我國金屬礦山深部開采發展現狀及對策研究

張澤良

目前，我國金屬礦深部開采面臨的挑戰與難題主要包括：金屬礦深部開采動力災害預測與防控、深井高溫環境與熱害控制及治理、深部非傳統采礦方法研究、深井遙控自動化智能采礦、適應深部開采的選礦新工藝與新技術等。解決金屬礦深部開采所面臨關鍵難題的最有效手段便是智能開采，礦山智能化建設是實現礦山本質化安全的必由之路，也是推動礦山高質量發展的必由之路。

中國工程院2019年啟動了中國工程科技中長期發展戰略研究項目《面向2035 的金屬礦深部多場耦合智能開采戰略研究》，旨在針對金屬礦深部開采面臨的難題，調研國內外金屬礦智能開采研究布局和現狀，參考國外智能開采方案與規劃，理清智能開采未來的發展方向，深入總結深部高地應力、高溫、高巖溶水壓以及多源強擾動等多場耦合開采環境對深部開采提出的新挑戰，分析該領域基礎研究需要攻克的技術難題和技術裝備的發展需求及方向。

1 深部金屬礦開采發展現狀

國外以加拿大、瑞典、芬蘭為代表，從國家戰略層面出臺了相關計劃，推進適應深部多場耦合環境的智能化開采技術攻關和裝備研發。加拿大提出2050 計劃和超深采礦網絡2.0（UDMN2.0）計劃，旨在建成全智能無人化礦山，實現衛星遙控。瑞典制定了面向礦山自動化的Grountechnik2000 計劃，發展了阿特拉斯等一批智能采礦領軍企業。芬蘭啟動國家智能礦山技術研究計劃（IM）和智能礦山實施研發計劃（IMI），推動了山特維克等礦山設備“智造”領軍企業的發展。歐盟啟動地平線2020 科研規劃，著力研究國際競爭性科技難題。此外，美國、南非、澳大利亞、智利等礦業大國均有礦山智能化的相關戰略規劃，正在逐步推進礦山智能化建設和開采運營。

國內開展了以信息化為基礎，以采礦裝備智能化運行以及采礦生產過程自動控制為目標的地下金屬礦智能開采技術與裝備研究，為促進我國從礦業大國走向礦業強國提供技術支撐。如“數字化采礦關鍵技術與軟件開發”、“地下無人采礦設備高精度定位技術和智能化無人操縱鏟運機的模型技術研究”、“井下（無人工作面）采礦遙控關鍵技術與裝備的開發”、“千米深井地壓與高溫災害監控技術與裝備”等項目，為遙控自動化智能采礦的發展奠定了良好基礎?！笆濉逼陂g國家又部署了“863”研究項目“地下金屬礦智能開采技術”，針對地下金屬礦山的特殊性，以信息采集、井下高頻寬帶實時通信網絡、井下定位技術、調度與控制系統等為技術手段，以井下鏟運鑿巖爆破裝備為控制對象，通過多層次、在線實時調度與控制，優化礦山生產過程，形成具備行業性和通用性的地下金屬礦山智能開采平臺?！笆濉眹抑攸c研發計劃“深地資源勘查開采”更是布局了“基于大數據的金屬礦開采裝備智能管控技術研發與示范”重點專項，突破了開采過程及裝備大數據采集與融合，以及基于大數據的預測、診斷、控制與調度等技術瓶頸。隨著5G 技術的快速發展，采礦行業成為5G+工業互聯網探索和應用的熱門領域，涌現出金川集團龍首礦“5G+電機車無人駕駛系統”、山東黃金集團三山島金礦“5G+鑿巖車、5G+遠程破碎系統、運轉系統無人化”、洛陽鉬業“5G+鉆、鏟、裝超遠程精準控制和純電動礦用卡車智能編隊運行”等金屬礦智能化開采應用場景。

2 深部金屬礦開采技術措施

2.1 深部開采環境智能感知

（1）地應力智能測量。針對“三高一擾動”問題，研發考慮深部巖體非線性的地應力測量理論與技術，深部高應力易破碎巖體的地應力測量技術，鉆進過程的原位巖體力學參數實時獲取技術，深部高應力積聚區實時精準定位辨識方法，基于光學測量的新型地應力測試方法。

（2）巖體結構智能識別。針對深部巖體內部結構面難以準確識別的問題，研發透地巖體結構智能識別技術，巖體表面與內部鉆孔結構數據融合技術，露頭結構面推算巖體內部節理裂隙的算法，大尺寸巖體結構智能識別技術，巖體結構面連續移動掃描技術與裝備。

（3）微震監測與災害預警。針對全自動、全天候、高精度的實時監測、快速預警與防控技術難題，研發自動感知與智能診斷的分布式微震監測技術，基于互相關與雙重殘差的微震定位及成像技術、震源機制與應力場反演的動態分析技術和全自動震相拾取-時空定位-快速預警技術，構建深部地壓監測預警與災害防控運維云服務平臺。

（4）智能空間探測。針對深部井巷空間探測面臨的測量條件苛刻、測量精度低、數據處理復雜等難題，研發無人機載三維激光掃描系統，攻克復雜地下空間無人機自主飛行與避障技術，復雜地下空間無人機通訊信號可靠傳輸技術，無GPS 條件下地下空間即時定位與成圖技術，三維激光掃描海量點云顯示及模型構建技術，三維激光掃描點云漂移檢測及誤差標定技術。

（5）深部金屬礦人-機系統智能感知技術。針對深部金屬礦井下人、車、巖、場的關鍵智能感知難題，研發深部環境人員智能穿戴裝備及傳感交互技術，深部環境采掘裝備一體化的自動感知控制技術，深部環境下礦巖變形光纖光柵智能感知技術，深部復雜場環境的探測感知與集成反饋技術。

2.2 深部開采過程智能作業

（1）全斷面掘進成井裝備智能化控制技術。面向全斷面掘井鉆機智能化程度低、裝備結構大、轉場困難、所需硐室規格大等難題，研發掘井鉆機性能與深井環境匹配技術，全斷面掘井鉆機鉆進自適應技術，全斷面掘井鉆機智能控制技術系統。

（2）巖體智能匹配支護技術與裝備。面向深部復雜地質條件和多場耦合開采環境下的地壓調控與支護難題，研究深部開采過程應力場動態反演技術，深部井巷圍巖力學特性及失穩垮落機理，深部高應力開采潛在地壓致災危險區評估，深部井巷分區分級的高強度智能支護技術，深部開采過程地壓動態調控一體化服務平臺。

（3）智能化連續采礦技術與裝備。面向常規采礦方法作業工序多、難以實現連續作業問題，研究深部金屬礦智能連續開采的原理及方案，深部采場智能化采礦工藝技術體系，深部金屬礦機械截割落礦機理，全巖不穩定巖體機械落礦截齒分布與形態，深部環境復合地層盾構開挖卸荷機理與控制技術。

（4）采掘裝備的無人化智能作業技術。為實現深地環境采掘裝備的高效、安全和連續作業，提高深部金屬礦智能化水平，研發基于開采環境和裝備特性的自適應作業控制系統，基于人工智能的作業參數優化技術，開采裝備故障診斷及自動健康管理系統，基于周界激光掃描的定位導航技術，自主行駛空間感知及路徑優化技術。

（5）充填系統智能化控制技術。為實現深部充填制備精細化、過程智能化，實現穩定可靠輸送，研發充填參數智能決策算法，充填工藝流程智能化自主運行技術，智能優化配比與精準給料制備技術，深井充填管道智能化監測與診斷維護技術。

（6）井巷微氣候智能調控技術。面向深部井巷環境復雜，深井按需通風面臨系統復雜、調控困難等難題，研究深部井巷按需通風智能調控理論，多因素耦合礦井通風網絡解算技術，深部井巷通風智能控制系統，無極節距角變頻智能風機裝備，通風系統與采礦協同技術。

（7）高效智能提升技術及裝備。面向傳統提升在控制方式、提升高度和載荷難以滿足深井大規模智能化開采等難題，研究電驅動智能提升原理，多點連續提升分布式智能控制技術，連續提升系統智能裝卸載及高效平衡提升技術。

2.3 深部開采系統智能管控

（1）作業面柔性數據通信。為解決深井作業面井巷環境復雜、作業裝備眾多、信號干擾嚴重、協同作業困難等問題，研發異構網絡柔性組網和高效數據傳輸技術，井下惡劣環境下的通信裝備高效防護技術，井下多級以太網環境下的高精度授時及時間同步技術，實現井下多通信基站間的數據多跳傳輸和快速無縫切換。

（2）深井開采全生命周期智能規劃。為解決基于商業礦業軟件的深部金屬礦全生命周期開采規劃難題，研究深部開采地質-工程-力學-經濟一體化模型，深部開采過程全生命周期模型構建技術，開采設計可視化與動態調整技術，生產計劃智能化編制與優化技術，提出深部開采應力演變與開采順序整體方案設計方法。

（3）開采全過程智能調度。為解決深部開采過程開采裝備的集群自主協同作業難題，研發礦山異構信息系統間的結構化融合技術，深部開采全作業鏈裝備智能調度算法，作業區域人員裝備的精準識別及定位技術，異常工況下人員裝備應急調度決策方法，多系統多裝備的高效協同控制技術，全礦區開采計劃自主編排及智能調配系統。

（4）開采過程管控一體化平臺。為解決深部開采過程信息孤島嚴重、信息重用性差、流程優化不到位等問題，研發管控一體化平臺組織與數據協議統一方法，管控一體化平臺數據與辦公自動化融合技術，全礦區信息數據關聯挖掘與分析預判技術，地上地下真實顯示與智能交互技術，基于增強現實的管控信息三維交互技術。

（5）深部開采云計算大數據分析。為滿足金屬礦山行業大數據整合、分析及云計算服務需求，開展工業混合云的云計算大數據架構優化，研發深井開采大數據庫構建與知識挖掘技術，多源異構線下信息獲取與數據清洗技術，基于海量數據的實時并行計算技術，云計算模式下的信息編碼與數據安全技術。

3 發展目標與重點任務

3.1 發展目標與需求

2020年～2035年我國金屬礦產資源開發工程以深部開采、智能開采、地下礦山原位利用為發展方向，致力于建立深部開采和原位利用基礎理論和技術體系，解決深部開采面臨的安全、提升、降溫、原位開發利用等技術瓶頸，提高開采機械化、自動化、智能化程度，提高深部資源開發利用效率，減少礦石提升和回填量，減少廢石、尾礦排放，安全、環保、高效開采利用深部礦產資源。重點突破深部金屬礦開采面臨的多場耦合環境約束，研究突破性開采理論、多場耦合開采環境識別與控制技術，建立深部環境智能感知方法、深井智能化開采標準、礦業大數據分析理論，攻克深部開采條件智能探測和采礦作業智能化技術，研制具有自主知識產權的深部開采智能傳感器和智能采掘裝備，建設礦山云計算大數據管控平臺。

2035年形成深部地下礦山原位開發利用新模式，建立適應深部多場耦合環境的智能化開采基礎理論和關鍵技術體系；實現中型礦山機械化，大型礦山機械化、自動化，示范礦山機械化、自動化、智能化；逐步實現井下無人、井上遙控的智能化開采新模式；全面實現礦山廢料的資源化，保障金屬礦產資源可持續發展，提高金屬礦產資源自產自足能力；建成深部金屬礦智能化開采示范礦山，為國家千米深井礦產資源規?；_發提供支撐。

3.2 基礎研究方向

（1）深部全場地應力測量及構造應力場重構。開展基于關鍵點控制測量、區域地質信息數學模型與物理模型的多尺度全場地應力場反演重構研究，實現工程區域信息化反饋與自適應調整的深部地應力場精準測量和反演重構，提高原位數字化地應力測量的深部適用性，實現應力解除過程中原位巖體力學參數的實時獲取。

（2）深部多場環境參量與地球物理參數本構關系。在深部地下滲流場、溫度場和化學場精準測量理論的基礎上，基于定量地球物理學建立地球物理參數與環境參量間的本構方程；通過點測量數據實現約束反演，基于環境參量的本構方程，將鉆孔精細測量的成果向整個研究區域延拓，從而實現深部地質構造精細探測技術和環境參數的精準反演。

（3）深部多場耦合巖體力學特征及破壞機理。研發鉆進過程中原位巖體力學參數實時獲取技術，研究開采強擾動和爆破動荷載作用下工程結構的復雜受力特征及破壞機理等關鍵問題，解決影響深部開采工程高效建設與運維安全的技術瓶頸，為金屬礦深部開采提供全面的理論和技術支撐。

（4）深部智能化連續采選理論技術。攻克深部開采過程應力場反演、深部巖層致災機理及控制、高能量吸收支護等關鍵技術，形成采動應力場、位移場、能量場等多場動態閉環調控的巖體智能匹配支護技術，建立深部智能化連續采礦技術體系，實現深部充填制備精細化、過程智能化，實現穩定可靠輸送。

3.3 關鍵技術裝備

（1）深部開采環境智能感知裝備。開發新型地應力測試及多場耦合智能監測裝備，可移動便攜式大尺寸巖體結構連續掃描設備，解決巖體內部結構精準識別與三維建模難題。攻克無人機自主飛行、自主定位及三維激光掃描儀即時成圖技術，開發地下空間無人機載三維激光掃描系統，創新地下空間形態獲取手段，打破礦山傳統測量方式。構建基于“人工智能+云服務”的深部全自動微震監測與災害在線預警體系，創新微震監測在開采-監測-預警-治理中的閉環應用，大幅提高微震監測的數據分析時效性和災變預警專業性。研發面向人-車-巖-場的深井開采環境關鍵參數探測感知儀器，形成深井開采空間信息多變條件下的深地采礦環境感知技術與裝置集成。

（2）深部開采過程智能作業裝備。研發深部金屬礦山連續采掘裝備，形成深部智能化連續采礦技術與裝備系統。開發深部全斷面成井鉆機智能化控制技術，實現成井鉆機智能精準施工。完善深部井巷通風裝置智能調控理論，構建深部井巷實時按需通風系統，實現通風與采礦協同。開發具有自主知識產權的深部采掘裝備無人化智能作業技術，打破國外技術壟斷，構筑適合我國深井作業條件的無人采礦技術體系。

（3）深部開采系統智能管控平臺。構建適合礦山工作面復雜環境的高可靠、高帶寬、高性能綜合數字通訊平臺，實現柔性數據通信，保障深井礦山智能化生產。建立生產規劃、經濟收益、深井高應力環境的反饋優化機制，形成深部金屬礦開采全生命周期智能化規劃理論與方法。創建深井條件下全采區、多系統自適應智能調度技術與系統，形成開采全過程智能管理及調配解決方案。突破系統離散管控的傳統模式，實現地下金屬礦復雜離散系統一體化、智能化、可視化集中管控。構筑基于工業混合云平臺的礦山大數據整合與數據挖掘，并實現基于云技術平臺的全產業鏈產學研用一體化運行模式。

4 戰略支撐與保障

面向2035年金屬礦深部多場耦合智能化開采戰略的實施需要在明確關鍵技術路線的基礎上，發揮我國的制度優勢、組織優勢、資本優勢、人力資源優勢，建立完善的科學體系、政策框架、技術框架及人才隊伍，形成產業、技術、人才等戰略支撐與保障系統。

金屬礦產資源開發具有長期性和行業迫切性，發展成為具有高科技特點的新產業是現代礦山發展的共識，現代化礦山智能化升級市場需求大，具備良好的市場前景。國內部分大型礦山正在結合國家“中國制造2025”、“新一代人工智能發展規劃”等政策倡議，打破傳統模式，基于物聯網、大數據、工業互聯網等技術打造“智能礦山”的產業鏈，推動礦山向智能化、無人化方向的發展進程將不斷加快，“打造智能礦山”成為我國礦業發展的必經之路。山東黃金、洛陽鉬業、金川集團等礦業集團投入大量資金開展智能礦山建設，有序規范地帶動了礦山深部多場耦合智能化開采戰略實施進程。

礦業智能化升級要加強智能礦山人才隊伍建設。通過“產教融合”、“校企合作”方式，將政府、企業、高校和民間機構共同帶入金屬礦智能化的生態建設，推動產業技術的成果轉化，激發人才的創新培養。高等院校、科研機構、高新企業等相關單位已開展了大量的基礎研究和技術產業布局，形成了龐大的技術研發梯隊，能夠提供充足的技術支撐與保障。

5 結語

本文總結了金屬礦深部安全高效開采面臨的復雜作業環境及環境識別技術，梳理了智能化開采需要解決的硬件和軟件技術瓶頸，最終確定了面向2035年的金屬礦深部多場耦合智能開采戰略技術路線圖，為金屬礦智能化基礎研究和關鍵技術裝備研發提供了方向。通過穩步有效的產業、人才、技術保障與推進，我國金屬礦智能化產業升級將步入發展的快車道。