探析金屬礦山地下開采技術的進展與展望

李公章

（山東黃金集團有限公司新城金礦一分礦，山東 招遠 265400）

金屬礦產資源在國民經濟發展、人類社會進步中發揮著十分重要的作用，只有不斷提升金屬礦產資源開發利用水平，才能夠進一步加快國民經濟的發展步伐。金屬礦山經過長期開采后，地表資源已難以滿足社會需求，因此地下礦山開采力度在持續加大。近些年來，隨著現代科技的發展，金屬礦山地下開采技術的革新速度明顯加快，信息化、智能化水平大幅度提升，顯著推動了我國礦業的整體發展。

1 金屬礦山地下開采關鍵技術及進展

1.1 膏體充填技術

固廢污染、水體污染、大氣污染等是金屬礦山地下開采過程中容易引發的污染問題，目前已受到充分的重視。近些年來，充填采礦技術日益成熟，膏體充填技術在金屬礦山地下開采中已開始應用，此項技術是利用飽和態、牙膏狀的結構流料漿轉化全尾砂等礦山固體廢棄物，實施膏體充填，不但能夠創新環境污染解決思路，還可以對尾礦庫、采空區等重大隱患進行協同解決，對金屬礦山可持續發展具有明顯的推動作用。相較于以往的水砂充填技術，膏體充填具有較大的優勢，漿體不會出現離析、脫水與分層等問題[1]?，F階段，我國已經將工業級的膏體充填試驗平臺建設起來，具有較高的精度與智能化水平，能夠實驗膏體充填工藝全流程。和傳統實驗方法相比，其能夠獲取到更接近實際的檢測結果。其中，金屬礦膏體流變學是金屬礦膏體充填的基礎理論，主要研究膏體流變本構方程，主要研究手段是理論計算、流變實驗與數值模擬，用以對尾砂濃密、膏體攪拌、膏體輸送、充填固化等方面的需求進行滿足。濃密技術是對底流濃度進行探究與確定，保證制備的膏體符合相關標準。攪拌技術主要是均勻混合物料，可促使管道輸送流態化、力學特性均質化得到實現。輸送技術主要是減少磨損，降低能耗。而填充技術主要是為了均勻分布充填體強度。結合工程實踐得知，安全、經濟、環保、高效是膏體充填技術的主要優勢，目前已成為金屬礦業領域的研究重點。

1.2 巖層加固技術

在金屬礦山地下開采過程中，需加固軟弱、破碎的巖層，避免出現安全問題。通常情況下，可從主動支護與被動支護兩個方面劃分巖層加固技術的類型，被動支護難以對巖層內部結構進行改變，只能夠對圍巖變形進行被動承受。主動支護則可以結合實際情況，對巖層內部結構進行改變，促使巖層自身強度得到增強，錨桿、錨噴、錨注等加固技術應用較為廣泛。在地下開采工程中，為改善支護效果，往往會結合采用多種支護技術。例如，通過結合采用全長式錨桿與黏結式錨桿，即會有全長黏結式錨桿形成，有助于錨固強度的提升，應用潛力較大。結合采用噴射混凝土與錨桿，可對圍巖的自由變形進行有效控制，重新分布圍巖應力，避免出現巖層剝離、掉落等問題。此外，近些年來，巖層加固方面的裝備也在快速更新，推動了巖層加固技術的整體發展?，F階段，我國已經將輪胎式錨桿臺車、兩臂混凝土濕噴機等先進設備研發出來，不但工作效率得到提升，勞動強度得到降低，作業安全也可有效保證，促進了巖層加工機械化、智能化的發展。隨著技術研究的持續推進，巖層加固技術的機械化、智能化水平將會進一步提升[2]。

1.3 運輸提升技術

在金屬礦山地下開采過程中，運輸提升系統發揮著重要作用，其能夠有效連接各個生產環節，促使金屬礦山的正常持續生產得到保證。經過技術的革新與發展，目前無軌為主、有軌為輔已成為運輸提升的主要模式。上個世紀六十年代，在金屬礦山地下開采中開始應用無軌自動設備，地下無軌設備的應用與創新對地下無軌開采技術的發展起到了推動作用，也深入變革了地下開采工藝。就現階段來講，鏟運機運輸是短距離出礦主要方式，其操作難度較小，具有較高的出礦效率。利用地下電車完成井下長距離運礦任務，可有效保證運輸效率。但近些年來，由于開采深度不斷增加，隨之擴大了提升距離，傳統提升技術逐漸暴露出諸多的弊端，難以有效控制礦石物料的提升成本。因此，要進一步研究與創新深井礦石提升技術，將高度自動化、大負載與大型化作為提升技術的發展方向?，F階段，軌道運輸、無軌設備與膠帶運輸機等在深部開采中得到廣泛應用，實現了多級豎井提升目的[3]。以某金礦所采用的3級豎井提升為例，借助于膠帶、無軌設備等完成豎井之間的轉運任務。過去采用的敞開式膠帶運輸系統具有十分簡單的結構，但揚塵、滑落很容易出現，不具備良好的爬坡能力與安全系數，容易對井下環境造成污染。近些年來，封閉式膠帶運輸系統已被研發出來，不但能夠加快運輸速度，還可以預防滑落、揚塵等出現于運輸過程中。

此外，過去主要在深海開采中應用水力提升方式，目前也有礦山嘗試在深部礦井中應用水力提升技術，促進了提升過程自動化、智能化的實現。但在應用水力提升技術時，需將礦石的破碎系統、粉磨系統建立起來，現階段還不夠成熟。

1.4 鑿巖爆破技術

此項技術在金屬礦山地下開采中占據著十分重要的地位，只有對鑿巖爆破效率進行持續提升，方可以實現金屬礦山地下開采的安全高效目的。就現階段來講，金屬礦山地下開采的落礦環節主要采用鑿巖爆破技術，氣動鑿巖機、液壓鑿巖機等取代了傳統的手工鑿巖方式，鑿巖機器人也被研發出來，鑿巖技術的自動化、智能化與環?；街饾u提升。鑿巖設備類型的逐漸增多，對鑿巖爆破技術的發展起到了有效推動作用。近些年來，很多國家開始將露天鑿巖爆破技術應用于地下開采中，大直徑階段深孔替代了以往的中深孔分段鑿巖，應用優勢較為明顯。例如，我國將全電腦三臂鑿巖臺車自主研制出來，其具備行走、鑿巖、裝藥等多項功能，不但操作難度較小，還具有較高的安全系數。通過將其應用于金屬礦山地下開采中，可促使鑿巖質量與效率得到保證，勞動強度與作業風險得到降低，有利于提升地下開采的智能化與自動化水平[4]。同時，為適應不同的地下開采環境，過去地下礦山往往采用微差爆破、光面爆破等多樣化的爆破技術，爆破質量得到很大程度的改善。近些年來，精準爆破、綠色爆破以及智能爆破成為井下爆破技術的發展方向。精準爆破需精細化設計孔網參數，模擬爆破方案，將礦山精準爆破體系建立起來。綠色爆破是將原來的炸藥替換為新型燃燒劑，避免產生爆破氣體，可促使井下空氣環境得到大幅度改善。智能爆破綜合運用了智能設備、殘孔自動識別、爆破振動智能預測等先進技術設備，促使爆破技術的智能化得到實現。隨著技術的革新與發展，機械物理破巖等非爆破技術得到深度應用。例如，借助于連續采礦機等設備機械破巖處理中硬及以下礦巖，具有良好的施工條件與較高的工作效率，能夠有效控制地壓。在物理破巖中應用高壓水射流與熱力破碎等技術，可對單獨機械能破巖的弊端進行克服，粉塵、火花不會出現，作業環境能夠得到有效改善。但需注意的是，這些技術具有較高的能耗與成本，整體應用范圍還較小。而且，我國在鑿巖爆破智能化方面對國外技術較為依賴，硬巖礦山的連續開采尚未真正實現。

1.5 遠程遙控技術

在現代科技的推動下，金屬礦山地下開采技術發展較為迅速，自動化開采、智能化開采已經慢慢取代機械化開采，而遠程遙控是實現地下開采自動化與智能化的關鍵技術。因此，為推動金屬礦業的進一步發展，需深入研究和創新遠程遙控技術。

近些年來，遠程遙控技術已經比較成熟，產生了裝藥遙控、鑿巖遙控等多種類型的技術。但遠程遙控技術對配套技術的要求較高，我國尚處于起步階段。其中，遠程感知開采環境、遠程操作開采過程、遠程管控開采系統是遠程遙控技術的主要應用，可促使自動感知、無人作業、自動預警等一系列功能得到實現。以國外某金屬礦山為例，依托遠程遙控技術將井下開采智能管控系統建立起來，此系統的運行基礎是全礦信息網絡，利用作業管控平臺全面整合井下各系統資源，能夠智能化管控井下開采過程，井下開采的全自動化與智能化得到實現[5]。

2 金屬礦山地下開采技術的未來展望

2.1 機器人采礦技術

隨著開采深度的逐步增加，開采環境將更加惡劣。面對這種情況，需在金屬礦山地下開采中應用采礦機器人。通常情況下，可從這些方面分析采礦機器人的發展方向：第一，鑿巖機器人。此種機器人主要代替人工完成惡劣環境中的鑿巖作業，主要利用精準傳感器與軟件程序來實現。通過井下鑿巖作業中應用機器人技術，既可以改善作業效率，又能夠保證作業安全，對金屬礦地下深部開采的發展具有較大的推動作用[6]。第二，噴漿機器人。過去主要利用人工方式開展井下噴漿作業，具有十分繁重的作業任務量，且惡劣的環境會威脅到人體健康。而通過在地下礦山噴漿作業中引入噴漿機器人，不但涂噴質量得到保證，也可保證人員的身體健康。第三，巖爆監測機器人。如果巖爆事故發生于金屬礦山地下開采過程中，將會對工作人員的人身安全產生嚴重威脅。因此，要積極研發和應用巖爆監測機器人，動態、持續地監測井下作業情況，提前發現事故先兆，促使井下作業安全得到保障。

2.2 流態化開采

為滿足社會經濟發展需求，金屬礦山的開采深度呈現出逐年增加的態勢。當達到在6000m以上的開采深度后，將難以應用傳統的采礦方法。面對這種情況，可將汽油、天然氣等資源開采中使用到的流態化開采技術引入進來。金屬礦山的流態化開采指的是原位轉化地下固體的金屬礦資源，之后利用機械設備向地表運送液態或液固混合形式的礦物資源。通過應用固體資源流態化開采技術，可促使金屬礦山的深部開采、超深開采得到實現。相較于傳統開采方法，金屬礦山資源采用不同的方式破碎地下巖體，且固體資源轉化會對原巖應力狀態造成擾動，這樣巖體產生的力學行為將會與傳統金屬礦山地下開采存在著明顯差異。在未來發展中，需著重研究流態化開采下的巖石力學理論。在流態化開采過程中，原位轉化較為復雜，需利用與傳統采礦方法不同的手段在地下原位轉化固體的金屬礦資源。同時，還要對金屬礦資源的流態化轉化理論進行深入研究，以便最大程度地轉換或提取金屬礦產資源，促使采礦效率得到提升[7]。就現階段而言，在金屬礦山地下開采中尚未應用流態化開采理論，只有不斷深化理論研究，創新生產技術與裝備，方可以實現流態化開采的順利應用。

2.3 超大型智慧礦山建設

采礦裝備對采礦技術的發展有著直接的推動作用，也關系到超大型智慧礦山的建設。在未來發展過程中，需加快大型設備、智能化設備的研發速度，促使規?；_采、連續開采目的得到實現。同時，“智慧”是超大型智慧礦山的核心，要求綜合運用物聯網、互聯網、大數據、人工智能等一系列先進技術，配備傳感器、自動控制器、組合式軟件等軟硬件設備，促使智慧體系得到完美形成。就現階段而言，我國仍然處于數字礦山的階段，智慧礦山尚未真正實現。未來隨著移動通訊技術的日益成熟，將會持續降低基站的建設成本，通過結合應用5G技術與其他高新技術，可為智慧礦山建設提供有效幫助[8]。此外，要深入研究超大型礦山設備與核心技術，從理論、技術、設備等方面著手，不斷提升超大型智慧礦山的建設水平。

3 結語

綜上所述，社會經濟的快速發展，對金屬礦產資源的需求量持續加大，地表資源呈現出日益減少的態勢，金屬礦山地下開采將成為未來研究的重點。近些年來，我國在金屬礦山地下開采的鑿巖爆破、運輸提升、巖層加固等領域的技術研究中取得了一系列成果，顯著推動了金屬礦山開采事業的發展。在未來發展中，要進一步深化研究工作，不斷創新地下開采技術與裝備，融合應用云計算、人工智能等先進技術，持續提升地下開采效率與智能化水平。