地下矿山开采技术及其趋势分析
为顺应时代发展，满足人们对有色金属资源的需求，需要大力加强对地下矿山的开采技术研究，开采过程中积极地发现矿下存在的安全隐患，并采取先进的地下矿山开采技术和优良的采矿工艺，提高有色金属的产出量，有效提升采矿企业的经济效益，保证我国有色金属资源的供给。通过加强对地下矿山开采技术的创新发展，可一定程度上减少对金属矿资源的浪费，且减少对自然环境的破坏，有利于提升有色金属采矿企业的综合水平，达到理想的采矿效果。
１ 我国地下金属矿开采现状
１．１ 拥有量现状
金属矿的成矿状况具有不确定性，其主要是随着地球环境的演化而逐步发展形成。我国国土地大物博，其中蕴含的各类资源较为丰富，尤其在金属矿山资源上，具有储量大、种类丰富的特点。作为位居世界前列的矿产资源大国，我国有色金属矿产资源数量达５９种，根据《２０２２年中国有色金属工业经济运行报告》上的数据显示，我国有色金属工业生产稳中有升，当年国内十种常用有色金属产量为６７９３.６万吨，比上年增长４.９％，以铝资源为例，本年度原铝产量达４０２１.４万吨，同比增长４.４％，铝材产量６２２１.６万吨，出口铝材６１８.２万吨，增长１３.２％（如图１）。
１．２ 开采现状
随着社会对金属矿产资源的需求量增加，对开采技术提出了新要求，一定程度上推动了地下金属矿的开采利用率，对我国矿产资源的开发有着极大的促进作用。受世界经济格局影响，各国的矿产开发均受到限制，我国矿山开采主要是受环保政策和开采政策等方面的因素影响较大，国内的矿业开发正面临着转型的关键阶段，节约资源、降低成本、高效开采已成为现阶段矿业开采的重要内容。为保持金属矿产资源开采量的稳定增长趋势，相关配套法律法规在日趋完善，安全保障力度在不断提升，使我国金属矿开采的“国内大循环”原则得以落地执行。此外，一些采矿企业的思想观念正在发生转变，尝试引进先进的开采技术和设备，推进金属矿开采的智能化发展。
１．３ 存在问题
现阶段我国针对地下矿山开采水平已达到一定高度，但仍在实际应用过程中存在着诸多问题：①对比我国矿产资源丰富、地域辽阔的现状，对于矿山资源的开发利用率有待提升，部分采矿企业在开采过程中极易出现资源浪费的现象，对周围环境造成恶劣的影响。②虽然对于地下开采研究成果较为显著，但部分技术未能得到有效的普及，部分地方采矿企业为了节省和降低采矿成本，忽视对先进技术的引进和应用，导致开采效率难以得有提升，影响着采矿企业的高效发展，同时金属资源的利用率也得不到有效提升。③国内社会经济的增长，使得人们对于金属制品的需求量增加，部分企业为了满足人们的需求和快速占据金属资源市场，呈现出过度开采的现象，虽然可导致短暂的经济提升，但严重影响着周围的自然环境，极易造成矿产资源的紧缺，与我国现阶段的环境和资源可持续发展战略背道而驰，不���于我国金属资源长期有效的发展。
１．４ 开采技术现状
我国金属矿地下开采技术较多，对开采技术的方法分类也较多，具体可细分为三大类和几十多种，选用的具体采矿方法要根据采矿企业自身的实际情况进行合理有效的选择，避免选取的采矿方法不当，而造成拖慢施工进度的情况，对矿山生产安全造成恶劣影响。在开采技术的选择上要充分考量到采矿工艺技术的复杂性，和施工环境、空间约束、施工人员等主客观因素，提高采矿工艺技术标准，确保施工开采的安全性。国内外对开采技术的研究中，在以下三个发展方向上取得了较大的进展，①无废环保绿色开采技术方向。此开采技术方式主要是通过一定的技术创新减少固体废物的排放，最大限度提升开采矿岩的利用率，尽量降低矿产资源开采中对周围环境带来的破坏和污染，起到稳定矿山生产，维持矿山生态环境的作用。②规模化采矿技术方向。此技术方向主要是利用先进的开采设备，对小矿山实现大规模开采，其中可采用多种采矿方法并用的优化调动模式。③连续开采技术方向。该技术方向主要是在连续开采上进行突破，利用多种采矿方法的有机结合，优化实际开采工艺，实现对矿山资源的连续生产运作，确保服务年限的持续递增。此外，我国近年来对采矿安全的重视逐渐提升，使得井下开采过程中的支护技术日益提升，借助支护开采技术可应对矿山开采中许多不可预见的危险，技术的实际应用中要求施工人员严格按照施工规范和计划，进行编制生产作业，在支护技术中合理结合锚杆和钢架等设备，防止地下矿井安全事故的发生，提高地下矿山的支护安全及采矿能力，进而达到优化地下矿山开采效果的作用。
２ 地下矿山开采关键技术及进展
２．１ 充填采矿技术
充填采矿技术主要用于金属矿的开发与生产过程中，对部分已凿空的采矿区进行充填，以解决巷道围岩崩落的问题。此种对采空区填充材料的方法可有效的保护大面积采空区的崩落事件发生，具有良好的支护效果，在国内地下矿山开采中属较为常用的矿山保障技术，被广泛应用于有色金属地下矿山开发生产中，可一定程度上保持围岩的稳定性，为围岩提供支护。该技术尤其适用于地下矿山环境较为复杂多变的情况，如以出现的火情、水文地质变化和交通不便问题的农业生产地区，利用该充填技术，能够有效提升地下矿山的生产作业安全性。常用的充填采矿技术有：①干式充填开采技术。此技术主要是使用风力或输送带的搬运方式将沙土等干燥的填充物运送到矿井内，但该技术实际使用中工作效率较低，已逐渐在金属矿生产中退出历史舞台。②水力充填技术。该技术主要是利用水将固体填充料混合水泥，一同泵送至地下采空区，进行加固生产。其中填充的水泥会在地下采空区通过硬化固结反应，为采空区提供较为稳固的支撑构件，以确保地下采空区的安全性，可提升该区域的结构稳定性，起到较好的充填补强作用。③膏体充填技术。该技术主要是将开采矿山现场中的诸多矿山固体废物制作成为结构流料浆，包括全尾砂等工程固体废物在内，流料浆呈现饱和态、牙膏状，且不易出现浆体分离、脱水分层等问题，相较于水砂充填技术更具优势。利用膏体充填技术填充的地下采空区，更可以全面的保障矿山后续生态环境的可持续性发展，不仅可为矿山开采提供了全新的固废理清思路，还可解决采空区和尾矿库的重大安全隐患。膏体充填技术较传统充填采矿技术相比，具有不分层、不离析、不脱水的特点。国内已经建立起成熟的膏体填充平台，用于金属矿的开采，平台上含有多套精度高、功能全的智能化操控设备，确保地下矿山膏体充填工艺的顺利进行，并借由多次试验和数据论证分析，证明膏体充填技术具有较强的推广价值。其中膏体充填技术的核心理论体系是由膏体流变学演变而来，主要围绕膏体流变本构方程展开，结合相关数值模型分析，论证膏体充填技术可以高度契合地下矿山开采充填工程。在膏体制作过程中，施工人员要对膏体的密度进行严格控制，确保其稳定性和适宜性，尤其在搅拌处理中，更需要保证物料混合的均匀度，确保膏体的各项指标达到合格标准，方能满足膏体在管道输送中的流态化条件，具体核心理论体系与执行架构如图二。将膏体充填技术应用于地下矿山采空区的充填处理中，可全面发挥充填技术本身的经济性、环保性，切实保障地下矿山开采的安全。
２．２ 空场采矿技术
该技术主要是在地下矿山开采过程中将矿块划分为矿房与矿柱，并遵循先采矿房、后采矿柱的顺序，借助矿柱及围岩的自然支撑力，为矿房开采提供空间，若需进行回采，则需要对矿房的采空区进行相应处理。由于该技术在地下开采中具有较大的利用价值，常用于岩石多且稳定的矿山区域，在国内较为主流，但主要注意此技术对开采的深度有一定要求，对于开采深度较高的矿区开采，应用该技术存在安全隐患。但由于该技术的应用在开采成本上投入较少，且建设时间较短，具有较高的生产效率，在国内的地下矿山开采中具有一定占比。
２．３ 岩层加固技术
岩层加固技术主要是对地下矿山开采中软弱、破碎的岩层进行加固处理，以免除开采中的安全事故，通常可分为主动支护和被动支护两种类型，其中主动支护是根据实际情况，对岩层内部结构进行改变，确保增加岩层强度，可使用锚杆、锚喷、锚注等加固方法，而被动支护则是无需对岩层结构进行改变，只对围岩变形区域进行被动支护。在实际地下矿山开采过程中，常采用多种支护方式结合的方式，增强支护效果。随着开采技术的不断发展，岩层加固设备亦得到快速更新，国内的轮胎式锚杆台车、双臂混凝土湿喷机等先进的设备已逐渐研发出来并投入使用，��仅对我国采矿工作效率进行了提升，在开采作业安全性方面也得到了有效保证，促进岩层加固技术的机械化和智能化发展。
２．４ 凿岩爆破技术
凿岩爆破技术作为地下矿山开采技术的重要组成部分，现阶段的凿岩爆破技术中主要使用气动凿岩机和液压凿岩机，替代传统采矿的手工凿岩方式，部分地区使用的凿岩机器人亦是凿岩技术自动化、智能化的表现。随着凿岩设备类型的增加，使得凿岩爆破技术水平得到显著提升，实现对地下金属矿山的高效开采。例如我国自主研制的电脑三臂凿岩台车，兼具行走、凿岩、装药等功能，且操作程序简单，安全系数较高，在实际应用中可保证凿岩质量和效率，有利于减少施工人员的开采劳动强度和作业风险，显著提升了地下开采的智能化和自动化水平。此外，针对不同的地下开采环境，精准爆破、智能爆破、绿色爆破等爆破技术已经逐渐改变了开采作业中的爆破质量，其中精准爆破通过精细化设计孔网参数，并利用计算机技术模拟爆破方案，可对地下矿山建立��精准爆破体系。智能爆破则是综合利用智能设备，如残孔自动识别设备、爆破震动智能预测设备等，对爆破技术进行智能化改变。而绿色爆破则是将原有爆破技术中使用的炸药更换为新型的燃烧机，可有效的减少爆破后产生的爆破气体，对井下空气环境具有一定的保护和改善作用。另外，随着技术的发展，机械物理破岩技术也得到了深度应用，此技术可免除爆破环节，借助先进的采矿机直接破除矿岩，具有较高的工作效率，且可有效控制地压，减少爆破技术存在的风险。
２．５ 运输提升技术
在地下矿山开采过程中，运输提升技术发挥着重要的作用，可有效实现各生产环节的连接，确保整个矿山开采工作正常顺利的进行。进过技术上的革新，现阶段运输提升的主要方式有无轨运输和有轨运输等，自２０世纪６０年代起，无轨运输设备应用于地下矿山开采中，对地下开采工艺具有极大的推动作用。我国现阶段主要利用铲运机进行短距离的出矿，具有易操作、出矿效率高的特点，而利用地下电车进行矿下长距离的运输。随着近年来地下矿山开采深度的增加，导致运输距离更长，原有的运输方式已经逐渐显露出弊端，难以有效控制矿石运输的成本，在进一步研究和创新深井矿石运输提升技术中，高度自动化、大负载量成为了新的运输提升方向，国内已将轨道运输、无轨设备和胶带运输机等设备应用于深部开采中，实现多级竖井的提升目的，且改善了以往敞开式胶带运输系统的扬尘、滑落问题，研发出更适用于深井作业的封闭式胶带运输系统，有效的提升了运输设备的爬坡能力和安全系数。
２．６ 远程遥控技术
远程遥控技术作为实现地下矿山开采技术智能化、自动化发展的关键，近年来已在国内采矿工程中日渐成熟，常见的远程遥控技术有装药遥控和凿岩遥控等多种类型的技术。虽然我国远程遥控技术研究和应用尚处于起步阶段，但远程感知开采环境、远程操作开采过程、远程管控开采系统等技术已经在实际开采中发挥出自身的价值，促进了国内地下矿山开采的自动感知、自动化作业、自动语境等效果的实现。
３ 地下矿山开采发展趋势
虽然我国地下矿山开采技术已经取得一定的成果和突破，但尚未实现全方位的智能化发展目标，还需采矿企业对相关的采矿技术进行创新与研究，以下是开采技术的未来发展趋势。
３．１ 大规模开采模式
为了让金属资源的利用率跟随市场经济的快速发展，需要提升地下矿山的开采质量和效果，采用先进的开采技术和工艺，实施大规模开采，扩大地下矿山开规模的途径有：①采用无轨开采的高阶段自然崩落法；②采用高分段大间距的无底柱分段崩落法；③进行金属矿防坍塌研究；④借助科学化开采技术，减少对金属矿资源的浪费。通过减少大规模金属矿开采中的不安全因素，实现科学合理的大规模开采。
３．２ 绿色环保采矿研究
根据我国可持续发展的资源开发战略，需要加强无废开采技术和绿色环保开采技术的研究，确保开采过程中自然资源的浪费，且尽量减少污染物和废弃物的排放，避免金属矿资源的开采对周围居民正常生活造成影响，要保证地下矿山开采中的持续性和稳定性。我国未来金属矿山的开采方向，应当会朝着绿色、环保的方向发展，注重对自然资源和环境的保护，严格制定法律法规，控制地下矿山开采中废弃物的排放量，并要提升绿色环保采矿技术的性能。过度的地下矿山开采过造成地表迁移或结块崩塌，要在开采中做好尾矿填充工作，优化回填技术，避免地下矿山开采对地表稳定性的影响，最大程度降低对周围生态环境的破坏。绿色环保开采道路上离不开先进的开采技术和丰富的开采经验。
３．３ 信息化开采技术
对于地下矿山的开采趋势，还应朝着信息化、智能化方向发展，由于地下金属矿的开采环境较为复杂，其中存在着许多不安全因素，极易造成大规模的安全事故。因此，需加强开采技术的信息化发展，利用先进的技术，提升开采效果，提升开采工作的精细化操作处理，切实保证地下矿山开采施工的安全性和高效性，确保每个施工环节都能平稳有效的进行。可建立地面开采控制平台，对每个井下施工步骤进行远程控制和监察，对于高危环节的工作，利用无人操作技术实施，保证施工人员的人身安全，并要保证开采过程的高效可控性。与传统人工开采技术相比，智能化开采技术的可视化、可控性，更可以降低采矿事故安全问题的发生，并降低开采过程中的成本，为采矿企业制造更多经济效益。
４ 结语
地下矿山开采技术的研究与应用，需要跟随我国科技水平的发展，提升各环节的生产效率，并紧跟时代步伐和社会需求，对开采设备进行更新换代，对开采技术进行创新加强，确保国内的地下矿山开采工艺能够呈现高质量、高效率发展趋势，并符合我国可持续发展理念，推动我国采矿事业的长远发展。