在長時間的開采和利用下，全球范圍內(nèi)的金屬礦資源整體保有量正處于持續(xù)走低的態(tài)勢下，地球表面的淺部且品質(zhì)高的礦床在經(jīng)歷長久的開發(fā)后，已經(jīng)逐步進入枯竭狀態(tài)。此時，想要滿足全球范圍內(nèi)對于金屬資源的需求，同時也是為了能夠更好地面對市場競爭，國際上礦業(yè)發(fā)達的國家均開始意識到積極研發(fā)先進、智能化地開采新技術，全面開發(fā)往期利用率低的地下金屬礦資源。實現(xiàn)提升開采效率、降低開采成本目的，就成為國際金屬礦產(chǎn)資源開采的未來趨勢。鑒于此，本次研究開展具有重要現(xiàn)實意義。
1?我國地下金屬礦擁有量現(xiàn)狀
經(jīng)過多年發(fā)展，我國屬于身居前列、礦種齊全、總量豐富的礦產(chǎn)資源大國，結合《中國礦產(chǎn)資源報告2021》《全球礦業(yè)發(fā)展報告2020-2021》對外公布的信息可知，我國金屬礦產(chǎn)數(shù)量達到59種，非金屬礦達到95種，能源、水氣礦產(chǎn)分別達到13、6種，高居世界前列，占全球礦產(chǎn)總量1/3。以鐵礦石為例，我國近五年的鐵礦石產(chǎn)量及進口數(shù)據(jù)如表1所示：
表1 2017年~2021年我國鐵礦石產(chǎn)量及進口數(shù)據(jù)表
2?地下金屬礦山開采理念發(fā)展趨勢
2.1?深部開采
近幾十年來，關于金屬礦山開采時的“深部”概念確認，國內(nèi)外諸多專家學者均進行了解讀并提出了建議，但目前對于礦山開采的“深部”概念確認仍舊未統(tǒng)一。在我國，院士謝和平理解為，礦山開采的深部條件，需要從力學狀態(tài)分析角度出發(fā)，不應該是單純?nèi)チ炕吧疃取保菓摼C合分析采動應力狀態(tài)、地應力水平以及圍巖屬性等因素去認定。由于全球金屬礦開采力度的不斷加大，地表淺層金屬礦基本開采殆盡，國際上整體地下金屬礦的開采開始邁入“千米時代”，據(jù)相關調(diào)查資料顯示，我國地下金屬礦開采深度超出千米的數(shù)量已超出15座，且正以10m/a～30m/a的速度持續(xù)下降，預計未來我國地下金屬礦的開采深度超出1000m的礦山數(shù)量將會超出總數(shù)量的30%以上。具體而言，我國深度開采的地下金屬礦總體架構如圖1所示：
▲圖1 地下金屬礦山深部開采總體結構圖
2.2智能開采
地下金屬礦的開采過程中，全面將智能化、數(shù)字化開采理念融入到開采工作中，是未來礦山開采的重要發(fā)展趨勢，同時，開采過程的遙控化、信息傳輸網(wǎng)絡化以及經(jīng)營管理信息化建設，才是21世紀背景下礦業(yè)實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、環(huán)保高效開采工藝研發(fā)的重要方向。
當前時期，礦業(yè)開采能力發(fā)達的國家，對于智能開采的關注力度均很高，甚至成為相互爭搶的技術制高點，為此我國提出了“中國制造2025戰(zhàn)略”，且工信部也推行了“智能制造+兩化融合”發(fā)展理念，同時國家發(fā)改委也陸續(xù)推行了“互聯(lián)網(wǎng)+”、“大數(shù)據(jù)+云計算”等全新生產(chǎn)理念，全面為地下金屬礦的開采發(fā)展進程推進提供了資源支持。但是，雖然我國當前對于智能化金屬礦的開采投放了大量精力和資源，但與西方發(fā)達國家相比較，仍舊存在較大的差距。例如在金屬礦的作業(yè)面數(shù)據(jù)實時通信領域研發(fā)方面，發(fā)達國家已經(jīng)初步在礦山開采中實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)+寬帶無線+透地相融合發(fā)展的模式，并且該智能化開采模式已經(jīng)趨于成熟;在地下挖掘裝備配置上，也已經(jīng)全面實現(xiàn)了遠程遙控目標，達成礦下智能化行走、生產(chǎn)，而我國在該方面還存在不足。后續(xù)我國在進行地下金屬礦的開采時，發(fā)展方向應該朝向大型無軌自動化、遠程智能化控制以及全程開采可視化方向做好重點開采理念研究工作，具體而言，在進行地下金屬礦的智能開采總體架構研發(fā)理念的設定上，應該圍繞圖2所示內(nèi)容展開：
▲圖2 地下金屬礦智能開采總體架構研發(fā)理念設定
3?地下金屬礦山開采技術發(fā)展趨勢探索
目前，我國地下金屬礦山的開采正身處“由淺至深、由易到難、由富到貧”方向發(fā)展的重要階段，因此國家在開采過程中，技術、理論以及裝備等多個方面都開始面臨的更大的挑戰(zhàn)，詳細的開采關鍵技術架構如圖3所示。
▲圖3 地下金屬礦山開采關鍵技術架構
3.1?鑿巖爆破技術
近年來，隨著各類鑿巖設備的研發(fā)和升級，西方發(fā)達國家相繼研發(fā)了一系列掘進鑿巖臺車。與國外相比，我國自主研發(fā)了全電腦鑿巖臺車，其結合了行走、裝藥作業(yè)、鑿巖于一體，且具有安全系數(shù)高、開采成本低的優(yōu)勢，全面降低了施工現(xiàn)場作業(yè)風險，促使我國鑿巖爆破技術達到了智能化、環(huán)?；男赂叨?。爆破方面，我國也已經(jīng)初步實現(xiàn)了精準爆破、綠色爆破、以及機械物理破巖，如在激光破巖、等離子破巖方面，不僅破巖效率高，在地壓控制方面，也充分借助水射流以及熱力破碎的方式，突破了單獨機械能破巖的束縛，杜絕破巖期間的粉塵和火花污染問題，全面改進地下金屬礦鑿巖爆破時的作業(yè)環(huán)境。
3.2?運輸提升技術
地下金屬礦山生產(chǎn)中，運輸提升系統(tǒng)在其中發(fā)揮了十分重要的作用，其能夠?qū)⒌V下所有生產(chǎn)環(huán)境銜接為一個整體作業(yè)系統(tǒng)，以此為礦山的正常開采生產(chǎn)提供保障。金屬礦的開采運輸技術主要經(jīng)歷了“人工→有軌→無軌”這一發(fā)展進程，常規(guī)性的礦下短距離出礦運輸，主要由鏟運機完成運輸任務，該類設備的運輸優(yōu)勢集中在出礦率高且操作方便方面，同時在運行靈便性方面也具有較大的優(yōu)勢。與礦下短距離運輸相比較，長距離采礦運輸時，需要借助地下汽車完成，此類技術國外應用相對于國內(nèi)應用更多，而在國內(nèi)比較少見。礦下運輸中，提升距離的變化往往需要根據(jù)采深距離的增長而隨之增長，提升技術的更新難度明顯高于平行運輸技術更新難度，且不同的深度礦石物料提升處理成本也必然提升，全面做好地下金屬礦深井的提升技術研發(fā)工作十分有必要。由此可見，在進行運輸技術研發(fā)時，未來總趨勢必然集中在面向大負載、大型化、高自動化方向上。目前，在地下礦井的深部開采運輸中，南非某金礦在開采中，使用了三級豎井提升方案，豎井之間的轉(zhuǎn)運中，需要借助膠帶/無軌設備完成。相對來講，傳統(tǒng)的敞開式膠帶運輸系統(tǒng)結構比較簡單，但卻存在安全系數(shù)低、爬坡能力不夠、極易滑落等不足，面對此種不足，某金礦開采企業(yè)研發(fā)了封閉式膠帶運輸系統(tǒng)，不僅可以防止運輸期間出現(xiàn)滑落問題，運輸速度也在原有的基礎上提升到了3m/s，爬坡能力達到36°，此系統(tǒng)經(jīng)過適宜性的改進和優(yōu)化之后，將會有一定概率被應用在深部開采礦石的提升式運輸中。此外，水力提升也是一種重要的開采運輸技術，主要被應用在深海開采中。
3.3?巖層加固技術
地下金屬礦山開采后的加固處理中，加固的重點主要集中在對破碎、高應力以及破碎的巖層處理上。一般而言，巖層的加固技術包括兩種，分別是主動、被動兩種支護模式，前者能夠更改巖層的結構，促進巖層自身的強度增長，常用的支護方式有錨噴、錨桿等。后者不可更改巖層的機構，主要加固原理是承受圍巖變形，常用的支護方式以鋼拱架支護、砌碹支護等。隨著國內(nèi)外科技水平的不斷提升和增長，有關于錨桿臺車、濕噴車、掛網(wǎng)臺車等設備的研發(fā)技術不斷更新，高度提升了地下金屬礦的加固效益及效率。目前，我國通過自主研發(fā)的形式，完成了輪胎式錨桿臺車的研發(fā)工作，此類臺車主要以履帶式錨桿臺車為主，不僅降低了地下金屬礦加固施工的勞動強度，對于礦下的作業(yè)安全提升也發(fā)揮了重要的促進作用，并同步完成了礦下巖層加固的智能化和機械化發(fā)展目標。此外，經(jīng)過多次的實驗總結，我國地下金屬礦的巖層加固技術已經(jīng)實現(xiàn)了本質(zhì)上的顛覆和更新，從最初被動的單一支護模式，逐步轉(zhuǎn)型為現(xiàn)在的新型主動復合支護模式，并且未來仍舊在朝向智能化的發(fā)展方向進步和完善，最終為我國后續(xù)地下金屬礦巖層加固安全以及作業(yè)效率提升創(chuàng)造條件。
一般在進行地下金屬礦開采時，受到傳統(tǒng)開采技術水平的限制和影響，經(jīng)常會出現(xiàn)開采固廢量過高、大氣污染、水體污染等諸多問題。面對上述開采所引起的污染，我國在解決時主要采用了充填采礦技術，以此預防乃至杜絕因地下金屬礦開采而破壞環(huán)境。膏體填充技術應用中，需要技術人員將開采礦山現(xiàn)場中包括全尾砂在內(nèi)的諸多礦山固體廢物制備為結構流料漿，此類物質(zhì)呈飽和態(tài)、牙膏狀，且無泌水，將此類膏體填充到開采后的空礦床中，可以全面保障礦山后續(xù)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。同時，新式的膏體填充技術應用，能夠比較傳統(tǒng)的水砂填充具有“三不”優(yōu)勢，代表著不會出現(xiàn)分層、離析以及脫水的問題。現(xiàn)階段，我國已經(jīng)建設成功了工業(yè)級別的金屬礦開采膏體填充平臺，該平臺中含有設備超出200套，占地面積超出2000m2，作業(yè)精度高、功能全且實現(xiàn)了智能化操控，膏體填充的工藝實驗全流程順利，
包括參數(shù)檢測指導系統(tǒng)的設計在內(nèi)，工程實踐效果理想，在環(huán)管實驗系統(tǒng)中，實現(xiàn)了多管徑、多流量、多走向填充目標，且經(jīng)過對填充成果的檢測結果分析，與傳統(tǒng)的水砂填充結果相似度極高，具有較強的推廣價值。將各類金屬礦作為礦山開采后的填充膏體，整個工藝操作過程所遵從的理論均是金屬膏體流變學，即研究的重點圍繞膏體流變本構方程展開，結合理論基礎以及數(shù)值模擬分析下，并整合流變實驗結果后，發(fā)現(xiàn)膏體填充技術高度契合地下金屬礦的高質(zhì)量開采處理要求。在上述研究工作開展過程中，穩(wěn)定且適宜的底流濃度確定，很大程度上需要依賴于濃密技術的完成，才能確保所制備的膏體合格度。攪拌技術處理中，需要確保物料混合的均勻度符合要求，創(chuàng)造在管道中輸送時的流態(tài)化條件。具體的膏體充填核心理論體系以及技術執(zhí)行架構如圖4所示。此外，應用膏體填充技術進行地下金屬礦的開采處理時，還可全面發(fā)揮出技術本身的經(jīng)濟、環(huán)保及安全特性，以此實現(xiàn)金屬礦的綠色開采目標。
▲圖4 膏體充填核心理論體系以及技術執(zhí)行架構
3.5?遠程遙控技術
自國家科技水平提升以來，地下金屬礦的開采能力及操作技術也在陸續(xù)優(yōu)化，如從最開始的人工開采發(fā)展為初步的機械化開采，再以機械化為基礎實現(xiàn)當前的智能化、自動化開采模式充分表明，我國在地下金屬礦的開采技術一直處于不斷進步和發(fā)展狀態(tài)下。對當前的智能化、自動化開采技術進行再次升級時可發(fā)現(xiàn)，其核心技術為遠程遙控技術，那么進行后續(xù)技術研發(fā)趨勢研討時，就必須從遠程遙控技術的操作角度著手進行深度研發(fā)。該項開采技術在應用中，主要針對開采環(huán)境加以感知，并借助遠程操控和開采系統(tǒng)的遠程管控模式，完成無人作業(yè)、遠程調(diào)配及自動感知處理乃至自動預警、遠程決策等開采工作。例如在非洲某地銅礦開采中就完成了遠程遙控地下金屬礦開采的實體應用，以遠程遙控技術為核心，建立了井下開采智能管控系統(tǒng)，用以應對開采當?shù)剡^于復雜的環(huán)境問題，智能管控系統(tǒng)研發(fā)基礎是信息網(wǎng)絡，并在此基礎上建立了智能設備為主的作業(yè)管控平臺，以此將各個礦井的系統(tǒng)資源加以整合，實現(xiàn)井下開采的智能管控目的。系統(tǒng)研發(fā)并投用之后，已經(jīng)初步達成全自動化、智能化管理目標，使得非洲某地下銅礦開采成為世界范圍內(nèi)的典型案例。
4?結語
綜上所述，在進行地下金屬礦山的開采之時，想要全面提升開采質(zhì)量和效率，進行關鍵技術研發(fā)和優(yōu)化時，首先需要針對鑿巖爆破技術做好技術開發(fā)工作，其次在運輸提升技術優(yōu)化方面也不可忽視。隨后，在巖層加固處理方面，也應該投放以必要的研發(fā)精力。
此外，在智能化的遠程遙控開采技術的應用方面，也應該做到重點發(fā)展，唯有多項技術全力推進研發(fā)和優(yōu)化，才能最終為我國地下金屬礦山開采工程的經(jīng)濟效益及社會效益增長起到促進作用。
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