金屬礦業(yè)的前沿領域-深部采礦

金屬礦業(yè)的前沿領域

——深部采礦中南大學古德生2009年10月11

前言

在人類發(fā)展的長河中，礦業(yè)始終貫穿于整個歷史過程——現(xiàn)代文明源于礦業(yè);

沒有礦業(yè)的發(fā)展，就沒有國家的工業(yè)化和國防現(xiàn)代化——礦業(yè)立于基礎地位;

礦物資源緊缺的形勢嚴峻，礦床開發(fā)正逐步轉向深部——礦業(yè)步入前沿領域;引領采礦科技的發(fā)展方向,把握金屬礦業(yè)發(fā)展的未來----礦業(yè)工作者的責任。

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下面,就深部開采討論六個問題：

一、礦業(yè)支撐著國家的可持續(xù)發(fā)展二、金屬礦業(yè)正逐步轉向深部開采三、深部開采特殊環(huán)境的災害控制四、經(jīng)濟、安全的深井規(guī)?；_采五、推進深部開采科學技術的發(fā)展六、構建金屬礦山未來的采礦模式

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31一、礦業(yè)支撐著國家的可持續(xù)發(fā)展

1.金屬礦業(yè)支撐著國家的可持續(xù)發(fā)展2.未來20-30年是資源消耗的高峰期3.積極應對礦資源的短缺形勢

4411．金屬礦業(yè)支撐著國家的可持續(xù)發(fā)展

礦業(yè)是國家經(jīng)濟安全和國防安全的基礎產(chǎn)業(yè)。金屬礦業(yè)支撐著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展。見下表：年度199019952000200220052008人均GDP,美元200581820109017033266鋼產(chǎn)量，萬噸653596361285022234439354000十種有色金屬產(chǎn)量,萬噸239496783126013652520

1990-2008年，國民經(jīng)濟增長15.3倍,同期鋼增長7.3倍,十種有色金屬增長9.5倍。沒有金屬產(chǎn)量的同步增長，就沒有國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。551

我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，但是，在很大程度上是以消耗資源和犧牲環(huán)境為代價。

●

消耗資源——

2006年.我國GDP占世界總量5.5%，而資源消耗：

能源消耗占世界15%（24.6億噸標準煤)、鋼材消耗占世界30%（3.88億噸）、水泥消耗占世界54%（12.4億噸）。

●

犧牲環(huán)境——

礦業(yè)是破壞環(huán)境最嚴重的行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計：我國黑色和有色礦山每年新增排放的廢石、尾砂、廢渣以10億噸的速度增長;共伴生資源的綜合利用率很低---冶金企業(yè)為

20%,有色企業(yè)為30-35%(發(fā)達國家達70%),

我國這種粗放的增長方式,已經(jīng)難以維繼。6

61

2．未來20-30年是我國資源消耗高峰期

我國正處于工業(yè)化中期階段，就是資源消耗強度最大的時期，今后20-30年是我國資源消耗的高峰期。

隨著人均GDP的增長，人均金屬礦產(chǎn)消耗量呈“S”形曲線變化。如下圖所示。7

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71據(jù)預測：我國的鋼、銅、鋁、鋅四種金屬,達到“S”形曲線峰值的時間，及其金屬消費量，見下表。

峰值消費量相當大。中國主要金屬消費需求預測表金屬2000年消費量“S”型曲線達峰值時間峰值年消費量鋼，億噸1.422012—20133.60—3.80銅，萬噸1882019—2023535—685鋁，萬噸3302022—20281300—1630鋅，萬噸1232012—2013220—2358813、積極應對礦資源短缺的形勢

（1）我國礦資源短缺的形勢嚴峻

我國是礦業(yè)大國，礦產(chǎn)資源相對豐富,占世界總量的12%，居世界第53位;我國占世界人口1/4，人均資源只有世界平均水平的1/3（其中鐵42.4%,銅23.3%、鋁7.3%）,關系到國計民生的大宗礦產(chǎn),如富鐵、銅、鋁資源短缺已成定局。礦產(chǎn)是不可再生資源，經(jīng)過長期大規(guī)模開發(fā)，淺部礦產(chǎn)資源已逐漸枯竭.我國陸地的礦產(chǎn)開發(fā)主要向兩個方向發(fā)展：①加速開發(fā)西部（高寒）地區(qū)礦床；②大規(guī)模開發(fā)深部礦床。從長遠考慮，國家對海底、極地資源開發(fā)也很重視，為維護我國海洋權益,國家投入也很大的。但是，要真正進入工業(yè)開采、還是深不可及。9

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●我國資源形勢嚴峻，金屬礦產(chǎn)的保證度低，見下表:編號礦產(chǎn)名稱可供儲量保證度%2010年2020年1鐵（礦石）59382錳（礦石）83223鉻（礦石）524銅（金屬）1995鉛（金屬）35226鋅（金屬）33177鋁（金屬）83378鎳（金屬）113499鎢（WO3）1498910錫（金屬）593511鉬（金屬）21585101（2）礦業(yè)正逐步向深部礦床開采過渡

21世紀，我國金屬礦床開采正逐步轉向五類礦床——貧礦床、軟破礦床、水體下礦床、深部礦床和高寒地區(qū)礦床。其中，重點要發(fā)展的、也是最經(jīng)濟、有效的是開發(fā)“深部礦床”。

深部開采是礦業(yè)發(fā)展的必然——實際情況表明，

我國大部分礦集區(qū)的大中型礦山，深、邊部的資源遠景還很大，這些礦山終將轉向深部開采。與世界礦業(yè)一樣，礦床開采深度越來越大。國內開采深度已經(jīng)到l400多米，而國外達到4000多米。深部礦床開采處于一個特殊的作業(yè)環(huán)境，有許多科學技術問題需要我們去解決,礦業(yè)科技工作者面臨許多挑戰(zhàn)，我們的科研工作要逐步向深部開采轉移，走在礦業(yè)發(fā)展的前面。11111（3）實施全球的礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略

●全球資源配置的格局目前，占世界人口不到1/4的發(fā)達國家，消耗著全球3/4的礦產(chǎn)資源，而廣大發(fā)展中國家，只占1/4。這就是全球礦產(chǎn)資源配置的格局。

美國是世界上消費礦產(chǎn)最大的國家:Cu、Pb、Zn、Al、Ni、M0六種金屬的消費量是中國的5.9—32.4倍。

●

全球資源爭奪的態(tài)勢礦產(chǎn)資源是不可再生的。資源的有限性與世界經(jīng)濟發(fā)展對資源需求的無限性，是一對矛盾；再加上礦產(chǎn)資源的地理分布不均，這是全球爭奪資源和國際關系緊張的動因。美國前國務卿黑格就說過：“冷戰(zhàn)實質上是一場資源戰(zhàn)”。12

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爭奪態(tài)勢——目前,世界有4300多家礦業(yè)公司（不包括煤和石油）在100多個國家開展勘查、開發(fā)。其中美、加、澳三國的礦業(yè)公司幾乎占全球的2/3（加拿大公司占全球37%，美國公司占17%，澳大利亞公司占9.5%）

。

●實施全球資源戰(zhàn)略世界上沒有一個國家的礦產(chǎn)資源能夠自給自足的，實施全球資源戰(zhàn)略是發(fā)達國家的成功經(jīng)驗,我國也不能例外。我國已經(jīng)有上千個地礦公司在國外從事資源礦產(chǎn)的勘探與開發(fā)。全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略、已經(jīng)成為我們國家全球戰(zhàn)略的一個重要組成部分。我們國家的方針是：“積極開展資源外交”，“互利共贏，共同發(fā)展”。

13131二、金屬礦業(yè)正逐步轉向深部開采

1.深部開采的“深部”界定2.我國大批金屬礦山向深部開采過渡3.國外大批金屬礦山轉向深部開采4.深部開采處于“三高”的特殊環(huán)境

141411、深部開采的“深部”界定

何謂深部開采？

●

學術表達——隨著開采深度的增加，巖石地應力不斷增大，當增大到某一值時，巖爆發(fā)生頻率出現(xiàn)明顯增加的現(xiàn)象，超過這一臨界深度的礦床開采，就定義為“深部開采”。

●

一般約定——由于礦巖的復雜性，同樣的開采深度，地應力不一定相同，因此，上述“深部開采”的定義有很大的不確定性。因此，一般約定把大于800–1000米深度的礦床開采,視為“深部開采”。151512、我國大批金屬礦山向深部開采過渡上世紀五、六十年代建的一批金屬礦山，經(jīng)過長期開采，資源已逐步枯竭，大型露天礦所剩無幾，地下礦山也有3/5接近尾聲或已瀕臨關閉,其余2/5正逐步向深部礦床開采過渡。超過千米的礦山有:——夾皮溝金礦1600m,會澤鉛鋅礦1360m,紅透山銅礦1300m,冬瓜山銅礦1100m,壽王墳銅礦1000m,弓長嶺鐵礦1000mm;此外,凡口鉛鋅礦，金川鎳礦，高峰錫礦，湘西金礦等重點礦山，都已進入深部開采。

161613、國外有大批金屬礦山轉向深部開采

在國外.據(jù)不完全統(tǒng)計，在非煤礦山中.開采深度超過1000m的礦山有80多座。

①按國家來劃分：

加拿大30座.南非15座.美國11座，印度4座.澳大利亞4座,俄羅斯.波蘭.和贊比亞分別為2座；

②按開采礦種分:在80多座深井礦山中,金礦26座、銅礦18座、鎳礦9座、鉀鹽礦7座、鉛鋅礦6座、銀礦5座、鈾礦4座、鐵礦3座；

③按開采深度劃分：深度1000-2000m的60座，2000-3000m的12座，3000m以上的有3座，其中最深的是南非卡里頓維爾金礦,豎井深4164m，開采深度已達3800m。17171

4、深部開采處于“三高”的特殊環(huán)境當開采深度達到800-1000米時，一般界定為礦山轉入深井開采。它是個特殊的開采環(huán)境——高應力、高井溫、高井深?！叭蛩亍笔巧罹闹饕聻囊蛩?/p>

高應力(40-80Mpa)——誘發(fā)巖爆、導致冒頂，使支護困難，危及作業(yè)安全，采礦方法與支護技術不相適應等；

高井溫(30-60℃)——導致礦石自燃、炸藥自爆，工作環(huán)境惡化,在高溫環(huán)境下，人的生理承受到限制；

高井深(1000-5000m)——導致提升.通風.排水.充填的困難增大，效率降低，費用增大，等。18181

三、深部開采特殊環(huán)境的災害控制

1、關于深井高應力災害問題2、關于深井高溫的熱害問題3、關于高深井的技術難題

191911、關于深井高應力災害問題

（1）國外概況

●狀況——在深井采掘進過程中，由于工程擾動，將增大礦巖應力，可使軟巖冒落，誘發(fā)硬巖巖爆。巖爆發(fā)生往往沒有預兆，其猛烈程度足以傷人。在國外，于1900年在印度Kolar金礦最早觀察到巖爆；1906年，美國Atlantic礦也發(fā)生了一次巖爆，地震強度達到了里氏3.6級，導致鐵軌彎曲,礦山停工;巖爆還誘發(fā)空氣爆炸，導致火災。

在南非，金礦的賦存較深，據(jù)南非采礦工程師協(xié)會統(tǒng)計，1994～1998年受重傷礦工有13.9萬人，死亡2264人;傷亡的主要原因是——在深井高應力環(huán)境下作業(yè)、沒有相適應的采礦工藝技術。20201

●

科研——1977年、國際巖石力學學會成立了巖爆問題的專門委員會。20世80年代加拿大開展了為期10年的兩個深井研究計劃：包括微震監(jiān)測、巖爆預報、計算機模擬、巖爆潛在區(qū)的支護體系、巖爆危險評估等。在美國，密西根工業(yè)大學及西南研究院與國防部合作，就巖爆和天然地震引發(fā)的地震信號與核爆信號的差異的辯別，進行過研究。在南非，為了解決3000～5000m深的金礦安全、經(jīng)濟開采的關鍵問題，從1998年開始啟動了一個深井研究計劃，耗資1380萬美元，取得了包括——水壓支柱、水力鉆機、深井制冷降溫、快速連續(xù)采礦法、采場括板運輸機、井下粗磨—浮選，將富集細粒精礦泵送地表等系列創(chuàng)新性成果。21211

（2）國內概況我國于1933年在撫順勝利礦最早出現(xiàn)巖爆問題，到目前為止，已有紅透山銅礦、冬瓜山銅礦等20多個礦井有過發(fā)生巖爆的記錄。針對金屬礦深井開采的重大問題，我國“九五”開展了《千米深井礦山300萬噸級強化開采綜合技術》國家攻關；“十五”開展了《大型緊缺金屬礦資源基地勘查與高效開采技術研究》國家攻關；2001年就《深部巖體力學基礎研究問題》舉辦了香山學術會議；2003年啟動了國家自然科學基金重大項目《深部巖體力學基礎與應用研究》；2009年，國家自然科學基金重點項目《高應力硬巖礦床非爆連續(xù)開采理論與技術基礎研究》又獲得立項。國家對深部開采問題給以高度重視。近年，我國在巖爆發(fā)生機制、預測、監(jiān)控等方面，做了大量研究工作；一些控制巖爆的深井開采工藝技術，在冬瓜山礦床開采設計之中得到了應用。222212、關于深井高溫的熱害問題

（1）深井的熱害根據(jù)歐洲對2000m的鉆孔觀測，地溫梯度大體為3℃/100m。

影響井下溫度的主要熱源有:圍巖散熱、坑內熱水放熱、礦巖氧化放熱、機電設備放熱，空氣壓縮放熱和人體放熱等。

南非的西部礦,井深3300m，井下氣溫達到50℃；日本豐羽鉛鋅礦，采深500m，但受裂隙熱水影響，井下氣溫達到80℃。

在我國，上世紀90年代已有熱害礦井70個（含臺灣省20個），其中40個煤礦的采掘工作面超過30℃，最高達40℃；金屬礦山有的達45℃。根據(jù)我國《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：井下工作面氣溫

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不得超過26℃；超過30℃時，必須停止作業(yè)，采取降溫措施。南非設計礦山降溫系統(tǒng)時，一般將礦井溫度控制在28℃以內（指氣流通過采場后的濕球溫度）。

據(jù)南非多年調查統(tǒng)計，當井下作業(yè)地點的空氣濕球溫度達到28.9℃時（相當于干球溫度30℃），勞動生產(chǎn)力明顯降低，并開始出現(xiàn)中暑死亡事故。下表為南非金礦井下溫度與事故率的關系表。（2）深井礦山降溫方式---有四種：

①通風降溫。通過增大風量和風速來“稀釋”井下熱量，改善人體散熱條件。這是大斷面巷道中常用的方法。但在深井礦山僅靠通風難以達到降溫要求。24作業(yè)地點氣溫，℃27293132工傷，頻次/千人0150300450241

②

壓縮空氣降溫——是一種工作面降溫的輔助方法。雖然有效，但成本太高;

③

供水制冷降溫——有三種方式:

▲井下分散制冷——空調地點增多，制冷機散發(fā)大量熱量，既不經(jīng)濟也難以滿足降溫要求。

▲

井上、井下聯(lián)合制冷——目的在于改善井下冷凝溫度過高的問題,采用兩級循環(huán)輸送冷水，即井筒中用高壓管路，井下用低壓管路，用高、低壓換熱器在井底車場附近連接。

▲井上集中制冷——因為是地表比井下的冷凝溫度低，井上預冷塔制冷效率高，并且安裝、維修容易，成本也相對低。地表制冷廠出來的水一般為2-4℃。25251

④

地表制冰降溫——冰塊破碎后通過管道輸送到井下冷庫內，然后通過熱交換系統(tǒng)對空氣和水進行冷卻，這可以提高冷量輸送效率，減少井下的泵水量，降低泵水成本。南非的試驗收到很好的效果。這是新的發(fā)展方向。（3）深井降溫實例

南非—斯坦總統(tǒng)金礦，礦井深3200m處，原巖溫度高達63℃，就在地表建立7000千瓦的制冷站，制造100升/秒的冷卻水，為井下空氣降溫。

澳大利亞—布羅肯希爾鉛鋅礦，在井下生產(chǎn)中段建立制冷站，為工作面空氣降溫服務。

在我國，新汶礦務局孫村礦建立了我國第一個井下集中制冷站；平頂山八礦建立了我國第二個井下制冷系統(tǒng)，都取得較好效果。262613、關于高井深的技術難題

（1）開采深度的極限

南非德蘭士瓦公司設計的礦井最大深度為4000m,以此作為開采深度的極限。因為：

①4000m深的地壓很大,進行采礦爆破后,易集中引發(fā)巖爆,從而可能出現(xiàn)一次能量大釋放的地震事故；

②4000m深處的原巖溫度通常達到45-50℃，礦井降溫問題非常突出;

③礦山排水和通風也出現(xiàn)許許多多困難。

④深井提升的經(jīng)濟合理性問題。因為深井提升的有效載重量將隨深度增加而顯著下降，提升費用必然大幅增加.因此。一段提升一般不超過2000m，當達到2000-4000m井深時，往往就需要采用兩段提升。27271（2）深井提升的實例國家礦名井深(米)年產(chǎn)量(萬噸)礦井提升裝備加拿大克賴頓鎳礦井深21722559（主井3座)直徑6m、寬2m滾筒式卷揚機,鋼絲繩直徑57.15mm,纏繞4層，4477kw,15噸雙箕斗美國圣曼紐爾銅礦井深12501770（主井4座）有二臺卷大揚機：5222kw卷揚機,配26.3噸箕斗；4476kw卷揚機,配21噸箕斗南非卡里頓維爾礦開拓深4154采深38003329（主井2座）采用兩段提升（分為2300m和2000m），采用直徑6m的滾筒式卷揚機，21噸箕斗281

世界上最大直徑的多繩提升機---德國曾經(jīng)制造了一臺大型四繩落地式提升機,摩擦輪直徑達9米(我國最大是5米),

箕斗有效載重30噸,提升高度1200米,提升速度20米/秒,電機功率2×3710kw。超千米深井的提升速度一般為15-20米/秒。近年來,我國在深部開采的科研取中得了一些成果,積累了一定的經(jīng)驗。但是,在礦床埋藏深、巖溫高、巖爆傾向大、品位低、開采強度大的條件下，如何實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、高效、清潔生產(chǎn),有許多關鍵技術有待進一步開展深系統(tǒng)研究。

29291四、經(jīng)濟、安全的深井規(guī)模化開采

1、裝備大型化，推進深井開采現(xiàn)代化

2、提高裝備水平，實現(xiàn)高效采礦3、規(guī)?；_采的采礦設計新理念４、國外地下礦山規(guī)模化開采的實例

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1、裝備大型化推進深井開采現(xiàn)代化

采礦技術的變革依賴于采礦裝備的創(chuàng)新。沒有采礦裝備的創(chuàng)新和發(fā)展，就不可能有采礦工藝技術的進步.近20年來，國外地下采礦裝備在實現(xiàn)無軌化和液壓化的基礎上，正在向大型化、智能化方向發(fā)展：

鏟運機：載重25噸的電動鏟運機已下井運營；遙控鏟運機又逐步微型化（斗容2立方米，載重2噸）。（我國只研制開發(fā)了0.76、1、2、3立方米的柴油及電動鏟運機）；

井下汽車：120噸七軸大型卡車（瑞典）已開始取代45和65噸卡車（我國只有8-15噸）；

鑿巖臺車:自動遙控臺車,正在取代原有臺車;31

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輔助設備：廣泛采用錨噴車、裝藥車、撬毛護頂車、材料車、運人車等無軌輔助車輛；

遙控設備：近年已有遙控鏟運機、遙控鑿巖臺車和無人駕駛汽車在地下礦山試運行；已開發(fā)了鑿巖機器人、裝載機器人。我國礦山裝備總體落后，絕大多數(shù)礦山仍處于上世紀六十年代的水平，僅少數(shù)礦山達到上世紀八十年代的水平；其原因是多方面的。要盡快改變這種現(xiàn)狀?！锏V山裝備落后，必然是生產(chǎn)規(guī)模小、安全條件差、經(jīng)營管理粗放。我國要大力提高礦山裝備水平。

323212、提高裝備水平實現(xiàn)高效采礦

（1）采礦方法正朝規(guī)?；较虬l(fā)展

國外礦山80%以上采用無軌設備.大型化,智能化的成套無軌設備,使各類采礦方法的采礦效率大幅度提高。

增大采場參數(shù)和簡化采場結構——采礦方法正在朝高階段(120—200米)、大采場（礦段）、采準切割合一、一步驟回采的方向發(fā)展。（2）出礦工藝向連續(xù)化方向發(fā)展

為解決落礦高效率與出礦低效率的矛盾，出礦運輸工藝逐步從間歇式工藝，向”鏟運機、破碎機—膠帶運輸機”配套的間斷—連續(xù)工藝過渡；

33

331（3）礦床開采向一步驟回采的連續(xù)采礦發(fā)展

▲連續(xù)采礦的模式——

①單一采礦機的連續(xù)采礦

②基于爆破破巖的一步驟回采連續(xù)采礦（與采裝運機組配套）。

基于爆破破巖的連續(xù)采礦的含義——以礦段為回采單元，采用一步驟回采的采礦方法，回采過程中落礦、出礦、運礦作業(yè)在相鄰采場的不同空間、平行連續(xù)進行,采、裝、運設備互相銜接，采礦過程不留永久性礦柱,在階段上連續(xù)推進.稱之“連續(xù)采礦”。

▲連續(xù)采礦達到帶來的重大變革

①回采工作面連續(xù)推進，有利于井下采礦作業(yè)的合理集中，實現(xiàn)高強度采礦；

②從根本上解決多中段作業(yè)及大量資源損失的問題.

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③

階段連續(xù)回采時，強采、強出、強充，圍巖暴露時間短，有利于采場地壓控制；

④

它推動著地下金屬礦山作業(yè)機械化，生產(chǎn)集中化和管理科學化的進程，促進礦山現(xiàn)代化。

連續(xù)采礦代表著采礦工藝的變革方向,是采礦技術發(fā)展的必然。3、規(guī)?；_采的采礦設計新理念

大型裝備與連續(xù)采礦工藝的結合，實現(xiàn)了規(guī)?；_采,采礦效率大幅提高。礦山產(chǎn)量將不再完全受原設計服務年限的制約。而是把礦床開采看成是對土地的臨時占用，力求速戰(zhàn)速決,采后盡快恢復生態(tài)環(huán)境。

35351４、國外地下礦山規(guī)?；_采的實例

◆智利的埃爾特尼恩特銅礦——采用連續(xù)落礦的盤區(qū)崩落采礦法，年產(chǎn)礦石3500萬噸。

◆瑞典基魯納鐵礦——采用高分段無底柱崩落采礦法，年產(chǎn)量超過2000萬噸。

◆俄羅斯塔什塔科爾鐵礦——采用沿走向推進一步驟回采的階段強制崩落法,每一回采步距落礦20萬噸，年產(chǎn)量超過400萬噸。

◆菲律賓菲勒吉斯采礦公司礦山——屬低品位礦石，銅品位0.30%，金0.6克/噸,原用自然崩落法,后改為強制崩落法,生產(chǎn)規(guī)模為26000噸/日；這是一個通過規(guī)?；_采、使低品位礦床變?yōu)橛欣蓤D的范例。36361五、推進深部開采科學技術的發(fā)展

１.拓寬深井開采研究的技術思路２.深井開采中的重要科學問題３.深部開采的重大工程技術問題

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371１、拓寬深井開采研究的技術思路

在深部開采中，安全、工效、成本、資源回收等等都受到新的挑戰(zhàn)，面臨許多科學技術問題。（1）深井開采研究的傳統(tǒng)技術思路幾十年來，人們把“三個因素”總看作是致災因素,因此，科研工作主要集中在災害防治方面，如研究巖爆機理與預測、熱害抑制與降溫、提升自動化與系統(tǒng)監(jiān)測等。無疑這是重要研究課題，但研究思路過窄，有礙于深井開采的技術創(chuàng)新和實現(xiàn)采礦工藝技術的根本性的變（2）創(chuàng)新技術思路事實上，任何事物都有兩面性,“三因素”可以是致災因素，但是否可以突破傳統(tǒng)思維，把三個致災因素誘變?yōu)橛欣蛩囟右岳媚?來擴展深井科學技術的發(fā)展空間呢?回答是肯定的。38381高應力(40-80Mpa)---高應力隱含的能量，是否有利于極堅硬礦巖的致裂破碎，來提高破碎質量？是否可以利用來創(chuàng)造一種高應力誘導破碎的連續(xù)采礦法呢？

高井溫(30-60℃)---井下熱能是否可以利用呢？將熱能送到地面,通過地面的熱交換來實現(xiàn)井下工作面降溫呢？高井溫是否有利于對貧礦進行原地破碎溶浸采礦、提高礦物溶浸效果呢？

高井深(1000-5000m)---深井高水頭，是否可以作為新的動力源，推動高水動力采礦設備的開發(fā)呢？推動礦物水力提升的發(fā)展呢？是否促使人們更堅定地走廢石不出坑的無廢開采的道路呢？39

391２、深井開采中的重要科學問題①高應力礦巖的巖爆研究——巖爆發(fā)生機制、巖爆發(fā)生的臨界能量準則，高應力區(qū)域災害預測及定位等；②深井高應力礦巖致裂誘變研究——高應力環(huán)境下的礦巖致裂誘變機理、礦巖致裂的臨界環(huán)境、致裂方法、堅硬礦巖工程動力擾動的能量傳遞等；③深井開采中高溫環(huán)境控制研究——天然巖體裂隙介質中多相流耦合作用機制、熱環(huán)境控制方法與經(jīng)濟模式等；④深部高應力的變異規(guī)律及其對巖石力學行為的影響——深部巖石流變特性，采掘空間變形與破壞及自適應控制等；⑤深井原創(chuàng)性采礦模式研究——高應力誘導破碎連續(xù)采礦模式、高應力環(huán)境下的采礦系統(tǒng)與工程結構等。40401

上述科學問題，都涉及巖石力學問題。巖體工程是個多場(應力.溫度.滲流)多相(固.液.氣)環(huán)境下的地質構造與工程結構相互耦合的問題，是高度非線性問題。巖體的本構關系至今還沒有能被廣泛接受的概念模型。固體力學難以描述和解決巖體工程的力學問題。？因此，我們要加強深井巖石力學的研究。在研究的思路與方法上也應該有所突破——就是要更加重視動、靜組合加載環(huán)境下的巖石力學問題，而不能停留在研究靜載環(huán)境下的巖石力學問題。要研究沖擊載荷作用下的巖石力學問題（任何礦巖工程都承受著沖擊載荷）。對研究深井巖石力學來說，現(xiàn)有的實驗裝置也有很大的局限性。要通過加強深井巖石力學的研究，引導采礦工程逐步從經(jīng)驗走向科學。41411３、深部開采的重大工程技術問題

①深井高應力礦巖誘導破碎連續(xù)采礦技術——重點研究高應力環(huán)境下的強制與誘導耦合落礦技術,以實現(xiàn)集中強化采礦，減少礦柱損失，有效地控制地壓；②深井連續(xù)出礦工藝系統(tǒng)——解決落礦高效率與出礦低效率的問題，提高礦山機械化自動化水平；③深井環(huán)境再造高效采礦技術——通過采礦環(huán)境再造，實現(xiàn)深部松軟破碎礦體和緩傾斜礦體的高效率采礦；④深井低品位礦床原地破碎溶浸采礦——研究采用極小補償空間、一次爆破礦巖的致裂技術；⑤深井高應力環(huán)境下的采礦系統(tǒng)與工程結構——最大限度地減少巷道變形、井筒破裂、采場失穩(wěn)和巖爆與沖擊地壓問題；42421⑥深井高濃度漿體和膏體充填技術——重點要研究高濃度漿體和膏體的輸送技術(包括膏體自流輸送技術),以及深井管道磨損和廢石充填注漿技術等；⑦深井水力提升技術——利用深井排水的動力來提升粗碎礦石，解決深井提升量大、提升成本高的問題。⑧建設井下選廠(粗選廠)——減少提升裝備投入，減少提升量.降低提升成本；實現(xiàn)廢石少出坑的無廢開采。⑨深井上行開采技術——上行開采對上部礦體的擾動比較小、對減少采場頂板壓力、縮短工作線長度和實現(xiàn)無廢開采有其重要現(xiàn)實意義；⑩深井開采移動目標跟蹤、定位與井下安全預警——實現(xiàn)深井致災環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測與災害有效應急。43431

此外，還有：⑾深井巖爆區(qū)的巷道支護與采場巖層控制技術；⑿深部礦床大規(guī)模開采實時數(shù)值仿真技術；⒀深井當量藥包深孔爆破技術；⒁中硬礦巖非爆機械采礦技術；⒂深井高應力的轉移與可控卸壓技術；⒃深井熱場仿真與熱害控制技術；⒄深井無廢開采的礦廢分離技術；等等。44

441六、金屬礦山未來的采礦模式

1、金屬礦山未來采礦模式的提出2、推進采礦過程的智能化遙控化3、智能化遙控化的地下采礦實例

４、二十一世紀金屬礦業(yè)的目標

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1.金屬礦山未來采礦模式的提出

●采礦技術的發(fā)展軌跡——手工采礦、機械化采礦、自動化機械化采礦、智能化遙控化采礦（即無人采礦)。

●實現(xiàn)礦業(yè)的跨越式發(fā)展----21世紀，信息技術深刻地影響著人類社會的發(fā)展,

用信息化改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),已是我國經(jīng)濟結構調整和轉變經(jīng)濟發(fā)展方式的必由之路，礦業(yè)也不例外。

特別是深部開采礦山,必須應用信息技術和先進適用技術，來提升傳統(tǒng)礦業(yè)的裝備、工藝和方法，改變傳統(tǒng)的經(jīng)營理念和管理手段,以增強礦山的創(chuàng)新能力和國際競爭力。

●

我們的任務---從建設數(shù)字礦山著手,逐步推進采礦過程的智能化、遙控化,向無人采礦的理想境界推進。46

4612.推進采礦過程的智能化、遙控化(1)建設數(shù)字礦山

①建立礦區(qū)地表及礦床模型三維可視化信息系統(tǒng);②建立有效的生產(chǎn)經(jīng)營管理信息系統(tǒng)。包括礦山規(guī)劃、開采方案.生產(chǎn)計劃.統(tǒng)計調度.生產(chǎn)監(jiān)控.地測管理.經(jīng)營管理及經(jīng)濟活動分析等等，并形成企業(yè)局域網(wǎng)絡；③建立以光纖、泄漏電纜、或無線電通訊為主體的多媒體通訊網(wǎng)絡。形成語音、視頻和數(shù)據(jù)同網(wǎng)傳輸?shù)木W(wǎng)絡體系，實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)分布式共享；④采用傳感器網(wǎng)絡技術,實現(xiàn)開采環(huán)境、生產(chǎn)過程、礦山安全、設備運轉的監(jiān)控與數(shù)據(jù)自動采集、智能分析及可視化處理；⑤

采用工業(yè)以太網(wǎng).通過智能控制及視頻監(jiān)視系統(tǒng),實現(xiàn)

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礦井提升、運輸、通風、排水系統(tǒng)等設備的智能化集中控制。(2)智能化和遙控化采礦

①何謂智能化遙控化采礦——就是在礦山數(shù)字化的環(huán)境下,智能化采礦設備(機器人)與現(xiàn)代化采礦調度系統(tǒng)的集成，即無人采礦。隨著微電子技術和衛(wèi)星通訊技術的飛速發(fā)展，采礦設備的自動化和智能化的進程明顯加快，無人駕駛的程式化控制和集中控制的采礦設備，正進入工業(yè)應用階段，它為無人采礦的變革,提供了重要技術條件。

②實現(xiàn)智能化遙控化采礦

◆采用成熟的計算機軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)從礦山資源、開采設計方案優(yōu)化、生產(chǎn)計劃與開采環(huán)境的數(shù)字化、模型化與可視化；48

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◆運用多媒體、模擬、仿真、虛擬技術，再現(xiàn)真實礦山的整體與生產(chǎn)活動全過程（包括生產(chǎn)調度、過程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測與災害預警等等）；

◆通過整個生產(chǎn)過程實時動態(tài)響應的信息集成，實現(xiàn)主體采礦設備的集中控制或無人駕駛的程式化控制；

◆采用智能化采礦設備的自動定位與導航系統(tǒng)，使礦山生產(chǎn)過程從單個工序到整個礦山系統(tǒng),實現(xiàn)生產(chǎn)過程的遠程操作,最終實現(xiàn)礦山生產(chǎn)數(shù)字化、辦公室化。(3)無人采礦模式的目標

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21世紀，已引入了一種全新的采礦理念，就是構建一種新的無人采礦模式。其目標就是——實現(xiàn)資源與開采環(huán)境數(shù)字化，技術裝備智能化、生產(chǎn)過程控制可視化、信息傳輸網(wǎng)絡化、生產(chǎn)管理與決策科學化。這是21世紀世界礦業(yè)的最高追求。49491(4)實現(xiàn)無人采礦需要多學科交叉——礦床開采是一個復雜、多變、信息隱蔽、難以預測的大系統(tǒng)。因此，在推進智能化遙控采礦的過程中,從信息采集、傳輸、處理、集成、顯示,到應用于生產(chǎn)過程的自動控制，所涉及領域非常廣泛。因此需要多學科交叉（包括數(shù)字地質學、巖體力學、現(xiàn)代采礦學、信息工程與系統(tǒng)工程、機器人與自動化理論控制論、工程管理理論等）,在這過程中，礦業(yè)工作者將始終處于主導地位。

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