采礦業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的保障性行業(yè)。我國是發(fā)展中國家，目前尚處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展階段，因此，對金屬礦產(chǎn)資源和金屬礦產(chǎn)品的需求還會在一定時期內(nèi)保持高位。未來礦產(chǎn)資源開發(fā)涉及綠色開采、深部開采、智能化采礦三大主題，其中深部開采是統(tǒng)領全局的主題。為了解決未來深部開采面臨的一系列關鍵技術難題，必須廣泛吸收各學科的高新技術，發(fā)展綠色智能采礦模式，提高金屬礦產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，從而保證我國礦產(chǎn)資源的有效供給及國民經(jīng)濟安全與可持續(xù)發(fā)展。

中國工程院蔡美峰院士科研團隊在中國工程院院刊《Engineering》2021年第11期發(fā)表《我國深部金屬礦山綠色智能可持續(xù)發(fā)展關鍵工程科技戰(zhàn)略》一文。文章針對我國金屬礦產(chǎn)資源深部開采現(xiàn)狀和面臨的主要難題，從巖爆預測與防控、深井支護、深井高溫環(huán)境控制與降溫治理、深井提升等方面提出了解決我國深部開采難題的關鍵工程科技發(fā)展戰(zhàn)略。此外，提出了未來必須從精準切割采礦、無廢開采、溶浸采礦、地下采選一體化開采及智能化無人采礦模式等方面對現(xiàn)有采礦模式及其工藝技術進行根本變革以適應深部金屬礦綠色智能開采的要求。上述幾個方面具有前瞻性的關鍵創(chuàng)新技術的集成，構成了我國金屬礦深部開采創(chuàng)新技術體系的整體框架。
 

一、引言

礦產(chǎn)資源是世界各國處于第一位的工業(yè)原料，對國民經(jīng)濟的發(fā)展和社會物質(zhì)文明與科技進步有舉足輕重的作用。經(jīng)過多年持續(xù)高強度開發(fā)，我國淺部金屬礦產(chǎn)資源逐漸減少或枯竭，金屬礦產(chǎn)資源的開采正處于全面向深部推進階段。目前，已有20多個地下金屬礦山達到或超過1000 m的開采深度。據(jù)統(tǒng)計，未來十年，我國三分之一以上的地下金屬礦山的開采深度將超過1000 m，其中最大開采深度將達到2000~3000 m。隨著勘探技術和裝備的進步，我國未來在3000?5000 m深部找到一批大型金屬礦床是完全可能的。因此，深部開采是我國金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)面臨的最迫切問題，也是今后保證我國金屬礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)與供給的最主要途徑。在此背景下，我們從前瞻性的角度提出了解決深部開采難題的關鍵工程科技戰(zhàn)略。

二、深部開采面臨的關鍵難題

深部安全高效開采面臨一系列工程挑戰(zhàn)，其面臨的關鍵難題主要來自以下幾個方面：

①高地應力。在深部高地應力作用下，采礦開挖將形成破壞性的地壓活動，導致巖爆、塌方、冒頂、突水等開采動力災害的發(fā)生，嚴重影響生產(chǎn)安全和正常作業(yè)。

②巖性惡化。進入深部后，巖體結構與力學特性會發(fā)生重大變化，給支護和后續(xù)開采安全帶來很大負擔，嚴重影響開采效率和效益。

③高溫環(huán)境。深部礦井的高溫環(huán)境會使圍巖的力學性能大大劣化，嚴重影響設備的安全運行、作業(yè)效率和工人身體健康，會造成不可預測的災害和事故。

④深井提升。隨著開采深度的增加，礦石和各種物料的提升高度顯著增加，造成提升難度和成本大幅增加。傳統(tǒng)有繩提升技術不僅難以滿足深部提升的要求，而且對生產(chǎn)安全構成潛在威脅。

三、深部開采關鍵工程科技戰(zhàn)略

（一）巖爆預測預報與防控技術

金屬礦山巖爆是由采礦引發(fā)的一種動力災害，是采礦工程中的主要災害類型。巖爆預測、預報是一項世界級難題。認識和控制巖爆是礦山安全維護的首要任務。采礦開挖破壞了地層平衡狀態(tài)，并在圍巖中產(chǎn)生了擾動能量。當巖體中聚集的擾動能量達到很高水平，并且在巖體由于高應力作用出現(xiàn)破裂或遇到斷層等情況下，能量突然釋放，就可能形成巖爆。這是對巖爆機理的準確認識?；趲r爆機理，巖爆預測應與開采過程緊密結合。根據(jù)未來的開采計劃，采用數(shù)值模擬、數(shù)理統(tǒng)計等方法，定量計算出未來開采誘發(fā)擾動能量的大小、時間（開采時間）和在巖體中的空間分布狀況及其隨開采過程的變化規(guī)律。隨后，借助地震學的知識（地震能量與震級的關系式），可以對未來開采誘發(fā)巖爆的發(fā)展趨勢及其“時間-空間-強度”規(guī)律做出理論上的預測。同樣基于巖爆的誘發(fā)機理，巖爆防控應主要從優(yōu)化采礦方法、開采布局和開采順序入手，減小在圍巖中產(chǎn)生高巖應力集中和大的位移，減小和控制開采過程中擾動能量的聚集，從而減輕和控制巖爆的發(fā)生。同時，采取能吸收能量、防沖擊的支護措施，阻止和減弱巖爆的沖擊破壞作用。

（二）支護技術

地下金屬礦的采礦方法，隨開挖和支護方式不同，分為空場法、崩落法、充填法三類，其中充填法成本最高。各礦山主要根據(jù)礦石價值和采空區(qū)維護難度的不同，決定各自適用的采礦方法。但為了實現(xiàn)綠色采礦，控制巖層移動和地表沉陷，特別是進入深部開采后控制劇烈的地壓活動，充填法將是多數(shù)礦山（包括鐵礦）不得不選擇的采礦方法。這是對傳統(tǒng)采礦模式的重大變革。但是，開采價值和支護成本相平衡的原則仍需遵守。為了廣泛應用充填法，必須對充填工藝和充填材料進行重大改革，大力降低充填成本。利用礦山固體廢料的充填工藝是最具有普遍應用前景的技術方案。近年發(fā)展起來的全尾砂膏體充填工藝，可在低水泥耗量條件下獲得高質(zhì)量充填體，膏體強度均勻、充填采空區(qū)接頂率高，能有效控制地壓活動和巖層移動。該技術代表了充填技術未來的發(fā)展方向。此外，膠凝材料在膏體充填成本中占很大比重。研究超細、高強、價廉、速凝充填新材料可有效降低充填成本。

（三）高溫環(huán)境控制與降溫技術

國內(nèi)外常用的礦井降溫技術包括非人工制冷和人工制冷兩大類。非人工制冷降溫技術主要包括礦井通風、熱源隔離、巖層預冷、采空區(qū)充填等多種方法，其中礦井通風應用最為廣泛。然而，礦井通風降溫成本高、通風效率低。此外，對于熱害較嚴重的礦井，非人工制冷降溫技術難以滿足降溫要求，必須同時采用人工制冷降溫措施。人工制冷降溫技術目前在金屬礦山廣泛應用，主要包括水冷卻系統(tǒng)和冰冷卻系統(tǒng)。水冷卻系統(tǒng)通過制冷機組制出冷水，再通過高低壓換熱器和空冷器，將通風系統(tǒng)輸入井下的風流冷卻后，送到工作面降溫。該系統(tǒng)實際上就是空調(diào)技術在地下礦井的應用。冰冷卻系統(tǒng)通過風力或水力將地面制出的粒狀冰或泥狀冰送至井下融冰池，利用工作面回水噴淋融冰，融冰后的冷水送至工作面，通過空冷器降溫或采取噴霧降溫。一般來說，非人工降溫技術和人工降溫技術都是被動式降溫技術。工程實踐表明，這兩種降溫技術不僅降溫成本高，而且在深井中降溫效果也不十分理想。

為了高效解決深井降溫問題，必須發(fā)展主動式降溫技術，重點在以下兩個方向：

①深井高溫巖層隔熱技術。深井高溫環(huán)境主要是由高溫巖層熱輻射所造成，研發(fā)新型高效的隔熱新材料、新技術、新工藝，對巖層高溫熱源進行隔離，在此基礎上再采用人工制冷降溫技術等，就能起到較明顯的降溫效果。

②深井地熱開發(fā)技術。地熱本身是一種天然能源，而現(xiàn)有的降溫技術是被動措施，將地熱當成一種災害在防治。如果在深部開采過程中，采用熱交換技術對巖層中的地熱資源進行開發(fā)利用，將深井采礦與深部地熱開發(fā)相結合，就能大幅度抵消降溫成本，從而為采礦深井降溫開辟一條具有顛覆性的經(jīng)濟有效的技術途徑。

（四）提升技術

提升是采礦過程中與鑿巖開挖同等重要的一個環(huán)節(jié)。金屬礦山廣泛使用多繩摩擦式或纏繞式提升機。進入深部開采后，鋼絲繩不斷加長加粗，這不僅加大提升負荷，大大降低了有效提升能力，而且由于尾繩長度變化大，造成提升鋼絲繩張力變化過大，導致斷絲破壞，這成為制約摩擦式提升安全的主要因素。據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計，摩擦式和纏繞式提升機單級最大提升高度分別只有1800 m和3000 m左右。更大的提升高度必須多級提升，從而使設備成本大大增加，提升效率大大降低。

當提升高度超過3000 m或4000 m后，有繩提升技術因鋼絲繩而造成的大負荷、大慣量、大扭矩將是無法解決的問題。為此，必須研發(fā)無繩垂直提升技術，如直線電機驅動提升技術和磁懸浮驅動提升技術等。無繩垂直提升技術具有設備體積小、移動靈活、效率高、提升高度不受限制等優(yōu)點，適合于深井提升。目前這方面的技術和裝備都還處于初步設想階段，需要今后更深入地進行創(chuàng)新研究和科學實驗，才能研制出實用的技術和產(chǎn)品。建議我國今后要重點開展這類提升技術和裝備的研發(fā)。

四、綠色智能采礦模式

傳統(tǒng)的淺部采礦模式和開采方法已不適合深部高應力場、高井溫、巖體結構變化和復雜的地質(zhì)條件。為了適應深部金屬礦綠色智能開采的要求，提高深井自動化高效開采水平，必須對現(xiàn)有采礦模式及其工藝技術進行根本變革。

（一）精準切割采礦

傳統(tǒng)的采礦掘進破巖方法是鉆爆法。鉆爆工藝對圍巖穩(wěn)固性造成破壞，威脅開采安全。而且這種方法將礦石、廢石一起采，大大增加提升的廢石量和選礦作業(yè)的工作量。為了提高深井自動化精準高效開采水平，必須研究精準切割采礦的方法。

1. 機械連續(xù)切割掘進與采礦技術

采用機械掘進、機械鑿巖的方法，以連續(xù)切割設備取代傳統(tǒng)爆破采礦工藝進行采礦，切割空間因不需實施爆破而明顯提高圍巖穩(wěn)固性。機械切割能準確地開采目標礦石，實施精準開采，使采礦損失率和礦石貧化率降到最低，從而大大減少提升的工作量和選礦的作業(yè)量。切割落礦、裝載、運輸工藝平行連續(xù)進行，為實現(xiàn)連續(xù)采礦，提高采礦效率，保證開采安全創(chuàng)造了條件。采礦機作業(yè)受到金屬礦床形態(tài)多變和復雜地質(zhì)條件及切割頭的壽命和費用的限制，這是實施該技術需要解決的兩個關鍵前沿問題。

2. 高壓水射流破巖掘進與采礦技術

高壓水射流技術是20世紀70年代發(fā)展起來的一種清洗、切割新技術。從高壓噴嘴射出的高速水射流具有很大的能量，在目標靶上可產(chǎn)生巨大的沖擊力，可用來切割巖石、破碎巖石等。高壓水射流破碎和切割過程中，能自動排出廢料，只需對使用后的水進行簡單物理凈化，就能實現(xiàn)對水的循環(huán)利用。目前，高壓水射流破巖在軟巖和中等硬巖工程中已經(jīng)實現(xiàn)，在煤礦有廣泛應用。但在破碎堅硬礦巖時，還存在水射流壓力不足等問題，因而在金屬礦山中的應用受到限制。為了解決硬巖破巖問題，高壓水射流需向超高壓大功率化方向發(fā)展。因此，需要進一步發(fā)展和改進超高壓的水射流部件和設備，如超高壓泵、旋轉密封、耐磨噴嘴和高壓管件等部件，為其在金屬礦硬巖中的應用創(chuàng)造有利條件。

3. 激光破巖掘進與采礦技術

激光破巖是利用高能激光束產(chǎn)生的熱量對巖石局部迅速加熱，當溫度足夠高時，就會發(fā)生一系列復雜的物理化學反應，并隨溫度升高依次實現(xiàn)破碎、熔化和汽化三種破巖形式。采礦破巖只要實現(xiàn)破碎即可。當高能激光作用于巖石表面時，巖石局部迅速受熱膨脹，導致局部熱應力升高。當熱應力高于巖石極限強度時，巖石就會發(fā)生熱破碎，實現(xiàn)切割破巖。此外，巖石表面的微裂縫和孔隙等使其極限強度降低，因而會加劇這種熱破碎切割作用。

4. 等離子體破巖掘進與采礦技術

使用等離子體破巖時，需要首先向巖體內(nèi)鉆孔，然后將同軸爆破電極緊密地裝入鉆孔中，并在鉆孔前端充滿電解質(zhì)。通過引爆觸發(fā)器接通連接同軸爆破電極的儲能電容器組，在高電能的作用下，電解質(zhì)很快地轉變成高溫、高壓的等離子氣體。高溫、高壓的等離子氣體迅速膨脹形成強大的沖擊波，導致類似于化學炸藥產(chǎn)生的爆破效果，產(chǎn)生的壓力可超過2 GPa，這樣高的壓力足以破裂堅硬巖石。該技術的實施可極大改善作業(yè)環(huán)境，減少了傳統(tǒng)爆破對圍巖和環(huán)境的影響和破壞。

（二）無廢開采

無廢開采的目標是最大限度地減少廢料的產(chǎn)出和排放，提高資源綜合利用率，減輕或消除礦產(chǎn)資源開發(fā)對生態(tài)和環(huán)境的破壞。礦山無廢開采模式遵從工業(yè)生態(tài)學的觀點，以采礦活動為中心，將礦山生態(tài)環(huán)境、資源環(huán)境和經(jīng)濟環(huán)境聯(lián)系起來形成一個有機的工業(yè)系統(tǒng)，以最小的排放量獲取最大的資源量和經(jīng)濟效益。采礦活動結束后，通過最小的末端治理使礦山環(huán)境與生態(tài)環(huán)境融為一個整體。為了實現(xiàn)無廢開采，應大力提高采選技術水平，大力降低礦石貧化率等，實現(xiàn)廢料產(chǎn)出最小化，從源頭上控制廢石產(chǎn)出率。同時，盡可能提高選礦回收率，減少尾礦排放量，將礦石資源中由于選冶水平低而不能利用的成分減到最少。此外，加強綜合回收，實現(xiàn)廢棄物的資源化，提高廢棄物的整體利用水平，努力實現(xiàn)礦山固體廢棄物的零排放、零堆存。

（三）溶浸采礦

溶浸采礦是集采礦、選礦、冶煉為一體的技術，可分為原地鉆孔溶浸、原地破碎溶浸和堆浸三大類。該技術在礦體中通過浸礦液直接回收金屬元素，可以大幅度減少采礦、選礦、冶煉作業(yè)的工作量，降低生產(chǎn)成本，為深部低品位礦石回收提供了可行的途徑。與傳統(tǒng)“采礦—選礦—冶煉”工藝相比，原地溶浸的成本可以節(jié)約30%以上，甚至達到50%，對深部礦產(chǎn)開采具有重要應用價值。此外，該工藝不產(chǎn)出廢石、尾礦，無開挖擾動，對地面環(huán)境幾乎無影響。這也是未來實現(xiàn)綠色開采技術的主要方向之一。溶浸采礦技術是一門邊緣交叉學科，目前的基礎理論還較薄弱，需要在散體滲流動力學、浸出過程中多因素強關聯(lián)機制等方面進一步開展研究。特別是目前該工藝可回收的大宗金屬品種太少，只能有效回收鈾、銅和金等很少金屬礦種，需大力研究更多金屬礦種的浸出工藝和回收技術。

（四）地下采選一體化開采

在礦石提升地面之前，在井下進行預選和預富集，拋去大部分廢石，可以明顯降低礦石提升量和廢石在地面的排放。對于深部開采，將礦石預選后在井下破碎、研磨成礦漿，用管道水力輸送至地表選礦廠。與其他運輸方案相比，該工藝具有基建投資低、對地形條件適應性強、不占用或少占用土地等一系列優(yōu)點，是一項有利于環(huán)境保護的技術。

將選礦廠建在井下，開采的礦石在地下進行選礦，然后直接向地面輸送精礦。這可大量減少廢石的提升量，是解決提升難題的一個重要途徑。選礦產(chǎn)生的廢石與尾礦留在井下用于采空區(qū)充填，實現(xiàn)就地利用，并減少排出地面后對生態(tài)環(huán)境造成的污染和破壞。此外，無需在地面建設選礦廠和尾礦庫，省去了征地建廠建庫和尾礦庫管理的費用，消除了尾礦庫引發(fā)各種自然災害的根源。因此，這是充分發(fā)揮礦產(chǎn)資源綠色高效開發(fā)綜合效益的重要舉措。

（五）智能化無人采礦

智能化無人采礦是應對不斷惡化的深部開采條件和環(huán)境條件、實現(xiàn)礦產(chǎn)資源開發(fā)安全高效最大化的必由之路。人工智能是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅動力(4.740, 0.03, 0.64%)量，加快人工智能和礦業(yè)開發(fā)工程科技的融合，實現(xiàn)礦產(chǎn)資源智能化無人開采，是21世紀礦業(yè)發(fā)展的重要方向和前瞻性目標，是實現(xiàn)我國金屬礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)的重要保障。

目前，國內(nèi)外智能化無人礦山的建設仍處于初級階段。在此階段，無人采礦的核心技術仍然是傳統(tǒng)采礦工藝和生產(chǎn)組織管理的自動化與智能化控制。這種智能化控制主要是通過現(xiàn)場或遠程遙控來實現(xiàn)的。信息、通信和人工智能的進步，將推動無人采礦向以先進檢測及監(jiān)控系統(tǒng)、高速數(shù)字通信網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、云計算、智能采礦設備與工藝等集成化為主要技術特征的高級無人礦山發(fā)展。處于高級階段的無人采礦設備和控制系統(tǒng)應具有智能目標識別與感知、自主記憶、自主判斷、自主決策、類似于智能大腦的功能，不需要通過外部遙控來實現(xiàn)。新一代高級無人采礦技術必將涉及采礦工藝及生產(chǎn)過程自身的變革。為了實現(xiàn)無人采礦從初級階段向高級階段過渡，對傳統(tǒng)的采礦模式、技術、工藝和管理手段進行根本性的變革是完全必要的，其中包括開發(fā)和創(chuàng)新一系列具有顛覆性的技術和方法。

近年來，以杏山鐵礦、三道莊鉬礦為代表的幾個礦山，在加速智能化采礦技術的研究與推廣應用方面做了大量卓有成效的創(chuàng)新性工作，取得了巨大進展，極大地縮小了與國外的差距。但目前我國一批中小型金屬礦山設備還比較落后，先進設備需要高價從國外進口，從而制約了設備的換代升級和先進采礦技術的推廣應用。為此，國家和科研系統(tǒng)必須加大科技和經(jīng)費投入，首先在自動化采礦裝備方面取得突破，盡早實現(xiàn)大型自動化裝備國產(chǎn)化。這就能為加速我國智能化采礦技術的推廣應用創(chuàng)造可靠條件。

綜上所述，采礦業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的保障性行業(yè)。中國是發(fā)展中國家，目前尚處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展階段。因此，對金屬礦產(chǎn)資源和金屬礦產(chǎn)品的需求還會在一定時期內(nèi)保持高位。未來礦產(chǎn)資源開發(fā)涉及綠色開采、深部開采、智能化采礦三大主題，其中深部開采是統(tǒng)領全局的主題。為了解決未來深部開采面臨的一系列關鍵技術難題，必須廣泛吸收各學科的高新技術，發(fā)展先進的、非傳統(tǒng)的采礦新理論、新技術、新工藝，創(chuàng)造更高效率、更低成本、最少環(huán)境污染和最好安全條件的綠色智能采礦模式，提高金屬礦產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，從而保證我國礦產(chǎn)資源的有效供給及國民經(jīng)濟安全與可持續(xù)發(fā)展。

五、結論

本文針對我國金屬礦產(chǎn)資源深部開采現(xiàn)狀和面臨的主要難題，從巖爆預測與防控、深井支護、深井高溫環(huán)境控制與降溫治理、深井提升等方面提出了解決我國深部開采難題的關鍵工程科技發(fā)展戰(zhàn)略。此外，提出了未來必須從精準切割采礦、無廢開采、溶浸采礦、地下采選一體化開采及智能化無人采礦模式等方面對現(xiàn)有采礦模式及其工藝技術進行根本變革以適應深部金屬礦綠色智能開采的要求。上述幾個方面具有前瞻性的關鍵創(chuàng)新技術的集成，構成了我國金屬礦深部開采創(chuàng)新技術體系的整體框架。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。

改編原文：

Meifeng Cai,Peng Li,Wenhui Tan,Fenhua Ren,.Key engineering technologies to achieve green, intelligent, and sustainable development of deep metal mines in china[J].Engineering,2021,7(11):1513-1517.
 

蔡美峰，巖石力學與采礦工程專家，中國工程院院士。

我國礦山地應力測量的主要開拓者之一，首次開發(fā)出我國具有自主知識產(chǎn)權的地應力測量技術，提出了以地應力為基礎的采礦設計優(yōu)化的技術體系、安全高效開采技術和礦山動力災害預測與防控技術。