金属矿山深部智能开采现状及其发展策略

金属矿山深部智能开采现状及其发展策略

袁海青

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摘要：深部安全高效开采是我国金属矿产资源开发面临的紧迫问题。“三高”给传统采矿方法带来了困难。世界各国都在进行深入的智能采矿研究。本文系统地分析了国内外智能采矿的发展现状，总结了我国矿山在采矿环境智能感知、提高运输自动化操作、采矿远程控制操作、辅助系统无人值守、生产计划和调度智能决策等方面的进展，并分析了我国金属矿山深部智能开采存在的问题，对我国金属矿山深部智能开采的发展战略提出了建议。

关键词：金属矿山；深部智能；开采现状；发展策略

1 概述

据统计，中国共有1.96万座矿山。矿石开采过程分为露天开采和地下开采，以地下开采为主，海洋开采已提上议事日程。

当矿床埋藏较浅时，可以考虑露天开采。该过程是剥离并移除矿体上的覆盖物，然后提取所需的矿石。露天采矿通常分为两个阶段：基建阶段和生产阶段。基本建设阶段的主要任务是建立运输干线，建立供电和供水系统，建设排土场、机修厂和其他相应设施，并在生产阶段完成必要数量的采矿和剥离；生产阶段的主要任务是在规定的开采量之外完成一定量的采矿准备和剥离，以维持后续生产。

在露天矿开采过程中，必须将矿石和岩石划分成一定厚度的水平层，然后从上到下逐层开采。这些台阶工作面称为台阶，台阶高度一般为10～14m。大多数步骤使用独立的射孔和采矿设备。生产阶段的主要作业是射孔、爆破、装载和运输。

露天采矿涉及的主要设备有：旋转钻机、电铲和卡车。

一般来说，深埋矿床必须在地下开采。金属矿山主要开采在岩层中部。竖井、斜井、巷道和天井主要用于地下采矿。

地下采矿涉及的主要设备有：凿岩机、铲运机、带式输送机、电力机车等。

中国矿产资源丰富。目前，我国已发现矿产资源171种，探明储量的矿产168种，探明矿产资源储量潜在价值约占世界矿产资源总价值的14.6%，居世界第三位。然而，中国的人均矿产资源份额远低于世界平均水平。在45种主要矿产资源中，中国人均储量居世界第80位，仅为世界平均水平的58%。国民经济所需的主要支柱矿产，如铁、锰、铜、铅、锌、铝土矿等金属矿产，无法满足需求。例如，2013年中国的铁矿石产量（已换算为全球平均品位）约占世界的14%，而2016年中国的铜产量占世界的34.5%，而铜矿石产量（换算为铜产量）仅占全球产量的6.78%。因此，每年必须从国外进口65%以上的铁精矿、70%以上的铜精矿和50%以上的铝土矿。外国对主要金属矿产资源的高度依赖对中国国民经济的发展构成了潜在的严重威胁。

2我国金属矿深部智能开采存在的问题与应对策略

2.1我国金属矿深部智能开采存在的问题

目前，我国不少矿山已建成地下光纤骨干网，不少矿山拥有环境检测设备、自动控制系统、灾害监测系统、矿山管理软件等。但与国外矿业相比，智能化发展落后，还存在以下问题。

2.1.1 智能采矿环境技术薄弱。多站点信息的监测和对采矿引起的岩体状况和环境变化的感知是目前地质信息透明化的主要数据来源。目前，唯一变化的实验观点尚可接受，但其整体结果和参数融合不够，岩石介质变化规律和判断还没有统一的标准。必须解决数据和信息孤岛、异构多源多模态数据融合和标准等问题。

2.1.2 缺乏高压高温条件下开采技术，开采成本高，竖井工程及方法进展缓慢。深部环境难度大，矿山作业布局导航缺乏精准技术，应急安全指挥部署智能化技术亟待提高，矿山系统复杂，资源多，导致出行路线长，出行阻力大，出行困难较多。迫切需要开发先进的技术，如自主移动和智能控制。

2.1.3 矿山机械配套设备差，大型井下矿山设备生产水平低。我国大部分矿山仍使用传统设备，自动化程度和知识水平无法满足智慧采矿的需求。他们没有现代化的设备，如老式的智能自制凿岩机、装甲车和矿车，也没有合适的地点和搜索技术在地下工作。

2.1.4 矿山生产管控综合信息平台建设滞后。在矿山开发设计、生产管理、矿山环境监测、安全预警等方面，信息难以共享，无法为决策和科学管理提供有效的技术支持。开发新的管理技术、决策技术、采矿技术和高度智能、直观、协作的资源系统。

2.2 金属矿深部智能开采发展策略

智能采矿是一个复杂的工程过程。国内外成功的采矿环境都拥有合理高效的采矿技术、智能采矿设备、自动提升设备和生产控制模式。因此，基于人工智能、物联网、大数据等技术，连接不同的设备、自动控制器、传输网络、组件软件等。并构建深部装备智能采矿理论体系，攻克深部采矿环境和采矿技术的智能检测，逐步实现矿山智能采矿和井下管理、远程管理的新途径；拥有自主知识产权的深部开采装备，构建大数据管理与管理平台的采矿云，深部金属矿山智能开采建设，将为国家深部矿产资源开发提供支撑。

为钻探深部地质地压条件精准识别、灾害智能识别与精准管理等关键技术，揭示多领域一体化、智能开采与联合作业等关键技术，建立多深度一体化领域在金属矿山预防与广泛使用相结合的智能采矿技术体系中，金属深部开采应重点研究四类19项基础研究，开发三类13类技术装备，具体如下。

2.2.1 基础研究框架

2.2.1.1 地应力测量与构造应力区重建

针对传统原位测压方法在深部测量中的理论和方法局限性，开展与深部岩石技术工程相关的原位测压研究，重点关注： - 深部技术原位测压脆性岩体；基于物理测量的现场压力测量方法；实时停止以及如何识别深层高压区域。

2.2.1.2 多区深度参数与地理参数的关系。

为了理解深部地质构造的正确识别和环境参数的正确转换，我们强调：地球物理勘探的新方法；精确测量渗流场、温度场和化学场；一种基于化学场方程的环境参数化方法。

2.2.1.3 多区深节理作用下岩体力学性质及破坏

围绕深部采矿工程中多层环境和不同岩体的基本无边界问题，研究重点：岩体结构智能识别技术；大型砌体结构智能识别技术；连续岩石扫描技术。质量体表面结构应力 染色、水染色和热染色的结合，在高温高压下岩石结构的结构变化。

2.2.1.4深部智能连续采选理论技术

针对深部复杂地质条件下的安全、高效和智能开采问题，本文重点研究了：深部金属矿山智能连续开采的原理；深部开采智能技术；采矿过程中应力场的动态反演技术；深井巷道分区分级智能支护技术；填充参数的智能决策算法；灌装过程智能操作技术；智能匹配和精确的喂料准备技术。

2.2.2关键技术设备

2.2.2.1深部开采智能化感知设备

开发新型地应力测试设备、多场耦合智能监测设备、岩体结构连续扫描设备、地下空间无人机载激光扫描系统和环境关键参数检测传感仪器，解决岩体内部结构的准确识别和三维建模问题。

2.2.2.2深部开采过程智能作业设备

研究开发深部金属矿山连续开采设备、全断面完井钻机智能控制技术、矿井通风装置智能控制系统、深部开采设备无人智能操作技术，构建适合我国深部开采的无人采矿技术体系。

结束语

深部开采是我国金属矿产资源开发面临的迫切问题，面临诸多挑战。智能挖掘是解决各种挑战的最有效手段。简要介绍了国内外地下矿山智能开采的发展过程和现状，总结了我国矿山在矿山环境智能感知、提升运输自动操作、采矿远程控制操作、无人值守辅助系统、采矿自动化系统等方面的进展，指出了我国金属矿山深部智能开采存在的问题，对金属矿山深部智能开采的发展战略提出了一些建议。

参考文献

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