地下金屬礦山采礦技術進展及研究方向

尚余星

（西藏華泰龍礦業開發有限公司，西藏 拉薩 850212）

據不完全統計目前全球開采的有利用價值的礦產總量已經達到了200億噸，尤其是在近十年中，全球所有的金屬礦產物質以每年4%到5%的增長率逐年攀升，其中，在金屬礦產資源中硬巖資源達到了50億噸，而一些利用價值較高的金屬礦產資源開采量達到了十億多噸。而中國作為全球礦產資源較為豐富的國家之一，我國的有色金屬地下礦山資源占全國總礦山數量的89%，其中，黃金資源主要集中在烏拉嘎金礦、倉上金礦和紫金山金礦，這些情況在開采過程中需要在露天環境下操作，而其余的金屬礦產資源均需要在地下環境中進行開采。我國的地下鐵礦產量只占全國總產量的18%，但是從地下鐵礦資源的總體布局上來看，大多數礦產企業均采用的是地下開采的技術。由此不難看出，對于金屬礦山地下開采技術的研究和創新在我國的經濟建設以及工業發展中起到了不可替代的重要價值。隨著現代化科學技術以及數字技術的飛速發展，這項技術在我國各行各業中的融合改變了人們生產生活的方式，同時也推動了地下采礦技術持續性的發展。以此為背景許多新的采礦技術、采礦工藝以及采礦設備都在地下礦山開采工作中得到了廣泛的應用。尤其是我國國內部分礦山開采工作中采用的新型彩屯工藝和設備，已經達到了全球領先的水平。而這些創新型地下礦山開采技術以及設備的應用，也獲得了顯著的應用成效。尤其是在采礦的比重以及回采工藝設備方面的應用，切實地提升了我國地下礦山資源的開采效率，同時也推動了我國地下礦產資源開采工作，不斷朝著機械化以及自動化的方向發展。這些創新型地下礦產資源開采技術和礦產開采設備的應用，極大地解決了勞動生產效率低下以及采礦安全事故頻發的問題，尤其是模糊數學算法、專家系統算法以及目標決策采礦技術方法的誕生，使地下采礦方法的應用更加合理、高效，真正的使我國地下金屬礦山采礦工作在安全、經濟的前提條件下效率更高。

1 地下金屬礦山采礦工藝技術的進展

（1）充填采礦技術的進展。目前，在很多西方發達國家中充填采礦技術的實現主要依靠各類型機械化采礦設備，這些采礦設備通常體積較大，在落礦、礦洞支護以及出礦等方面發揮了巨大的作用。充填采礦工藝技術中，以膠結充填技術發展速度最快，目前，膠結充填采礦技術已經從分級尾砂膠結充填技術發展到了全尾砂高濃度膠結充填技術，最后再到不脫水、不收縮的全尾砂膠結充填技術經歷了三個發展階段。而充填采礦工藝技術在回采工藝方法上也從提高分層分段高度發展到了大孔落礦技術方面，實現了全過程半自動化、機械化的應用。

充填采礦技術其實就是實現了對金屬礦山山體的保護，為后續金屬礦山開采工作的進展鋪墊前提條件。雖然金屬礦山開采工作在持續一段時間后仍然需要繼續，但是先前挖空的采礦區域很容易面臨圍巖結構崩塌的危險，為了解決這一困擾，必須要通過強大的支護技術結合充填采礦技術對采空區域進行填充，防止踩空區域周邊的圍巖結構發生崩落的問題。這也是確保我國金屬礦產工作能夠安全進行的重要手段。填充采礦技術通常被應用在采礦條件較為復雜的地質區域中，例如，容易受到火災、水災等其他自然災害影響的地質區域，這種技術在金屬地下礦產，開采工作中的應用能夠確保后續開采工作的安全性，同時，這種填充采礦的保護方法對于采空區與周邊的自然環境影響相對較小。在通常情況下填充采礦技術，根據填充材料、填充材料運輸方式的不同可以分為三種類型。第一種是干灌裝填充技術。這種填充技術其實就是將用于充填采空區域的沙礫石通過機械輸送帶或風力輸送到需要填充的采空區域，但是這種干罐裝的填充技術通常會被應用在交通不便且經濟欠發達的區域，這種技術在應用過程中具有較高的復雜性，同時成本投入較高，因其落后的應用缺陷近年來已經不再被人們所接受。第二種方法為液壓灌裝充填采礦技術。液壓罐裝充填采礦技術其實就是將水和填充材料完全混合到研缽中，然后再通過液壓泵將填充材料運送到踩空區域，在填充材料硬化后，就可以為采空區域提供更加穩定且堅固的支護載體。第三種方法就是水泥充填技術。水泥充填技術需要通過交接充填的方式將水泥、沙子和細碎的石頭用管道運輸到采空區域，這種水泥灌裝的方式不僅工藝流程較為簡潔，同時運輸的效率也較高，以其獨特的優越性成為了地下金屬開采工作中最為常用的一種充填技術。

（2）空場采礦技術的進展。空場采礦技術也被稱作露天采礦法，這種采礦方式在我國發展歷史悠久，同時也是目前地下金屬礦山開采工作中技術最為成熟的一種方法。這種空場采礦技術的工作原理是指在采礦過程中持續的回收空場，不需要在地下金屬礦產資源開采過程中填埋踩空區域，只需要在采空區域架設知戶型結構支撐整個礦井。采用空場采礦技術在開采過程中，首先需要對采礦區域進行切分，將采礦區域分別分為礦房和支柱兩個部分，在地下金屬礦產資源開采過程中，需要先開采礦房地區然后再對采空區域進行支護工作。空場采礦技術根據礦體結構以及開采特征的不同，可以分為房柱采礦法、綜采法、階段采礦法等幾種不同的采礦方式。

根據不完全統計，很多國外的礦產企業采用空場采礦技術的出礦量占地下金屬總采礦量的60%以上，其中，尤其是以南非的全面采礦法、加拿大和西班牙的階段空場采礦法最為突出。盡管不同國家采用的采礦形式具有一定的差異性，但總體上來說，這些國家的大多數都是空場采礦法，主要通過在開采階段以一些大型的運輸裝卸設備作為輔助工具進行地下金屬礦產資源的開采。

（3）崩落采礦技術。目前，我國地下金屬采礦工程中最為常見的一種采礦方式就是崩落采礦法，其中，尤其以分階段崩落采礦技術的應用占比最大。根據我國1985年地下金屬礦產工程的開采統計數據發現，我國的有色金屬地下礦山在開采過程中采用崩落采礦產出的礦石占總產量的44.4%，這種方法主要被應用在開采鐵礦的礦山企業中。目前，有砥柱分段崩落開采方法在我國冶金礦山中應用的比已經高達80%，在未來，通過這項技術持續性的發展，這項技術的應用范圍還會更加廣闊。而崩落采礦技術在全球范圍內的應用也是極其廣泛的，其中，以瑞典的lk公司大規模地下金屬開采企業最出名。某公司在大規模的地下金屬采礦工程中使用的采礦方法主要為有砥柱分段崩落采礦法，這種采礦方式通過與機械設備和自動化控制技術的相互結合，切實的提升了礦產資源開采的效率和安全性。崩落采礦版能夠有效地彌補露天采礦方式的缺陷性，能夠在金屬礦產資源開采過程中較好地維護地下礦產資源的持續性生產能力。尤其是隨著經濟建設以及工業的發展，許多不可再生的金屬資源也讓全球絕大多數國家都面臨著資源枯竭的危機，在節約資源和環境保護的號召作用下，目前已經有許多西方發達國家開始大規模地普及有砥柱分段崩落采礦法，這項技術的應用能夠使地下金屬礦產資源的生產率提升一倍以上，同時，這項技術與現代化科學技術的相互結合，還能通過計算機模擬和數據處理的方式計算出開采過程中周邊圍巖結構的重力，對于維護礦洞的穩定性以及提升金屬采礦的效率具有重要價值。

2 我國地下金屬礦產開采工作中存在的主要問題

第一，我國雖然具有豐富的地下礦藏資源，但是由于粗放型發展的歷史遺留問題，導致目前我國的地下金屬礦產資源存在貧礦多、富礦少的現象，尤其是國內的一些大型和特大型礦產資源較少，許多稀缺的金屬礦產資源缺口嚴重。除此之外，目前我國在地下金屬礦產資源開發過程中為了能夠取得更大的經濟效益，存在只注重采集富礦而放棄貧礦的現象，這也造成了礦產資源的大規模浪費。第二，我國幅員遼闊，南北方地區經濟發展水平以及采礦技術發展水平差別較大，同時，不同地區的礦產行業發展水平也具有較大的差異性。在一些地下金屬礦產技術較為發達的地區，采礦的效率以及采礦技術的應用已經達到了國際領先水平，但是在我國。許多欠發達的地區還是存在采礦技術落后、采礦設備老舊的問題，在采礦工作中采礦貧化率較高，無法實現高效的地下金屬礦產資源開采工作。第三，目前我國國內的地下金屬礦產資源綜合利用效率較低，對于資源的回收利用效率不足。通常情況下有色礦山地下埋藏著多種金屬礦產資源，而在礦產資源開采過程中，對于礦物質的回收和應用也得到了社會范圍內的重視。目前，國外已經有部分發達國家在多金屬礦產資源的綜合回收以及在利用方面的技術水平達到了一定的高度，而我國在多金屬的綜合利用回收以及再利用技術的研發方面，相比于西方發達國家來說還存在一定的差距。除此之外，目前，我國對于地下金屬礦產資源的綜合利用效率低于20%，而對于礦產資源的回收利用效率僅僅達到了30%，距離全球綜合的礦產資源應用水平存在較大的差距。第四，在采礦工作中，由于機械設備應用不到位或不注重對于采空區域的充填還可能會引發地面塌陷的問題。尤其是許多陳舊的地下金屬礦產資源開采企業，在開采工作中不注重對于礦洞的填補以及環境的維護，導致地下金屬礦產資源的開采破壞了周邊的地形地貌，同時，對于地下水環境的良性運行也帶來了消極影響。此外，在礦山開采工作中存在較大的環保性問題，無法維系目前經濟社會發展與環境保護之間的平衡關系。第五，目前在我國的地下金屬礦產資源開采行業中，采礦技術的提升以及對于現代化信息技術的應用成為迫切需求。傳統的地下金屬礦產開采企業必須要轉變成熟的發展觀念，在開采工作中不能夠以單純的犧牲生態環境以及高耗能的開采方法作為提升產量的切入點，而是應該從根本上改良地下金屬礦產資源的開發技術和開發水平，能夠真正意義上的實現對地下金屬礦產資源的合理開發以及對于開采區域周邊自然環境的保護，不斷推動我國金屬開采企業向綠色化以及環保化的方向發展。

3 地下金屬礦山開采技術未來的發展方向

通過對我國地下金屬礦產技術的不斷研究和創新，在未來，我國地下金屬礦產企業在發展過程中，更應該注重采用安全穩定的金屬礦產資源開采技術，能夠在復雜的礦產開采區域通過對現代化信息技術以及進行采礦技術的應用，使理論研究能夠與采礦工作相結合，建立起更加經濟、安全和高效的地下金屬礦產資源開采模式。

（1）環保和綠色化的發展方向。目前，我國的地下金屬礦產資源在開采工作中存在不能連續開采、開采效率較低、礦產資源浪費量較大等問題，因此，在未來的地下金屬礦產企業發展過程中，研究連續性、環保化和綠色化的地下金屬礦產資源開采技術，將成為我國礦產企業新的發展趨勢。在全球范圍內的許多西方發達國家中，為了實現可持續的發展理念很多礦產企業在長期的發展過程中已經意識到了粗放型發展模式對環境帶來的影響。因此，在對礦產技術的研究和應用過程中，將側重點放在了對于礦山環境的綜合治理方面，嚴格的控制金屬礦產資源開采過程中廢水、廢氣、廢渣以及其他污染物質的排放標準。在未來，我國的地下金屬礦產資源開采工作也應該將側重點放在對于踩空區域的治理方面，將對礦山地區環境的綜合保護和綜合管理放在首要位置，通過引入國際上先進的地下金屬礦產資源開采技術以及綜合管理技術，建設綠色環保的礦山環境，達到不浪費任何一塊礦產資源的目標。例如，早在20世紀英國就已經提出了將采空區域的充填水封閉在充填材料內部，從而達到節約用水的目的，同時，還成功研制了金屬礦產采礦區域充填的快速凝固以及快速硬化砂漿系統。隨后，國際上又有許多大型的礦產公司對于踩空區域的充填材料和充填技術進行了研究。而我國國內也有近十余家的礦產企業，對于高水速凝固化的充填材料進行了創新和研究（如圖1）。近年來在我國許多采礦企業中又出現了高壓風流態化造漿充填工藝這種新型的充填技術，這種技術在應用過程中具有前期投資較少、充填濃度高且自動化程度較高等特征，在未來，將會廣泛地應用到地下金屬礦產資源的采空區域填充工作中。

圖1 高水速凝固化的充填材料創新

（2）采礦設備向無軌化、自動化的方向發展。目前，國際上已經有許多地下金屬礦產企業開始將一些大型的無軌化采礦設備應用在地下金屬礦產資源的開采工作中，這些設備可以通過與現代化信息技術和人工模擬技術的協同應用實現對地下金屬礦藏韻含量以及蘊含區域的分析，為地下金屬礦產資源開采工作的前期規劃設計提供了準確的數據支持。在地下金屬礦產資源開采過程中，利用更多半自動化以及大型的機械化設備進行輔助開采，有效地提升了礦產資源開采的速度和工作效率。而這些半自動化以及自動化的大型無軌化采礦設備，也成為了未來地下金屬礦產資源開采過程中機械設備的發展方向（如圖2）。除此之外，許多現代化的礦山通訊技術以及自動化控制技術也會應用在礦山開采工作中，屆時地提升了地下金屬礦山資源開采的科學管理水平。例如，無線電通信技術以及礦山設備的遠程遙控和監控技術在地下金屬礦山資源中的應用，就極大地提升了礦山資源開采工作中的安全性以及高效性，通過這種跟蹤性地控制和監測方式，實現了對圍巖結構承重狀態的實時監測以及預報，極大地提升了地下金屬礦產資源開采工作的效率以及安全性。

圖2 未來地下金屬礦產資源開采過程中機械設備的發展方向

（3）提升礦產資源的再利用效率。通過對無廢開采技術的研究，能夠最大限度地減少地下金屬礦產資源開采過程中廢棄物的產出量和排放量，同時，也能切實的提升尾砂等其他資源的綜合利用效率，進一步減輕或杜絕地下金屬礦產資源開發過程中對周邊自然環境帶來的負面影響。目前，無費采礦技術在研究階段已經取得了突飛猛進的發展，從長遠的發展角度來看，無廢開采技術將成為未來我國地下金屬礦產企業持續性發展的重要研究方向之一。例如，可以通過研究地下金屬礦產資源開采過程中對于尾砂的綜合利用效率，有效地避免尾砂堆積對于地下采空區域帶來的影響。除此之外，尾砂在利用技術的研究和應用還能夠有效地節約為剎倉庫儲存的投資成本，真正達到了廢物再利用以及經濟適用性的雙重目標。

4 結語

綜上所述，為了推動社會的持續性發展，提高我國采礦企業生存以及發展的核心競爭力，更應該在地下金屬礦產資源開采工程中研究創新性的開采技術和開采設備，推動我國地下金屬礦產開采企業不斷朝綠色化、自動化以及高效化的方向發展。