地下礦山開采技術及其趨勢分析

為順應時代發展，滿足人們對有色金屬資源的需求，需要大力加強對地下礦山的開采技術研究，開采過程中積極地發現礦下存在的安全隱患，并采取先進的地下礦山開采技術和優良的采礦工藝，提高有色金屬的產出量，有效提升采礦企業的經濟效益，保證我國有色金屬資源的供給。通過加強對地下礦山開采技術的創新發展，可一定程度上減少對金屬礦資源的浪費，且減少對自然環境的破壞，有利于提升有色金屬采礦企業的綜合水平，達到理想的采礦效果。

金屬礦的成礦狀況具有不確定性，其主要是隨著地球環境的演化而逐步發展形成。我國國土地大物博，其中蘊含的各類資源較為豐富，尤其在金屬礦山資源上，具有儲量大、種類豐富的特點。作為位居世界前列的礦產資源大國，我國有色金屬礦產資源數量達５９種，根據《２０２２年中國有色金屬工業經濟運行報告》上的數據顯示，我國有色金屬工業生產穩中有升，當年國內十種常用有色金屬產量為６７９３.６萬噸，比上年增長４.９％，以鋁資源為例，本年度原鋁產量達４０２１.４萬噸，同比增長４.４％，鋁材產量６２２１.６萬噸，出口鋁材６１８.２萬噸，增長１３.２％（如圖１）。

▲圖1 近5年出口鋁材數量增長趨勢

隨著社會對金屬礦產資源的需求量增加，對開采技術提出了新要求，一定程度上推動了地下金屬礦的開采利用率，對我國礦產資源的開發有著極大的促進作用。受世界經濟格局影響，各國的礦產開發均受到限制，我國礦山開采主要是受環保政策和開采政策等方面的因素影響較大，國內的礦業開發正面臨著轉型的關鍵階段，節約資源、降低成本、高效開采已成為現階段礦業開采的重要內容。為保持金屬礦產資源開采量的穩定增長趨勢，相關配套法律法規在日趨完善，安全保障力度在不斷提升，使我國金屬礦開采的“國內大循環”原則得以落地執行。此外，一些采礦企業的思想觀念正在發生轉變，嘗試引進先進的開采技術和設備，推進金屬礦開采的智能化發展。

現階段我國針對地下礦山開采水平已達到一定高度，但仍在實際應用過程中存在著諸多問題：①對比我國礦產資源豐富、地域遼闊的現狀，對于礦山資源的開發利用率有待提升，部分采礦企業在開采過程中極易出現資源浪費的現象，對周圍環境造成惡劣的影響。②雖然對于地下開采研究成果較為顯著，但部分技術未能得到有效的普及，部分地方采礦企業為了節省和降低采礦成本，忽視對先進技術的引進和應用，導致開采效率難以得有提升，影響著采礦企業的高效發展，同時金屬資源的利用率也得不到有效提升。③國內社會經濟的增長，使得人們對于金屬制品的需求量增加，部分企業為了滿足人們的需求和快速占據金屬資源市場，呈現出過度開采的現象，雖然可導致短暫的經濟提升，但嚴重影響著周圍的自然環境，極易造成礦產資源的緊缺，與我國現階段的環境和資源可持續發展戰略背道而馳，不利于我國金屬資源長期有效的發展。

我國金屬礦地下開采技術較多，對開采技術的方法分類也較多，具體可細分為三大類和幾十多種，選用的具體采礦方法要根據采礦企業自身的實際情況進行合理有效的選擇，避免選取的采礦方法不當，而造成拖慢施工進度的情況，對礦山生產安全造成惡劣影響。在開采技術的選擇上要充分考量到采礦工藝技術的復雜性，和施工環境、空間約束、施工人員等主客觀因素，提高采礦工藝技術標準，確保施工開采的安全性。國內外對開采技術的研究中，在以下三個發展方向上取得了較大的進展，①無廢環保綠色開采技術方向。此開采技術方式主要是通過一定的技術創新減少固體廢物的排放，最大限度提升開采礦巖的利用率，盡量降低礦產資源開采中對周圍環境帶來的破壞和污染，起到穩定礦山生產，維持礦山生態環境的作用。②規�；�采礦技術方向。此技術方向主要是利用先進的開采設備，對小礦山實現大規模開采，其中可采用多種采礦方法并用的優化調動模式。③連續開采技術方向。該技術方向主要是在連續開采上進行突破，利用多種采礦方法的有機結合，優化實際開采工藝，實現對礦山資源的連續生產運作，確保服務年限的持續遞增。此外，我國近年來對采礦安全的重視逐漸提升，使得井下開采過程中的支護技術日益提升，借助支護開采技術可應對礦山開采中許多不可預見的危險，技術的實際應用中要求施工人員嚴格按照施工規范和計劃，進行編制生產作業，在支護技術中合理結合錨桿和鋼架等設備，防止地下礦井安全事故的發生，提高地下礦山的支護安全及采礦能力，進而達到優化地下礦山開采效果的作用。

充填采礦技術主要用于金屬礦的開發與生產過程中，對部分已鑿空的采礦區進行充填，以解決巷道圍巖崩落的問題。此種對采空區填充材料的方法可有效的保護大面積采空區的崩落事件發生，具有良好的支護效果，在國內地下礦山開采中屬較為常用的礦山保障技術，被廣泛應用于有色金屬地下礦山開發生產中，可一定程度上保持圍巖的穩定性，為圍巖提供支護。該技術尤其適用于地下礦山環境較為復雜多變的情況，如以出現的火情、水文地質變化和交通不便問題的農業生產地區，利用該充填技術，能夠有效提升地下礦山的生產作業安全性。常用的充填采礦技術有：①干式充填開采技術。此技術主要是使用風力或輸送帶的搬運方式將沙土等干燥的填充物運送到礦井內，但該技術實際使用中工作效率較低，已逐漸在金屬礦生產中退出歷史舞臺。②水力充填技術。該技術主要是利用水將固體填充料混合水泥，一同泵送至地下采空區，進行加固生產。其中填充的水泥會在地下采空區通過硬化固結反應，為采空區提供較為穩固的支撐構件，以確保地下采空區的安全性，可提升該區域的結構穩定性，起到較好的充填補強作用。③膏體充填技術。該技術主要是將開采礦山現場中的諸多礦山固體廢物制作成為結構流料漿，包括全尾砂等工程固體廢物在內，流料漿呈現飽和態、牙膏狀，且不易出現漿體分離、脫水分層等問題，相較于水砂充填技術更具優勢。利用膏體充填技術填充的地下采空區，更可以全面的保障礦山后續生態環境的可持續性發展，不僅可為礦山開采提供了全新的固廢理清思路，還可解決采空區和尾礦庫的重大安全隱患。膏體充填技術較傳統充填采礦技術相比，具有不分層、不離析、不脫水的特點。國內已經建立起成熟的膏體填充平臺，用于金屬礦的開采，平臺上含有多套精度高、功能全的智能化操控設備，確保地下礦山膏體充填工藝的順利進行，并借由多次試驗和數據論證分析，證明膏體充填技術具有較強的推廣價值。其中膏體充填技術的核心理論體系是由膏體流變學演變而來，主要圍繞膏體流變本構方程展開，結合相關數值模型分析，論證膏體充填技術可以高度契合地下礦山開采充填工程。在膏體制作過程中，施工人員要對膏體的密度進行嚴格控制，確保其穩定性和適宜性，尤其在攪拌處理中，更需要保證物料混合的均勻度，確保膏體的各項指標達到合格標準，方能滿足膏體在管道輸送中的流態化條件，具體核心理論體系與執行架構如圖二。將膏體充填技術應用于地下礦山采空區的充填處理中，可全面發揮充填技術本身的經濟性、環保性，切實保障地下礦山開采的安全。

▲圖2 膏體充填技術的核心理論體系與執行架構

該技術主要是在地下礦山開采過程中將礦塊劃分為礦房與礦柱，并遵循先采礦房、后采礦柱的順序，借助礦柱及圍巖的自然支撐力，為礦房開采提供空間，若需進行回采，則需要對礦房的采空區進行相應處理。由于該技術在地下開采中具有較大的利用價值，常用于巖石多且穩定的礦山區域，在國內較為主流，但主要注意此技術對開采的深度有一定要求，對于開采深度較高的礦區開采，應用該技術存在安全隱患。但由于該技術的應用在開采成本上投入較少，且建設時間較短，具有較高的生產效率，在國內的地下礦山開采中具有一定占比。

巖層加固技術主要是對地下礦山開采中軟弱、破碎的巖層進行加固處理，以免除開采中的安全事故，通�？煞譃橹鲃又ёo和被動支護兩種類型，其中主動支護是根據實際情況，對巖層內部結構進行改變，確保增加巖層強度，可使用錨桿、錨噴、錨注等加固方法，而被動支護則是無需對巖層結構進行改變，只對圍巖變形區域進行被動支護。在實際地下礦山開采過程中，常采用多種支護方式結合的方式，增強支護效果。隨著開采技術的不斷發展，巖層加固設備亦得到快速更新，國內的輪胎式錨桿臺車、雙臂混凝土濕噴機等先進的設備已逐漸研發出來并投入使用，不僅對我國采礦工作效率進行了提升，在開采作業安全性方面也得到了有效保證，促進巖層加固技術的機械化和智能化發展。

鑿巖爆破技術作為地下礦山開采技術的重要組成部分，現階段的鑿巖爆破技術中主要使用氣動鑿巖機和液壓鑿巖機，替代傳統采礦的手工鑿巖方式，部分地區使用的鑿巖機器人亦是鑿巖技術自動化、智能化的表現。隨著鑿巖設備類型的增加，使得鑿巖爆破技術水平得到顯著提升，實現對地下金屬礦山的高效開采。例如我國自主研制的電腦三臂鑿巖臺車，兼具行走、鑿巖、裝藥等功能，且操作程序簡單，安全系數較高，在實際應用中可保證鑿巖質量和效率，有利于減少施工人員的開采勞動強度和作業風險，顯著提升了地下開采的智能化和自動化水平。此外，針對不同的地下開采環境，精準爆破、智能爆破、綠色爆破等爆破技術已經逐漸改變了開采作業中的爆破質量，其中精準爆破通過精細化設計孔網參數，并利用計算機技術模擬爆破方案，可對地下礦山建立起精準爆破體系。智能爆破則是綜合利用智能設備，如殘孔自動識別設備、爆破震動智能預測設備等，對爆破技術進行智能化改變。而綠色爆破則是將原有爆破技術中使用的炸藥更換為新型的燃燒機，可有效的減少爆破后產生的爆破氣體，對井下空氣環境具有一定的保護和改善作用。另外，隨著技術的發展，機械物理破巖技術也得到了深度應用，此技術可免除爆破環節，借助先進的采礦機直接破除礦巖，具有較高的工作效率，且可有效控制地壓，減少爆破技術存在的風險。

在地下礦山開采過程中，運輸提升技術發揮著重要的作用，可有效實現各生產環節的連接，確保整個礦山開采工作正常順利的進行。進過技術上的革新，現階段運輸提升的主要方式有無軌運輸和有軌運輸等，自２０世紀６０年代起，無軌運輸設備應用于地下礦山開采中，對地下開采工藝具有極大的推動作用。我國現階段主要利用鏟運機進行短距離的出礦，具有易操作、出礦效率高的特點，而利用地下電車進行礦下長距離的運輸。隨著近年來地下礦山開采深度的增加，導致運輸距離更長，原有的運輸方式已經逐漸顯露出弊端，難以有效控制礦石運輸的成本，在進一步研究和創新深井礦石運輸提升技術中，高度自動化、大負載量成為了新的運輸提升方向，國內已將軌道運輸、無軌設備和膠帶運輸機等設備應用于深部開采中，實現多級豎井的提升目的，且改善了以往敞開式膠帶運輸系統的揚塵、滑落問題，研發出更適用于深井作業的封閉式膠帶運輸系統，有效的提升了運輸設備的爬坡能力和安全系數。

遠程遙控技術作為實現地下礦山開采技術智能化、自動化發展的關鍵，近年來已在國內采礦工程中日漸成熟，常見的遠程遙控技術有裝藥遙控和鑿巖遙控等多種類型的技術。雖然我國遠程遙控技術研究和應用尚處于起步階段，但遠程感知開采環境、遠程操作開采過程、遠程管控開采系統等技術已經在實際開采中發揮出自身的價值，促進了國內地下礦山開采的自動感知、自動化作業、自動語境等效果的實現。

雖然我國地下礦山開采技術已經取得一定的成果和突破，但尚未實現全方位的智能化發展目標，還需采礦企業對相關的采礦技術進行創新與研究，以下是開采技術的未來發展趨勢。

為了讓金屬資源的利用率跟隨市場經濟的快速發展，需要提升地下礦山的開采質量和效果，采用先進的開采技術和工藝，實施大規模開采，擴大地下礦山開規模的途徑有：①采用無軌開采的高階段自然崩落法；②采用高分段大間距的無底柱分段崩落法；③進行金屬礦防坍塌研究；④借助科學化開采技術，減少對金屬礦資源的浪費。通過減少大規模金屬礦開采中的不安全因素，實現科學合理的大規模開采。

根據我國可持續發展的資源開發戰略，需要加強無廢開采技術和綠色環保開采技術的研究，確保開采過程中自然資源的浪費，且盡量減少污染物和廢棄物的排放，避免金屬礦資源的開采對周圍居民正常生活造成影響，要保證地下礦山開采中的持續性和穩定性。我國未來金屬礦山的開采方向，應當會朝著綠色、環保的方向發展，注重對自然資源和環境的保護，嚴格制定法律法規，控制地下礦山開采中廢棄物的排放量，并要提升綠色環保采礦技術的性能。過度的地下礦山開采過造成地表遷移或結塊崩塌，要在開采中做好尾礦填充工作，優化回填技術，避免地下礦山開采對地表穩定性的影響，最大程度降低對周圍生態環境的破壞。綠色環保開采道路上離不開先進的開采技術和豐富的開采經驗。

對于地下礦山的開采趨勢，還應朝著信息化、智能化方向發展，由于地下金屬礦的開采環境較為復雜，其中存在著許多不安全因素，極易造成大規模的安全事故。因此，需加強開采技術的信息化發展，利用先進的技術，提升開采效果，提升開采工作的精細化操作處理，切實保證地下礦山開采施工的安全性和高效性，確保每個施工環節都能平穩有效的進行�？山�立地面開采控制平臺，對每個井下施工步驟進行遠程控制和監察，對于高危環節的工作，利用無人操作技術實施，保證施工人員的人身安全，并要保證開采過程的高效可控性。與傳統人工開采技術相比，智能化開采技術的可視化、可控性，更可以降低采礦事故安全問題的發生，并降低開采過程中的成本，為采礦企業制造更多經濟效益。

地下礦山開采技術的研究與應用，需要跟隨我國科技水平的發展，提升各環節的生產效率，并緊跟時代步伐和社會需求，對開采設備進行更新換代，對開采技術進行創新加強，確保國內的地下礦山開采工藝能夠呈現高質量、高效率發展趨勢，并符合我國可持續發展理念，推動我國采礦事業的長遠發展。(以上內容來源于網絡）