的圍巖變形破壞。

采動順序是提高采場/巷道穩(wěn)定性和提高礦山產量的核心內容，深部采場需布置在低應力環(huán)境，也需要考慮本步開采對于后續(xù)采場應力分布的影響，避免在礦體回采過程中部分區(qū)域出現(xiàn)較為嚴重的應力集中或者變形破壞。開采順序優(yōu)化研究的實質是研究各個開挖步驟采場頂板應力狀態(tài)和變形狀態(tài)，進而區(qū)分各個開挖步驟對于采場、巷道等穩(wěn)定性的影響大小。依據(jù)開挖工程中圍巖應力分布及變化規(guī)律，找到井巷工程開挖和采場回采工程中應力集中區(qū)域，通過一定的手段使圍巖中集中的應力向圍巖深處釋放，保證井巷工程和采場圍巖的穩(wěn)定性，保證礦山開拓、采準和回采工作的有序進行。

國外使用釋壓開采法［120］，通過順序網格采礦的方式，基于應力遷移原理，通過采場結構布置方式和回采順序角度，將巷道或采場周圍應力向圍巖深處釋放進而在巷道或采場周邊圍巖中形成一個較低地應力區(qū)域，在圍巖深處形成一個承載較高地應力的區(qū)域，以此控制巷道或采場圍巖中的應力集中現(xiàn)象，一定程度上預防可能出現(xiàn)的巖爆［121］。南非Elandsrand金礦為世界上最早應用順序網格采礦的礦山［122］，通過合理布置礦柱改善了開采過程中工作人員和設備的安全。

關于采場開采順序優(yōu)化進行了大量的研究，主要從采場穩(wěn)定性角度區(qū)分各個開采順序的優(yōu)劣，進而設計針對特定礦體賦存條件的最優(yōu)開采順序，將應力調控原理引入采礦回采順序優(yōu)化，某礦山回采順序見圖12。數(shù)值模擬研究了不同開采順序下采場應力、位移演化規(guī)律，據(jù)此確定上行式開采的順序采場頂板應力、變形均較小，為最佳開采順序方案。

當前中國采礦地壓調控以免壓拱理論為主，但對于深部強采動誘發(fā)的動力破壞是深部采動地壓防控需要解決的瓶頸問題。因此，對于深部黃金礦床開采，應從礦山整體采動順序考慮，正反演不同開采順序下采動地壓響應，研究地壓響應與采動順序動態(tài)互饋的釋壓調控機制，提出超前序次釋壓機理；從力學更高層次上研究礦山整體采動失穩(wěn)過程應力場遷移時空演化機制與采掘工程、采礦順序間協(xié)同作用機制，依據(jù)采動巖體動力響應特征進行深部采動地壓災害防控。

1.7"采動地壓監(jiān)測

采動地壓監(jiān)測是高采動應力區(qū)判識、采動地壓災害預警和防控的關鍵。傳統(tǒng)地壓監(jiān)測集中于圍巖應力和變形的監(jiān)測，但通過在國內多座深部硬巖礦山開展的應力和位移監(jiān)測實踐表明，鉆孔應力計和單（多）點位移計監(jiān)測效果均不太理想，突出表現(xiàn)為：在采動過程中鉆孔應力計數(shù)值幾乎無變化，單（多）點位移計數(shù)值僅在發(fā)生宏觀破裂面后才發(fā)生顯著改變［123］，難以真實反映深部硬巖采動地壓巖體破裂失穩(wěn)形變過程。據(jù)此，提出微應變監(jiān)測方法感知硬巖微小變形演化過程，紗嶺金礦采用微應變傳感器監(jiān)測采動巖體形變演化過程（見圖13），揭示了深部圍巖應力狀態(tài)存在壓應力向拉應力的轉換過程［124］，可見微應變監(jiān)測能夠為采動巖體失穩(wěn)破壞預測提供關鍵信息。

微地震監(jiān)測是分析采動巖體破裂失穩(wěn)和巖爆預警的有效工具［125］，對于礦區(qū)范圍采動地壓監(jiān)測和災害預警提出了基于微地震監(jiān)測的深部采動巖體層析成像方法。該方法主要以地震檢波器為信號采集工具，必要時輔以傳統(tǒng)微震檢波器。典型微地震監(jiān)測系統(tǒng)各組成單元均位于地表，布設若干獨立微地震臺站，數(shù)據(jù)傳遞以傳統(tǒng)4G網絡為主，具有成本低、維護便捷等優(yōu)點，但存在垂直方向定位精度低的問題，是未來需要攻克的難題。當前，典型的微地震監(jiān)測系統(tǒng)由若干微地震監(jiān)測臺站、通信網絡和配套處理軟件組成，研發(fā)的MS微地震實時監(jiān)測軟件（見圖14-a）），可對微地震事件進行實時的濾波、到時拾取、定位、震源參數(shù)計算。目前，已在三山島金礦地表安裝首套微地震監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對井下爆破事件和巖體破裂事件實時監(jiān)測［126］。在后處理過程中，微震事件的統(tǒng)計學規(guī)律、空間分布特征、b值演化規(guī)律、能量和震源機制解均會提升對采動巖體響應的理解程度。采動誘發(fā)的微地震與數(shù)值模擬互饋的分析方法可實現(xiàn)應力、巖體破壞等與微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的高度融合交互顯示，以有效分析采動誘發(fā)的應力集中區(qū)范圍及潛在地壓災害評估，也可為下一步回采順序設計提供精準指導。鑒于采動應力、微地震事件分布密集區(qū)和高應力分布區(qū)具有良好的一致性［125］，可以采用基于微地震監(jiān)測的層析成像技術為采動高應力區(qū)識別和采動地壓災害防控提供依據(jù)。三山島金礦-650 m水平P波層析成像云圖見圖14-b），可以依據(jù)波速高低識別出高應力區(qū)分布范圍，也反映出應力分布的不均勻性。

地下開采礦山中采掘活動及其他人員、設備活動區(qū)域均存在持續(xù)不斷的振動信號，此類在時間、空間分布都極不規(guī)則的振動在地震和勘探領域稱為微動，振動信號稱為微動信號。微動信號既包含體波也包含面波，微動信號中的面波能量占70 %以上，所以常利用面波信息來研究地下橫波速度結構，實際應用中常利用面波信號中的瑞利波。微動信號的振幅和形態(tài)隨時空的變化而變化，但在一定的時空范圍內具有統(tǒng)計穩(wěn)定性，可用時間和空間上平穩(wěn)隨機過程加以描述，也可以平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù)，從微動信號中提取面波的頻散曲線，通過對頻散曲線的反演獲取地下橫波速度結構［127］。通過巖石波速異常分析，識別礦山斷裂構造、巖層結構與裂隙發(fā)育區(qū)和采空區(qū)的分布情況。三山島金礦微動探測試驗中探測出的采空區(qū)分布見圖15。

1.8"自承載主動釋壓支護技術

深部高應力條件下的采場/巷道地壓防控是當今世界深部采礦面臨的重要技術問題之一。隨著金屬礦開采深度的不斷增加，地應力隨之增大，采場/巷道地壓顯現(xiàn)劇烈。深部采動巖體失穩(wěn)主要表現(xiàn)為靜力型破壞和動力型破壞2種類型。靜力型破壞指在深部采場/巷道出現(xiàn)的層裂、剝落、折曲等無動力彈射現(xiàn)象的脆性破壞；動力型破壞指深部采場/巷道出現(xiàn)的巖塊彈射、崩落、巖爆等現(xiàn)象［128］。ZUBELEWICZ等［129-130］認為，巖爆是在巖體的靜力穩(wěn)定條件被打破時發(fā)生的動力失穩(wěn)過程。巖爆誘發(fā)采場/巷道圍巖表面動力響應特征主要為：破壞時有響聲，表現(xiàn)為巖塊彈射、爆裂剝落、巖體拋擲性破壞等［131-132］；其最顯著的動力破壞特征是采場/巷道圍巖表面1 m厚的巖體以5～10 m/s速度向采場/巷道內拋出［133-134］，拋擲距離達10～20 m，彈射能為5～20 kJ/m2，最大彈射能可達到50 kJ/m2［135］，嚴重威脅井下作業(yè)人員和設備的安全。

國外礦山對深部強采動下采場/巷道地壓防控問題研究較早，取得了大量的研究成果，并積累了豐富的實踐經驗，具有代表性的是加拿大、南非和北歐等［136-137］。早在20世紀90年代，南非首先提出了釋能支護體系［136］?！都幽么髱r爆支護手冊》［135］中設計了抗巖爆沖擊的釋能支護系統(tǒng)，并在有巖爆傾向性的區(qū)域使用。這是由于在巖爆傾向區(qū)域采用釋能支護系統(tǒng)，盡管礦體開采時發(fā)生了多起礦震、高震級的巖爆事件，都沒有造成較大的破壞，而使礦體安全采出。

中國對于深部采礦誘發(fā)的巖爆沖擊型地壓控制仍沿用淺部靜止型地壓分析理論與支護設計方法，無法有效控制深部強采動誘發(fā)巖體動力破壞；對于深部強采動誘發(fā)的巖爆沖擊型破壞，應以巖體動力響應、能量耗散與釋能原理為基礎，充分考慮支護剛度、釋震能力、往復動荷載沖擊等因素，研發(fā)一種既能有效釋放積聚在巖體表面的高應變能，又能抵抗沖擊荷載作用的動力支護系統(tǒng)，為有效控制或減輕深部采動地壓災害奠定基礎。

通過對比釋能錨桿的結構組成、作用機制及優(yōu)缺點，研發(fā)了一種既具有Cone錨桿的整體滑移釋能能力，又具有D錨桿多點錨固作用的新型J釋能錨桿［138］。J釋能錨桿是一種能夠有效防控巖爆等動力沖擊的錨桿。當巖爆發(fā)生時，既能保持高靜止拉拔力，又可通過桿體產生一定滑移或形變以釋放積聚在巖體內的動能，降低巖爆等動力沖擊造成的破壞。J釋能錨桿（見圖16）由螺母、墊圈、托盤、桿體與攪拌端組成，分為錨固（阻尼）模塊、變形模塊、攪拌模塊、錨固端4個部分。在錨桿安裝過程中，攪拌模塊能均勻攪拌樹脂藥卷或水泥卷，錨固模塊實現(xiàn)多點錨固。在動力沖擊下能夠使錨桿桿體在錨固劑中產生一定的整體滑移，快速釋放積聚在巖體表面的動能。釋能支護作為一種先進的支護技術，是主動支護的重要類型之一。

現(xiàn)場實踐證明，錨桿支護最大的問題是支護參數(shù)的確定缺乏足夠的科學依據(jù)。大部分礦山雖然采用了先進的錨桿支護，但由于支護參數(shù)選擇的不合理和施工過程的不合規(guī)，導致大量的支護結構體失效。究其根本原因是礦山對錨桿支護的支護力學機理缺乏足夠的認識。自承載主動支護結構主要是當錨桿錨固于巷道頂板的破碎區(qū)以后，錨桿的兩個端部將會形成一個圓錐形的壓應力場，此時，若合理選擇錨桿的間距，錨桿間形成的圓錐形體將會彼此疊加，形成一個拱形的自承載壓應力區(qū)，該區(qū)可以自主承受巖體上方的徑向應力，提高巖體的整體承載強度。自承載主動支護結構區(qū)（見圖17）為系統(tǒng)研究自承載主動支護結構承載能力，通過物理模型構建了自承載主動支護結構（見圖18），表征了極破碎巖體在錨網支護作用下可以抵御強動力沖擊帶來的影響，巖體內部的應力分布云圖也直觀地表明錨固力、錨桿間距和錨桿長度等參數(shù)合理選擇的重要性及金屬網和噴射混凝土等輔助支護對錨桿支護的協(xié)調作用。研究結果表明，形成有效的自承載主動支護結構的關鍵是錨桿的作用機理和錨固力?；趲r體Hoek-Brown強度準則和自承載主動支護理論，采用極限平衡法則對錨桿的錨固力進行了推導，發(fā)現(xiàn)錨桿的錨固力是一個受巖體質量、錨固長度、錨桿間排距和巷道幾何形狀多參數(shù)影響的函數(shù)［139］。該公式從理論層面對自承載主動支護理論下的錨桿支護力學作用機理進行了闡釋，并應用于礦山實際生產的支護設計。

1.9"深部采動對地表巖移影響

隨著金屬礦地下開采的持續(xù)進行，礦體采出破壞了初始地應力平衡，使圍巖發(fā)生持續(xù)破壞并產生移動，巖體移動發(fā)育至地表將造成不同程度的地表移動變形。國內外對于淺部地下開采地表移動規(guī)律、預測方法及控制理論等的研究較為成熟，已經能夠滿足淺部正常地質采礦條件下的工程需要，但對深部開采條件下，覆巖及地表移動機理、預測方法及控制理論尚不完善［140-141］。國內外部分學者結合礦山地表實測數(shù)據(jù)和力學分析，對深部開采引起的地表沉降問題進行了研究，論述了深部開采的地表沉降規(guī)律和特點，表明深部開采與淺部開采相比地表移動有以下特征：①地表影響范圍相對大、變形值小；②地表下沉及移動速度小、周期長；③地表移動變形連續(xù)，不連續(xù)形變減少或者消失［142］。

對于地下開采移動范圍的劃分，傳統(tǒng)礦山地下開采移動范圍的確定主要根據(jù)地質構造、地應力、圍巖性質、礦體厚度、礦體傾角、開采深度、采礦方法等因素，通過工程類比法、極限平衡法等確定巖體移動角，劃定剖面移動范圍，進而得到礦山地下開采移動范圍［143-144］。對于深部開采礦山，采用此種方法進行移動范圍劃分將導致地表移動范圍過大，致使礦山企業(yè)不得不擴大地表移動保護范圍、擴大征地面積，增加開采成本，因此深部開采金屬礦山多結合數(shù)值模擬進行礦山移動范圍劃分［145］。通過二維或三維數(shù)值模擬提取數(shù)據(jù)，計算某種變形值，但由于臨界變形值的單一性和對于不同建（構）筑物適用性，圈定結果可進一步優(yōu)化。

深部采礦誘發(fā)地表沉降監(jiān)測的變形參數(shù)主要有水平垂直變形、傾斜度、曲率等，其中，對于水平方向長度較長的建筑物曲率變化將使建筑物部分位置處于拉伸狀態(tài)，容易造成建筑物發(fā)生失效損壞；對于地表高寬比較大的建筑物，地表傾斜度較大則可能發(fā)生傾斜倒塌；對于豎井、巷道硐室等井下建（構）筑物，水平或垂直變形將可能引起建（構）筑物發(fā)生拉伸破壞［146-147］。因此，可通過結合三維數(shù)值模擬和地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)、開采范圍內建（構）筑物種類和保護等級，參考安全規(guī)程及其各種變形進行改進并計算，圈定深部開采移動范圍。

1.10"通風降溫技術

隨著世界范圍內礦井開采深度的持續(xù)增加，高溫礦井將會越來越多，深部開采面臨的高溫熱害問題愈發(fā)嚴重［148］。目前，礦井深部高溫熱害問題已經成為繼礦井巖爆、礦井水害、沖擊地壓、頂板塌方之后的又一嚴重災害，但其危害程度要超過其他災害，因為高溫熱害不僅具有持續(xù)性，而且還會引起二次災害，可以說礦井高溫熱害防治水平將直接制約未來礦山深部開采的極限深度［149］。

從國內外礦井的現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)來看，南非斯太總統(tǒng)金礦的工作面深度超過3 000 m，原巖溫度高達63 ℃；羅賓孫金礦開采深度2 700 m，原巖溫度41.1 ℃；澳大利亞北部的Mount Isa銅礦，在深度為2 000 m時，原巖溫度60 ℃；加拿大Creighton多金屬礦在2 400 m深度時，原巖溫度48 ℃。紗嶺金礦開采深度達1 200 m時，井下溫度超過31 ℃；三山島金礦開采深度達1 500 m時，井下溫度升至35 ℃～43 ℃；新城金礦開采深度達1 030 m時，井下溫度達到33 ℃～35 ℃。由此可見，許多礦井到達深部后，原巖溫度和采場風溫都顯著升高，危害人體健康，降低勞動效率，嚴重惡化井下作業(yè)環(huán)境，影響安全生產［150］。

國內外眾多學者研究發(fā)現(xiàn)，在礦井高溫熱害治理領域，礦井通風降溫技術已經形成了相對完善的體系，其大致可以分為非人工制冷降溫技術和人工制冷降溫技術兩類。其中，非人工制冷降溫技術主要包括增加風量、隔絕熱源、預冷風流和個體防護等方法［151-152］。由于非人工制冷技術主要適用于熱害程度不高的礦井，且根據(jù)礦井的熱源屬性，只能針對性地解決部分礦井的高溫熱害問題，對于高溫熱害嚴重的礦井更多的還需依靠人工強制制冷技術［153］。早在1860年，在美國內華達州弗吉尼亞城的康斯塔克礦就利用礦車將冰運送到井下，起到了降溫作用，這是人類第一次主動進行井下降溫。經過半個世紀的緩慢發(fā)展，20世紀初，礦產資源需求量大、開采技術發(fā)展迅速的國家對礦井降溫技術方面的研究得到了蓬勃發(fā)展。1915年，巴西莫勞約里赫金礦建立了世界上第一個礦井空調系統(tǒng)，在地面建立了集中制冷站，采深2 000 m，圍巖溫度50 ℃，采用活塞式制冷機，可將溫度由30 ℃冷卻到6 ℃。1923年，英國彭德爾頓煤礦第一個在采區(qū)安設制冷機，冷卻采面風流。德國最早于1924年在拉德勞德（Radlod）煤礦地面安設冷凍機，采深968 m，圍巖溫度44 ℃，可將風溫由22.5 ℃降到19.5 ℃。澳大利亞Mount Isa銅礦采用制冷系統(tǒng)對進入主風井的空氣進行預先冷卻，可以將風溫從26 ℃冷卻到14.6 ℃。加拿大Kidd Creek多金屬礦安裝了制冷系統(tǒng)，以冷卻3 000 m深部的35 ℃風溫。南非20世紀60年代開始使用大型礦井集中式空調，利用冰冷技術來降溫，最深的Mponeng金礦，埋深3 500 m的溫度達到60 ℃左右，通過通風和冷凍充填物技術，可以將空氣溫度冷卻到32 ℃左右。20世紀70年代開始，蘇聯(lián)、日本等國應用制冷降溫。21世紀之后，降溫技術已發(fā)展成熟，逐漸走向集成化、節(jié)能化，以及高效化。

從發(fā)展歷程看，不同的降溫系統(tǒng)具有各自的技術特點，不同的冷媒介質也有不同的材質特性，在工程實際中需要根據(jù)礦井的實際情況選擇合適的冷媒和制冷方式（見圖19）。

與國外相比，中國對礦井熱害問題的研究工作起步較晚，起始于20世紀60年代中期。從第一個礦井局部制冷降溫系統(tǒng)的研發(fā)開始，后續(xù)研制了礦用冷水機組用于工作面降溫；設計建立了中國第一個地面集中制冷空調系統(tǒng)。進入21世紀后，冰冷卻低溫輻射降溫技術、HEMS降溫技術［154］、熱-電-乙二醇低溫制冷礦井降溫系統(tǒng)、冷媒水噴淋降溫技術、特種礦用制冷裝置、渦流管降溫技術、新型空冷器、移動式換熱降溫設備等相繼登上礦井降溫的舞臺［155-156］。近期，東北大學提出了深井低碳冷源降溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要原理是利用冷源系統(tǒng)中的地熱能量交換設備獲取大地恒溫帶的穩(wěn)定冷源能量，將得到的冷源水由隔熱管路送至千米深井，利用井下基站內的換熱設備對冷源流體和高溫風流進行熱交換，將降溫后的低溫冷風排至高溫巷道進行降溫，換熱后的熱余水由管路排至地表水池，以進行二次利用，具有節(jié)能、低碳、環(huán)保、冷源穩(wěn)定，余熱可利用等特點，達到了地面制冷—井下?lián)Q熱的目的。以按需冷卻為理念，開展了移動式冰媒降溫設備的相關研究［156］。該設備利用冰的相變高熔化熱能量對內部循環(huán)水進行冷卻降溫，從而獲得高品位冷源，再由核心翅片管換熱器完成熱交換，每秒換熱量可達156 kJ，具有結構簡單，布置靈活，組裝便捷，冷源穩(wěn)定可控，換熱效率高，應用范圍廣等特點。

1.11"智能開采技術

知識經濟產生于20世紀40年代的信息技術革命，特別是20世紀80年代興起的高科技革命［157］，對傳統(tǒng)采礦工業(yè)起著推動和改變作用，因此研制智能礦山設備，采用遙控和自動控制技術，在無組織性的礦井環(huán)境中控制礦山設備，實現(xiàn)井下高難采、高危險下少人、無人化智能開采［158］，是21世紀礦業(yè)的重要發(fā)展方向。

地下金屬礦自動化開采研究始于20世紀60年代，遙控作業(yè)的設備包括鑿巖、鏟裝、運輸與提升等設備［159］。早在1970年，瑞典Kiruna礦井下主要運輸水平的機車運輸就實現(xiàn)了在控制室內遙控鏟運機裝卸載、電動卡車無人駕駛，將監(jiān)控、自動化和遙控系統(tǒng)集成在控制中心，直接遙控鑿巖臺車Simba46W及由機載計算機與導航系統(tǒng)控制Toro2500Es裝載機；瑞典制訂了向礦山自動化進軍的“Grounteknik-2000”戰(zhàn)略計劃。美國Arizona大學將人工智能、模糊邏輯技術應用于鏟運機的控制，開發(fā)了一種智能鏟運機，能自適應地對裝載體積、裝載條件進行識別，最大可能地發(fā)揮鏟運機的機械性能。1992年，芬蘭采礦工業(yè)宣布了智能礦山技術方案，涉及實時過程控制、資源實時管理、全礦范圍信息網、新機械及其自動化等28個專題。1996年，加拿大Comlink與Saskatchewan碳酸鉀公司合作，開發(fā)了世界上首例無人操作、連續(xù)作業(yè)的采礦機;20世紀90年代初，加拿大INCO公司同IBM公司合作［160］，在加拿大Stobie礦、Creighton礦，進行了多項遙控采礦試驗，包括自動鑿巖、自動裝藥與爆破、自動裝巖、自動轉運、自動卸巖和自動支護等，并在1994年多倫多CIM年會上進行了現(xiàn)場展示;1999年6月，將上述3座礦山的遙控采礦試驗集中在薩德伯里地區(qū)的一個中央控制室內進行遠程操控;1992年，加拿大國際鎳公司、鷹橋公司和諾蘭達技術中心組成聯(lián)合研究組［161］，為Precarn聯(lián)合公司完成了以無線電通訊為基礎，實現(xiàn)數(shù)控采礦環(huán)境地下硬巖采礦自動化研究;Tamrock公司的3臺Data Solo自動化鉆機在Stobie礦連續(xù)應用了4年，效果良好；諾貝爾公司的Roc Mec 2000裝藥設備，能根據(jù)鉆機提供的信息把各種乳膠炸藥裝入炮孔內；加拿大INCO公司制定未來25年機器人采礦計劃，即2050年遠景計劃［162］，通過對加拿大北部邊遠地區(qū)一個礦山實現(xiàn)機械破碎或切割采礦，建設地下選礦廠，在Sudbury通過衛(wèi)星操縱地下所有設備自動作業(yè)，使地下開采硫化鎳礦的成本降低至澳大利亞露天開采紅土型氧化礦的水平。

當前，中國貴州錦豐金礦、青海大柴旦礦業(yè)公司等部分地下金屬礦山已經全部實現(xiàn)機械化采礦，并建立了一套比較完整的自動化集中調度、控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了鏟運機、運輸卡車等機械設備運行全過程的實時狀態(tài)監(jiān)控。三山島金礦、新城金礦等地下礦山實現(xiàn)了井下有軌運輸?shù)倪B續(xù)智能化運輸；紫金礦業(yè)、招金礦業(yè)等所屬礦山都已應用視距遙控鏟運機連續(xù)出礦；三山島金礦等地下礦山實現(xiàn)了鏟運機的地面遠程遙控。

從以上對比分析可以看出：地下連續(xù)智能化采礦雖然難度大，但遙控采礦、無人工作面甚至無人礦井等已在加拿大、瑞典、美國、澳大利亞等成為現(xiàn)實；中國部分地下金屬礦山局部已經實現(xiàn)了視距操控、地面遠程遙控的無人工作面，但與國外相比，距離無人礦井仍有很大差距。隨著信息技術的不斷發(fā)展，特別是云技術、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)與發(fā)展，使得礦山連續(xù)智能化開采技術達到三維可視化并實現(xiàn)遠程智能控制是十分可行的。

隨著礦山開采深度的增加，深部開采條件嚴重劣化，采動地壓大，造成深部開采效率明顯下降、生產成本增加、安全性差，淺部以“礦石流”為基礎的連續(xù)智能化開采工藝和連續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)［163-165］的智能采礦思維已不能滿足深部開采需求。但對于深部連續(xù)智能化開采，需突破淺部以“礦石流”為主的智能開采工藝系統(tǒng)研究，充分考慮深部采動應力場均衡及采動地壓響應的影響，將礦床地質、地質災害、巖石力學有機融入深部采礦設計與采掘計劃中，開發(fā)集采動地壓分析、采掘計劃管理、連續(xù)生產管控、生產智能調度于一體的礦山智能開采三維可視化虛擬交互平臺，通過采動地壓分析、泛在信息采集，進行礦山生產動態(tài)模擬；依據(jù)采掘計劃分析深部采動地壓響應，動態(tài)反饋調整采礦計劃，沉浸交互式調度井下生產設備；通過海量開采數(shù)據(jù)解析，研發(fā)生產過程智能化管控平臺，實現(xiàn)井下生產全流程的連續(xù)生產智能管理及三維可視化呈現(xiàn)，優(yōu)化生產過程。

1.12"超深豎井建設

隨著國內深部礦產資源勘探技術的提高，大量金屬礦產資源不斷被發(fā)現(xiàn)，而深部礦產資源的開采需要高效的豎井建設，因此對超深豎井建設提出更高要求?！笆晃濉睍r期，據(jù)不完全統(tǒng)計，中國金屬礦超1 000 m豎井建設數(shù)量達到30個，形成掘進深度達1 200 m，直徑多為6 m的深豎井建造能力。在“十二五”期間，中國豎井建設深度處于1 200～1 500 m，井筒凈直徑擴大至10 m，開始接近超深豎井建設深度［166］?！笆濉睍r期，中國豎井建設技術達到新的高度，建設深度接近或超過1 500 m［167］?！笆奈濉逼陂g，中國豎井建設深度基本在1 500～2 000 m，開始向2 000 m逼近，三山島金礦正在進行約2 000 m超深豎井建設，目前建設深度已超過1 580 m［168］。當前中國正處于超深豎井建設的初步階段，由于深部“三高一擾動”、地質條件的復雜性，不確定性因素、未知因素更多、更復雜化，建井工程條件顯著變化，建井過程中必然面臨一系列工程問題，給建井工程帶來的風險顯著提高。

長期以來，中國豎井建設采用短段掘砌及與之配套的傘鉆、大型抓巖機、整體移動金屬模板等成套工藝及技術參數(shù)進行掘砌正規(guī)循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進尺以5 m為主，月成井可達100 m以上［150，169］。隨著豎井建設深度增加，淺部豎井支護理念與設計方法、施工工藝等在深井建設中已不再完全適用，亟待改進與優(yōu)化，因此提出超深豎井超前釋壓理論與技術，為超深豎井建設提供參考。該理論核心思想是克服傳統(tǒng)“隨掘隨砌”施工方法和依靠提高襯砌混凝土強度及厚度加強井筒圍巖支護理念，通過序次提高井壁襯砌與井筒掘進工作面距離（HUS=5D），釋放積聚在井筒圍巖內的高應力。設計卸壓爆破、釋能支護系統(tǒng)主動調控未襯砌段井筒圍巖受力狀態(tài)與應力分布特征，支護結構將逐漸承載圍巖應力重分布產生的變形壓力，釋放井筒圍巖內集中的高應力，減小其影響范圍。將圍巖變形、支護約束及井筒開挖面的空間約束分開考慮，確定支護時機和合理支護方式。此后在井筒襯砌低強度等級混凝土支護井筒圍巖。該項理論與技術分別在思山嶺鐵礦1 503 m超深井筒、新城金礦1 527 m超深井筒進行現(xiàn)場工業(yè)試驗，效果良好［170-171］。

在井筒掘進過程中，由于掘進工作面以下工程地質環(huán)境隱蔽、復雜多變，使超深豎井在建設過程中面臨未知風險，井下突涌水是礦山中較為嚴重的一類地質災害，并且高承壓、強富水環(huán)境引發(fā)的突涌水災害威脅日益嚴重，復雜的充水水文地質條件導致井筒突涌水致災因素復雜、機理多變、類型多樣、影響因素增多，成為超深豎井安全建設的巨大挑戰(zhàn)。多起工程案例表明［172-175］，井下突涌水一旦處理不當，極易造成淹井事故。礦井水害的發(fā)生需滿足涌水源和導水通道2個條件，涌水源可通過地質調查、超前探測等手段獲知，導水通道則通過注漿方式封堵。針對目前豎井工作面短探、短注工藝復雜，無法超前預報井筒深部地層情況，揭露水治水，施工效率低等技術缺陷，提出超深豎井超長段探水高壓驅水注漿技術。該技術以“不揭露水治水”為總要求，執(zhí)行“有掘必探，探注結合”的方針。通過采取超長段鉆孔探測，探測深度120 m，同時利用工程地質調查與物探方法輔助探測，多手段相結合獲取地層深部含水層分布信息。采用三維激光掃描、CT掃描及核磁共振技術，獲取巖層孔隙、裂隙信息，選擇相適應注漿材料。針對深部高應力地層，因地制宜利用基巖巖帽代替止?jié){墊進行高壓注漿，最終達到靶向注漿的目的。超長段探水高壓驅水注漿技術通過在三山島金礦約2 000 m超深豎井建造過程中試驗應用，注漿堵水率達到90 %，真正做到不揭露水治水。目前，1 500 m以深超深豎井建設相繼完成的有思山嶺鐵礦（1 503 m）、新城金礦新主井（1 527 m）、紗嶺金礦（1 551.8 m）和三山島金礦在建2 005 m超深豎井建設（見圖20）。

2"發(fā)展趨勢

巖體是天然地質體，具有非連續(xù)、非均勻及各向異性等特征，特別是在深部差異化采動下（多重采動應力場交互作用及爆破等動力沖擊下），采動巖體應力變形復雜多變，因此，構建反映深部采動巖體損傷機制及其響應特征的本構關系，是解決深部采場結構設計理論、地壓災害防控機理、深部連續(xù)智能化開采的關鍵共性理論瓶頸；揭示深部采動巖體損傷響應及其本構關系是深部采場結構設計與安全開采所需解決的關鍵共性科學問題。未來黃金礦山深井開采主要有以下幾方面發(fā)展趨勢：

1）非爆采礦機器人研制。鉆爆法開采在未來很長一段時間仍將是黃金礦山開采主要的落礦技術手段，需要充分研究破巖機理，以破巖機理為理論依據(jù)，發(fā)展硬巖非爆采礦機器人是未來無人采礦的基礎，但硬巖非爆采礦機器人開發(fā)需要克服很多難題，仍有很長的路需要走。

2）采動巖石力學。深部開采打破深部原巖應力場均衡，采動巖石在強采動應力作用下將發(fā)生與淺部截然不同的地壓顯現(xiàn)形式，需要依據(jù)礦山實際開展地應力測量，進行采動應力分析；依據(jù)大量地質勘探數(shù)據(jù)、巖石力學數(shù)據(jù)和巖體結構數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究強采動應力作用下采動巖體失穩(wěn)變形特征，發(fā)展采動巖石形變本構和判據(jù)，揭示深部采動巖體地壓響應及其形變規(guī)律，為深部采場結構設計、采動地壓調控和智能開采提供理論依據(jù)，以提高深部采場結構設計的科學性、經濟性和安全性。

3）深部采動地壓災害防控。充分考慮礦床地質、巖體力學、地質災害風險與采掘活動的內在關聯(lián)性，提出構建礦山三維工程災害分析模型及其方法；開發(fā)現(xiàn)場監(jiān)測與區(qū)域差異化采動數(shù)值模擬互饋的研究方法，研究深部差異化動態(tài)采動誘發(fā)多尺度巖體非線性變形-損傷-破裂-失穩(wěn)過程及其響應，揭示深部采動巖體損傷機理及其本構模型，探索深部采場結構失穩(wěn)位移場、能量場遷移規(guī)律及其時空響應；建立以采場形狀、采動地壓為主要變量的深部采場結構設計理論及其智能設計方法；研究巖體動力響應、釋壓機制與背景應力場遷移規(guī)律耦合關系，提出超前序次釋壓機理與釋能支護系統(tǒng)，建立以采動地壓均衡與主動釋壓防控的深部采動地壓災害防控理論與技術。

4）深井降溫技術。自然風流只能解決1 000 m以深礦體開采1/3的降溫問題。深井高溫熱害隨深度增加的威脅逐漸增大，由于井下熱源的復雜性和多樣性，多種方式組合的聯(lián)合降溫體系的構建勢在必行，以綠色高效、換熱效率高、冷源可控等為研究導向。深部通風降溫技術未來將以按需換熱制冷為原則，出于成本和技術條件限制的考慮，深部非必需區(qū)域的通風降溫會造成能量的不必要消耗，很多礦井對通風降溫系統(tǒng)進行優(yōu)化和升級，以按需通風為原則，意圖減少能耗。那么，深部降溫時的按需制冷也同樣重要，根據(jù)工作面的溫度要求，在井下只對必需區(qū)域進行局部通風降溫以達到減少能耗的目的，最大程度實現(xiàn)井下通風降溫和能源合理利用之間的相對平衡，因此，在黃金礦山深井開采設計過程中，需要充分考慮通風降溫系統(tǒng)開發(fā)與設計，以解決深部黃金資源開發(fā)降溫難題。

5）超深豎井建設。近10年來，黃金礦山超深豎井建設取得了長足發(fā)展，不斷刷新國內超深豎井建設紀錄，紗嶺金礦剛完成1 551.8 m超深豎井建設，三山島金礦正在建設2 005 m超深豎井，當前該豎井建設深度已達1 568 m。未來三山島金礦2 005 m超深豎井穩(wěn)定建成，將是中國超深豎井建設具有典型代表的一面旗幟。但深豎井提升問題，將給國內超深豎井研究帶來新的研究課題，因此，超深豎井提升裝備是未來發(fā)展亟須解決的難題。

6）基于采動地壓均衡的深部連續(xù)智能化開采技術。智能化、無人化開采必將成為未來黃金礦山深井開采乃至整個采礦業(yè)發(fā)展的主流方向。通過進一步推進黃金礦山數(shù)字化技術進步，包括更先進、更精確的傳感器技術，更智能、更全面的大數(shù)據(jù)分析技術等實現(xiàn)從地質勘探到礦山開采的礦山生產數(shù)據(jù)可視化和采礦工藝流程透明化，建設透明礦山。在透明礦山的基礎上，研發(fā)先進無人開采設備，進一步推動以大數(shù)據(jù)分析與人工智能算法為導向的礦山生產工藝智能化，礦山生產管理智能化及礦山生產經營智能化，實現(xiàn)少人化、無人化的礦山開采和管理，最終建成安全、綠色、高效、高產的無人化生產礦山。

當前中國地下金屬礦連續(xù)智能化開采主要針對井下有軌/無軌作業(yè)裝備實行局部遠程可視化操控調度，而在礦山范圍內進行多采區(qū)、多類型裝備的系統(tǒng)整合和一體化方面比較薄弱，且未考慮深部采動應力場均衡與采動地壓響應的影響；因此，對于深部連續(xù)智能化開采需以采動應力場均衡及采動地壓響應為背景，構建以開采順序、生產智能調度、生產過程管控與海量開采信息解析相融合的礦山智能開采三維可視化虛擬交互平臺，形成全時空域沉浸交互式連續(xù)智能化采礦工藝系統(tǒng)。依據(jù)采動應力場均衡及采動地壓響應，開發(fā)集采動地壓分析、采掘計劃管理、連續(xù)生產管控、生產智能調度于一體的礦山智能開采三維可視化虛擬交互平臺，系統(tǒng)分析采掘計劃對深部采動地壓響應的敏感性，動態(tài)反饋智能調整采掘計劃，智能調度井下生產設備，形成深部金屬礦連續(xù)智能化安全開采成套理論與技術，為黃金礦山深部安全、高效、智能開發(fā)提供科學依據(jù)和技術保障。

3"結"語

當前，中國有近20座黃金礦山開始步入深部開采，部分黃金礦山開采深度已經超過1 500 m，本文僅針對當前黃金礦山深井開采面臨的巖石力學、巖體結構面識別、礦山三維工程災害建模、巖體質量分級、采礦方法、采場結構設計、采場爆破、回采順序、采動地壓控制、深部開采對地表影響、釋能支護、通風降溫、智能開采技術、超深豎井建設等理論和關鍵技術，結合近些年所做的工作進行了概述，但對于深部地質勘查、透明礦山、探水注漿、膏體充填等系列問題未進行分析，所涉及的內容基礎是結合科研所涉及的礦山對于問題的總結與分析，在這些礦山中，部分礦山是在原有工程基礎上進行深部黃金資源開采的延續(xù)，部分礦山直接步入深部開采，二者所面臨和解決的問題不盡一致。黃金礦山深井開采是一項系統(tǒng)工程，必須結合礦山生產實際情況，對中國黃金礦山深井開采所面臨的問題進行系統(tǒng)的梳理和系統(tǒng)性的研究，從行業(yè)整體考慮，采用系統(tǒng)論的方法，解決黃金開采面臨的系列難題，真正解決黃金礦山深井開采面臨的痛點、難點問題，取得的科研成果經過礦山生產實踐驗證，切實解決生產難題，才能從根本上解決黃金礦山深井開采問題，推動黃金礦山深井開采行業(yè)進步。

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Research progress and development trends in deep gold mine mining

Zhao Xingdong

（Key Laboratory of Mine Safety Supervision and Control for Disaster Prevention

and Mitigation in Deep Metal Mines of National Mine Safety Administration，Northeastern University）

Abstract：This paper details the current research status and technical challenges of deep gold mine mining，discussing in detail theories of mining-induced rock mechanics，rock mass structure identification and rock mass quality classification，mine 3D engineering disaster modeling，study of deep mining design methods，deep stope blasting and caving technology，mining-induced ground pressure regulation and monitoring，self-supporting active pressure relief support technology，impact on surface rock displacement，ventilation and cooling technologies，intelligent mining，and ultra-deep vertical shaft construction.Prospects for future development in areas such as the development of non-explosive mining robots for gold mines，mining-induced rock mechanics，prevention and control of deep mining-induced ground pressure disasters，deep mine cooling technology，construction of ultra-deep vertical shafts，and continuous intelligent mining technology based on the equilibrium of mining-induced ground pressure have been proposed，providing a reference for systematic research on deep gold mine mining.

Keywords：gold mine;deep mining;mining-induced rock mechanics;mining methods;ventilation and cooling;intelligent mining;ground pressure regulation;ultra-deep vertical shaft