金屬礦山地下開采關鍵技術新進展與展望

吳愛祥 王 勇 張敏哲 楊鋼鋒

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

礦產(chǎn)資源在人類社會有著舉足輕重的地位，沒有礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用人類社會將無法進步［1］。從最初的原始社會發(fā)展到現(xiàn)在的信息化社會，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定了人類社會的發(fā)展程度［2-3］。無論是人類社會的發(fā)展，還是國民經(jīng)濟的發(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系到人民生活水平的提高，也成為影響國民經(jīng)濟發(fā)展和人類社會進步的重要因素［4-7］。

礦業(yè)對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要作用，國家政策、重大項目對礦業(yè)領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個方面的發(fā)展方向，圍繞金屬礦山地下開采的鑿巖爆破、運輸提升、巖層加固、膏體充填及遠程遙控五大關鍵技術，系統(tǒng)綜述了其發(fā)展歷程及新進展，并對機器人采礦技術、流態(tài)化開采技術和超大型智慧礦山建設等金屬礦山地下開采的前瞻性理論和技術提出了展望。在礦業(yè)新形勢下，面對機遇和挑戰(zhàn)，亟需持續(xù)科技攻關，突破關鍵技術瓶頸、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)濟中的地位顯著

礦業(yè)是我國國民經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展與國家安全的重要支柱產(chǎn)業(yè)，為人類社會提供了基本物質和能源保障。《中國礦產(chǎn)資源報告2019》［15］和《全球礦業(yè)發(fā)展報告2019》［16］的相關數(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的比例達到7%，為國家經(jīng)濟社會發(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)易方面均達到了世界第一。因此，礦業(yè)在中國乃至全球經(jīng)濟與社會發(fā)展中具有越來越重要的地位，是現(xiàn)代化經(jīng)濟體系中不可替代的基礎產(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)濟的高速發(fā)展，礦業(yè)發(fā)展突飛猛進，探明資源儲量大幅增長，已經(jīng)成為世界上為數(shù)不多的幾個礦種齊全、總量豐富的礦產(chǎn)資源大國之一。《中國礦產(chǎn)資源報告2019》［15］和《全球礦業(yè)發(fā)展報告 2019》［16］的相關數(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、國家統(tǒng)計局統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)2015—2020（其中，2020年只有1—11月份的統(tǒng)計數(shù)據(jù)）年間的鐵礦石產(chǎn)量、進口量、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)原材料依然嚴重依賴進口，對外依存度高［17-18］。因此，在國民經(jīng)濟飛速發(fā)展的過程中，我國金屬礦產(chǎn)品的增加量與國民經(jīng)濟發(fā)展速度不相適應，金屬礦產(chǎn)資源供需矛盾十分突顯。

注：根據(jù)中國海關、國家統(tǒng)計局、智研咨詢等相關數(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行開采。我國對各種礦產(chǎn)資源的消耗隨著經(jīng)濟的發(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)成本因素逐步轉為地下開采，如江蘇鳳凰山鐵礦、安徽銅官山銅礦等［19］，同時大部分地下礦山也開始轉向深部開采，如云南會澤鉛鋅礦、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，地球深部蘊藏65%的金屬礦資源，面對生產(chǎn)機械化、智能化不足及礦山固廢嚴重污染等問題，為了加速金屬礦開采的現(xiàn)代化進程，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

在近半個世紀的發(fā)展歷程中，關于“深部”概念的確定，國內(nèi)外的專家學者提出了諸多建議，但是到目前為止，尚無對“深部”概念的統(tǒng)一標準。我國有些專家學者建議以巖爆發(fā)生頻率明顯增加來界定，普遍認為礦山轉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狀態(tài)，而不是量化的深度概念，這種力學狀態(tài)由地應力水平、采動應力狀態(tài)和圍巖屬性共同決定，可以經(jīng)過力學分析得到定量化的表述，并從力學角度出發(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入千米時代。據(jù)不完全統(tǒng)計，當前國外112座有超千米的地下金屬礦山，最大采深達4 350 m，我國開采深度達到或超過千米的地下金屬礦山已達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，我國預計將有1/3的金屬礦山開采深度達到1 000 m［20］。目前，很多新發(fā)現(xiàn)資源的埋藏深度也達到千米甚至更深，深部開采將成為我國金屬礦山開采的重點方向。進入千米時代，金屬礦山開采將面臨諸多挑戰(zhàn)，如“高井深”、“高應力”、“高井溫”的技術難題以及由此引起的“強擾動”附加屬性，同時還存在機械裝備以及工藝流程等一系列工程技術配套問題［20，23-26］。淺部開采時，開采深度為0～800 m，地應力范圍為10～20 MPa，井溫一般小于30℃；深部開采時，開采深度超過千米甚至更深，原巖應力達到40～80 MPa，工作面溫度高達30～60℃［21］。為此，未來金屬礦山開采的前沿領域必將屬于深部開采，且未來采礦科研重心將會向深部開采轉移，開展相應的理論技術以及核心裝備研究。近年來，盡管從國家層面上支持開展了大量的相關技術研究［20，27-31］，但是在“三高一擾動”的復雜條件下，我國仍需重點開展金屬礦山深部開采環(huán)境精準識別、金屬礦山深部采掘一體化裝備及提升技術、金屬礦山深部開采災害預警防控及資源化利用這三方面的研究，從而加速推進我國“向地球深部進軍”的進程。金屬礦山深部開采總體架構如圖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)絡化和經(jīng)營管理信息化等方法，實現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟、環(huán)保的開采工藝，是21世紀礦業(yè)的重要發(fā)展方向，也是具有前瞻性的目標［21］。目前，智能開采是礦業(yè)發(fā)達國家爭相搶占的技術制高點，同時在“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)+”、“云計算”和“大數(shù)據(jù)”，應急管理部提出“機械化換人、自動化減人”，我國也在不斷推動金屬礦智能開采的發(fā)展進程［32］。近年來，國內(nèi)外對智能開采進行了相關研究［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)實時通信領域，國外已實現(xiàn)光纖、寬帶無線、透地及物聯(lián)網(wǎng)通信，而國內(nèi)的核心設備多為進口，網(wǎng)絡可靠性不足、信息傳輸不暢；在采掘裝備遠程遙控領域，國外已實現(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)裝備實行局部過程調(diào)度；在礦山遠程管控平臺領域，國外主要通過800XA、Pitram系統(tǒng)實現(xiàn)礦山遠程管控，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。可見，智能采礦的發(fā)展是一個困難的過程，今后我國亟需從大型無軌裝備自主化及遠程智能化控制、開采全過程三維可視化及數(shù)據(jù)實時采集智能化處理、礦山生產(chǎn)決策及管控一體化平臺這3個方面進行重點研究，穩(wěn)步推進我國金屬礦山開采的智能化。金屬礦山智能開采總體架構如圖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)境看作一個整體，在協(xié)調(diào)開發(fā)、利用和保護礦區(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，實現(xiàn)資源—經(jīng)濟—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)展的實現(xiàn)，是當今礦業(yè)領域的一個熱點話題［37-38］。2006年中國國際礦業(yè)大會上，國土資源部首次提出了“堅持科學發(fā)展，建設綠色礦業(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)，強化礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用；2017年，黨的“十九大”報告再次明確了“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)展道路和時代要求，已成為國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略［27，39］。同時，金屬礦山綠色開采有著全面的深刻內(nèi)涵和實質內(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，亟需重點開展金屬礦山采選充一體化技術、特殊資源原位溶浸開采技術、閉礦后地下開挖空間綠色開發(fā)利用技術這3個方面的研究，將綠色礦山的建設作為推進我國金屬礦山綠色開采的動力。金屬礦山綠色開采總體架構如圖3所示。

3 金屬礦山開采關鍵技術新進展

金屬礦山正面臨著“由淺至深、由易至難、由富至貧”的關鍵轉型期，在理論、技術、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鍵技術的研究顯得尤為關鍵。目前，金屬礦山地下開采關鍵技術主要體現(xiàn)在以下五個方面：鑿巖爆破技術；運輸提升技術；巖層加固技術；膏體充填技術；遠程遙控技術。圍繞這五大關鍵技術，本研究系統(tǒng)綜述其發(fā)展歷程及新進展，金屬礦山地下開采關鍵技術架構如圖4所示。

3.1 鑿巖爆破技術

鑿巖爆破技術是金屬礦開采過程中的重要技術，同時在金屬礦開采的長期發(fā)展中也是一個薄弱的環(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重要。目前，鑿巖爆破技術仍是地下開采的主要落礦手段，從最初的手工鑿巖到氣動鑿巖機、液壓鑿巖機、鑿巖臺車（牙輪鉆機、潛孔鉆機），乃至現(xiàn)在的鑿巖機器人，鑿巖技術逐漸從機械化開始向自動化、智能化、環(huán)保化方向發(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備［42-43］。近年來，隨著鑿巖設備的完善，美國、加拿大等國家在地下開采中將露天鑿巖爆破技術引入進來，中深孔分段鑿巖被大直徑階段深孔替代，取得了不錯的應用效果。例如瑞典研發(fā)了一系列掘進鑿巖臺車，具有鑿巖效率高、操作安全、污染小等優(yōu)點；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車［44］，具有操作簡單、安全系數(shù)高、施工成本低等優(yōu)點，這些設備保證了鑿巖質量與效率，降低了勞動強度與作業(yè)風險，自動化、智能化、環(huán)保化水平達到了一個新高度。同時，由于地下開采的條件不同，且井巷掘進和采礦作業(yè)應用條件不同，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，在一定程度上改善了爆破質量［45］。隨著爆破技術的發(fā)展，傳統(tǒng)爆破技術逐漸向精準爆破、綠色爆破、智能爆破方向發(fā)展。精準爆破主要通過孔網(wǎng)參數(shù)精細化設計、爆破能耗理論研究及爆破方案模擬構建礦山精準爆破體系；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，實現(xiàn)了井下綠色爆破；智能爆破主要通過爆破智能設計、智能裝備、爆破振動智能預測及殘孔自動識別等共同構成智能爆破系統(tǒng)，實現(xiàn)爆破技術的智能化。在技術不斷進步和創(chuàng)新的新時代，鑿巖爆破技術已經(jīng)由傳統(tǒng)的方法發(fā)展到機械物理破巖等非爆破巖技術［46-51］。例如采用連續(xù)采礦機對中硬及以下礦巖進行機械破巖，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，克服了單獨機械能破巖的限制，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、道具磨損嚴重等問題，至今尚未在我國進行普及推廣，同時現(xiàn)階段我國在信息技術與人工智能技術研發(fā)方面起步晚，智能化的相關核心技術仍主要依賴國外。因此，目前我國硬巖礦山尚未真正實現(xiàn)連續(xù)開采［52］。

3.2 運輸提升技術

運輸提升系統(tǒng)在地下礦山生產(chǎn)中占有極其重要的地位，通過運輸提升可將各個環(huán)節(jié)連成一個有機整體，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”運輸技術的發(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備運輸始于20世紀60年代，隨著地下無軌設備的完善，地下無軌開采技術得到了迅速發(fā)展，推動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機運輸，具有操作方便、工作可靠、出礦效率高、運行靈便等優(yōu)點；井下長距離運礦采用地下汽車，目前國外應用較多，國內(nèi)較為少見。提升距離隨著采深的增加不斷增加，提升技術面臨著越來越大的挑戰(zhàn)，同時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尤為重要。在總體上向大型化、大負載、高度自動化方向發(fā)展是礦井運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)礦井借助軌道運輸、膠帶運輸機或無軌設備等，進行多級豎井提升，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備進行轉運。傳統(tǒng)敞開式膠帶運輸系統(tǒng)雖然結構簡單，但是極易導致?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)了封閉式膠帶運輸系統(tǒng)［54，56］，防止運輸中的滑落和揚塵，運輸速度可超過3 m/s，提升坡度能達到36°，適當改進該系統(tǒng)有望在未來應用于深部開采的礦石運輸提升中。目前，水力提升方式主要應用在深海開采中，近年來，部分研究者試圖將水力提升應用在深部礦井中［54，57］，該過程可連續(xù)進行，更容易實現(xiàn)提升過程的自動化與智能化，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)，當前難以進行實際應用。與此同時，也出現(xiàn)了磁懸浮升降機提升這種創(chuàng)新性的構想，但仍需開展深入細致的研究。這些新技術、新方法及新工藝給礦井運輸提升領域注入了新鮮血液，極大地促進了運輸提升技術、方法及工藝的創(chuàng)新和革新。

3.3 巖層加固技術

金屬礦山主要針對軟弱、破碎、高應力的巖層來進行加固［58-61］。巖層加固技術可分為被動支護和主動支護，被動支護無法改變巖層內(nèi)部結構，只能被動承受圍巖變形，例如傳統(tǒng)的木支護、砌碹支護以及鋼拱架支護［62］等；主動支護可以改變巖層內(nèi)部結構，主動加強巖層自身強度，例如錨桿（錨索）、錨注、錨噴以及錨網(wǎng)噴等支護方式［63］，其中錨注支護、錨噴支護以及錨網(wǎng)噴支護屬于復合支護，錨噴支護更是成為了金屬礦山巖層的主要加固技術。全長式錨桿和黏結式錨桿復合成全長黏結式錨桿［64-65］，極大提高了錨固強度，在工程實際中具有很好的推廣價值和應用前景；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行有效結合，可以在一定范圍內(nèi)控制圍巖的自由變形，使圍巖應力重新分布，可有效防止巖層剝離掉落。隨著科技的迅速發(fā)展，國內(nèi)外都在加大有關錨噴支護先進裝備的使用。例如國外已研發(fā)了一系列錨桿臺車、濕噴車以及掛網(wǎng)臺車等設備，同時，我國自主研制了輪胎式錨桿臺車（履帶式錨桿臺車）、礦用濕噴機以及兩臂混凝土濕噴機等設備［44］，在提高工作效率的同時，降低了勞動強度，保證了作業(yè)安全，在一定程度上實現(xiàn)了巖層加固技術的機械化、智能化。經(jīng)過數(shù)次技術革新，巖層加固技術已從傳統(tǒng)被動的單一支護發(fā)展到新型主動的復合支護，今后將呈現(xiàn)出機械化、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

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)象十分嚴重。隨著充填采礦技術與裝備的發(fā)展［68-72］，膏體充填技術為解決傳統(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、牙膏狀的結構流料漿，進行膏體充填，可協(xié)同解決尾礦庫和采空區(qū)這兩個重大隱患，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工業(yè)級的膏體充填試驗平臺，占地約2 000 m2，設備200余套，具有工業(yè)級、精度高、功能全、智能化的特點，可以對膏體充填工藝全流程進行實驗、參數(shù)檢測并指導系統(tǒng)設計和工程實踐，尤其多管徑、多走向、多流量的環(huán)管實驗系統(tǒng)，檢測結果較傳統(tǒng)方法更接近實際。金屬礦膏體充填的各個工藝環(huán)節(jié)的共性基礎理論為金屬礦膏體流變學［74］，以膏體流變本構方程為研究內(nèi)容，以理論計算、流變實驗和數(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個工藝環(huán)節(jié)的工程需求［75-79］。其中，濃密技術旨在獲得穩(wěn)定合適的底流濃度，為制備合格膏體奠定基礎；攪拌技術使物料混合均勻，為膏體管道輸送流態(tài)化和力學特性均質化提供條件；輸送技術追求低能耗、少磨損；填充技術實現(xiàn)充填體強度均勻分布與充分接頂率，上述4種工藝對應著膏體充填的四大關鍵技術。膏體充填技術具有“安全、經(jīng)濟、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重要技術支撐，被我國有關部委列為示范技術，是全球礦業(yè)領域的研究熱點。膏體充填核心理論體系架構如圖5所示。

3.5 遠程遙控技術

隨著科技的發(fā)展，采礦技術也在不斷進步，從最初的人工開采到機械化開采，再到現(xiàn)在的自動化開采、智能化開采，不論是自動化開采還是智能化開采，遠程遙控都是其核心技術。為此，遠程遙控技術在現(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)展的重要技術手段。遠程遙控技術在國際上已是一種比較成熟的控制技術，也是地下礦山發(fā)展的一個方向，其中包括鑿巖遙控、裝藥遙控、出礦遙控等。但是該技術是一個國家工業(yè)整體發(fā)展到一定高度后的配套應用技術，目前在我國尚未全面推廣［80］。遠程遙控關鍵技術主要體現(xiàn)在開采環(huán)境遠程感知、開采過程遠程操作、開采系統(tǒng)遠程管控這3個方面，從而實現(xiàn)自動感知與分析、無人作業(yè)、遠程調(diào)配、自動預警及遠程決策等功能。此項技術正在中色非洲礦業(yè)有色公司旗下的贊比亞謙比希銅礦東南礦體進行實際應用［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)，以應對東南礦區(qū)面臨的復雜開采問題。該智能管控系統(tǒng)以全礦的信息網(wǎng)絡為基礎，以智能設備和作業(yè)管控平臺——OptiMine系統(tǒng)作為依托，將井下各系統(tǒng)資源整合在一起，可對井下開采進行智能化管控［82］。隨著該系統(tǒng)的建成和應用，實現(xiàn)了全自動化與智能化的目標，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個方向不斷發(fā)展，仍將會產(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，當達到人類無法承受的高溫后，可以考慮利用機器人替代人力進行井下采礦作業(yè)；同時在更深的區(qū)域，傳統(tǒng)的采礦方法將無法實現(xiàn)，部分礦種可顛覆性采用流態(tài)化開采技術；隨著科技的不斷發(fā)展，在未來應當結合高新科技的發(fā)展，著力建設超大型智慧礦山，將更多的科技產(chǎn)物引入到金屬礦山地下開采中。本研究從機器人采礦技術、金屬礦流態(tài)化開采技術和超大型智慧礦山建設等方面論述金屬礦山地下開采的前瞻性理論和技術，對未來金屬礦開采提出了一些展望。

4.1 機器人采礦技術

由于機器人技術發(fā)展尚未完全成熟，且其成本較高，當前還未應用于金屬礦山地下開采中。由于深海采礦處于復雜性和多變性的特殊環(huán)境，人類無法在現(xiàn)場進行采礦作業(yè)，采礦機器人技術率先成為了深海采礦的關鍵裝備。經(jīng)過長時間的研究與應用，我國深海采礦機器人的發(fā)展已經(jīng)具備了一定的基礎，對富鈷結殼采礦機器人、多金屬硫化物采礦機器人和多金屬結核采礦機器人進行了設計研發(fā)［83］，對采礦機器人行走的結構、液壓系統(tǒng)以及穩(wěn)定性進行了研究［84-85］。航位推算定位系統(tǒng)［86］和水聲定位系統(tǒng)［87-89］在深海機器人的定位和導航方面得到了較多的應用。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)展逐漸進入極端環(huán)境，人類將無法在現(xiàn)場進行采礦作業(yè)，可以在深海采礦機器人發(fā)展的基礎上，將采礦機器人應用到金屬礦山地下開采中。對于金屬礦山地下開采，采礦機器人的主要應用方向如下：

（1）鑿巖機器人。鑿巖機器人可以利用提前設計好的程序并配備精準的傳感器在礦井的惡劣環(huán)境下進行打孔作業(yè)，并可以根據(jù)要求進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）噴漿機器人。傳統(tǒng)在井下進行噴漿作業(yè)由人工使用噴漿的機械設備完成，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量，還能避免人員親臨現(xiàn)場進行噴漿作業(yè)，避免了噴漿作業(yè)給人員帶來的危害。

（3）巖爆監(jiān)測機器人。在金屬礦山地下開采中，巖爆事故一旦發(fā)生，將會產(chǎn)生嚴重的后果，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)測機器人，可以靈活移動，監(jiān)測范圍廣，可以連續(xù)不間斷地進行監(jiān)測，事故突發(fā)的先兆可及時被發(fā)現(xiàn)，以便及時采取應對措施，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)達到4 350 m。從理論上講，當開采深度超過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)化開采收集碳氫化合物，采用鉆機鉆井，機械被送往井下，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行原位轉化，形成液體或液/固混合的形式，通過機械設備將礦物送至地表［93］。在未來，金屬礦山要想實現(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)化開采學術構想將成為未來深部金屬礦山地下開采的重要攻關方向，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區(qū)別，同時在固體資源的轉化過程中也會擾動原巖應力狀態(tài)，巖體將會產(chǎn)生一系列不同于傳統(tǒng)金屬礦山地下開采的力學行為。突破傳統(tǒng)的巖石力學研究方法，構建流態(tài)化開采下的巖石力學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。原位轉化是流態(tài)化開采最重要的環(huán)節(jié)，是一個復雜的轉化過程［94-95］。在地下借助不同的手段將固體的金屬礦資源進行原位轉化，與傳統(tǒng)的采礦方法有本質的不同［92］。研究金屬礦原位轉化的相關理論是金屬礦能否實現(xiàn)流態(tài)化開采的核心問題。同時，為了使金屬礦產(chǎn)資源能夠最大限度地轉換或提取出來，提高采礦效率，有必要不斷發(fā)展金屬礦資源的流態(tài)化轉化理論，以實現(xiàn)經(jīng)濟高效的開采目標。目前，流態(tài)化開采在金屬礦山地下開采的應用只是一個理論構想，要實現(xiàn)這一目標還需要理論水平的不斷提高以及生產(chǎn)技術及裝備的不斷進步。

4.3 超大型智慧礦山建設

超大型智慧礦山建設主要在于兩個方面，發(fā)展大型設備和提高互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的水平。采礦技術的發(fā)展其根本在于采礦裝備的發(fā)展和進步，這也是超大型智慧礦山建設的基礎。在未來金屬礦山地下開采中，發(fā)展大型設備與智能化設備是總的趨勢，并結合連續(xù)采礦，以實現(xiàn)規(guī)模化開采的目標，突破礦山設計服務年限的限制，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［96］，結合大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等各類高新技術，集成自動控制器、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)字礦山為基礎建立，但智慧礦山也只是礦山發(fā)展的一個中間過程，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)歷了單機自動化、綜合自動化和局部智慧體3個階段，在主流技術方面、裝備發(fā)展方面以及推廣應用方面均有了一定的發(fā)展，而距離真正實現(xiàn)智慧礦山仍有較大差距。推動智慧化礦山的建設，除了重點發(fā)展高新技術外，隨著5G技術的不斷發(fā)展，基站的建設成本將會不斷降低，將5G技術與各類高新技術相結合，可以為智慧礦山建設注入新的活力。

在未來，將智慧礦山建設的核心技術與超大型礦山設備相結合，通過發(fā)展完備的理論體系，提供強有力的技術和設備支撐，將會大力推動金屬礦山超大型智慧礦山的建設，而將5G技術大規(guī)模應用將會使超大型智慧礦山的建設水平得到質的提升。

礦業(yè)是我國國民經(jīng)濟的基礎和重要支柱產(chǎn)業(yè)，國家政策、重大項目均給予了大力支持。新形勢給礦業(yè)發(fā)展帶來了新機遇，同時金屬礦山開采正面臨著“由淺至深、由易至難、由富至貧”的關鍵轉型期，在理論、技術、裝備等方面都面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。在機遇與挑戰(zhàn)并存的情況下，研究金屬礦地下開采五大關鍵技術顯得尤為重要。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，亟需持續(xù)科技攻關，突破關鍵技術瓶頸、自主研發(fā)核心裝備，保障我國金屬礦產(chǎn)資源安全。機器人采礦技術、流態(tài)化開采技術和超大型智慧礦山建設為未來金屬礦山地下開采提供了新的思路。