作者风采

吴爱祥，北京科技大学副校长、教授、博士研究生导师，“长江学者奖励计划”特聘教授、国家杰出青年基金获得者、全国优秀科技工作者、宝钢优秀教师特等奖获得者，兼任中国金属学会采矿分会第七届委员会主任委员、金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室主任、《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》期刊主编、《金属矿山》编委。长期致力于金属矿绿色开采理论与技术研究，主要研究方向为散体动力学、膏体充填采矿和金属矿连续开采工艺。主持国家科技支撑计划、国家973课题、国家杰出青年基金、国家自然科学重点基金项目等国家级项目10余项，其它省部级及校企合作项目40余项，研究成果先后获得国家科技进步二等奖4项、省部级特等/一等奖7项。主编国家标准2项、团体标准1项，授权发明专利20余项，发表SCI/EI论文200余篇，出版中英文专著4部。

编者按：“十三五”期间，我国矿业领域在国家科技计划项目、国家自然科学基金项目等各类重大项目支持下，在深地开采、智能化开采、复杂难选矿加工、资源综合利用、矿山安全、绿色矿山等方面取得了较大技术进展，涌现出了一系列重大成果，大幅提升了我国矿产资源的开发利用水平。2020年是“十三五”规划收官之年，为了全面、系统地总结过去5年金属矿山领域的科技成就，为未来矿业科技发展指明方向，《金属矿山》杂志于2021年第1期策划组织出版了“‘十三五’矿业科技进展与展望”专辑。专辑收录了国内一批重要学者对相关研究领域科研成果的综述和发展展望的论文，这些论文对推动行业科技进步具有指导意义。经过编辑部特别邀约，北京科技大学吴爱祥教授团队结合“十三五”期间我国地下金属矿山取得的一系列关键技术成果，撰写了《金属矿山地下开采关键技术新进展与展望》一文。该文系统分析了我国金属矿山“深部开采”、“智能开采”、“绿色开采”3个方面的发展方向，系统综述了金属矿山地下开采涉及的凿岩爆破、运输提升、岩层加固、膏体充填及远程遥控五大关键技术的新进展；围绕机器人采矿技术、流态化开采技术和超大型智慧矿山建设，展望了我国金属矿山地下开采理论和技术的发展方向。编者按：“十三五”期间，我国矿业领域在国家科技计划项目、国家自然科学基金项目等各类重大项目支持下，在深地开采、智能化开采、复杂难选矿加工、资源综合利用、矿山安全、绿色矿山等方面取得了较大技术进展，涌现出了一系列重大成果，大幅提升了我国矿产资源的开发利用水平。2020年是“十三五”规划收官之年，为了全面、系统地总结过去5年金属矿山领域的科技成就，为未来矿业科技发展指明方向，《金属矿山》杂志于2021年第1期策划组织出版了“‘十三五’矿业科技进展与展望”专辑。专辑收录了国内一批重要学者对相关研究领域科研成果的综述和发展展望的论文，这些论文对推动行业科技进步具有指导意义。经过编辑部特别邀约，北京科技大学吴爱祥教授团队结合“十三五”期间我国地下金属矿山取得的一系列关键技术成果，撰写了《金属矿山地下开采关键技术新进展与展望》一文。该文系统分析了我国金属矿山“深部开采”、“智能开采”、“绿色开采”3个方面的发展方向，系统综述了金属矿山地下开采涉及的凿岩爆破、运输提升、岩层加固、膏体充填及远程遥控五大关键技术的新进展；围绕机器人采矿技术、流态化开采技术和超大型智慧矿山建设，展望了我国金属矿山地下开采理论和技术的发展方向。

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矿产资源在人类社会有着举足轻重的地位,没有矿产资源的开发利用人类社会将无法进步。从最初的原始社会发展到现在的信息化社会,从人类对石器的利用到如今对核能、原子能的利用,人类对矿产资源的利用水平决定了人类社会的发展程度。无论是人类社会的发展,还是国民经济的发展,金属矿产资源一直扮演着十分重要的角色。因此,金属矿产资源的综合开发利用水平在一定程度上直接关系到人民生活水平的提高,也成为影响国民经济发展和人类社会进步的重要因素。

矿产资源在人类社会有着举足轻重的地位,没有矿产资源的开发利用人类社会将无法进步。从最初的原始社会发展到现在的信息化社会,从人类对石器的利用到如今对核能、原子能的利用,人类对矿产资源的利用水平决定了人类社会的发展程度。无论是人类社会的发展,还是国民经济的发展,金属矿产资源一直扮演着十分重要的角色。因此,金属矿产资源的综合开发利用水平在一定程度上直接关系到人民生活水平的提高,也成为影响国民经济发展和人类社会进步的重要因素。

1 我国金属矿产资源现状

1.1 矿产资源在国民经济中的地位显著

矿业是我国国民经济稳定发展与国家安全的重要支柱产业，为人类社会提供了基本物质和能源保障。《中国矿产资源报告2019》和《全球矿业发展报告2019》的相关数据显示:地球人均矿产资源消耗量为3 t/(人·a),人类耗费的总量超过了自然资源的80%;2018年全球矿业为人类提供能源、金属和非金属资源达到了227 亿t(其中能源、金属、非金属产量各占68%、7%、25%),总产值高达5.9万亿美元(其中能源、金属、非金属矿产各占76%、12%、12%),相当于全球GDP的6.9%;我国矿产品产量增长迅速,矿业产值占我国GDP的比例达到7%,为国家经济社会发展提供了80%的原材料和95%的能源资源,在矿产品的生产和贸易方面均达到了世界第一。因此，矿业在中国乃至全球经济与社会发展中具有越来越重要的地位,是现代化经济体系中不可替代的基础产业。

1.2 我国金属矿产资源供需矛盾突出

随着近年来我国国民经济的高速发展,矿业发展突飞猛进,探明资源储量大幅增长，已经成为世界上为数不多的几个矿种齐全、总量丰富的矿产资源大国之一。《中国矿产资源报告2019》和《全球矿业发展报告2019》的相关数据显示:截至2018年底，我国已经发现的包括金属矿产(59种)、非金属矿产(95种)、能源矿产(13种)和水气矿产(6种)在内的各类矿产资源共173种;2018年我国矿产资源总产量位居世界第一,占全球总产量的31%,我国矿业总产值位居世界第一，占全球总产值的17%;2018年我国粗钢、10种有色金属、黄金的产量和消费量继续位居全球首位,其中生产了9.3亿 t粗钢,5 702.7万 t 10种有色金属和401.1 t黄金。虽然我国资源总量大且种类丰富,部分矿产储量甚至居世界前茅,但是我国人均占有量与世界人均水平相比仍有很大差距。其中以铁矿石为例,据中国海关、国家统计局统计的数据显示,国内2015—2020(其中 ,2020年只有1—11月份的统计数据)年间的铁矿石产量、进口量、国内粗钢产量及铁矿石对外依存度如表1所示。从整体趋势来看,我国铁矿石的产量在持续减少,进口量不断增加,粗钢产量也在不断上升,铁矿石对外依存度常年保持在65%以上，尤其是2017年对外依存度超过了80%。目前,我国铁矿石和铜精矿等大宗矿产原材料依然严重依赖进口,对外依存度高。因此,在国民经济飞速发展的过程中,我国金属矿产品的增加量与国民经济发展速度不相适应,金属矿产资源供需矛盾分突显。

表1 我国2015—2020年间铁矿石产量与进口情况

1.3 地下矿山是未来金属矿开采的主战场

当前，我国大多数黄金矿山和有色金属矿山均采用地下开采方式进行开采。我国对各种矿产资源的消耗随着经济的发展不断增多，金属矿山由于长期开采,浅部资源越来越少，驱使矿山逐渐增加开采深度，部分露天矿山考虑生产成本因素逐步转为地下开采,如江苏凤凰山铁矿、安徽铜官山铜矿等，同时大部分地下矿山也开始转向深部开采,如云南会泽铅锌矿、辽宁红透山铜矿等。综上,未来地下矿山比重将继续上升,地下矿山将成为金属矿开采的主战场。

2 金属矿开采理念研究新趋势

目前,地球深部蕴藏65%的金属矿资源，面对生产机械化、智能化不足及矿山固废严重污染等问题，为了加速金属矿开采的现代化进程,大幅提升金属矿开采的国际竞争力,改变传统开采产能落后的局面，“深部开采”、“智能开采”、“绿色开采”将是未来我国金属矿开采理念的三大发展方向。

2.1 深部开采

在近半个世纪的发展历程中,关于“深部”概念的确定，国内外的专家学者提出了诸多建议,但是到目前为止,尚无对“深部”概念的统一标准。我国有些专家学者建议以岩爆发生频率明显增加来界定，普遍认为矿山转入深部开采的深度为超过800~1 000 m。谢和平院士提出:决定是否为深部的条件是力学状态，而不是量化的深度概念,这种力学状态由地应力水平、采动应力状态和围岩属性共同决定,可以经过力学分析得到定量化的表述,并从力学角度出发,提出了“亚临界深度”、“临界深度”、“超临界深度”等概念。由于浅部资源逐渐殆尽，全球金属矿山开始进入千米时代。据不完全统计,当前国外有112座超千米的地下金属矿山，最大采深达4 350 m,我国开采深度达到或超过千米的地下金属矿山已达16座,目前金属矿山的开采深度以大约10~30 m/a的速度下降,在未来,我国预计将有1/3 的金属矿山开采深度达到1 000 m。目前,很多新发现资源的埋藏深度也达到千米甚至更深,深部开采将成为我国金属矿山开采的重点方向。进入千米时代，金属矿山开采将面临诸多挑战,如“高井深”、“高应力”、“高井温”的技术难题以及由此引起的“强扰动"附加属性,同时还存在机械装备以及工艺流程等一系列工程技术配套问题。浅部开采时，开采深度为0~800 m,地应力范围为10~20 MPa,井温一般小于30 ℃;深部开采时,开采深度超过千米甚至更深，原岩应力达到40~80 MPa,工作面温度高达30~60 ℃。为此,未来金属矿山开采的前沿领域必将属于深部开采,且未来采矿科研重心将会向深部开采转移,开展相应的理论技术以及核心装备研究。近年来,尽管从国家层面上支持开展了大量的相关技术研究,但是在“三高一扰动"的复杂条件下，我国仍需重点开展金属矿山深部开采环境精准识别、金属矿山深部采掘一体化装备及提升技术、金属矿山深部开采灾害预警防控及资源化利用这三方面的研究,从而加速推进我国“向地球深部进军”的进程。金属矿山深部开采总体架构如图1所示。

图1 金属矿山深部开采总体架构

2.2 智能开采

智能采矿通过开采环境数字化、采掘装备智能化、生产过程遥控化、信息传输网络化和经营管理信息化等方法,实现安全、高效、经济、环保的开采工艺，是21世纪矿业的重要发展方向,也是具有前瞻性的目标。目前,智能开采是矿业发达国家争相抢占的技术制高点，同时在“中国制造2025"战略背景下,国家工信部提出“智能制造”和“两化融合”,发改委提出“互联网+”、“云计算”和“大数据”，应急管理部提出“机械化换人、自动化减人”,我国也在不断推动金属矿智能开采的发展进程。近年来,国内外对智能开采进行了相关研究,但是国内外智能开采的差距较大。在作业面数据实时通信领域，国外已实现光纤、宽带无线、透地及物联网通信,而国内的核心设备多为进口,网络可靠性不足、信息传输不畅;在采掘装备远程遥控领域,国外已实现智能化行走和作业,国内智能化控制还不成熟;在开采全过程调度领域,国外主要利用OptiMine、AutoMine等数字化软件工具,分析和优化采矿全过程调度,国内主要针对井下有轨/无轨作业装备实行局部过程调度;在矿山远程管控平台领域,国外主要通过800XA、Pitram系统实现矿山远程管控,而国内在多类装备、系统的整合和一体化管控方面比较薄弱。可见,智能采矿的发展是一个困难的过程,今后我国亟需从大型无轨装备自主化及远程智能化控制、开采全过程三维可视化及数据实时采集智能化处理、矿山生产决策及管控一体化平台这3 个方面进行重点研究,稳步推进我国金属矿山开采的智能化。金属矿山智能开采总体架构如图2所示。

图2 金属矿山智能开采总体架构

2.3 绿色开采

绿色开采旨在将矿区的资源和环境看作一个整体,在协调开发、利用和保护矿区土地、水体、森林等各种资源的前提下,充分回收、有效利用矿产资源，实现资源—经济—环境三者统一协调的开发过程,使可持续发展理念在矿业中得以充分体现。矿产资源可持续发展及其与生态环境协调发展的实现，是当今矿业领域的一个热点话题。2006年中国国际矿业大会上，国土资源部首次提出了“坚持科学发展,建设绿色矿业”的口号,为我国矿业指明了绿色发展的方向;2011年，国家“十二五”规划提出了发展绿色矿业，强化矿产资源节约与综合利用;2017年，党的“十九大”报告再次明确了“绿水青山就是金山银山”,践行绿色发展理念，建设美丽中国。可见，绿色开采遵循矿业可持续发展模式,是我国金属矿山开采的发展道路和时代要求，已成为国家发展的重要战略。同时，金属矿山绿色开采有着全面的深刻内涵和实质内容，充分体现了“绿水青山”和“金山银山”和谐共存、互利互惠的原则。我国金属矿山绿色开采需要依靠科技创新来提供有力支撑,亟需重点开展金属矿山采选充一体化技术、特殊资源原位溶浸开采技术、闭矿后地下开挖空间绿色开发利用技术这3个方面的研究,将绿色矿山建设作为推进我国金属矿山绿色开采的动力。金属矿山绿色开采总体架构如图3所示。

图3 金属矿绿色开采总体架构

3 金属矿山开采关键技术新进展

金属矿山正面临着“由浅至深、由易至难、由富至贫”的关键转型期，在理论技术、装备等方面都面临着全新挑战。面对以上挑战，金属矿山地下开采关键技术的研究显得尤为关键。目前,金属矿山地下开采关键技术主要体现在以下五个方面:凿岩爆破技术、运输提升技术、岩层加固技术、膏体充填技术、远程遥控技术。围绕这五大关键技术,本研究系统综述其发展历程及新进展，金属矿山地下开采关键技术架构如图4所示。

图4 金属矿山地下开采关键技术架构

3.1 凿岩爆破技术

凿岩爆破技术是金属矿开采过程中的重要技术，同时在金属矿开采的长期发展中也是一个薄弱的环节。因此，持续提高凿岩爆破效率,对于金属矿山安全高效开采至关重要。目前,凿岩爆破技术仍是地下开采的主要落矿手段,从最初的手工凿岩到气动凿岩机、液压凿岩机、凿岩台车(牙轮钻机、潜孔钻机),乃至现在的凿岩机器人，凿岩技术逐渐从机械化开始向自动化、智能化、环保化方向发展。经过长期的研究，国内外相继研发了适合各种条件的凿岩设备。近年来，随着凿岩设备的完善,美国、加拿大等国家在地下开采中将露天凿岩爆破技术引入进来,中深孔分段凿岩被大直径阶段深孔替代,取得了不错的应用效果。例如瑞典研发了一系列掘进凿岩台车,具有凿岩效率高、操作安全、污染小等优点;我国自主研制了集行走、凿岩和装药作业于一体的全电脑三臂凿岩台车,具有操作简单、安全系数高、施工成本低等优点，这些设备保证了凿岩质量与效率,降低了劳动强度与作业风险，自动化、智能化、环保化水平达到了一个新高度。同时，由于地下开采的条件不同，且井巷掘进和采矿作业应用条件不同,传统地下矿山常用的爆破方式呈现多样化，普遍使用微差爆破、挤压爆破和光面爆破等技术,在一定程度上改善了爆破质量。随着爆破技术的发展,传统爆破技术逐渐向精准爆破绿色爆破、智能爆破方向发展。精准爆破主要通过孔网参数精细化设计、爆破能耗理论研究及爆破方案模拟构建矿山精准爆破体系;绿色爆破主要采用新型燃烧剂代替炸药，无爆破气体产生,大幅改善了井下空气环境,实现了井下绿色爆破;智能爆破主要通过爆破智能设计、智能装备、爆破振动智能预测及残孔自动识别等共同构成智能爆破系统,实现爆破技术的智能化。在技术不断进步和创新的新时代,凿岩爆破技术已经由传统的方法发展到机械物理破岩等非爆破岩技术。例如采用连续采矿机对中硬及以下矿岩进行机械破岩,工作效率高,施工条件好,有利于地压控制;利用高压水射流/热力破碎的物理破岩技术，克服了单独机械能破岩的限制,不产生粉尘和火花,大幅改善了作业环境。但由于能耗大、成本高、道具磨损严重等问题,至今尚未在我国进行普及推广，同时现阶段我国在信息技术与人工智能技术研发方面起步晚,智能化的相关核心技术仍主要依赖国外。因此,目前我国硬岩矿山尚未真正实现连续开采。

3.2 运输提升技术

运输提升系统在地下矿山生产中占有极其重要的地位,通过运输提升可将各个环节连成一个有机整体,从而保证矿山正常生产。采场出矿经历了“人工一有轨一无轨”运输技术的发展历程,形成了从有轨为主、无轨为辅逐渐向无轨为主、有轨为辅的新局面。地下矿山采用无轨自行设备运输始于20世纪60年代,随着地下无轨设备的完善,地下无轨开采技术得到了迅速发展,推动了地下开采工艺的变革,是目前地下开采的发展趋势。采场短距离出矿采用铲运机运输,具有操作方便、工作可靠、出矿效率高、运行灵便等优点;井下长距离运矿采用地下汽车,目前国外应用较多,国内较为少见。提升距离随着采深的增加不断增加,提升技术面临着越来越大的挑战,同时伴随着各种矿石物料提升成本的增加。因此,发展深井矿石提升技术尤为重要。在总体上向大型化、大负载高度自动化方向发展是矿井运输提升的未来总趋势。经过长期发展,在深部开采中,绝大多数矿井借助轨道运输、胶带运输机或无轨设备等,进行多级竖井提升,例如在南非TauTona金矿采用3级竖井提升方式,在竖井之间再通过胶带或者无轨设备进行转运。传统敞开式胶带运输系统虽然结构简单,但是极易导致扬尘和滑落,污染井下环境，爬坡能力差,安全系数低;如今SiCON公司研发了封闭式胶带运输系统,防止运输中的滑落和扬尘，运输速度可超过3 m/s,提升坡度能达到36°,适当改进该系统有望在未来应用于深部开采的矿石运输提升中。目前,水力提升方式主要应用在深海开采中,近年来,部分研究者试图将水力提升应用在深部矿井中,该过程可连续进行,更容易实现提升过程的自动化与智能化,但是利用水力提升需要在深井建立矿石的破碎系统和粉磨系统,当前难以进行实际应用。与此同时,也出现了磁悬浮升降机提升这种创新性的构想,但仍需开展深入细致的研究。这些新技术、新方法及新工艺给矿井运输提升领域注入了新鲜血液，极大地促进了运输提升技术、方法及工艺的创新和革新。

3.3 岩层加固技术

金属矿山主要针对软弱、破碎、高应力的岩层进行加固。岩层加固技术可分为被动支护和主动支护,被动支护无法改变岩层内部结构,只能被动承受围岩变形,例如传统的木支护、砌碹支护以及钢拱架支护等;主动支护可以改变岩层内部结构,主动加强岩层自身强度,例如锚杆(锚索)、锚注、锚喷以及锚网喷等支护方式 ,其中锚注支护、锚喷支护以及锚网喷支护属于复合支护,锚喷支护更是成为了金属矿山岩层的主要加固技术。全长式锚杆和黏结式锚杆复合成全长黏结式锚杆,极大提高了锚固强度,在工程实际中具有很好的推广价值和应用前景;喷射混凝土从以往的干喷发展到如今的湿喷,改善了作业环境,防止了岩层剥落。将喷射混凝土和锚杆进行有效结合,可以在一定范围内控制围岩的自由变形,使围岩应力重新分布,可有效防止岩层剥离掉落。随着科技的迅速发展,国内外都在加大有关锚喷支护先进装备的使用。例如国外已研发了一系列锚杆台车、湿喷车以及挂网台车等设备,同时,我国自主研制了轮胎式锚杆台车(履带式锚杆台车)、矿用湿喷机以及两臂混凝土湿喷机等设备,在提高工作效率的同时,降低了劳动强度,保证了作业安全,在一定程度上实现了岩层加固技术的机械化、智能化。经过数次技术革新,岩层加固技术已从传统被动的单一支护发展到新型主动的复合支护,今后将呈现出机械化、智能化的发展趋势,以期提高安全性和作业效率。

3.4 膏体充填技术

金属矿山开采引起的固废污染、水体污染、大气污染和侵占土地等现象十分严重。随着充填采矿技术与装备的发展,膏体充填技术为解决传统采矿问题和金属矿山开采所引起的环境污染问题提供了新思路,将全尾砂等矿山固体废弃物制备成饱和态、无泌水、牙膏状的结构流料浆,进行膏体充填,可协同解决尾矿库和采空区这两个重大隐患,从而保证矿山可持续发展。与传统的水砂充填相比,膏体充填具有“三不”特性,即浆体不分层、不离析、不脱水。目前我国已建成国际首个工业级的膏体充填试验平台,占地约2 000 m²,设备200余套,具有工业级精度高、功能全、智能化的特点,可以对膏体充填工艺全流程进行实验、参数检测并指导系统设计和工程实践，尤其多管径、多走向、多流量的环管实验系统，检测结果较传统方法更接近实际。金属矿膏体充填的各个工艺环节的共性基础理论为金属矿膏体流变学,以膏体流变本构方程为研究内容,以理论计算、流变实验和数值模拟为主要研究手段,满足膏体充填中尾砂浓密、膏体搅拌、膏体输送以及充填固化这4个工艺环节的工程需求。其中，浓密技术旨在获得稳定合适的底流浓度，为制备合格膏体奠定基础;搅拌技术使物料混合均匀,为膏体管道输送流态化和力学特性均质化提供条件;输送技术追求低能耗、少磨损;填充技术实现充填体强度均匀分布与充分接顶率，上述4种工艺对应着膏体充填的四大关键技术。膏体充填技术具有“安全、经济、环保、高效”的丰富内涵，是金属矿山绿色开采体系的一个重要技术支撑，被我国有关部委列为示范技术,是全球矿业领域的研究热点。膏体充填核心理论体系架构如图5所示。

图5 膏体充填核心理论体系架构

3.5 远程遥控技术

随着科技的发展,采矿技术也在不断进步，从最初的人工开采到机械化开采,再到现在的自动化开采、智能化开采,不论是自动化开采还是智能化开采，远程遥控都是其核心技术。为此，远程遥控技术在现代化矿山开采中将扮演着不可替代的角色,是现代采矿发展的重要技术手段。远程遥控技术在国际上已是一种比较成熟的控制技术,也是地下矿山发展的一个方向，其中包括凿岩遥控、装药遥控、出矿遥控等。但是该技术是一个国家工业整体发展到一定高度后的配套应用技术,目前在我国尚未全面推广。远程遥控关键技术主要体现在开采环境远程感知、开采过程远程操作、开采系统远程管控这3个方面，从而实现自动感知与分析、无人作业、远程调配、自动预警及远程决策等功能。此项技术正在中色非洲矿业有色公司旗下的赞比亚谦比希铜矿东南矿体进行实际应用,建立了谦比希铜矿东南矿区井下开采智能管控系统,以应对东南矿区面临的复杂开采问题。该智能管控系统以全矿的信息网络为基础,以智能设备和作业管控平台——OptiMine系统为依托,将井下各系统资源整合在一起,可对井下开采进行智能化管控。随着该系统的建成和应用,实现了全自动化与智能化的目标，谦比希铜矿东南矿区将成为非洲乃至世界范围内杰出的地下矿山，为未来智慧矿山建设树立了旗帜。

4 展 望

在未来,随着深部开采、绿色开采以及智能开采这3个方向不断发展,仍将会产生一系列问题。例如,矿井温度随着开采深度的下降而增加，当达到人类无法承受的高温后，可以考虑利用机器人替代人力进行井下采矿作业;同时在更深的区域,传统的采矿方法将无法实现,部分矿种可颠覆性采用流态化开采技术;随着科技的不断发展,在未来应当结合高新科技的发展,着力建设超大型智慧矿山,将更多的科技产物引入到金属矿山地下开采中。本研究从机器人采矿技术、金属矿流态化开采技术和超大型智慧矿山建设等方面论述金属矿山地下开采的前瞻性理论和技术，对未来金属矿开采提出了一些展望。

4.1 机器人采矿技术

由于机器人技术发展尚未完全成熟,且其成本较高，当前还未应用于金属矿山地下开采中。由于深海采矿处于复杂性和多变性的特殊环境,人类无法在现场进行采矿作业,采矿机器人技术率先成为了深海采矿的关键装备。经过长时间的研究与应用,我国深海采矿机器人的发展已经具备了一定的基础，对富钻结壳采矿机器人、多金属硫化物采矿机器人和多金属结核采矿机器人进行了设计研发,对采矿机器人行走的结构、液压系统以及稳定性进行了研究。航位推算定位系统和水声定位系统在深海机器人的定位和导航方面得到了较多的应用。

金属矿山开采将随着深部开采的发展逐渐进入极端环境,人类将无法在现场进行采矿作业,可以在深海采矿机器人发展的基础上,将采矿机器人应用到金属矿山地下开采中。对于金属矿山地下开采，采矿机器人的主要应用方向如下;

(1)凿岩机器人。凿岩机器人可以利用提前设计好的程序并配备精准的传感器在矿井的恶劣环境下进行打孔作业，并可以根据要求进行不同类型的钻孔作业,人类在井下能够完成的凿岩作业该机器人均可完成,即可以完全替代人力。这样不仅避免了人类在恶劣的环境中作业,还可以提高工作效率，对于未来金属矿的地下深部开采具有重要意义。

(2)喷浆机器人。传统在井下进行喷浆作业由人工使用喷浆的机械设备完成,不仅工作繁重而且对人的健康有着很大的危害,具有很大的不足。将喷浆机器人引人地下矿山的喷浆作业中,不仅可以保证涂喷的质量,还能避免人员亲临现场进行喷浆作业,避免了喷浆作业给人员带来的危害。

(3)岩爆监测机器人。在金属矿山地下开采中，岩爆事故一旦发生,将会产生严重后果,威胁井下工作人员的安全。在未来可以研发一种带有专用传感器的监测机器人,可以灵活移动,监测范围广,可以连续不间断地进行监测,事故突发的先兆可及时被发现,以便及时采取应对措施，保障井下作业安全。

4.2 金属矿流态化开采

随着矿产资源的不断开发,我国金属矿的开采深度平均每年增加10~30 m。全球最大的金属矿山开采深度已经达到4 350 m。从理论上讲,当开采深度超过6 000 m后,传统的采矿方法将无法使用。相比于金属矿开采的巨大限制,汽油和天然气等资源的开采深度则超过了7 500 m,主要原因在于其采用流态化开采收集碳氢化合物,采用钻机钻井,机械被送往井下,人不下井。金属矿资源的流态化开采,是将地下固体的金属矿资源进行原位转化,形成液体或液/固混合的形式,通过机械设备将矿物送至地表。在未来,金属矿山要想实现真正的深部或超深开采,需要颠覆传统的开采理念,谢和平院士提出的固体资源流态化开采学术构想将成为未来深部金属矿山地下开采的重要攻关方向,将产生一系列新的理论。在金属矿产资源流态化开采中,地下岩体的破碎方式与传统的开采方法存在本质区别,同时在固体资源的转化过程中也会扰动原岩应力状态，岩体将会产生一系列不同于传统金属矿山地下开采的力学行为。突破传统的岩石力学研究方法,构建流态化开采下的岩石力学理论将成为未来金属矿流态化开采所需突破的重大难题。原位转化是流态化开采最重要的环节,是一个复杂的转化过程。在地下借助不同的手段将固体的金属矿产资源进行原位转化,与传统的采矿方法有本质的不同。研究金属矿原位转化的相关理论是金属矿能否实现流态化开采的核心问题。同时,为了使金属矿产资源能够最大限度地转换或提取出来，提高采矿效率,有必要不断发展金属矿资源的流态化转化理论,以实现经济高效的开采目标。目前,流态化开采在金属矿山地下开采的应用只是一个理论构想,要实现这一目标还需要理论水平的不断提高以及生产技术及装备的不断进步。

4.3 超大型智慧矿山建设

超大型智慧矿山建设主要在于两个方面：发展大型设备和提高互联网、物联网的水平。采矿技术的发展其根本在于采矿装备的发展和进步,这也是超大型智慧矿山建设的基础。在未来金属矿山地下开采中,发展大型设备与智能化设备是总的趋势,并结合连续采矿,以实现规模化开采的目标,突破矿山设计服务年限的限制,可以大幅度提高金属矿山地下开采的效率,开采过后也可以快速恢复生态环境。超大型智慧矿山的核心在于“智慧”。智慧矿山主要是将物联网与互联网作为基础,结合大数据、云计算、人工智能等各类高新技术,集成自动控制器、传输软件、组合式软件、各类传感器等,形成一套完备的智慧体系。智慧矿山以数字矿山为基础建立，但智慧矿山也只是矿山发展的一个中间过程,最终的目的是建立无人矿山。我国智慧矿山的发展历程经历了单机自动化、综合自动化和局部智慧体3个阶段,在主流技术方面、装备发展方面以及推广应用方面均有了一定的发展，但距离真正实现智慧矿山仍有较大差距。推动智慧化矿山建设,除了重点发展高新技术外,随着5G技术的不断发展,基站的建设成本将会不断降低,将5G技术与各类高新技术相结合,可以为智慧矿山建设注入新的活力。

在未来,将智慧矿山建设的核心技术与超大型矿山设备相结合，通过发展完备的理论体系,提供强有力的技术和设备支撑,将会大力推动金属矿山超大型智慧矿山建设,而将5G技术大规模应用将会使超大型智慧矿山的建设水平得到质的提升。

矿业是我国国民经济的基础和重要支柱产业，国家政策、重大项目均给予了大力支持。新形势给矿业发展带来了新机遇,同时金属矿山开采正面临着“由浅至深、由易至难、由富至贫”的关键转型期，在理论、技术、装备等方面都面临着严峻挑战。在机遇与挑战并存的情况下,研究金属矿地下开采五大关键技术显得尤为重要。在金属矿山开采向着“深部开采”、“智能开采”、“绿色开采”这三大方向发展的过程中,任重而道远,亟需持续科技攻关,突破关键技术瓶颈、自主研发核心装备,保障我国金属矿产资源安全。机器人采矿技术、流态化开采技术和超大型智慧矿山建设为未来金属矿山地下开采提供了新的思路。

作者风采

吴爱祥,王勇,张敏哲,杨钢锋.金属矿山地下开采关键技术新进展与展望[J].金属矿山,2021(01):1-13.