地下礦山開采技術(shù)及其趨勢(shì)分析

為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，滿足人們對(duì)有色金屬資源的需求，需要大力加強(qiáng)對(duì)地下礦山的開采技術(shù)研究，開采過程中積極地發(fā)現(xiàn)礦下存在的安全隱患，并采取先進(jìn)的地下礦山開采技術(shù)和優(yōu)良的采礦工藝，提高有色金屬的產(chǎn)出量，有效提升采礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，保證我國(guó)有色金屬資源的供給。通過加強(qiáng)對(duì)地下礦山開采技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，可一定程度上減少對(duì)金屬礦資源的浪費(fèi)，且減少對(duì)自然環(huán)境的破壞，有利于提升有色金屬采礦企業(yè)的綜合水平，達(dá)到理想的采礦效果。

金屬礦的成礦狀況具有不確定性，其主要是隨著地球環(huán)境的演化而逐步發(fā)展形成。我國(guó)國(guó)土地大物博，其中蘊(yùn)含的各類資源較為豐富，尤其在金屬礦山資源上，具有儲(chǔ)量大、種類豐富的特點(diǎn)。作為位居世界前列的礦產(chǎn)資源大國(guó)，我國(guó)有色金屬礦產(chǎn)資源數(shù)量達(dá)５９種，根據(jù)《２０２２年中國(guó)有色金屬工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行報(bào)告》上的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)有色金屬工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)中有升，當(dāng)年國(guó)內(nèi)十種常用有色金屬產(chǎn)量為６７９３.６萬噸，比上年增長(zhǎng)４.９％，以鋁資源為例，本年度原鋁產(chǎn)量達(dá)４０２１.４萬噸，同比增長(zhǎng)４.４％，鋁材產(chǎn)量６２２１.６萬噸，出口鋁材６１８.２萬噸，增長(zhǎng)１３.２％（如圖１）。

▲圖1 近5年出口鋁材數(shù)量增長(zhǎng)趨勢(shì)

隨著社會(huì)對(duì)金屬礦產(chǎn)資源的需求量增加，對(duì)開采技術(shù)提出了新要求，一定程度上推動(dòng)了地下金屬礦的開采利用率，對(duì)我國(guó)礦產(chǎn)資源的開發(fā)有著極大的促進(jìn)作用。受世界經(jīng)濟(jì)格局影響，各國(guó)的礦產(chǎn)開發(fā)均受到限制，我國(guó)礦山開采主要是受環(huán)保政策和開采政策等方面的因素影響較大，國(guó)內(nèi)的礦業(yè)開發(fā)正面臨著轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，節(jié)約資源、降低成本、高效開采已成為現(xiàn)階段礦業(yè)開采的重要內(nèi)容。為保持金屬礦產(chǎn)資源開采量的穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，相關(guān)配套法律法規(guī)在日趨完善，安全保障力度在不斷提升，使我國(guó)金屬礦開采的“國(guó)內(nèi)大循環(huán)”原則得以落地執(zhí)行。此外，一些采礦企業(yè)的思想觀念正在發(fā)生轉(zhuǎn)變，嘗試引進(jìn)先進(jìn)的開采技術(shù)和設(shè)備，推進(jìn)金屬礦開采的智能化發(fā)展。

現(xiàn)階段我國(guó)針對(duì)地下礦山開采水平已達(dá)到一定高度，但仍在實(shí)際應(yīng)用過程中存在著諸多問題：①對(duì)比我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富、地域遼闊的現(xiàn)狀，對(duì)于礦山資源的開發(fā)利用率有待提升，部分采礦企業(yè)在開采過程中極易出現(xiàn)資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，對(duì)周圍環(huán)境造成惡劣的影響。②雖然對(duì)于地下開采研究成果較為顯著，但部分技術(shù)未能得到有效的普及，部分地方采礦企業(yè)為了節(jié)省和降低采礦成本，忽視對(duì)先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用，導(dǎo)致開采效率難以得有提升，影響著采礦企業(yè)的高效發(fā)展，同時(shí)金屬資源的利用率也得不到有效提升。③國(guó)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，使得人們對(duì)于金屬制品的需求量增加，部分企業(yè)為了滿足人們的需求和快速占據(jù)金屬資源市場(chǎng)，呈現(xiàn)出過度開采的現(xiàn)象，雖然可導(dǎo)致短暫的經(jīng)濟(jì)提升，但嚴(yán)重影響著周圍的自然環(huán)境，極易造成礦產(chǎn)資源的緊缺，與我國(guó)現(xiàn)階段的環(huán)境和資源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背道而馳，不利于我國(guó)金屬資源長(zhǎng)期有效的發(fā)展。

我國(guó)金屬礦地下開采技術(shù)較多，對(duì)開采技術(shù)的方法分類也較多，具體可細(xì)分為三大類和幾十多種，選用的具體采礦方法要根據(jù)采礦企業(yè)自身的實(shí)際情況進(jìn)行合理有效的選擇，避免選取的采礦方法不當(dāng)，而造成拖慢施工進(jìn)度的情況，對(duì)礦山生產(chǎn)安全造成惡劣影響。在開采技術(shù)的選擇上要充分考量到采礦工藝技術(shù)的復(fù)雜性，和施工環(huán)境、空間約束、施工人員等主客觀因素，提高采礦工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保施工開采的安全性。國(guó)內(nèi)外對(duì)開采技術(shù)的研究中，在以下三個(gè)發(fā)展方向上取得了較大的進(jìn)展，①無廢環(huán)保綠色開采技術(shù)方向。此開采技術(shù)方式主要是通過一定的技術(shù)創(chuàng)新減少固體廢物的排放，最大限度提升開采礦巖的利用率，盡量降低礦產(chǎn)資源開采中對(duì)周圍環(huán)境帶來的破壞和污染，起到穩(wěn)定礦山生產(chǎn)，維持礦山生態(tài)環(huán)境的作用。②規(guī)�；�采礦技術(shù)方向。此技術(shù)方向主要是利用先進(jìn)的開采設(shè)備，對(duì)小礦山實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開采，其中可采用多種采礦方法并用的優(yōu)化調(diào)動(dòng)模式。③連續(xù)開采技術(shù)方向。該技術(shù)方向主要是在連續(xù)開采上進(jìn)行突破，利用多種采礦方法的有機(jī)結(jié)合，優(yōu)化實(shí)際開采工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山資源的連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)作，確保服務(wù)年限的持續(xù)遞增。此外，我國(guó)近年來對(duì)采礦安全的重視逐漸提升，使得井下開采過程中的支護(hù)技術(shù)日益提升，借助支護(hù)開采技術(shù)可應(yīng)對(duì)礦山開采中許多不可預(yù)見的危險(xiǎn)，技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中要求施工人員嚴(yán)格按照施工規(guī)范和計(jì)劃，進(jìn)行編制生產(chǎn)作業(yè)，在支護(hù)技術(shù)中合理結(jié)合錨桿和鋼架等設(shè)備，防止地下礦井安全事故的發(fā)生，提高地下礦山的支護(hù)安全及采礦能力，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化地下礦山開采效果的作用。

充填采礦技術(shù)主要用于金屬礦的開發(fā)與生產(chǎn)過程中，對(duì)部分已鑿空的采礦區(qū)進(jìn)行充填，以解決巷道圍巖崩落的問題。此種對(duì)采空區(qū)填充材料的方法可有效的保護(hù)大面積采空區(qū)的崩落事件發(fā)生，具有良好的支護(hù)效果，在國(guó)內(nèi)地下礦山開采中屬較為常用的礦山保障技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于有色金屬地下礦山開發(fā)生產(chǎn)中，可一定程度上保持圍巖的穩(wěn)定性，為圍巖提供支護(hù)。該技術(shù)尤其適用于地下礦山環(huán)境較為復(fù)雜多變的情況，如以出現(xiàn)的火情、水文地質(zhì)變化和交通不便問題的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)，利用該充填技術(shù)，能夠有效提升地下礦山的生產(chǎn)作業(yè)安全性。常用的充填采礦技術(shù)有：①干式充填開采技術(shù)。此技術(shù)主要是使用風(fēng)力或輸送帶的搬運(yùn)方式將沙土等干燥的填充物運(yùn)送到礦井內(nèi)，但該技術(shù)實(shí)際使用中工作效率較低，已逐漸在金屬礦生產(chǎn)中退出歷史舞臺(tái)。②水力充填技術(shù)。該技術(shù)主要是利用水將固體填充料混合水泥，一同泵送至地下采空區(qū)，進(jìn)行加固生產(chǎn)。其中填充的水泥會(huì)在地下采空區(qū)通過硬化固結(jié)反應(yīng)，為采空區(qū)提供較為穩(wěn)固的支撐構(gòu)件，以確保地下采空區(qū)的安全性，可提升該區(qū)域的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，起到較好的充填補(bǔ)強(qiáng)作用。③膏體充填技術(shù)。該技術(shù)主要是將開采礦山現(xiàn)場(chǎng)中的諸多礦山固體廢物制作成為結(jié)構(gòu)流料漿，包括全尾砂等工程固體廢物在內(nèi)，流料漿呈現(xiàn)飽和態(tài)、牙膏狀，且不易出現(xiàn)漿體分離、脫水分層等問題，相較于水砂充填技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。利用膏體充填技術(shù)填充的地下采空區(qū)，更可以全面的保障礦山后續(xù)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展，不僅可為礦山開采提供了全新的固廢理清思路，還可解決采空區(qū)和尾礦庫的重大安全隱患。膏體充填技術(shù)較傳統(tǒng)充填采礦技術(shù)相比，具有不分層、不離析、不脫水的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)已經(jīng)建立起成熟的膏體填充平臺(tái)，用于金屬礦的開采，平臺(tái)上含有多套精度高、功能全的智能化操控設(shè)備，確保地下礦山膏體充填工藝的順利進(jìn)行，并借由多次試驗(yàn)和數(shù)據(jù)論證分析，證明膏體充填技術(shù)具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。其中膏體充填技術(shù)的核心理論體系是由膏體流變學(xué)演變而來，主要圍繞膏體流變本構(gòu)方程展開，結(jié)合相關(guān)數(shù)值模型分析，論證膏體充填技術(shù)可以高度契合地下礦山開采充填工程。在膏體制作過程中，施工人員要對(duì)膏體的密度進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保其穩(wěn)定性和適宜性，尤其在攪拌處理中，更需要保證物料混合的均勻度，確保膏體的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，方能滿足膏體在管道輸送中的流態(tài)化條件，具體核心理論體系與執(zhí)行架構(gòu)如圖二。將膏體充填技術(shù)應(yīng)用于地下礦山采空區(qū)的充填處理中，可全面發(fā)揮充填技術(shù)本身的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，切實(shí)保障地下礦山開采的安全。

▲圖2 膏體充填技術(shù)的核心理論體系與執(zhí)行架構(gòu)

該技術(shù)主要是在地下礦山開采過程中將礦塊劃分為礦房與礦柱，并遵循先采礦房、后采礦柱的順序，借助礦柱及圍巖的自然支撐力，為礦房開采提供空間，若需進(jìn)行回采，則需要對(duì)礦房的采空區(qū)進(jìn)行相應(yīng)處理。由于該技術(shù)在地下開采中具有較大的利用價(jià)值，常用于巖石多且穩(wěn)定的礦山區(qū)域，在國(guó)內(nèi)較為主流，但主要注意此技術(shù)對(duì)開采的深度有一定要求，對(duì)于開采深度較高的礦區(qū)開采，應(yīng)用該技術(shù)存在安全隱患。但由于該技術(shù)的應(yīng)用在開采成本上投入較少，且建設(shè)時(shí)間較短，具有較高的生產(chǎn)效率，在國(guó)內(nèi)的地下礦山開采中具有一定占比。

巖層加固技術(shù)主要是對(duì)地下礦山開采中軟弱、破碎的巖層進(jìn)行加固處理，以免除開采中的安全事故，通�？煞譃橹鲃�(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)兩種類型，其中主動(dòng)支護(hù)是根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，確保增加巖層強(qiáng)度，可使用錨桿、錨噴、錨注等加固方法，而被動(dòng)支護(hù)則是無需對(duì)巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，只對(duì)圍巖變形區(qū)域進(jìn)行被動(dòng)支護(hù)。在實(shí)際地下礦山開采過程中，常采用多種支護(hù)方式結(jié)合的方式，增強(qiáng)支護(hù)效果。隨著開采技術(shù)的不斷發(fā)展，巖層加固設(shè)備亦得到快速更新，國(guó)內(nèi)的輪胎式錨桿臺(tái)車、雙臂混凝土濕噴機(jī)等先進(jìn)的設(shè)備已逐漸研發(fā)出來并投入使用，不僅對(duì)我國(guó)采礦工作效率進(jìn)行了提升，在開采作業(yè)安全性方面也得到了有效保證，促進(jìn)巖層加固技術(shù)的機(jī)械化和智能化發(fā)展。

鑿巖爆破技術(shù)作為地下礦山開采技術(shù)的重要組成部分，現(xiàn)階段的鑿巖爆破技術(shù)中主要使用氣動(dòng)鑿巖機(jī)和液壓鑿巖機(jī)，替代傳統(tǒng)采礦的手工鑿巖方式，部分地區(qū)使用的鑿巖機(jī)器人亦是鑿巖技術(shù)自動(dòng)化、智能化的表現(xiàn)。隨著鑿巖設(shè)備類型的增加，使得鑿巖爆破技術(shù)水平得到顯著提升，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下金屬礦山的高效開采。例如我國(guó)自主研制的電腦三臂鑿巖臺(tái)車，兼具行走、鑿巖、裝藥等功能，且操作程序簡(jiǎn)單，安全系數(shù)較高，在實(shí)際應(yīng)用中可保證鑿巖質(zhì)量和效率，有利于減少施工人員的開采勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，顯著提升了地下開采的智能化和自動(dòng)化水平。此外，針對(duì)不同的地下開采環(huán)境，精準(zhǔn)爆破、智能爆破、綠色爆破等爆破技術(shù)已經(jīng)逐漸改變了開采作業(yè)中的爆破質(zhì)量，其中精準(zhǔn)爆破通過精細(xì)化設(shè)計(jì)孔網(wǎng)參數(shù)，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬爆破方案，可對(duì)地下礦山建立起精準(zhǔn)爆破體系。智能爆破則是綜合利用智能設(shè)備，如殘孔自動(dòng)識(shí)別設(shè)備、爆破震動(dòng)智能預(yù)測(cè)設(shè)備等，對(duì)爆破技術(shù)進(jìn)行智能化改變。而綠色爆破則是將原有爆破技術(shù)中使用的炸藥更換為新型的燃燒機(jī)，可有效的減少爆破后產(chǎn)生的爆破氣體，對(duì)井下空氣環(huán)境具有一定的保護(hù)和改善作用。另外，隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械物理破巖技術(shù)也得到了深度應(yīng)用，此技術(shù)可免除爆破環(huán)節(jié)，借助先進(jìn)的采礦機(jī)直接破除礦巖，具有較高的工作效率，且可有效控制地壓，減少爆破技術(shù)存在的風(fēng)險(xiǎn)。

在地下礦山開采過程中，運(yùn)輸提升技術(shù)發(fā)揮著重要的作用，可有效實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的連接，確保整個(gè)礦山開采工作正常順利的進(jìn)行。進(jìn)過技術(shù)上的革新，現(xiàn)階段運(yùn)輸提升的主要方式有無軌運(yùn)輸和有軌運(yùn)輸?shù)�，自２０世紀(jì)６０年代起，無軌運(yùn)輸設(shè)備應(yīng)用于地下礦山開采中，對(duì)地下開采工藝具有極大的推動(dòng)作用。我國(guó)現(xiàn)階段主要利用鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行短距離的出礦，具有易操作、出礦效率高的特點(diǎn)，而利用地下電車進(jìn)行礦下長(zhǎng)距離的運(yùn)輸。隨著近年來地下礦山開采深度的增加，導(dǎo)致運(yùn)輸距離更長(zhǎng)，原有的運(yùn)輸方式已經(jīng)逐漸顯露出弊端，難以有效控制礦石運(yùn)輸?shù)某杀荆�在進(jìn)一步研究和創(chuàng)新深井礦石運(yùn)輸提升技術(shù)中，高度自動(dòng)化、大負(fù)載量成為了新的運(yùn)輸提升方向，國(guó)內(nèi)已將軌道運(yùn)輸、無軌設(shè)備和膠帶運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備應(yīng)用于深部開采中，實(shí)現(xiàn)多級(jí)豎井的提升目的，且改善了以往敞開式膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的揚(yáng)塵、滑落問題，研發(fā)出更適用于深井作業(yè)的封閉式膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)，有效的提升了運(yùn)輸設(shè)備的爬坡能力和安全系數(shù)。

遠(yuǎn)程遙控技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)地下礦山開采技術(shù)智能化、自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵，近年來已在國(guó)內(nèi)采礦工程中日漸成熟，常見的遠(yuǎn)程遙控技術(shù)有裝藥遙控和鑿巖遙控等多種類型的技術(shù)。雖然我國(guó)遠(yuǎn)程遙控技術(shù)研究和應(yīng)用尚處于起步階段，但遠(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)等技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際開采中發(fā)揮出自身的價(jià)值，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)地下礦山開采的自動(dòng)感知、自動(dòng)化作業(yè)、自動(dòng)語境等效果的實(shí)現(xiàn)。

雖然我國(guó)地下礦山開采技術(shù)已經(jīng)取得一定的成果和突破，但尚未實(shí)現(xiàn)全方位的智能化發(fā)展目標(biāo)，還需采礦企業(yè)對(duì)相關(guān)的采礦技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新與研究，以下是開采技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)。

為了讓金屬資源的利用率跟隨市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，需要提升地下礦山的開采質(zhì)量和效果，采用先進(jìn)的開采技術(shù)和工藝，實(shí)施大規(guī)模開采，擴(kuò)大地下礦山開規(guī)模的途徑有：①采用無軌開采的高階段自然崩落法；②采用高分段大間距的無底柱分段崩落法；③進(jìn)行金屬礦防坍塌研究；④借助科學(xué)化開采技術(shù)，減少對(duì)金屬礦資源的浪費(fèi)。通過減少大規(guī)模金屬礦開采中的不安全因素，實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的大規(guī)模開采。

根據(jù)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的資源開發(fā)戰(zhàn)略，需要加強(qiáng)無廢開采技術(shù)和綠色環(huán)保開采技術(shù)的研究，確保開采過程中自然資源的浪費(fèi)，且盡量減少污染物和廢棄物的排放，避免金屬礦資源的開采對(duì)周圍居民正常生活造成影響，要保證地下礦山開采中的持續(xù)性和穩(wěn)定性。我國(guó)未來金屬礦山的開采方向，應(yīng)當(dāng)會(huì)朝著綠色、環(huán)保的方向發(fā)展，注重對(duì)自然資源和環(huán)境的保護(hù)，嚴(yán)格制定法律法規(guī)，控制地下礦山開采中廢棄物的排放量，并要提升綠色環(huán)保采礦技術(shù)的性能。過度的地下礦山開采過造成地表遷移或結(jié)塊崩塌，要在開采中做好尾礦填充工作，優(yōu)化回填技術(shù)，避免地下礦山開采對(duì)地表穩(wěn)定性的影響，最大程度降低對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的破壞。綠色環(huán)保開采道路上離不開先進(jìn)的開采技術(shù)和豐富的開采經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于地下礦山的開采趨勢(shì)，還應(yīng)朝著信息化、智能化方向發(fā)展，由于地下金屬礦的開采環(huán)境較為復(fù)雜，其中存在著許多不安全因素，極易造成大規(guī)模的安全事故。因此，需加強(qiáng)開采技術(shù)的信息化發(fā)展，利用先進(jìn)的技術(shù)，提升開采效果，提升開采工作的精細(xì)化操作處理，切實(shí)保證地下礦山開采施工的安全性和高效性，確保每個(gè)施工環(huán)節(jié)都能平穩(wěn)有效的進(jìn)行�？山�立地面開采控制平臺(tái)，對(duì)每個(gè)井下施工步驟進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)察，對(duì)于高危環(huán)節(jié)的工作，利用無人操作技術(shù)實(shí)施，保證施工人員的人身安全，并要保證開采過程的高效可控性。與傳統(tǒng)人工開采技術(shù)相比，智能化開采技術(shù)的可視化、可控性，更可以降低采礦事故安全問題的發(fā)生，并降低開采過程中的成本，為采礦企業(yè)制造更多經(jīng)濟(jì)效益。

地下礦山開采技術(shù)的研究與應(yīng)用，需要跟隨我國(guó)科技水平的發(fā)展，提升各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率，并緊跟時(shí)代步伐和社會(huì)需求，對(duì)開采設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代，對(duì)開采技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新加強(qiáng)，確保國(guó)內(nèi)的地下礦山開采工藝能夠呈現(xiàn)高質(zhì)量、高效率發(fā)展趨勢(shì)，并符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展理念，推動(dòng)我國(guó)采礦事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。(以上內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)）