目前，金屬礦山正面臨著“由淺至深、由易至難、由富至貧”的關鍵轉型期，在理論技術、裝備等方面都面臨著全新挑戰。面對以上挑戰，金屬礦山地下開采關鍵技術的研究顯得尤為關鍵。現在,金屬礦山地下開采關鍵技術主要體現在以下五個方面:鑿巖爆破技術、運輸提升技術、巖層加固技術、膏體充填技術、遠程遙控技術。圍繞這五大關鍵技術,本研究系統綜述其發展歷程及新進展，金屬礦山地下開采關鍵技術架構如圖2所示。
圖2 金屬礦山地下開采關鍵技術架構
1.鑿巖爆破技術
鑿巖爆破技術是金屬礦開采過程中的重要技術，同時在金屬礦開采的長期發展中也是一個薄弱的環節。因此，持續提高鑿巖爆破效率,對于金屬礦山安全高效開采至關重要。目前,鑿巖爆破技術仍是地下開采的主要落礦手段,從最初的手工鑿巖到氣動鑿巖機、液壓鑿巖機、鑿巖臺車(牙輪鉆機、潛孔鉆機),乃至現在的鑿巖機器人，鑿巖技術逐漸從機械化開始向自動化、智能化、環保化方向發展。
經過長期的研究，國內外相繼研發了適合各種條件的鑿巖設備。近年來，隨著鑿巖設備的完善,美國、加拿大等國家在地下開采中將露天鑿巖爆破技術引入進來,中深孔分段鑿巖被大直徑階段深孔替代,取得了不錯的應用效果。例如瑞典研發了一系列掘進鑿巖臺車,具有鑿巖效率高、操作安全、污染小等優點;我國自主研制了集行走、鑿巖和裝藥作業于一體的全電腦三臂鑿巖臺車,具有操作簡單、安全系數高、施工成本低等優點，這些設備保證了鑿巖質量與效率,降低了勞動強度與作業風險，自動化、智能化、環保化水平達到了一個新高度。同時，由于地下開采的條件不同，且井巷掘進和采礦作業應用條件不同,傳統地下礦山常用的爆破方式呈現多樣化，普遍使用微差爆破、擠壓爆破和光面爆破等技術,在一定程度上改善了爆破質量。
隨著爆破技術的發展,傳統爆破技術逐漸向精準爆破綠色爆破、智能爆破方向發展。精準爆破主要通過孔網參數精細化設計、爆破能耗理論研究及爆破方案模擬構建礦山精準爆破體系;綠色爆破主要采用新型燃燒劑代替炸藥，無爆破氣體產生,大幅改善了井下空氣環境,實現了井下綠色爆破;智能爆破主要通過爆破智能設計、智能裝備、爆破振動智能預測及殘孔自動識別等共同構成智能爆破系統,實現爆破技術的智能化。
在技術不斷進步和創新的新時代,鑿巖爆破技術已經由傳統的方法發展到機械物理破巖等非爆破巖技術。例如采用連續采礦機對中硬及以下礦巖進行機械破巖,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，克服了單獨機械能破巖的限制,不產生粉塵和火花,大幅改善了作業環境。但由于能耗大、成本高、道具磨損嚴重等問題,至今尚未在我國進行普及推廣，同時現階段我國在信息技術與人工智能技術研發方面起步晚,智能化的相關核心技術仍主要依賴國外。因此,目前我國硬巖礦山尚未真正實現連續開采。
2.運輸提升技術
運輸提升系統在地下礦山生產中占有極其重要的地位,通過運輸提升可將各個環節連成一個有機整體,從而保證礦山正常生產。采場出礦經歷了“人工一有軌一無軌”運輸技術的發展歷程,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備運輸始于20世紀60年代,隨著地下無軌設備的完善,地下無軌開采技術得到了迅速發展,推動了地下開采工藝的變革,是目前地下開采的發展趨勢。
采場短距離出礦采用鏟運機運輸,具有操作方便、工作可靠、出礦效率高、運行靈便等優點;井下長距離運礦采用地下汽車,目前國外應用較多,國內較為少見。提升距離隨著采深的增加不斷增加,提升技術面臨著越來越大的挑戰,同時伴隨著各種礦石物料提升成本的增加。因此,發展深井礦石提升技術尤為重要。在總體上向大型化、大負載高度自動化方向發展是礦井運輸提升的未來總趨勢。經過長期發展,在深部開采中,絕大多數礦井借助軌道運輸、膠帶運輸機或無軌設備等,進行多級豎井提升,例如在南非TauTona金礦采用3級豎井提升方式,在豎井之間再通過膠帶或者無軌設備進行轉運。傳統敞開式膠帶運輸系統雖然結構簡單,但是極易導致揚塵和滑落,污染井下環境，爬坡能力差,安全系數低;如今SiCON公司研發了封閉式膠帶運輸系統,防止運輸中的滑落和揚塵，運輸速度可超過3 m/s,提升坡度能達到36°,適當改進該系統有望在未來應用于深部開采的礦石運輸提升中。
目前,水力提升方式主要應用在深海開采中,近年來,部分研究者試圖將水力提升應用在深部礦井中,該過程可連續進行,更容易實現提升過程的自動化與智能化,但是利用水力提升需要在深井建立礦石的破碎系統和粉磨系統,當前難以進行實際應用。與此同時,也出現了磁懸浮升降機提升這種創新性的構想,但仍需開展深入細致的研究。這些新技術、新方法及新工藝給礦井運輸提升領域注入了新鮮血液，極大地促進了運輸提升技術、方法及工藝的創新和革新。
3.巖層加固技術
金屬礦山主要針對軟弱、破碎、高應力的巖層進行加固。巖層加固技術可分為被動支護和主動支護,被動支護無法改變巖層內部結構,只能被動承受圍巖變形,例如傳統的木支護、砌碹支護以及鋼拱架支護等;主動支護可以改變巖層內部結構,主動加強巖層自身強度,例如錨桿(錨索)、錨注、錨噴以及錨網噴等支護方式 ,其中錨注支護、錨噴支護以及錨網噴支護屬于復合支護,錨噴支護更是成為了金屬礦山巖層的主要加固技術。全長式錨桿和黏結式錨桿復合成全長黏結式錨桿,極大提高了錨固強度,在工程實際中具有很好的推廣價值和應用前景;噴射混凝土從以往的干噴發展到如今的濕噴,改善了作業環境,防止了巖層剝落。將噴射混凝土和錨桿進行有效結合,可以在一定范圍內控制圍巖的自由變形,使圍巖應力重新分布,可有效防止巖層剝離掉落。
隨著科技的迅速發展,國內外都在加大有關錨噴支護先進裝備的使用。例如國外已研發了一系列錨桿臺車、濕噴車以及掛網臺車等設備,同時,我國自主研制了輪胎式錨桿臺車(履帶式錨桿臺車)、礦用濕噴機以及兩臂混凝土濕噴機等設備,在提高工作效率的同時,降低了勞動強度,保證了作業安全,在一定程度上實現了巖層加固技術的機械化、智能化。經過數次技術革新,巖層加固技術已從傳統被動的單一支護發展到新型主動的復合支護,今后將呈現出機械化、智能化的發展趨勢,以期提高安全性和作業效率。
4.膏體充填技術
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象十分嚴重。隨著充填采礦技術與裝備的發展,膏體充填技術為解決傳統采礦問題和金屬礦山開采所引起的環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、無泌水、牙膏狀的結構流料漿,進行膏體充填,可協同解決尾礦庫和采空區這兩個重大隱患,從而保證礦山可持續發展。與傳統的水砂充填相比,膏體充填具有“三不”特性,即漿體不分層、不離析、不脫水。目前我國已建成國際首個工業級的膏體充填試驗平臺,占地約2 000 m2,設備200余套,具有工業級精度高、功能全、智能化的特點,可以對膏體充填工藝全流程進行實驗、參數檢測并指導系統設計和工程實踐，尤其多管徑、多走向、多流量的環管實驗系統，檢測結果較傳統方法更接近實際。
金屬礦膏體充填的各個工藝環節的共性基礎理論為金屬礦膏體流變學,以膏體流變本構方程為研究內容,以理論計算、流變實驗和數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個工藝環節的工程需求。其中，濃密技術旨在獲得穩定合適的底流濃度，為制備合格膏體奠定基礎;攪拌技術使物料混合均勻,為膏體管道輸送流態化和力學特性均質化提供條件;輸送技術追求低能耗、少磨損;填充技術實現充填體強度均勻分布與充分接頂率，上述4種工藝對應著膏體充填的四大關鍵技術。膏體充填技術具有“安全、經濟、環保、高效”的豐富內涵，是金屬礦山綠色開采體系的一個重要技術支撐，被我國有關部委列為示范技術,是全球礦業領域的研究熱點。膏體充填核心理論體系架構如圖3所示。
圖3 膏體充填核心理論體系架構
5.遠程遙控技術
隨著科技的發展,采礦技術也在不斷進步，從最初的人工開采到機械化開采,再到現在的自動化開采、智能化開采,不論是自動化開采還是智能化開采，遠程遙控都是其核心技術。為此，遠程遙控技術在現代化礦山開采中將扮演著不可替代的角色,是現代采礦發展的重要技術手段。遠程遙控技術在國際上已是一種比較成熟的控制技術,也是地下礦山發展的一個方向，其中包括鑿巖遙控、裝藥遙控、出礦遙控等。但是該技術是一個國家工業整體發展到一定高度后的配套應用技術,目前在我國尚未全面推廣。遠程遙控關鍵技術主要體現在開采環境遠程感知、開采過程遠程操作、開采系統遠程管控這3個方面，從而實現自動感知與分析、無人作業、遠程調配、自動預警及遠程決策等功能。
突破地下金屬礦智能開采的關鍵技術，提高我國礦山企業和開采裝備制造企業的市場競爭能力,促進我國從礦業大國走向礦業強國提供技術支撐。
內容來自礦山系統工程研究院
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