地下金属矿山采矿技术进展及研究方向

尚余星

（西藏华泰龙矿业开发有限公司，西藏 拉萨 850212）

据不完全统计目前全球开采的有利用价值的矿产总量已经达到了200亿吨，尤其是在近十年中，全球所有的金属矿产物质以每年4%到5%的增长率逐年攀升，其中，在金属矿产资源中硬岩资源达到了50亿吨，而一些利用价值较高的金属矿产资源开采量达到了十亿多吨。而中国作为全球矿产资源较为丰富的国家之一，我国的有色金属地下矿山资源占全国总矿山数量的89%，其中，黄金资源主要集中在乌拉嘎金矿、仓上金矿和紫金山金矿，这些情况在开采过程中需要在露天环境下操作，而其余的金属矿产资源均需要在地下环境中进行开采。我国的地下铁矿产量只占全国总产量的18%，但是从地下铁矿资源的总体布局上来看，大多数矿产企业均采用的是地下开采的技术。由此不难看出，对于金属矿山地下开采技术的研究和创新在我国的经济建设以及工业发展中起到了不可替代的重要价值。随着现代化科学技术以及数字技术的飞速发展，这项技术在我国各行各业中的融合改变了人们生产生活的方式，同时也推动了地下采矿技术持续性的发展。以此为背景许多新的采矿技术、采矿工艺以及采矿设备都在地下矿山开采工作中得到了广泛的应用。尤其是我国国内部分矿山开采工作中采用的新型彩屯工艺和设备，已经达到了全球领先的水平。而这些创新型地下矿山开采技术以及设备的应用，也获得了显著的应用成效。尤其是在采矿的比重以及回采工艺设备方面的应用，切实地提升了我国地下矿山资源的开采效率，同时也推动了我国地下矿产资源开采工作，不断朝着机械化以及自动化的方向发展。这些创新型地下矿产资源开采技术和矿产开采设备的应用，极大地解决了劳动生产效率低下以及采矿安全事故频发的问题，尤其是模糊数学算法、专家系统算法以及目标决策采矿技术方法的诞生，使地下采矿方法的应用更加合理、高效，真正的使我国地下金属矿山采矿工作在安全、经济的前提条件下效率更高。

1 地下金属矿山采矿工艺技术的进展

（1）充填采矿技术的进展。目前，在很多西方发达国家中充填采矿技术的实现主要依靠各类型机械化采矿设备，这些采矿设备通常体积较大，在落矿、矿洞支护以及出矿等方面发挥了巨大的作用。充填采矿工艺技术中，以胶结充填技术发展速度最快，目前，胶结充填采矿技术已经从分级尾砂胶结充填技术发展到了全尾砂高浓度胶结充填技术，最后再到不脱水、不收缩的全尾砂胶结充填技术经历了三个发展阶段。而充填采矿工艺技术在回采工艺方法上也从提高分层分段高度发展到了大孔落矿技术方面，实现了全过程半自动化、机械化的应用。

充填采矿技术其实就是实现了对金属矿山山体的保护，为后续金属矿山开采工作的进展铺垫前提条件。虽然金属矿山开采工作在持续一段时间后仍然需要继续，但是先前挖空的采矿区域很容易面临围岩结构崩塌的危险，为了解决这一困扰，必须要通过强大的支护技术结合充填采矿技术对采空区域进行填充，防止踩空区域周边的围岩结构发生崩落的问题。这也是确保我国金属矿产工作能够安全进行的重要手段。填充采矿技术通常被应用在采矿条件较为复杂的地质区域中，例如，容易受到火灾、水灾等其他自然灾害影响的地质区域，这种技术在金属地下矿产，开采工作中的应用能够确保后续开采工作的安全性，同时，这种填充采矿的保护方法对于采空区与周边的自然环境影响相对较小。在通常情况下填充采矿技术，根据填充材料、填充材料运输方式的不同可以分为三种类型。第一种是干灌装填充技术。这种填充技术其实就是将用于充填采空区域的沙砾石通过机械输送带或风力输送到需要填充的采空区域，但是这种干罐装的填充技术通常会被应用在交通不便且经济欠发达的区域，这种技术在应用过程中具有较高的复杂性，同时成本投入较高，因其落后的应用缺陷近年来已经不再被人们所接受。第二种方法为液压灌装充填采矿技术。液压罐装充填采矿技术其实就是将水和填充材料完全混合到研钵中，然后再通过液压泵将填充材料运送到踩空区域，在填充材料硬化后，就可以为采空区域提供更加稳定且坚固的支护载体。第三种方法就是水泥充填技术。水泥充填技术需要通过交接充填的方式将水泥、沙子和细碎的石头用管道运输到采空区域，这种水泥灌装的方式不仅工艺流程较为简洁，同时运输的效率也较高，以其独特的优越性成为了地下金属开采工作中最为常用的一种充填技术。

（2）空场采矿技术的进展。空场采矿技术也被称作露天采矿法，这种采矿方式在我国发展历史悠久，同时也是目前地下金属矿山开采工作中技术最为成熟的一种方法。这种空场采矿技术的工作原理是指在采矿过程中持续的回收空场，不需要在地下金属矿产资源开采过程中填埋踩空区域，只需要在采空区域架设知户型结构支撑整个矿井。采用空场采矿技术在开采过程中，首先需要对采矿区域进行切分，将采矿区域分别分为矿房和支柱两个部分，在地下金属矿产资源开采过程中，需要先开采矿房地区然后再对采空区域进行支护工作。空场采矿技术根据矿体结构以及开采特征的不同，可以分为房柱采矿法、综采法、阶段采矿法等几种不同的采矿方式。

根据不完全统计，很多国外的矿产企业采用空场采矿技术的出矿量占地下金属总采矿量的60%以上，其中，尤其是以南非的全面采矿法、加拿大和西班牙的阶段空场采矿法最为突出。尽管不同国家采用的采矿形式具有一定的差异性，但总体上来说，这些国家的大多数都是空场采矿法，主要通过在开采阶段以一些大型的运输装卸设备作为辅助工具进行地下金属矿产资源的开采。

（3）崩落采矿技术。目前，我国地下金属采矿工程中最为常见的一种采矿方式就是崩落采矿法，其中，尤其以分阶段崩落采矿技术的应用占比最大。根据我国1985年地下金属矿产工程的开采统计数据发现，我国的有色金属地下矿山在开采过程中采用崩落采矿产出的矿石占总产量的44.4%，这种方法主要被应用在开采铁矿的矿山企业中。目前，有砥柱分段崩落开采方法在我国冶金矿山中应用的比已经高达80%，在未来，通过这项技术持续性的发展，这项技术的应用范围还会更加广阔。而崩落采矿技术在全球范围内的应用也是极其广泛的，其中，以瑞典的lk公司大规模地下金属开采企业最出名。某公司在大规模的地下金属采矿工程中使用的采矿方法主要为有砥柱分段崩落采矿法，这种采矿方式通过与机械设备和自动化控制技术的相互结合，切实的提升了矿产资源开采的效率和安全性。崩落采矿版能够有效地弥补露天采矿方式的缺陷性，能够在金属矿产资源开采过程中较好地维护地下矿产资源的持续性生产能力。尤其是随着经济建设以及工业的发展，许多不可再生的金属资源也让全球绝大多数国家都面临着资源枯竭的危机，在节约资源和环境保护的号召作用下，目前已经有许多西方发达国家开始大规模地普及有砥柱分段崩落采矿法，这项技术的应用能够使地下金属矿产资源的生产率提升一倍以上，同时，这项技术与现代化科学技术的相互结合，还能通过计算机模拟和数据处理的方式计算出开采过程中周边围岩结构的重力，对于维护矿洞的稳定性以及提升金属采矿的效率具有重要价值。

2 我国地下金属矿产开采工作中存在的主要问题

第一，我国虽然具有丰富的地下矿藏资源，但是由于粗放型发展的历史遗留问题，导致目前我国的地下金属矿产资源存在贫矿多、富矿少的现象，尤其是国内的一些大型和特大型矿产资源较少，许多稀缺的金属矿产资源缺口严重。除此之外，目前我国在地下金属矿产资源开发过程中为了能够取得更大的经济效益，存在只注重采集富矿而放弃贫矿的现象，这也造成了矿产资源的大规模浪费。第二，我国幅员辽阔，南北方地区经济发展水平以及采矿技术发展水平差别较大，同时，不同地区的矿产行业发展水平也具有较大的差异性。在一些地下金属矿产技术较为发达的地区，采矿的效率以及采矿技术的应用已经达到了国际领先水平，但是在我国。许多欠发达的地区还是存在采矿技术落后、采矿设备老旧的问题，在采矿工作中采矿贫化率较高，无法实现高效的地下金属矿产资源开采工作。第三，目前我国国内的地下金属矿产资源综合利用效率较低，对于资源的回收利用效率不足。通常情况下有色矿山地下埋藏着多种金属矿产资源，而在矿产资源开采过程中，对于矿物质的回收和应用也得到了社会范围内的重视。目前，国外已经有部分发达国家在多金属矿产资源的综合回收以及在利用方面的技术水平达到了一定的高度，而我国在多金属的综合利用回收以及再利用技术的研发方面，相比于西方发达国家来说还存在一定的差距。除此之外，目前，我国对于地下金属矿产资源的综合利用效率低于20%，而对于矿产资源的回收利用效率仅仅达到了30%，距离全球综合的矿产资源应用水平存在较大的差距。第四，在采矿工作中，由于机械设备应用不到位或不注重对于采空区域的充填还可能会引发地面塌陷的问题。尤其是许多陈旧的地下金属矿产资源开采企业，在开采工作中不注重对于矿洞的填补以及环境的维护，导致地下金属矿产资源的开采破坏了周边的地形地貌，同时，对于地下水环境的良性运行也带来了消极影响。此外，在矿山开采工作中存在较大的环保性问题，无法维系目前经济社会发展与环境保护之间的平衡关系。第五，目前在我国的地下金属矿产资源开采行业中，采矿技术的提升以及对于现代化信息技术的应用成为迫切需求。传统的地下金属矿产开采企业必须要转变成熟的发展观念，在开采工作中不能够以单纯的牺牲生态环境以及高耗能的开采方法作为提升产量的切入点，而是应该从根本上改良地下金属矿产资源的开发技术和开发水平，能够真正意义上的实现对地下金属矿产资源的合理开发以及对于开采区域周边自然环境的保护，不断推动我国金属开采企业向绿色化以及环保化的方向发展。

3 地下金属矿山开采技术未来的发展方向

通过对我国地下金属矿产技术的不断研究和创新，在未来，我国地下金属矿产企业在发展过程中，更应该注重采用安全稳定的金属矿产资源开采技术，能够在复杂的矿产开采区域通过对现代化信息技术以及进行采矿技术的应用，使理论研究能够与采矿工作相结合，建立起更加经济、安全和高效的地下金属矿产资源开采模式。

（1）环保和绿色化的发展方向。目前，我国的地下金属矿产资源在开采工作中存在不能连续开采、开采效率较低、矿产资源浪费量较大等问题，因此，在未来的地下金属矿产企业发展过程中，研究连续性、环保化和绿色化的地下金属矿产资源开采技术，将成为我国矿产企业新的发展趋势。在全球范围内的许多西方发达国家中，为了实现可持续的发展理念很多矿产企业在长期的发展过程中已经意识到了粗放型发展模式对环境带来的影响。因此，在对矿产技术的研究和应用过程中，将侧重点放在了对于矿山环境的综合治理方面，严格的控制金属矿产资源开采过程中废水、废气、废渣以及其他污染物质的排放标准。在未来，我国的地下金属矿产资源开采工作也应该将侧重点放在对于踩空区域的治理方面，将对矿山地区环境的综合保护和综合管理放在首要位置，通过引入国际上先进的地下金属矿产资源开采技术以及综合管理技术，建设绿色环保的矿山环境，达到不浪费任何一块矿产资源的目标。例如，早在20世纪英国就已经提出了将采空区域的充填水封闭在充填材料内部，从而达到节约用水的目的，同时，还成功研制了金属矿产采矿区域充填的快速凝固以及快速硬化砂浆系统。随后，国际上又有许多大型的矿产公司对于踩空区域的充填材料和充填技术进行了研究。而我国国内也有近十余家的矿产企业，对于高水速凝固化的充填材料进行了创新和研究（如图1）。近年来在我国许多采矿企业中又出现了高压风流态化造浆充填工艺这种新型的充填技术，这种技术在应用过程中具有前期投资较少、充填浓度高且自动化程度较高等特征，在未来，将会广泛地应用到地下金属矿产资源的采空区域填充工作中。

图1 高水速凝固化的充填材料创新

（2）采矿设备向无轨化、自动化的方向发展。目前，国际上已经有许多地下金属矿产企业开始将一些大型的无轨化采矿设备应用在地下金属矿产资源的开采工作中，这些设备可以通过与现代化信息技术和人工模拟技术的协同应用实现对地下金属矿藏韵含量以及蕴含区域的分析，为地下金属矿产资源开采工作的前期规划设计提供了准确的数据支持。在地下金属矿产资源开采过程中，利用更多半自动化以及大型的机械化设备进行辅助开采，有效地提升了矿产资源开采的速度和工作效率。而这些半自动化以及自动化的大型无轨化采矿设备，也成为了未来地下金属矿产资源开采过程中机械设备的发展方向（如图2）。除此之外，许多现代化的矿山通讯技术以及自动化控制技术也会应用在矿山开采工作中，届时地提升了地下金属矿山资源开采的科学管理水平。例如，无线电通信技术以及矿山设备的远程遥控和监控技术在地下金属矿山资源中的应用，就极大地提升了矿山资源开采工作中的安全性以及高效性，通过这种跟踪性地控制和监测方式，实现了对围岩结构承重状态的实时监测以及预报，极大地提升了地下金属矿产资源开采工作的效率以及安全性。

图2 未来地下金属矿产资源开采过程中机械设备的发展方向

（3）提升矿产资源的再利用效率。通过对无废开采技术的研究，能够最大限度地减少地下金属矿产资源开采过程中废弃物的产出量和排放量，同时，也能切实的提升尾砂等其他资源的综合利用效率，进一步减轻或杜绝地下金属矿产资源开发过程中对周边自然环境带来的负面影响。目前，无费采矿技术在研究阶段已经取得了突飞猛进的发展，从长远的发展角度来看，无废开采技术将成为未来我国地下金属矿产企业持续性发展的重要研究方向之一。例如，可以通过研究地下金属矿产资源开采过程中对于尾砂的综合利用效率，有效地避免尾砂堆积对于地下采空区域带来的影响。除此之外，尾砂在利用技术的研究和应用还能够有效地节约为刹仓库储存的投资成本，真正达到了废物再利用以及经济适用性的双重目标。

4 结语

综上所述，为了推动社会的持续性发展，提高我国采矿企业生存以及发展的核心竞争力，更应该在地下金属矿产资源开采工程中研究创新性的开采技术和开采设备，推动我国地下金属矿产开采企业不断朝绿色化、自动化以及高效化的方向发展。