探析金属矿山地下开采技术的进展与展望

  金属矿产资源在国民经济发展、人类社会进步中发挥着十分重要的作用，只有不断的提高金属矿产资源开发利用水平，才能够进一步加快国民经济的发展步伐。金属矿山经过长期开采后，地表资源已难以满足社会需求，因此地下矿山开采力度在持续加大。近些年来，随着现代科技的发展，金属矿山地下开采技术的革新速度明显加快，信息化、智能化水平大幅度提升，显著推动了我国矿业的整体发展。

  固废污染、水体污染、大气污染等是金属矿山地下开采过程中容易引发的污染问题，目前已受到充分的重视。近些年来，充填采矿技术日益成熟，膏体充填技术在金属矿山地下开采中已开始应用，此项技术是利用饱和态、牙膏状的结构流料浆转化全尾砂等矿山固体废弃物，实施膏体充填，不但能够创新环境污染解决思路，还可以对尾矿库、采空区等重大隐患进行协同解决，对金属矿山可持续发展有着非常明显的推动作用。相较于以往的水砂充填技术，膏体充填具有较大的优势，浆体不可能会出现离析、脱水与分层等问题。现阶段，我国已经将工业级的膏体充填试验平台建设起来，具有较高的精度与智能化水平，能够实验膏体充填工艺全流程。和传统实验方法相比，其可以获取到更接近实际的检测结果。其中，金属矿膏体流变学是金属矿膏体充填的基础理论，主要研究膏体流变本构方程，主要研究手段是理论计算、流变实验与数值模拟，用以对尾砂浓密、膏体搅拌、膏体输送、充填固化等方面的需求来做满足。浓密技术是对底流浓度进行探究与确定，保证制备的膏体符合有关标准。搅拌技术主要是均匀混合物料，可促使管道输送流态化、力学特性均质化得到实现。输送技术主要是减少磨损，降低能耗。而填充技术主要是为了均匀分布充填体强度。结合工程实践得知，安全、经济、环保、高效是膏体充填技术的主要优势，目前已成为金属矿业领域的研究重点。

  在金属矿山地下开采过程中，需加固软弱、破碎的岩层，防止安全问题。通常情况下，可从主动支护与被动支护两个方面划分岩层加固技术的类型，被动支护难以对岩层内部结构可以进行改变，只能够对围岩变形进行被动承受。主动支护则能结合真实的情况，对岩层内部结构可以进行改变，促使岩层自身强度得到增强，锚杆、锚喷、锚注等加固技术应用比较广泛。在地下开采工程中，为改善支护效果，往往会结合采用多种支护技术。例如，通过结合采用全长式锚杆与黏结式锚杆，即会有全长黏结式锚杆形成，有助于锚固强度的提升，应用潜力较大。结合采用喷射混凝土与锚杆，可对围岩的自由变形进行相对有效控制，重新分布围岩应力，防止岩层剥离、掉落等问题。此外，近些年来，岩层加固方面的装备也在快速更新，推动了岩层加固技术的整体发展。现阶段，我国已经将轮胎式锚杆台车、两臂混凝土湿喷机等先进设备研发出来，不但工作效率得到提升，劳动强度得到降低，作业安全也可有效保证，促进了岩层加工机械化、智能化的发展。随技术研究的持续推进，岩层加固技术的机械化、智能化水平将会进一步提升。

  在金属矿山地下开采过程中，运输提升系统发挥着重要作用，其能够有效连接各个生产环节，促使金属矿山的正常持续生产得到保证。经过技术的革新与发展，目前无轨为主、有轨为辅已成为运输提升的主要模式。上个世纪六十年代，在金属矿山地下开采中开始应用无轨自动设备，地下无轨设备的应用与创新对地下无轨开采技术的发展起到了推动作用，也深入变革了地下开采工艺。就现阶段来讲，铲运机运输是短距离出矿主要方式，其操作难度较小，具有较高的出矿效率。利用地下电车完成井下长距离运矿任务，可有效保证运输效率。但近些年来，由于开采深度不断增加，随之扩大了提升距离，传统提升技术逐渐暴露出诸多的弊端，难以有效控制矿石物料的提升成本。因此，要进一步研究与创新深井矿石提升技术，将高度自动化、大负载与大型化作为提升技术的发展方向。现阶段，轨道运输、无轨设备与胶带运输机等在深部开采中得到广泛应用，实现了多级竖井提升目的。以某金矿所采用的３级竖井提升为例，借助于胶带、无轨设备等完成竖井之间的转运任务。过去采用的敞开式胶带运输系统具有十分简单的结构，但扬尘、滑落很容易出现，不具备良好的爬坡能力与安全系数，容易对井下环境造成污染。近些年来，封闭式胶带运输系统已被研发出来，不但能够加快运输速度，还可以预防滑落、扬尘等出现于运输过程中。

  此外，过去主要在深海开采中应用水力提升方式，目前也有矿山尝试在深部矿井中应用水力提升技术，促进了提升过程自动化、智能化的实现。但在应用水力提升技术时，需将矿石的破碎系统、粉磨系统建立起来，现阶段还不够成熟。

  此项技术在金属矿山地下开采中占据着十分重要的地位，只有对凿岩爆破效率进行持续提升，方可以实现金属矿山地下开采的安全高效目的。就现阶段来讲，金属矿山地下开采的落矿环节主要采用凿岩爆破技术，气动凿岩机、液压凿岩机等取代了传统的手工凿岩方式，凿岩机器人也被研发出来，凿岩技术的自动化、智能化与环保化水平逐渐提升。凿岩设备类型的逐渐增多，对凿岩爆破技术的发展起到了有效推动作用。近些年来，很多国家开始将露天凿岩爆破技术应用于地下开采中，大直径阶段深孔替代了以往的中深孔分段凿岩，应用优势较为明显。例如，我国将全电脑三臂凿岩台车自主研制出来，其具备行走、凿岩、装药等多项功能，不但操作难度较小，还具有较高的安全系数。通过将其应用于金属矿山地下开采中，可促使凿岩质量与效率得到保证，劳动强度与作业风险得到降低，有利于提升地下开采的智能化与自动化水平。同时，为适应不同的地下开采环境，过去地下矿山往往采用微差爆破、光面爆破等多样化的爆破技术，爆破质量得到很大程度的改善。近些年来，精准爆破、绿色爆破以及智能爆破成为井下爆破技术的发展方向。精准爆破需精细化设计孔网参数，模拟爆破方案，将矿山精准爆破体系建立起来。绿色爆破是将原来的炸药替换为新型燃烧剂，避免产生爆破气体，可促使井下空气环境得到大幅度改善。智能爆破综合运用了智能设备、残孔自动识别、爆破振动智能预测等先进技术设备，促使爆破技术的智能化得到实现。随着技术的革新与发展，机械物理破岩等非爆破技术得到深度应用。例如，借助于连续采矿机等设备机械破岩处理中硬及以下矿岩，具有良好的施工条件与较高的工作效率，能够有效控制地压。在物理破岩中应用高压水射流与热力破碎等技术，可对单独机械能破岩的弊端进行克服，粉尘、火花不会出现，作业环境能够得到有效改善。但需注意的是，这些技术具有较高的能耗与成本，整体应用范围还较小。而且，我国在凿岩爆破智能化方面对国外技术较为依赖，硬岩矿山的连续开采尚未线远程遥控技术

  在现代科技的推动下，金属矿山地下开采技术发展较为迅速，自动化开采、智能化开采已经慢慢取代机械化开采，而远程遥控是实现地下开采自动化与智能化的关键技术。因此，为推动金属矿业的进一步发展，需深入研究和创新远程遥控技术。

  近些年来，远程遥控技术已经比较成熟，产生了装药遥控、凿岩遥控等多种类型的技术。但远程遥控技术对配套技术的要求较高，我国尚处于起步阶段。其中，远程感知开采环境、远程操作开采过程、远程管控开采系统是远程遥控技术的主要应用，可促使自动感知、无人作业、自动预警等一系列功能得到实现。以国外某金属矿山为例，依托远程遥控技术将井下开采智能管控系统建立起来，此系统的运行基础是全矿信息网络，利用作业管控平台全面整合井下各系统资源，能够智能化管控井下开采过程，井下开采的全自动化与智能化得到实现。

  随着开采深度的逐步增加，开采环境将更加恶劣。面对这种情况，需在金属矿山地下开采中应用采矿机器人。通常情况下，可从这些方面分析采矿机器人的发展方向：第一，凿岩机器人。此种机器人主要代替人工完成恶劣环境中的凿岩作业，主要利用精准传感器与软件程序来实现。通过井下凿岩作业中应用机器人技术，既可以改善作业效率，又能够保证作业安全，对金属矿地下深部开采的发展具有较大的推动作用。第二，喷浆机器人。过去主要利用人工方式开展井下喷浆作业，具有十分繁重的作业任务量，且恶劣的环境会威胁到人体健康。而通过在地下矿山喷浆作业中引入喷浆机器人，不但涂喷质量得到保证，也可保证人员的身体健康。第三，岩爆监测机器人。如果岩爆事故发生于金属矿山地下开采过程中，将会对工作人员的人身安全产生严重威胁。因此，要积极研发和应用岩爆监测机器人，动态、持续地监测井下作业情况，提前发现事故先兆，促使井下作业安全得到保障。

  为满足社会经济发展需求，金属矿山的开采深度呈现出逐年增加的态势。当达到在６０００ｍ以上的开采深度后，将难以应用传统的采矿方法。面对这种情况，可将汽油、天然气等资源开采中使用到的流态化开采技术引入进来。金属矿山的流态化开采指的是原位转化地下固体的金属矿资源，之后利用机械设备向地表运送液态或液固混合形式的矿物资源。通过应用固体资源流态化开采技术，可促使金属矿山的深部开采、超深开采得到实现。相较于传统开采方法，金属矿山资源采用不同的方式破碎地下岩体，且固体资源转化会对原岩应力状态造成扰动，这样岩体产生的力学行为将会与传统金属矿山地下开采存在着明显差异。在未来发展中，需着重研究流态化开采下的岩石力学理论。在流态化开采过程中，原位转化较为复杂，需利用与传统采矿方法不同的手段在地下原位转化固体的金属矿资源。同时，还要对金属矿资源的流态化转化理论进行深入研究，以便最大程度地转换或提取金属矿产资源，促使采矿效率得到提升。就现阶段而言，在金属矿山地下开采中尚未应用流态化开采理论，只有不断深化理论研究，创新生产技术与装备，方可以实现流态化开采的顺利应用。

  采矿装备对采矿技术的发展有着直接的推动作用，也关系到超大型智慧矿山的建设。在未来发展过程中，需加快大型设备、智能化设备的研发速度，促使规模化开采、连续开采目的得到实现。同时，“智慧”是超大型智慧矿山的核心，要求综合运用物联网、互联网、大数据、人工智能等一系列先进技术，配备传感器、自动控制器、组合式软件等软硬件设备，促使智慧体系得到完美形成。就现阶段而言，我国仍然处于数字矿山的阶段，智慧矿山尚未真正实现。未来随着移动通讯技术的日益成熟，将会持续降低基站的建设成本，通过结合应用５Ｇ技术与其他高新技术，可为智慧矿山建设提供有效帮助。此外，要深入研究超大型矿山设备与核心技术，从理论、技术、设备等方面着手，不断提升超大型智慧矿山的建设水平。

  综上所述，社会经济的快速发展，对金属矿产资源的需求量持续加大，地表资源呈现出日益减少的态势，金属矿山地下开采将成为未来研究的重点。近些年来，我国在金属矿山地下开采的凿岩爆破、运输提升、岩层加固等领域的技术探讨研究中取得了一系列成果，显著推动了金属矿山开采事业的发展。在未来发展中，要逐步深化研究工作，不断创新地下开采技术与装备，融合应用云计算、人工智能等先进技术，持续提升地下开采效率与智能化水平 。

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