探析金屬礦山地下開采技術(shù)的進(jìn)展與展望

李公章

（山東黃金集團(tuán)有限公司新城金礦一分礦，山東 招遠(yuǎn) 265400）

金屬礦產(chǎn)資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類社會(huì)進(jìn)步中發(fā)揮著十分重要的作用，只有不斷提升金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)利用水平，才能夠進(jìn)一步加快國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展步伐。金屬礦山經(jīng)過長(zhǎng)期開采后，地表資源已難以滿足社會(huì)需求，因此地下礦山開采力度在持續(xù)加大。近些年來，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，金屬礦山地下開采技術(shù)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(dòng)了我國(guó)礦業(yè)的整體發(fā)展。

1 金屬礦山地下開采關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展

1.1 膏體充填技術(shù)

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(fā)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(shù)日益成熟，膏體充填技術(shù)在金屬礦山地下開采中已開始應(yīng)用，此項(xiàng)技術(shù)是利用飽和態(tài)、牙膏狀的結(jié)構(gòu)流料漿轉(zhuǎn)化全尾砂等礦山固體廢棄物，實(shí)施膏體充填，不但能夠創(chuàng)新環(huán)境污染解決思路，還可以對(duì)尾礦庫、采空區(qū)等重大隱患進(jìn)行協(xié)同解決，對(duì)金屬礦山可持續(xù)發(fā)展具有明顯的推動(dòng)作用。相較于以往的水砂充填技術(shù)，膏體充填具有較大的優(yōu)勢(shì)，漿體不會(huì)出現(xiàn)離析、脫水與分層等問題[1]。現(xiàn)階段，我國(guó)已經(jīng)將工業(yè)級(jí)的膏體充填試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)起來，具有較高的精度與智能化水平，能夠?qū)嶒?yàn)膏體充填工藝全流程。和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比，其能夠獲取到更接近實(shí)際的檢測(cè)結(jié)果。其中，金屬礦膏體流變學(xué)是金屬礦膏體充填的基礎(chǔ)理論，主要研究膏體流變本構(gòu)方程，主要研究手段是理論計(jì)算、流變實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，用以對(duì)尾砂濃密、膏體攪拌、膏體輸送、充填固化等方面的需求進(jìn)行滿足。濃密技術(shù)是對(duì)底流濃度進(jìn)行探究與確定，保證制備的膏體符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。攪拌技術(shù)主要是均勻混合物料，可促使管道輸送流態(tài)化、力學(xué)特性均質(zhì)化得到實(shí)現(xiàn)。輸送技術(shù)主要是減少磨損，降低能耗。而填充技術(shù)主要是為了均勻分布充填體強(qiáng)度。結(jié)合工程實(shí)踐得知，安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效是膏體充填技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)，目前已成為金屬礦業(yè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

1.2 巖層加固技術(shù)

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(xiàn)安全問題。通常情況下，可從主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)兩個(gè)方面劃分巖層加固技術(shù)的類型，被動(dòng)支護(hù)難以對(duì)巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，只能夠?qū)鷰r變形進(jìn)行被動(dòng)承受。主動(dòng)支護(hù)則可以結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，促使巖層自身強(qiáng)度得到增強(qiáng)，錨桿、錨噴、錨注等加固技術(shù)應(yīng)用較為廣泛。在地下開采工程中，為改善支護(hù)效果，往往會(huì)結(jié)合采用多種支護(hù)技術(shù)。例如，通過結(jié)合采用全長(zhǎng)式錨桿與黏結(jié)式錨桿，即會(huì)有全長(zhǎng)黏結(jié)式錨桿形成，有助于錨固強(qiáng)度的提升，應(yīng)用潛力較大。結(jié)合采用噴射混凝土與錨桿，可對(duì)圍巖的自由變形進(jìn)行有效控制，重新分布圍巖應(yīng)力，避免出現(xiàn)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(dòng)了巖層加固技術(shù)的整體發(fā)展?，F(xiàn)階段，我國(guó)已經(jīng)將輪胎式錨桿臺(tái)車、兩臂混凝土濕噴機(jī)等先進(jìn)設(shè)備研發(fā)出來，不但工作效率得到提升，勞動(dòng)強(qiáng)度得到降低，作業(yè)安全也可有效保證，促進(jìn)了巖層加工機(jī)械化、智能化的發(fā)展。隨著技術(shù)研究的持續(xù)推進(jìn)，巖層加固技術(shù)的機(jī)械化、智能化水平將會(huì)進(jìn)一步提升[2]。

1.3 運(yùn)輸提升技術(shù)

在金屬礦山地下開采過程中，運(yùn)輸提升系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，其能夠有效連接各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，促使金屬礦山的正常持續(xù)生產(chǎn)得到保證。經(jīng)過技術(shù)的革新與發(fā)展，目前無軌為主、有軌為輔已成為運(yùn)輸提升的主要模式。上個(gè)世紀(jì)六十年代，在金屬礦山地下開采中開始應(yīng)用無軌自動(dòng)設(shè)備，地下無軌設(shè)備的應(yīng)用與創(chuàng)新對(duì)地下無軌開采技術(shù)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用，也深入變革了地下開采工藝。就現(xiàn)階段來講，鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)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(zhǎng)距離運(yùn)礦任務(wù)，可有效保證運(yùn)輸效率。但近些年來，由于開采深度不斷增加，隨之?dāng)U大了提升距離，傳統(tǒng)提升技術(shù)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(jìn)一步研究與創(chuàng)新深井礦石提升技術(shù)，將高度自動(dòng)化、大負(fù)載與大型化作為提升技術(shù)的發(fā)展方向?，F(xiàn)階段，軌道運(yùn)輸、無軌設(shè)備與膠帶運(yùn)輸機(jī)等在深部開采中得到廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)豎井提升目的[3]。以某金礦所采用的3級(jí)豎井提升為例，借助于膠帶、無軌設(shè)備等完成豎井之間的轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)。過去采用的敞開式膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)具有十分簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但揚(yáng)塵、滑落很容易出現(xiàn)，不具備良好的爬坡能力與安全系數(shù)，容易對(duì)井下環(huán)境造成污染。近些年來，封閉式膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)已被研發(fā)出來，不但能夠加快運(yùn)輸速度，還可以預(yù)防滑落、揚(yáng)塵等出現(xiàn)于運(yùn)輸過程中。

此外，過去主要在深海開采中應(yīng)用水力提升方式，目前也有礦山嘗試在深部礦井中應(yīng)用水力提升技術(shù)，促進(jìn)了提升過程自動(dòng)化、智能化的實(shí)現(xiàn)。但在應(yīng)用水力提升技術(shù)時(shí)，需將礦石的破碎系統(tǒng)、粉磨系統(tǒng)建立起來，現(xiàn)階段還不夠成熟。

1.4 鑿巖爆破技術(shù)

此項(xiàng)技術(shù)在金屬礦山地下開采中占據(jù)著十分重要的地位，只有對(duì)鑿巖爆破效率進(jìn)行持續(xù)提升，方可以實(shí)現(xiàn)金屬礦山地下開采的安全高效目的。就現(xiàn)階段來講，金屬礦山地下開采的落礦環(huán)節(jié)主要采用鑿巖爆破技術(shù)，氣動(dòng)鑿巖機(jī)、液壓鑿巖機(jī)等取代了傳統(tǒng)的手工鑿巖方式，鑿巖機(jī)器人也被研發(fā)出來，鑿巖技術(shù)的自動(dòng)化、智能化與環(huán)保化水平逐漸提升。鑿巖設(shè)備類型的逐漸增多，對(duì)鑿巖爆破技術(shù)的發(fā)展起到了有效推動(dòng)作用。近些年來，很多國(guó)家開始將露天鑿巖爆破技術(shù)應(yīng)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(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為明顯。例如，我國(guó)將全電腦三臂鑿巖臺(tái)車自主研制出來，其具備行走、鑿巖、裝藥等多項(xiàng)功能，不但操作難度較小，還具有較高的安全系數(shù)。通過將其應(yīng)用于金屬礦山地下開采中，可促使鑿巖質(zhì)量與效率得到保證，勞動(dòng)強(qiáng)度與作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)得到降低，有利于提升地下開采的智能化與自動(dòng)化水平[4]。同時(shí)，為適應(yīng)不同的地下開采環(huán)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(shù)，爆破質(zhì)量得到很大程度的改善。近些年來，精準(zhǔn)爆破、綠色爆破以及智能爆破成為井下爆破技術(shù)的發(fā)展方向。精準(zhǔn)爆破需精細(xì)化設(shè)計(jì)孔網(wǎng)參數(shù)，模擬爆破方案，將礦山精準(zhǔn)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(chǎn)生爆破氣體，可促使井下空氣環(huán)境得到大幅度改善。智能爆破綜合運(yùn)用了智能設(shè)備、殘孔自動(dòng)識(shí)別、爆破振動(dòng)智能預(yù)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，促使爆破技術(shù)的智能化得到實(shí)現(xiàn)。隨著技術(shù)的革新與發(fā)展，機(jī)械物理破巖等非爆破技術(shù)得到深度應(yīng)用。例如，借助于連續(xù)采礦機(jī)等設(shè)備機(jī)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(yīng)用高壓水射流與熱力破碎等技術(shù)，可對(duì)單獨(dú)機(jī)械能破巖的弊端進(jìn)行克服，粉塵、火花不會(huì)出現(xiàn)，作業(yè)環(huán)境能夠得到有效改善。但需注意的是，這些技術(shù)具有較高的能耗與成本，整體應(yīng)用范圍還較小。而且，我國(guó)在鑿巖爆破智能化方面對(duì)國(guó)外技術(shù)較為依賴，硬巖礦山的連續(xù)開采尚未真正實(shí)現(xiàn)。

1.5 遠(yuǎn)程遙控技術(shù)

在現(xiàn)代科技的推動(dòng)下，金屬礦山地下開采技術(shù)發(fā)展較為迅速，自動(dòng)化開采、智能化開采已經(jīng)慢慢取代機(jī)械化開采，而遠(yuǎn)程遙控是實(shí)現(xiàn)地下開采自動(dòng)化與智能化的關(guān)鍵技術(shù)。因此，為推動(dòng)金屬礦業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，需深入研究和創(chuàng)新遠(yuǎn)程遙控技術(shù)。

近些年來，遠(yuǎn)程遙控技術(shù)已經(jīng)比較成熟，產(chǎn)生了裝藥遙控、鑿巖遙控等多種類型的技術(shù)。但遠(yuǎn)程遙控技術(shù)對(duì)配套技術(shù)的要求較高，我國(guó)尚處于起步階段。其中，遠(yuǎn)程感知開采環(huán)境、遠(yuǎn)程操作開采過程、遠(yuǎn)程管控開采系統(tǒng)是遠(yuǎn)程遙控技術(shù)的主要應(yīng)用，可促使自動(dòng)感知、無人作業(yè)、自動(dòng)預(yù)警等一系列功能得到實(shí)現(xiàn)。以國(guó)外某金屬礦山為例，依托遠(yuǎn)程遙控技術(shù)將井下開采智能管控系統(tǒng)建立起來，此系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)是全礦信息網(wǎng)絡(luò)，利用作業(yè)管控平臺(tái)全面整合井下各系統(tǒng)資源，能夠智能化管控井下開采過程，井下開采的全自動(dòng)化與智能化得到實(shí)現(xiàn)[5]。

2 金屬礦山地下開采技術(shù)的未來展望

2.1 機(jī)器人采礦技術(shù)

隨著開采深度的逐步增加，開采環(huán)境將更加惡劣。面對(duì)這種情況，需在金屬礦山地下開采中應(yīng)用采礦機(jī)器人。通常情況下，可從這些方面分析采礦機(jī)器人的發(fā)展方向：第一，鑿巖機(jī)器人。此種機(jī)器人主要代替人工完成惡劣環(huán)境中的鑿巖作業(yè)，主要利用精準(zhǔn)傳感器與軟件程序來實(shí)現(xiàn)。通過井下鑿巖作業(yè)中應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，既可以改善作業(yè)效率，又能夠保證作業(yè)安全，對(duì)金屬礦地下深部開采的發(fā)展具有較大的推動(dòng)作用[6]。第二，噴漿機(jī)器人。過去主要利用人工方式開展井下噴漿作業(yè)，具有十分繁重的作業(yè)任務(wù)量，且惡劣的環(huán)境會(huì)威脅到人體健康。而通過在地下礦山噴漿作業(yè)中引入噴漿機(jī)器人，不但涂噴質(zhì)量得到保證，也可保證人員的身體健康。第三，巖爆監(jiān)測(cè)機(jī)器人。如果巖爆事故發(fā)生于金屬礦山地下開采過程中，將會(huì)對(duì)工作人員的人身安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，要積極研發(fā)和應(yīng)用巖爆監(jiān)測(cè)機(jī)器人，動(dòng)態(tài)、持續(xù)地監(jiān)測(cè)井下作業(yè)情況，提前發(fā)現(xiàn)事故先兆，促使井下作業(yè)安全得到保障。

2.2 流態(tài)化開采

為滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，金屬礦山的開采深度呈現(xiàn)出逐年增加的態(tài)勢(shì)。當(dāng)達(dá)到在6000m以上的開采深度后，將難以應(yīng)用傳統(tǒng)的采礦方法。面對(duì)這種情況，可將汽油、天然氣等資源開采中使用到的流態(tài)化開采技術(shù)引入進(jìn)來。金屬礦山的流態(tài)化開采指的是原位轉(zhuǎn)化地下固體的金屬礦資源，之后利用機(jī)械設(shè)備向地表運(yùn)送液態(tài)或液固混合形式的礦物資源。通過應(yīng)用固體資源流態(tài)化開采技術(shù)，可促使金屬礦山的深部開采、超深開采得到實(shí)現(xiàn)。相較于傳統(tǒng)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(zhuǎn)化會(huì)對(duì)原巖應(yīng)力狀態(tài)造成擾動(dòng)，這樣巖體產(chǎn)生的力學(xué)行為將會(huì)與傳統(tǒng)金屬礦山地下開采存在著明顯差異。在未來發(fā)展中，需著重研究流態(tài)化開采下的巖石力學(xué)理論。在流態(tài)化開采過程中，原位轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜，需利用與傳統(tǒng)采礦方法不同的手段在地下原位轉(zhuǎn)化固體的金屬礦資源。同時(shí)，還要對(duì)金屬礦資源的流態(tài)化轉(zhuǎn)化理論進(jìn)行深入研究，以便最大程度地轉(zhuǎn)換或提取金屬礦產(chǎn)資源，促使采礦效率得到提升[7]。就現(xiàn)階段而言，在金屬礦山地下開采中尚未應(yīng)用流態(tài)化開采理論，只有不斷深化理論研究，創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)與裝備，方可以實(shí)現(xiàn)流態(tài)化開采的順利應(yīng)用。

2.3 超大型智慧礦山建設(shè)

采礦裝備對(duì)采礦技術(shù)的發(fā)展有著直接的推動(dòng)作用，也關(guān)系到超大型智慧礦山的建設(shè)。在未來發(fā)展過程中，需加快大型設(shè)備、智能化設(shè)備的研發(fā)速度，促使規(guī)模化開采、連續(xù)開采目的得到實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，“智慧”是超大型智慧礦山的核心，要求綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等一系列先進(jìn)技術(shù)，配備傳感器、自動(dòng)控制器、組合式軟件等軟硬件設(shè)備，促使智慧體系得到完美形成。就現(xiàn)階段而言，我國(guó)仍然處于數(shù)字礦山的階段，智慧礦山尚未真正實(shí)現(xiàn)。未來隨著移動(dòng)通訊技術(shù)的日益成熟，將會(huì)持續(xù)降低基站的建設(shè)成本，通過結(jié)合應(yīng)用5G技術(shù)與其他高新技術(shù)，可為智慧礦山建設(shè)提供有效幫助[8]。此外，要深入研究超大型礦山設(shè)備與核心技術(shù)，從理論、技術(shù)、設(shè)備等方面著手，不斷提升超大型智慧礦山的建設(shè)水平。

3 結(jié)語

綜上所述，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)金屬礦產(chǎn)資源的需求量持續(xù)加大，地表資源呈現(xiàn)出日益減少的態(tài)勢(shì)，金屬礦山地下開采將成為未來研究的重點(diǎn)。近些年來，我國(guó)在金屬礦山地下開采的鑿巖爆破、運(yùn)輸提升、巖層加固等領(lǐng)域的技術(shù)研究中取得了一系列成果，顯著推動(dòng)了金屬礦山開采事業(yè)的發(fā)展。在未來發(fā)展中，要進(jìn)一步深化研究工作，不斷創(chuàng)新地下開采技術(shù)與裝備，融合應(yīng)用云計(jì)算、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，持續(xù)提升地下開采效率與智能化水平。