地下金属矿山开采技术发展趋势探索
在长时间的开采和利用下，全球范围内的金属矿资源整体保有量正处于持续走低的态势下，地球表面的浅部且品质高的矿床在经历长久的开发后，已经逐步进入枯竭状态。此时，想要满足全球范围内对于金属资源的需求，同时也是为了能够更好地面对市场竞争，国际上矿业发达的国家均开始意识到积极研发先进、智能化地开采新技术，全面开发往期利用率低的地下金属矿资源。实现提升开采效率、降低开采成本目的，就成为国际金属矿产资源开采的未来趋势。鉴于此，本次研究开展具有重要现实意义。
１ 我国地下金属矿拥有量现状
经过多年发展，我国属于身居前列、矿种齐全、总量丰富的矿产资源大国，结合《中国矿产资源报告２０２１》《全球矿业发展报告２０２０－２０２１》对外公布的信息可知，我国金属矿产数量达到５９种，非金属矿达到９５种，能源、水气矿产分别达到１３、６种，高居世界前列，占全球矿产总量１／３。以铁矿石为例，我国近五年的铁矿石产量及进口数据如表１所示：
２ 地下金属矿山开采理念发展趋势
２．１ 深部开采
近几十年来，关于金属矿山开采时的“深部”概念确认，国内外诸多专家学者均进行了解读并提出了建议，但目前对于矿山开采的“深部”概念确认仍旧未统一。在我国，院士谢和平理解为，矿山开采的深部条件，需要从力学状态分析角度出发，不应该是单纯去量化“深度”，而是应该综合分析采动应力状态、地应力水平以及围岩属性等因素去认定。由于全球金属矿开采力度的不断加大，地表浅层金属矿基本开采殆尽，国际上整体地下金属矿的开采开始迈入“千米时代”，据相关调查资料显示，我国地下金属矿开采深度超出千米的数量已超出１５座，且正以１０ｍ／ａ～３０ｍ／ａ的速度持续下降，预计未来我国地下金属矿的开采深度超出１０００ｍ的矿山数量将会超出总数量的３０％以上。具体而言，我国深度开采的地下金属矿总体架构如图１所示：
２．２智能开采
地下金属矿的开采过程中，全面将智能化、数字化开采理念融入到开采工作中，是未来矿山开采的重要发展趋势，同时，开采过程的遥控化、信息传输网络化以及经营管理信息化建设，才是２１世纪背景下矿业实现安全、经济、环保高效开采工艺研发的重要方向。
当前时期，矿业开采能力发达的国家，对于智能开采的关注力度均很高，甚至成为相互争抢的技术制高点，为此我国提出了“中国制造２０２５战略”，且工信部也推行了“智能制造＋两化融合”发展理念，同时国家发改委也陆续推行了“互联网＋”、“大数据＋云计算”等全新生产理念，全面为地下金属矿的开采发展进程推进提供了资源支持。但是，虽然我国当前对于智能化金属矿的开采投放了大量精力和资源，但与西方发达国家相比较，仍旧存在较大的差距。例如在金属矿的作业面数据实时通信领域研发方面，发达国家已经初步在矿山开采中实现物联网＋宽带无线＋透地相融合发展的模式，并且该智能化开采模式已经趋于成熟；在地下挖掘装备配置上，也已经全面实现了远程遥控目标，达成矿下智能化行走、生产，而我国在该方面还存在不足。后续我国在进行地下金属矿的开采时，发展方向应该朝向大型无轨自动化、远程智能化控制以及全程开采可视化方向做好重点开采理念研究工作，具体而言，在进行地下金属矿的智能开采总体架构研发理念的设定上，应该围绕图２所示内容展开：
３ 地下金属矿山开采技术发展趋势探索
目前，我国地下金属矿山的开采正身处“由浅至深、由易到难、由富到贫”方向发展的重要阶段，因此国家在开采过程中，技术、理论以及装备等多个方面都开始面临的更大的挑战，详细的开采关键技术架构如图３所示。
３．１ 凿岩爆破技术
近年来，随着各类凿岩设备的研发和升级，西方发达国家相继研发了一系列掘进凿岩台车。与国外相比，我国自主研发了全电脑凿岩台车，其结合了行走、装药作业、凿岩于一体，且具有安全系数高、开采成本低的优势，全面降低了施工现场作业风险，促使我国凿岩爆破技术达到了智能化、环保化的新高度。爆破方面，我国也已经初步实现了精准爆破、绿色爆破、以及机械物理破岩，如在激光破岩、等离子破岩方面，不仅破岩效率高，在地压控制方面，也充分借助水射流以及热力破碎的方式，突破了单独机械能破岩的束缚，杜绝破岩期间的粉尘和火花污染问题，全面改进地下金属矿凿岩爆破时的作业环境。
３．２ 运输提升技术
地下金属矿山生产中，运输提升系统在其中发挥了十分重要的作用，其能够将矿下所有生产环境衔接为一个整体作业系统，以此为矿山的正常开采生产提供保障。金属矿的开采运输技术主要经历了“人工→有轨→无轨”这一发展进程，常规性的矿下短距离出矿运输，主要由铲运机完成运输任务，该类设备的运输优势集中在出矿率高且操作方便方面，同时在运行灵便性方面也具有较大的优势。与矿下短距离运输相比较，长距离采矿运输时，需要借助地下汽车完成，此类技术国外应用相对于国内应用更多，而在国内比较少见。矿下运输中，提升距离的变化往往需要根据采深距离的增长而随之增长，提升技术的更新难度明显高于平行运输技术更新难度，且不同的深度矿石物料提升处理成本也必然提升，全面做好地下金属矿深井的提升技术研发工作十分有必要。由此可见，在进行运输技术研发时，未来总趋势必然集中在面向大负载、大型化、高自动化方向上。目前，在地下矿井的深部开采运输中，南非某金矿在开采中，使用了三级竖井提升方案，竖井之间的转运中，需要借助胶带／无轨设备完成。相对来讲，传统的敞开式胶带运输系统结构比较简单，但却存在安全系数低、爬坡能力不够、极易滑落等不足，面对此种不足，某金矿开采企业研发了封闭式胶带运输系统，不仅可以防止运输期间出现滑落问题，运输速度也在原有的基础上提升到了３ｍ／ｓ，爬坡能力达到３６°，此系统经过适宜性的改进和优化之后，将会有一定概率被应用在深部开采矿石的提升式运输中。此外，水力提升也是一种重要的开采运输技术，主要被应用在深海开采中。
３．３ 岩层加固技术
地下金属矿山开采后的加固处理中，加固的重点主要集中在对破碎、高应力以及破碎的岩层处理上。一般而言，岩层的加固技术包括两种，分别是主动、被动两种支护模式，前者能够更改岩层的结构，促进岩层自身的强度增长，常用的支护方式有锚喷、锚杆等。后者不可更改岩层的机构，主要加固原理是承受围岩变形，常用的支护方式以钢拱架支护、砌碹支护等。随着国内外科技水平的不断提升和增长，有关于锚杆台车、湿喷车、挂网台车等设备的研发技术不断更新，高度提升了地下金属矿的加固效益及效率。目前，我国通过自主研发的形式，完成了轮胎式锚杆台车的研发工作，此类台车主要以履带式锚杆台车为主，不仅降低了地下金属矿加固施工的劳动强度，对于矿下的作业安全提升也发挥了重要的促进作用，并同步完成了矿下岩层加固的智能化和机械化发展目标。此外，经过多次的实验总结，我国地下金属矿的岩层加固技术已经实现了本质上的颠覆和更新，从最初被动的单一支护模式，逐步转型为现在的新型主动复合支护模式，并且未来仍旧在朝向智能化的发展方向进步和完善，最终为我国后续地下金属矿岩层加固安全以及作业效率提升创造条件。
３．４ 膏体充填技术
一般在进行地下金属矿开采时，受到传统开采技术水平的限制和影响，经常会出现开采固废量过高、大气污染、水体污染等诸多问题。面对上述开采所引起的污染，我国在解决时主要采用了充填采矿技术，以此预防乃至杜绝因地下金属矿开采而破坏环境。膏体填充技术应用中，需要技术人员将开采矿山现场中包括全尾砂在内的诸多矿山固体废物制备为结构流料浆，此类物质呈饱和态、牙膏状，且无泌水，将此类膏体填充到开采后的空矿床中，可以全面保障矿山后续生态环境的可持续发展。同时，新式的膏体填充技术应用，能够比较传统的水砂填充具有“三不”优势，代表着不会出现分层、离析以及脱水的问题。现阶段，我国已经建设成功了工业级别的金属矿开采膏体填充平台，该平台中含有设备超出２００套，占地面积超出２０００m²，作业精度高、功能全且实现了智能化操控，膏体填充的工艺实验全流程顺利，
包括参数检测指导系统的设计在内，工程实践效果理想，在环管实验系统中，实现了多管径、多流量、多走向填充目标，且经过对填充成果的检测结果分析，与传统的水砂填充结果相似度极高，具有较强的推广价值。将各类金属矿作为矿山开采后的填充膏体，整个工艺操作过程所遵从的理论均是金属膏体流变学，即研究的重点围绕膏体流变本构方程展开，结合理论基础以及数值模拟分析下，并整合流变实验结果后，发现膏体填充技术高度契合地下金属矿的高质量开采处理要求。在上述研究工作开展过程中，稳定且适宜的底流浓度确定，很大程度上需要依赖于浓密技术的完成，才能确保所制备的膏体合格度。搅拌技术处理中，需要确保物料混合的均匀度符合要求，创造在管道中输送时的流态化条件。具体的膏体充填核心理论体系以及技术执行架构如图４所示。此外，应用膏体填充技术进行地下金属矿的开采处理时，还可全面发挥出技术本身的经济、环保及安全特性，以此实现金属矿的绿色开采目标。
３．５ 远程遥控技术
自国家科技水平提升以来，地下金属矿的开采能力及操作技术也在陆续优化，如从最开始的人工开采发展为初步的机械化开采，再以机械化为基础实现当前的智能化、自动化开采模式充分表明，我国在地下金属矿的开采技术一直处于不断进步和发展状态下。对当前的智能化、自动化开采技术进行再次升级时可发现，其核心技术为远程遥控技术，那么进行后续技术研发趋势研讨时，就必须从远程遥控技术的操作角度着手进行深度研发。该项开采技术在应用中，主要针对开采环境加以感知，并借助远程操控和开采系统的远程管控模式，完成无人作业、远程调配及自动感知处理乃至自动预警、远程决策等开采工作。例如在非洲某地铜矿开采中就完成了远程遥控地下金属矿开采的实体应用，以远程遥控技术为核心，建立了井下开采智能管控系统，用以应对开采当地过于复杂的环境问题，智能管控系统研发基础是信息网络，并在此基础上建立了智能设备为主的作业管控平台，以此将各个矿井的系统资源加以整合，实现井下开采的智能管控目的。系统研发并投用之后，已经初步达成全自动化、智能化管理目标，使得非洲某地下铜矿开采成为世界范围内的典型案例。
４ 结语
综上所述，在进行地下金属矿山的开采之时，想要全面提升开采质量和效率，进行关键技术研发和优化时，首先需要针对凿岩爆破技术做好技术开发工作，其次在运输提升技术优化方面也不可忽视。随后，在岩层加固处理方面，也应该投放以必要的研发精力。
此外，在智能化的远程遥控开采技术的应用方面，也应该做到重点发展，唯有多项技术全力推进研发和优化，才能最终为我国地下金属矿山开采工程的经济效益及社会效益增长起到促进作用。