地下金屬礦采礦是一個(gè)系統(tǒng)工程，包括開拓、采準(zhǔn)和采礦（如圖1、地下礦采礦模型），每個(gè)環(huán)節(jié)都需要爆破。所以，如何安全高效的爆破，是每個(gè)采礦人研究的課題。
圖1 地采模型
目前，金屬礦山正面臨著“由淺至深、由易至難、由富至貧”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期，在理論技術(shù)、裝備等方面都面臨著全新挑戰(zhàn)。面對(duì)以上挑戰(zhàn)，金屬礦山地下開采關(guān)鍵技術(shù)的研究顯得尤為關(guān)鍵?，F(xiàn)在,金屬礦山地下開采關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面:鑿巖爆破技術(shù)、運(yùn)輸提升技術(shù)、巖層加固技術(shù)、膏體充填技術(shù)、遠(yuǎn)程遙控技術(shù)。圍繞這五大關(guān)鍵技術(shù),本研究系統(tǒng)綜述其發(fā)展歷程及新進(jìn)展，金屬礦山地下開采關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。
圖2 金屬礦山地下開采關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)
1.鑿巖爆破技術(shù)
鑿巖爆破技術(shù)是金屬礦開采過程中的重要技術(shù)，同時(shí)在金屬礦開采的長(zhǎng)期發(fā)展中也是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)。因此，持續(xù)提高鑿巖爆破效率,對(duì)于金屬礦山安全高效開采至關(guān)重要。目前,鑿巖爆破技術(shù)仍是地下開采的主要落礦手段,從最初的手工鑿巖到氣動(dòng)鑿巖機(jī)、液壓鑿巖機(jī)、鑿巖臺(tái)車(牙輪鉆機(jī)、潛孔鉆機(jī)),乃至現(xiàn)在的鑿巖機(jī)器人，鑿巖技術(shù)逐漸從機(jī)械化開始向自動(dòng)化、智能化、環(huán)保化方向發(fā)展。
經(jīng)過長(zhǎng)期的研究，國(guó)內(nèi)外相繼研發(fā)了適合各種條件的鑿巖設(shè)備。近年來，隨著鑿巖設(shè)備的完善,美國(guó)、加拿大等國(guó)家在地下開采中將露天鑿巖爆破技術(shù)引入進(jìn)來,中深孔分段鑿巖被大直徑階段深孔替代,取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。例如瑞典研發(fā)了一系列掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車,具有鑿巖效率高、操作安全、污染小等優(yōu)點(diǎn);我國(guó)自主研制了集行走、鑿巖和裝藥作業(yè)于一體的全電腦三臂鑿巖臺(tái)車,具有操作簡(jiǎn)單、安全系數(shù)高、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，這些設(shè)備保證了鑿巖質(zhì)量與效率,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度與作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，自動(dòng)化、智能化、環(huán)保化水平達(dá)到了一個(gè)新高度。同時(shí)，由于地下開采的條件不同，且井巷掘進(jìn)和采礦作業(yè)應(yīng)用條件不同,傳統(tǒng)地下礦山常用的爆破方式呈現(xiàn)多樣化，普遍使用微差爆破、擠壓爆破和光面爆破等技術(shù),在一定程度上改善了爆破質(zhì)量。
隨著爆破技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)爆破技術(shù)逐漸向精準(zhǔn)爆破綠色爆破、智能爆破方向發(fā)展。精準(zhǔn)爆破主要通過孔網(wǎng)參數(shù)精細(xì)化設(shè)計(jì)、爆破能耗理論研究及爆破方案模擬構(gòu)建礦山精準(zhǔn)爆破體系;綠色爆破主要采用新型燃燒劑代替炸藥，無爆破氣體產(chǎn)生,大幅改善了井下空氣環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了井下綠色爆破;智能爆破主要通過爆破智能設(shè)計(jì)、智能裝備、爆破振動(dòng)智能預(yù)測(cè)及殘孔自動(dòng)識(shí)別等共同構(gòu)成智能爆破系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)爆破技術(shù)的智能化。
在技術(shù)不斷進(jìn)步和創(chuàng)新的新時(shí)代,鑿巖爆破技術(shù)已經(jīng)由傳統(tǒng)的方法發(fā)展到機(jī)械物理破巖等非爆破巖技術(shù)。例如采用連續(xù)采礦機(jī)對(duì)中硬及以下礦巖進(jìn)行機(jī)械破巖,工作效率高,施工條件好,有利于地壓控制;利用高壓水射流/熱力破碎的物理破巖技術(shù)，克服了單獨(dú)機(jī)械能破巖的限制,不產(chǎn)生粉塵和火花,大幅改善了作業(yè)環(huán)境。但由于能耗大、成本高、道具磨損嚴(yán)重等問題,至今尚未在我國(guó)進(jìn)行普及推廣，同時(shí)現(xiàn)階段我國(guó)在信息技術(shù)與人工智能技術(shù)研發(fā)方面起步晚,智能化的相關(guān)核心技術(shù)仍主要依賴國(guó)外。因此,目前我國(guó)硬巖礦山尚未真正實(shí)現(xiàn)連續(xù)開采。
2.運(yùn)輸提升技術(shù)
運(yùn)輸提升系統(tǒng)在地下礦山生產(chǎn)中占有極其重要的地位,通過運(yùn)輸提升可將各個(gè)環(huán)節(jié)連成一個(gè)有機(jī)整體,從而保證礦山正常生產(chǎn)。采場(chǎng)出礦經(jīng)歷了“人工一有軌一無軌”運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展歷程,形成了從有軌為主、無軌為輔逐漸向無軌為主、有軌為輔的新局面。地下礦山采用無軌自行設(shè)備運(yùn)輸始于20世紀(jì)60年代,隨著地下無軌設(shè)備的完善,地下無軌開采技術(shù)得到了迅速發(fā)展,推動(dòng)了地下開采工藝的變革,是目前地下開采的發(fā)展趨勢(shì)。采場(chǎng)短距離出礦采用鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)輸,具有操作方便、工作可靠、出礦效率高、運(yùn)行靈便等優(yōu)點(diǎn);井下長(zhǎng)距離運(yùn)礦采用地下汽車,目前國(guó)外應(yīng)用較多,國(guó)內(nèi)較為少見。提升距離隨著采深的增加不斷增加,提升技術(shù)面臨著越來越大的挑戰(zhàn),同時(shí)伴隨著各種礦石物料提升成本的增加。因此,發(fā)展深井礦石提升技術(shù)尤為重要。在總體上向大型化、大負(fù)載高度自動(dòng)化方向發(fā)展是礦井運(yùn)輸提升的未來總趨勢(shì)。經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展,在深部開采中,絕大多數(shù)礦井借助軌道運(yùn)輸、膠帶運(yùn)輸機(jī)或無軌設(shè)備等,進(jìn)行多級(jí)豎井提升,例如在南非TauTona金礦采用3級(jí)豎井提升方式,在豎井之間再通過膠帶或者無軌設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。傳統(tǒng)敞開式膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是極易導(dǎo)致?lián)P塵和滑落,污染井下環(huán)境，爬坡能力差,安全系數(shù)低;如今SiCON公司研發(fā)了封閉式膠帶運(yùn)輸系統(tǒng),防止運(yùn)輸中的滑落和揚(yáng)塵，運(yùn)輸速度可超過3 m/s,提升坡度能達(dá)到36°,適當(dāng)改進(jìn)該系統(tǒng)有望在未來應(yīng)用于深部開采的礦石運(yùn)輸提升中。目前,水力提升方式主要應(yīng)用在深海開采中,近年來,部分研究者試圖將水力提升應(yīng)用在深部礦井中,該過程可連續(xù)進(jìn)行,更容易實(shí)現(xiàn)提升過程的自動(dòng)化與智能化,但是利用水力提升需要在深井建立礦石的破碎系統(tǒng)和粉磨系統(tǒng),當(dāng)前難以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。與此同時(shí),也出現(xiàn)了磁懸浮升降機(jī)提升這種創(chuàng)新性的構(gòu)想,但仍需開展深入細(xì)致的研究。這些新技術(shù)、新方法及新工藝給礦井運(yùn)輸提升領(lǐng)域注入了新鮮血液，極大地促進(jìn)了運(yùn)輸提升技術(shù)、方法及工藝的創(chuàng)新和革新。
3.巖層加固技術(shù)
金屬礦山主要針對(duì)軟弱、破碎、高應(yīng)力的巖層進(jìn)行加固。巖層加固技術(shù)可分為被動(dòng)支護(hù)和主動(dòng)支護(hù),被動(dòng)支護(hù)無法改變巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu),只能被動(dòng)承受圍巖變形,例如傳統(tǒng)的木支護(hù)、砌碹支護(hù)以及鋼拱架支護(hù)等;主動(dòng)支護(hù)可以改變巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu),主動(dòng)加強(qiáng)巖層自身強(qiáng)度,例如錨桿(錨索)、錨注、錨噴以及錨網(wǎng)噴等支護(hù)方式 ,其中錨注支護(hù)、錨噴支護(hù)以及錨網(wǎng)噴支護(hù)屬于復(fù)合支護(hù),錨噴支護(hù)更是成為了金屬礦山巖層的主要加固技術(shù)。全長(zhǎng)式錨桿和黏結(jié)式錨桿復(fù)合成全長(zhǎng)黏結(jié)式錨桿,極大提高了錨固強(qiáng)度,在工程實(shí)際中具有很好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景;噴射混凝土從以往的干噴發(fā)展到如今的濕噴,改善了作業(yè)環(huán)境,防止了巖層剝落。將噴射混凝土和錨桿進(jìn)行有效結(jié)合,可以在一定范圍內(nèi)控制圍巖的自由變形,使圍巖應(yīng)力重新分布,可有效防止巖層剝離掉落。隨著科技的迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)外都在加大有關(guān)錨噴支護(hù)先進(jìn)裝備的使用。例如國(guó)外已研發(fā)了一系列錨桿臺(tái)車、濕噴車以及掛網(wǎng)臺(tái)車等設(shè)備,同時(shí),我國(guó)自主研制了輪胎式錨桿臺(tái)車(履帶式錨桿臺(tái)車)、礦用濕噴機(jī)以及兩臂混凝土濕噴機(jī)等設(shè)備,在提高工作效率的同時(shí),降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,保證了作業(yè)安全,在一定程度上實(shí)現(xiàn)了巖層加固技術(shù)的機(jī)械化、智能化。經(jīng)過數(shù)次技術(shù)革新,巖層加固技術(shù)已從傳統(tǒng)被動(dòng)的單一支護(hù)發(fā)展到新型主動(dòng)的復(fù)合支護(hù),今后將呈現(xiàn)出機(jī)械化、智能化的發(fā)展趨勢(shì),以期提高安全性和作業(yè)效率。
4.膏體充填技術(shù)
金屬礦山開采引起的固廢污染、水體污染、大氣污染和侵占土地等現(xiàn)象十分嚴(yán)重。隨著充填采礦技術(shù)與裝備的發(fā)展,膏體充填技術(shù)為解決傳統(tǒng)采礦問題和金屬礦山開采所引起的環(huán)境污染問題提供了新思路,將全尾砂等礦山固體廢棄物制備成飽和態(tài)、無泌水、牙膏狀的結(jié)構(gòu)流料漿,進(jìn)行膏體充填,可協(xié)同解決尾礦庫和采空區(qū)這兩個(gè)重大隱患,從而保證礦山可持續(xù)發(fā)展。與傳統(tǒng)的水砂充填相比,膏體充填具有“三不”特性,即漿體不分層、不離析、不脫水。目前我國(guó)已建成國(guó)際首個(gè)工業(yè)級(jí)的膏體充填試驗(yàn)平臺(tái),占地約2000m2,設(shè)備200余套,具有工業(yè)級(jí)精度高、功能全、智能化的特點(diǎn),可以對(duì)膏體充填工藝全流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、參數(shù)檢測(cè)并指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐，尤其多管徑、多走向、多流量的環(huán)管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，檢測(cè)結(jié)果較傳統(tǒng)方法更接近實(shí)際。
金屬礦膏體充填的各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的共性基礎(chǔ)理論為金屬礦膏體流變學(xué),以膏體流變本構(gòu)方程為研究?jī)?nèi)容,以理論計(jì)算、流變實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬為主要研究手段,滿足膏體充填中尾砂濃密、膏體攪拌、膏體輸送以及充填固化這4個(gè)工藝環(huán)節(jié)的工程需求。其中，濃密技術(shù)旨在獲得穩(wěn)定合適的底流濃度，為制備合格膏體奠定基礎(chǔ);攪拌技術(shù)使物料混合均勻,為膏體管道輸送流態(tài)化和力學(xué)特性均質(zhì)化提供條件;輸送技術(shù)追求低能耗、少磨損;填充技術(shù)實(shí)現(xiàn)充填體強(qiáng)度均勻分布與充分接頂率，上述4種工藝對(duì)應(yīng)著膏體充填的四大關(guān)鍵技術(shù)。膏體充填技術(shù)具有“安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效”的豐富內(nèi)涵，是金屬礦山綠色開采體系的一個(gè)重要技術(shù)支撐，被我國(guó)有關(guān)部委列為示范技術(shù),是全球礦業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。膏體充填核心理論體系架構(gòu)如圖3所示。
圖3 膏體充填核心理論體系架構(gòu)
5.遠(yuǎn)程遙控技術(shù)
隨著科技的發(fā)展,采礦技術(shù)也在不斷進(jìn)步，從最初的人工開采到機(jī)械化開采,再到現(xiàn)在的自動(dòng)化開采、智能化開采,不論是自動(dòng)化開采還是智能化開采，遠(yuǎn)程遙控都是其核心技術(shù)。為此，遠(yuǎn)程遙控技術(shù)在現(xiàn)代化礦山開采中將扮演著不可替代的角色,是現(xiàn)代采礦發(fā)展的重要技術(shù)手段。遠(yuǎn)程遙控技術(shù)在國(guó)際上已是一種比較成熟的控制技術(shù),也是地下礦山發(fā)展的一個(gè)方向，其中包括鑿巖遙控、裝藥遙控、出礦遙控等。但是該技術(shù)是一個(gè)國(guó)家工業(yè)整體發(fā)展到一定高度后的配套應(yīng)用技術(shù),目前在我國(guó)尚未全面推廣。遠(yuǎn)程遙控關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在開采環(huán)境遠(yuǎn)程感知、開采過程遠(yuǎn)程操作、開采系統(tǒng)遠(yuǎn)程管控這3個(gè)方面，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)感知與分析、無人作業(yè)、遠(yuǎn)程調(diào)配、自動(dòng)預(yù)警及遠(yuǎn)程決策等功能。
突破地下金屬礦智能開采的關(guān)鍵技術(shù)，提高我國(guó)礦山企業(yè)和開采裝備制造企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力,促進(jìn)我國(guó)從礦業(yè)大國(guó)走向礦業(yè)強(qiáng)國(guó)提供技術(shù)支撐