工程科学学报，第41卷，第4期：417-426,2019年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.4:417-426,April 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.001:http://journals.ustb.edu.cn 金属矿深部开采现状与发展战略 蔡美峰，薛鼎龙，任奋华⑧ 北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:renfh_2001@163.com 摘要在调研国内外众多金属矿山和收集大量相关文献的基础上，综述了国内外金属矿山开采现状及研究进展，聚焦深部 开采主要工程技术难题，从开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深井提升、深井开采方法工艺变革、深部选矿新 技术、智能无人采矿这六个方面，提出了解决我国深部开采难题的战略建议.结果表明：(1)5000m开采深度将会是我国金属 矿深部开采中长期战略研究目标：(2)无绳垂直提升技术具有提升效率高、使用限制少的特点，建议我国重点针对此类技术装 备研发：(3)将深部矿产资源开采与深部能源开发相结合，可以有效降低深部降温成本，是解决深部采矿经济性的新途径：(4) 新一代采矿技术需对原有的采矿模式和开采工艺进行变革，机械连续切割破岩技术是未来超深矿井建设的重要发展方向： (⑤)充填法是保证深部开采安全最有效的方法之一，应对充填材料、充填工艺进行更深入的研究：(6)我国尚不具备全面推广 遥控智能化无人采矿的条件，可以通过产学研联合攻关等方式逐步提高矿山生产自动化和遥控智能作业水平. 关键词深部开采：动力灾害：高温热害：深井提升：战略建议 分类号TU45 Current status and development strategy of metal mines CAl Mei-feng,XUE Ding-long,REN Fen-hua School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:renfh_2001@163.com ABSTRACT Mineral resources provide an important material basis for a country's economic and social development.After decades of large-scale mining,the shallow-metal mineral resources of China have been reduced annually and the development of metal resources has reached the stage of comprehensive promotion of deep mining at present.Based on the investigation of a number of mines in China and abroad and an extensive review of the relevant literature,this study summarizes the present situation and research progress of metal mining by focusing on the main technical engineering problems of deep mining and proposing some strategic recommendations to solve the problems of deep mining from six aspects,including the prediction and prevention of dynamic mining disasters,the control of high- temperature thermal environments and treatment of hazards,deep-well hoisting,deep-well mining method and technology reform,new technology for deep mineral processing,and intelligent unmanned mining.The results include the following:(1)The medium and long-term strategic research target for the deep mining of metals in China will be the depth of 5000m.(2)High efficiency and less re- striction are characteristics of the cordless vertical lifting technology,which suggests that China should focus on the research and devel- opment of this technology and related equipment.(3)Combining the mining of deep mineral resources with that of deep energy re- sources can effectively reduce the cost of deep cooling and offers a new way to solve the economic challenges of deep mining.(4)New- generation mining technologies need to change the original mining models and technologies,and the continuous mechanical cutting and rock breaking technology represent an important development direction for the future construction of ultra-deep mines.(5)The filling method is one of the most effective methods for ensuring deep-production safety,and further research is needed on the filling material and filling process.(6)The conditions necessary for comprehensively promoting remote intelligent unmanned mining in China do not 收稿日期：2018-1108 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600703)
工程科学学报，第 41 卷，第 4 期: 417--426，2019 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 41，No． 4: 417--426，April 2019 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2019． 04． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 金属矿深部开采现状与发展战略 蔡美峰，薛鼎龙，任奋华 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: renfh_2001@ 163． com 摘 要 在调研国内外众多金属矿山和收集大量相关文献的基础上，综述了国内外金属矿山开采现状及研究进展，聚焦深部 开采主要工程技术难题，从开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深井提升、深井开采方法工艺变革、深部选矿新 技术、智能无人采矿这六个方面，提出了解决我国深部开采难题的战略建议． 结果表明: ( 1) 5000 m 开采深度将会是我国金属 矿深部开采中长期战略研究目标; ( 2) 无绳垂直提升技术具有提升效率高、使用限制少的特点，建议我国重点针对此类技术装 备研发; ( 3) 将深部矿产资源开采与深部能源开发相结合，可以有效降低深部降温成本，是解决深部采矿经济性的新途径; ( 4) 新一代采矿技术需对原有的采矿模式和开采工艺进行变革，机械连续切割破岩技术是未来超深矿井建设的重要发展方向; ( 5) 充填法是保证深部开采安全最有效的方法之一，应对充填材料、充填工艺进行更深入的研究; ( 6) 我国尚不具备全面推广 遥控智能化无人采矿的条件，可以通过产学研联合攻关等方式逐步提高矿山生产自动化和遥控智能作业水平． 关键词 深部开采; 动力灾害; 高温热害; 深井提升; 战略建议 分类号 TU45 收稿日期: 2018--11--08 基金项目: 国家重点研发计划资助项目( 2016YFC0600703) Current status and development strategy of metal mines CAI Mei-feng，XUE Ding-long，ＲEN Fen-hua School of Civil and Ｒesource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: renfh_2001@ 163． com ABSTＲACT Mineral resources provide an important material basis for a country’s economic and social development． After decades of large-scale mining，the shallow-metal mineral resources of China have been reduced annually and the development of metal resources has reached the stage of comprehensive promotion of deep mining at present． Based on the investigation of a number of mines in China and abroad and an extensive review of the relevant literature，this study summarizes the present situation and research progress of metal mining by focusing on the main technical engineering problems of deep mining and proposing some strategic recommendations to solve the problems of deep mining from six aspects，including the prediction and prevention of dynamic mining disasters，the control of hightemperature thermal environments and treatment of hazards，deep-well hoisting，deep-well mining method and technology reform，new technology for deep mineral processing，and intelligent unmanned mining． The results include the following: ( 1) The medium and long-term strategic research target for the deep mining of metals in China will be the depth of 5000 m． ( 2) High efficiency and less restriction are characteristics of the cordless vertical lifting technology，which suggests that China should focus on the research and development of this technology and related equipment． ( 3) Combining the mining of deep mineral resources with that of deep energy resources can effectively reduce the cost of deep cooling and offers a new way to solve the economic challenges of deep mining． ( 4) Newgeneration mining technologies need to change the original mining models and technologies，and the continuous mechanical cutting and rock breaking technology represent an important development direction for the future construction of ultra-deep mines． ( 5) The filling method is one of the most effective methods for ensuring deep-production safety，and further research is needed on the filling material and filling process． ( 6) The conditions necessary for comprehensively promoting remote intelligent unmanned mining in China do not
·418* 工程科学学报，第41卷，第4期 yet exist,and mining progress can be facilitated by university-industry collaboration. KEY WORDS deep mining:dynamic disaster:high temperature damage:deep-well hoisting:strategic recommendations 金属矿产资源是金属产品和金属材料的根本来 1985一1990)和加拿大岩爆研究计划(Canadian 源，对国民经济发展和社会进步起着重大的推动作 rockburst research program)（1990一l995)研究计 用.随着浅部资源的日益枯竭，国内外陆续开始深 划.通过对Creighton镍矿微震与岩爆的计算机 部资源的开采.据统计未来10年内，我国三分之一 建模研究，劳伦森大学提出了能量吸收锚杆的支护 的地下金属矿山开采深度将达到或超过1000m), 体系和岩爆危险评估方法回.1989年法国召开“深 其中最大的开采深度可达到2000~3000m.深部开 部岩石力学国际会议”，各国专家对深部岩石力学 采己成为我国业发展面临的重要问题，也是保证 问题进行了深入探讨.澳大利亚深部开采岩爆频 我国金属矿产品供给的最主要途径.为此国家高度 发，西澳大学的地质力学中心(Australian centre for 重视，2004年国务院通过了《全国危机矿山接替资 geomechanics)在岩石动力灾害、矿压监测与支护、微 源找矿规划纲要(2004一2010)》回，投入40亿元经 震预警系统研发等方面开展了大量研究@.深井 费，以矿山外围和深部找矿为主要原则，开展危机矿 最多最深的南非，为了解决3000~5000m深部金矿 山接替资源找矿工作.2009年中国科学院发布了 开采安全问题，于1998年7月启动了一项“Deep 《创新2050：科学技术与中国的未来》战略研究报 Mine”研究计划，耗资高达1380万美元，取得了一系 告，提出了“中国地下四千米透明计划”同，力争到 列研究成果) 2040年，使中国重要区域地下4000m内变得“透 据不完全统计，目前国外开采深度超过千米的 明”.2016年习近平总书记在全国科技创新大会指 地下金属矿山（深井矿山）有112座2-.在这112 出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问 座深井矿山中，开采深度1000~1500m的58座， 题”将地质科技创新提升到了关系国家科技发展 1500~2000m的25座，2000~2500m的13座，3000 大局的战略高度. m及以上的16座.其中，70%以上为金矿和铜矿， 进入深部开采后，在高地应力的环境下首先要 开采深度超过3000m的16座矿山有12座位于南 面临巷道变形、岩爆、塌方、冒顶、突水等开采动力灾 非，全部为金矿（见表1）. 害问题.其次，岩层温度随开采深度的增加逐步上1.2我国金属矿开采现状 升，严重影响工人作业和设备运转.此外，深部开采 我国进入深部开采的时间较晚，但发展迅速 面临的地质情况复杂，提升高度的增加将加大提升 1996年《冬瓜山千米深井300万吨级矿山强化开采 难度，影响生产安全，因此深部开采对深井提升技术 综合技术研究》被列为“九五”期间国家重点攻关项 也有更高要求.鉴于此，本文作者对国内外金属矿 目的.2001年召开了以“深部高应力下的资源开采 山深部开采现状进行归纳总结，针对深部高地应力 与地下工程”为主题的香山科学会议第175次学术 开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深 讨论会，从三维、系统、多元的研究思路出发，深 井提升等工程技术难题，从战略性的角度提出了解 入探讨深部开采中岩石的力学特性.2016年8月国 决深部开采难题的关键工程科技发展战略 务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》也提出 重点研究深地资源勘探理论和技术装备的目标.为 1 国内外金属矿深部开采现状 此，十三五期间国家启动了多个重点研发计划项目， 1.1国外金属矿深部开采现状 包括由四川大学牵头的《深部岩体力学与开采理 国外的深部开采和研究起步较早，最早观察并 论》项目、由北京科技大学牵头的《深部金属矿建井 记录岩爆现象的是1904年美国密歇根州的Atlanta 与提升关键技术》项目、由中南大学牵头的《深部金 铜矿，该矿于1906年因为岩爆的严重破坏而关 属矿集约化连续采矿理论与技术》项目等等 闭B6.20世纪60年代末，在美国1daho地区三座 2000年以前，我国只有两座地下金属矿开采深 矿井开采深度达到1650m,美国矿山局开始使用微 度达到或接近10O0m,即安微铜陵冬瓜山铜矿和辽 震技术监测岩爆的研究m.1983年前苏联岩石力 宁红透山铜矿.21世纪以来，随着我国矿山事业突 学专家开展了1600m深矿井专题研究.1985年，加 飞猛进的发展，按照目前的发展的速度，在较短时间 拿大政府和多个研究机构合作开展了（加拿大安大 内，我国深井矿山的数量将会达到世界第一m,而 略省工业计划(Canadian ontario industry project) 且会有好几个开采规模达到世界最高水平的超大型
工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 yet exist，and mining progress can be facilitated by university-industry collaboration． KEY WOＲDS deep mining; dynamic disaster; high temperature damage; deep-well hoisting; strategic recommendations 金属矿产资源是金属产品和金属材料的根本来 源，对国民经济发展和社会进步起着重大的推动作 用． 随着浅部资源的日益枯竭，国内外陆续开始深 部资源的开采． 据统计未来 10 年内，我国三分之一 的地下金属矿山开采深度将达到或超过 1000 m［1］， 其中最大的开采深度可达到 2000 ～ 3000 m． 深部开 采已成为我国矿业发展面临的重要问题，也是保证 我国金属矿产品供给的最主要途径． 为此国家高度 重视，2004 年国务院通过了《全国危机矿山接替资 源找矿规划纲要( 2004—2010) 》［2］，投入 40 亿元经 费，以矿山外围和深部找矿为主要原则，开展危机矿 山接替资源找矿工作． 2009 年中国科学院发布了 《创新 2050: 科学技术与中国的未来》战略研究报 告，提出了“中国地下四千米透明计划”［3］，力争到 2040 年，使中国重要区域地下 4000 m 内变得 “透 明”． 2016 年习近平总书记在全国科技创新大会指 出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问 题”［4］将地质科技创新提升到了关系国家科技发展 大局的战略高度． 进入深部开采后，在高地应力的环境下首先要 面临巷道变形、岩爆、塌方、冒顶、突水等开采动力灾 害问题． 其次，岩层温度随开采深度的增加逐步上 升，严重影响工人作业和设备运转． 此外，深部开采 面临的地质情况复杂，提升高度的增加将加大提升 难度，影响生产安全，因此深部开采对深井提升技术 也有更高要求． 鉴于此，本文作者对国内外金属矿 山深部开采现状进行归纳总结，针对深部高地应力 开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深 井提升等工程技术难题，从战略性的角度提出了解 决深部开采难题的关键工程科技发展战略． 1 国内外金属矿深部开采现状 1. 1 国外金属矿深部开采现状 国外的深部开采和研究起步较早，最早观察并 记录岩爆现象的是 1904 年美国密歇根州的 Atlanta 铜矿，该 矿 于 1906 年因为岩爆的严重破坏而关 闭［5--6］． 20 世纪 60 年代末，在美国 Idaho 地区三座 矿井开采深度达到 1650 m，美国矿山局开始使用微 震技术监测岩爆的研究［7］． 1983 年前苏联岩石力 学专家开展了 1600 m 深矿井专题研究． 1985 年，加 拿大政府和多个研究机构合作开展了( 加拿大安大 略省 工 业 计 划 ( Canadian ontario industry project) 1985—1990) 和加拿大岩爆研究计划 ( Canadian rockburst research program) ( 1990—1995 ) 研 究 计 划［8］． 通过对 Creighton 镍矿微震与岩爆的计算机 建模研究，劳伦森大学提出了能量吸收锚杆的支护 体系和岩爆危险评估方法［9］． 1989 年法国召开“深 部岩石力学国际会议”，各国专家对深部岩石力学 问题进行了深入探讨． 澳大利亚深部开采岩爆频 发，西澳大学的地质力学中心( Australian centre for geomechanics) 在岩石动力灾害、矿压监测与支护、微 震预警系统研发等方面开展了大量研究［10］． 深井 最多最深的南非，为了解决 3000 ～ 5000 m 深部金矿 开采安全问题，于 1998 年 7 月启动了一项“Deep Mine”研究计划，耗资高达 1380 万美元，取得了一系 列研究成果［11］． 据不完全统计，目前国外开采深度超过千米的 地下金属矿山( 深井矿山) 有 112 座［12--14］． 在这 112 座深井矿山中，开采深度 1000 ～ 1500 m 的 58 座， 1500 ～ 2000 m 的 25 座，2000 ～ 2500 m 的 13 座，3000 m 及以上的 16 座． 其中，70% 以上为金矿和铜矿， 开采深度超过 3000 m 的 16 座矿山有 12 座位于南 非，全部为金矿( 见表 1) ． 1. 2 我国金属矿开采现状 我国进入深部开采的时间较晚，但发展迅速． 1996 年《冬瓜山千米深井 300 万吨级矿山强化开采 综合技术研究》被列为“九五”期间国家重点攻关项 目［15］． 2001 年召开了以“深部高应力下的资源开采 与地下工程”为主题的香山科学会议第 175 次学术 讨论会［16］，从三维、系统、多元的研究思路出发，深 入探讨深部开采中岩石的力学特性． 2016 年 8 月国 务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》也提出 重点研究深地资源勘探理论和技术装备的目标． 为 此，十三五期间国家启动了多个重点研发计划项目， 包括由四川大学牵头的《深部岩体力学与开采理 论》项目、由北京科技大学牵头的《深部金属矿建井 与提升关键技术》项目、由中南大学牵头的《深部金 属矿集约化连续采矿理论与技术》项目等等． 2000 年以前，我国只有两座地下金属矿开采深 度达到或接近 1000 m，即安徽铜陵冬瓜山铜矿和辽 宁红透山铜矿． 21 世纪以来，随着我国矿山事业突 飞猛进的发展，按照目前的发展的速度，在较短时间 内，我国深井矿山的数量将会达到世界第一［17］，而 且会有好几个开采规模达到世界最高水平的超大型 · 814 ·
蔡美峰等：金属矿深部开采现状与发展战略 ·419· 表1全球开采深度3000m以上的地下金属矿山 Table 1 Underground metal mines with global mining depths greater than 3000m 开采 所在 序号 矿山名称 矿石类型和储量 深度/m 国家 Mponeng Gold Mine 1 4350 金（金属储量426t,金品位8gt1,年产黄金12.44） 南非 姆波尼格金矿 Savuka Gold Mine 2 4000 金（矿石储量5.26×106t,年产黄金1.52） 南非 萨武卡金矿 TauTona Anglo Gold 3900 金（控制资源量229.8t,年产黄金12.7t) 南非 陶托那盎格鲁金矿 Caritonville 3800 金，副产品铀、银和铱、银贵重金属（年产金47.89t,产氧化铀213t) 南非 卡里顿维尔金矿 East Rand Proprietary Mines 3585 金(2008年产金2.25t,品位1.14gt1) 南非 东兰德专有矿业 South DeepGold mine 3500 金（探明金属储量1216t,平均品位7.06gt1) 南非 南深部金矿 Kloof gold Mine 3500 金（累计矿石储量3.04×103t,品位9.1gt1) 南非 克卢夫金矿 Driefontein mine 3400 金（矿石储量9.460×10？1，金品位7.4g1-) 南非 德里霍特恩矿 Kusasalethu Mine Project,Far West Rand 3276 金（剩余金属储量305t,品位5.35gt1) 南非 远西兰德库萨萨力图矿 Champion Reef 10 3260 金（矿石产量105t"a1,矿石品位7.12g11) 印度 钱皮恩里夫 President Steyn Gold Mine 11 3200 金（矿石产量3.961×106t"al,金品位6.5gt1) 南非 斯坦总统金矿 Boksburg 3150 金（年处理矿石能力3.90×10°t) 南非 博客斯堡金矿 LaRonde-mine 13 3120 金（探矿石储量3.560×103t,金品位2.7gt1) 加拿大 拉罗德金矿 Andina Copper Mine 14 3070 铜（矿石储量1.9162×100t,铜品位1.2gt1) 智利 安迪纳铜矿 Moab Khotsong 15 3054 金矿（矿石储量1.688×10？t,品位9.69gt1) 南非 摩押金矿 Lucky Friday Mine 16 3000 银、铅(2016年产银93.3t) 美国 幸运星期五矿 地下金属矿山.目前，我国开采深度达到或超过 半，几条竖井开挖深度己超过1000m;首钢马成铁 1000m的金属矿山己达16座（见表2）.其中，河南 矿（位于河北滦南）矿石储量1.2×10°t,矿体埋深 灵宝盏鑫金矿达到1600m,云南会泽铅锌矿、六苴铜 180~1200m,设计开采规模2.2×107t·a-1,最深 矿和吉林夹皮沟金矿达到1500m.在这16座矿山 一条竖井己经完工(1200m):五矿集团矿业公司 中，几乎全部为有色金属矿山和金矿，只有一座铁矿 陈台沟铁矿（位于辽宁鞍山），矿石储量1.2×10 (鞍钢弓长岭铁矿). t,矿体埋深750~1800m,设计开采才规模2×10 但是，近几年铁矿进入深部开采的建设力度 t“a1,己经开始建设；：山钢集团莱芜矿业公司济宁 最大.目前在建或计划建设的大型地下金属矿山， 铁矿，矿石储量2×10°t,矿体埋深1100~2000m, 绝大多数是铁矿如：辽宁本溪大台沟铁矿，矿石 设计开采规模3×10？ta1,也已投入建设.此外， 储量5.3×10°t,矿体埋藏深度1057~1461m的深 2016年在山东莱州三山岛西岭金矿探明一个储量 度，设计开采规模3×10？t“a1,目前一条竖井已 550t的超大型金矿床，为我国在胶东半岛深部找 挖至700m深.同处本溪地区的思山岭铁矿，矿石 矿指明了方向.未来随着勘探技术和装备的发展， 储量2.5×10°t,矿体埋深404~1934m,矿山最终 我国在3000~5000m深部找到一大批金属矿床是 生产规模3×10？t·a1,目前主体基建工程完成大 完全可能的
蔡美峰等: 金属矿深部开采现状与发展战略 表 1 全球开采深度 3000 m 以上的地下金属矿山 Table 1 Underground metal mines with global mining depths greater than 3000 m 序号 矿山名称 开采 深度/m 矿石类型和储量 所在 国家 1 Mponeng Gold Mine 姆波尼格金矿 4350 金( 金属储量 426 t，金品位 8 g·t － 1，年产黄金 12. 44 t) 南非 2 Savuka Gold Mine 萨武卡金矿 4000 金( 矿石储量 5. 26 × 106 t，年产黄金 1. 52 t) 南非 3 TauTona Anglo Gold 陶托那盎格鲁金矿 3900 金( 控制资源量 229. 8 t，年产黄金 12. 7 t) 南非 4 Caritonville 卡里顿维尔金矿 3800 金，副产品铀、银和铱、锇贵重金属( 年产金 47. 89 t，产氧化铀 213 t) 南非 5 East Ｒand Proprietary Mines 东兰德专有矿业 3585 金( 2008 年产金 2. 25 t，品位 1. 14 g·t － 1 ) 南非 6 South DeepGold mine 南深部金矿 3500 金( 探明金属储量 1216 t，平均品位 7. 06 g·t － 1 ) 南非 7 Kloof gold Mine 克卢夫金矿 3500 金( 累计矿石储量 3. 04 × 108 t，品位 9. 1 g·t － 1 ) 南非 8 Driefontein mine 德里霍特恩矿 3400 金( 矿石储量 9. 460 × 107 t，金品位 7. 4 g·t － 1 ) 南非 9 Kusasalethu Mine Project，Far West Ｒand 远西兰德库萨萨力图矿 3276 金( 剩余金属储量 305 t，品位 5. 35 g·t － 1 ) 南非 10 Champion Ｒeef 钱皮恩里夫 3260 金( 矿石产量 105 t·a － 1，矿石品位 7. 12 g·t － 1 ) 印度 11 President Steyn Gold Mine 斯坦总统金矿 3200 金( 矿石产量 3. 961 × 106 t·a － 1，金品位 6. 5 g·t － 1 ) 南非 12 Boksburg 博客斯堡金矿 3150 金( 年处理矿石能力 3. 90 × 106 t) 南非 13 LaＲonde-mine 拉罗德金矿 3120 金( 探矿石储量 3. 560 × 107 t，金品位 2. 7 g·t － 1 ) 加拿大 14 Andina Copper Mine 安迪纳铜矿 3070 铜( 矿石储量 1. 9162 × 1010 t，铜品位 1. 2 g·t － 1 ) 智利 15 Moab Khotsong 摩押金矿 3054 金矿( 矿石储量 1. 688 × 107 t，品位 9. 69 g·t － 1 ) 南非 16 Lucky Friday Mine 幸运星期五矿 3000 银、铅( 2016 年产银 93. 3 t) 美国 地下金属矿山． 目前，我国开采深度达到或超过 1000 m 的金属矿山已达 16 座( 见表 2) ． 其中，河南 灵宝崟鑫金矿达到1600 m，云南会泽铅锌矿、六苴铜 矿和吉林夹皮沟金矿达到 1500 m． 在这 16 座矿山 中，几乎全部为有色金属矿山和金矿，只有一座铁矿 ( 鞍钢弓长岭铁矿) ． 但是，近几年铁矿进入深部开采的建设力度 最大． 目前在建或计划建设的大型地下金属矿山， 绝大多数是铁矿． 如: 辽宁本溪大台沟铁矿，矿石 储量 5. 3 × 109 t，矿体埋藏深度 1057 ～ 1461 m 的深 度，设计开采规模 3 × 107 t·a － 1，目前一条竖井已 挖至 700 m 深． 同处本溪地区的思山岭铁矿，矿石 储量 2. 5 × 109 t，矿体埋深 404 ～ 1934 m，矿山最终 生产规模 3 × 107 t·a － 1，目前主体基建工程完成大 半，几条竖井开挖深度已超过 1000 m; 首钢马成铁 矿( 位于河北滦南) 矿石储量 1. 2 × 109 t，矿体埋深 180 ～ 1200 m，设计开采规模 2. 2 × 107 t·a － 1，最深 一条竖井已经完工( 1200 m) ; 五矿集团矿业公司 陈台沟铁矿( 位于辽宁鞍山) ，矿石储量 1. 2 × 109 t，矿体埋深 750 ～ 1800 m，设计开采才规模 2 × 107 t·a － 1，已经开始建设; 山钢集团莱芜矿业公司济宁 铁矿，矿石储量 2 × 109 t，矿体埋深 1100 ～ 2000 m， 设计开采规模 3 × 107 t·a － 1，也已投入建设． 此外， 2016 年在山东莱州三山岛西岭金矿探明一个储量 550 t 的超大型金矿床，为我国在胶东半岛深部找 矿指明了方向． 未来随着勘探技术和装备的发展， 我国在 3000 ～ 5000 m 深部找到一大批金属矿床是 完全可能的． · 914 ·
·420 工程科学学报，第41卷，第4期 表2我国采深1000m以上地下金属矿山统计 表3我国部分金属矿山岩爆发生情况 Table 2 Mining depths greater than 1000 m of underground metal mines Table 3 Rock burst in some metal mines in China in China 矿山名称 目前采深/m 岩爆状况 开采 1300 序号 矿山名称 所在地区 红透山铜矿 发生较强岩爆 深度/m 会泽铅锌矿 1500 发生较强岩爆 1 崟鑫金矿 河南省灵宝市朱阳镇 1600 冬瓜山铜矿 1100 发生中等岩爆 2 会泽铅锌矿 云南省曲靖市会泽县 1500 灵宝盎鑫金矿 1600 发生中等岩爆 六苴铜矿 云南省大姚县六苴镇 1500 二道沟金矿（夹皮沟金矿） 1500 发生中等岩爆 夹皮沟金矿 吉林省桦甸市 1500 玲珑金矿 1150 发生中等岩爆 秦岭金矿 河南省灵宝市故县镇 1400 三山岛金矿 1050 发生轻微岩爆 6 红透山铜矿 辽宁省抚顺市红透山镇 1300 玲南金矿 800 发生轻微岩爆 7 文峪金矿 河南省灵宝市豫灵镇 1300 渣关中金 陕西省潼关县桐峪镇 1200 2.2深井开采中的高温环境与热害治理 9 玲珑金矿 山东省烟台招远市玲珑镇 1150 地下岩层温度随着矿井开采深度的增大而升 四 冬瓜山铜矿 安徽省铜陵市狮子山区 1100 高.据统计，常温带以下，深度每增加100m,岩 11 湘西金矿 湖南省怀化市沅陵县 1100 层温度一般将提高1.7~3.0℃左右.通常情况下， 12 阿舍勒铜矿 新疆维吾尔自治区阿勒泰地区1100 千米以上的深井，岩层温度将超过人体温度，如南非 13 三山岛金矿 山东省莱州市 1050 西部矿井，在深部3000m处，岩层温度最高可达 14 金川二矿区 甘肃金昌市 1000 80℃四.目前，我国开采深度超过1000m的地下 15山东金洲矿业集团 山东威海乳山市 1000 金属矿山己达16个，开采深度超过700m的地下金 16 弓长岭铁矿 辽宁省辽阳市弓长岭区 1000 属矿山有100多处.据各地统计资料，开采深度超 过700m的矿井的岩层温度大都超过35℃，有的接 2 深部开采主要技术难题 近40℃，最高的达到近50℃.如：安徽罗河铁矿，在 700m的深度，东部测得的岩温值为38℃，西部为 进入深部开采后，地应力增大、矿床地质构造和 42℃；广西河池高峰锡矿700m深度达到40℃；山 矿体赋存条件恶化、破碎岩体增多、涌水量加大、井 东三山岛金矿825m深度达到38.5℃；安徽庐江泥 温升高、开采技术条件和环境条件严重恶化，导致开 河铁矿870m深度达到40.9℃.这样的温度值远远 采难度加大、灾害、事故增多、劳动生产率下降、成本 超过我国《地下矿山安全规程》规定的“采掘工作面 急剧增加，给深部金属矿山大规模正常生产和安全、 空气温度不得超过28℃”的标准.高温导致工作面 高效开采带来一系列的工程技术问题8 条件严重恶化，给设备的安全运行、生产效率、工人 2.1高地应力引发的开采动力灾害 的健康、劳动生产率等带来严重影响.当地下作业 深部高地应力场引起岩爆、塌方、冒顶、突水等 环境温度过高时，地下作业人员的注意力、判断和协 开采动力灾害，严重威胁深部开采安全四.地应力 调反应能力会降低，影响工人的工作效率，严重的将 随深度的增加以线性的速率增加.岩爆是采矿开挖 导致事故的发生.据统计资料，矿内环境气温超标 起的扰动能量在岩体中聚集和突然释放的过程. 1℃，工人作业劳动生产率会下降7%~10%3- 地应力越大，开采扰动能量越大，岩爆发生概率和震 因此，必须采取有效的降温措施，井下工作面环境保 级越大.我国地下金属矿进入深部开采的时间较 持合理的温度和湿度，才能保证深部地下开采的正 晚，上世纪进入深部开采的矿山很少，因此观测到岩 常开展. 爆的矿山很少，时间较晚，规模也不大.红透山铜矿 2.3深井采矿的提升能力和提升安全问题 20世纪80年代开采到400m时，就发生过轻微岩 提升是采矿过程中与开挖同等重要的一个环 爆，开采深度达到700m后岩爆逐渐频繁发生，1999 节，随着开采深度增大，提升高度成倍增加，不但使 年发生了2次较强岩爆，破坏力相当于500~600kg 生产效率大幅度下降、生产成本大幅度增加，而且对 (TNT当量).冬瓜山铜矿1999年发生了较强岩爆， 生产安全构成严重威胁 造成大量锚杆钢筋网破坏.到目前为止，我国发生 我国矿山普遍采用摩擦轮多绳提升机，在深度 过显著岩爆的地下金属矿山有8个（见表3）. 小于1000m的范围内，采用这种提升技术是最经济
工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 表 2 我国采深 1000 m 以上地下金属矿山统计 Table 2 Mining depths greater than 1000 m of underground metal mines in China 序号 矿山名称 所在地区 开采 深度/m 1 崟鑫金矿 河南省灵宝市朱阳镇 1600 2 会泽铅锌矿 云南省曲靖市会泽县 1500 3 六苴铜矿 云南省大姚县六苴镇 1500 4 夹皮沟金矿 吉林省桦甸市 1500 5 秦岭金矿 河南省灵宝市故县镇 1400 6 红透山铜矿 辽宁省抚顺市红透山镇 1300 7 文峪金矿 河南省灵宝市豫灵镇 1300 8 潼关中金 陕西省潼关县桐峪镇 1200 9 玲珑金矿 山东省烟台招远市玲珑镇 1150 10 冬瓜山铜矿 安徽省铜陵市狮子山区 1100 11 湘西金矿 湖南省怀化市沅陵县 1100 12 阿舍勒铜矿 新疆维吾尔自治区阿勒泰地区 1100 13 三山岛金矿 山东省莱州市 1050 14 金川二矿区 甘肃金昌市 1000 15 山东金洲矿业集团 山东威海乳山市 1000 16 弓长岭铁矿 辽宁省辽阳市弓长岭区 1000 2 深部开采主要技术难题 进入深部开采后，地应力增大、矿床地质构造和 矿体赋存条件恶化、破碎岩体增多、涌水量加大、井 温升高、开采技术条件和环境条件严重恶化，导致开 采难度加大、灾害、事故增多、劳动生产率下降、成本 急剧增加，给深部金属矿山大规模正常生产和安全、 高效开采带来一系列的工程技术问题［18--19］． 2. 1 高地应力引发的开采动力灾害 深部高地应力场引起岩爆、塌方、冒顶、突水等 开采动力灾害，严重威胁深部开采安全［20］． 地应力 随深度的增加以线性的速率增加． 岩爆是采矿开挖 引起的扰动能量在岩体中聚集和突然释放的过程． 地应力越大，开采扰动能量越大，岩爆发生概率和震 级越大． 我国地下金属矿进入深部开采的时间较 晚，上世纪进入深部开采的矿山很少，因此观测到岩 爆的矿山很少，时间较晚，规模也不大． 红透山铜矿 20 世纪 80 年代开采到 400 m 时，就发生过轻微岩 爆，开采深度达到 700 m 后岩爆逐渐频繁发生，1999 年发生了 2 次较强岩爆，破坏力相当于 500 ～ 600 kg ( TNT 当量) ． 冬瓜山铜矿 1999 年发生了较强岩爆， 造成大量锚杆钢筋网破坏． 到目前为止，我国发生 过显著岩爆的地下金属矿山有 8 个( 见表 3) ． 表 3 我国部分金属矿山岩爆发生情况 Table 3 Ｒock burst in some metal mines in China 矿山名称 目前采深/m 岩爆状况 红透山铜矿 1300 发生较强岩爆 会泽铅锌矿 1500 发生较强岩爆 冬瓜山铜矿 1100 发生中等岩爆 灵宝崟鑫金矿 1600 发生中等岩爆 二道沟金矿( 夹皮沟金矿) 1500 发生中等岩爆 玲珑金矿 1150 发生中等岩爆 三山岛金矿 1050 发生轻微岩爆 玲南金矿 800 发生轻微岩爆 2. 2 深井开采中的高温环境与热害治理 地下岩层温度随着矿井开采深度的增大而升 高［21］． 据统计，常温带以下，深度每增加 100 m，岩 层温度一般将提高 1. 7 ～ 3. 0 ℃ 左右． 通常情况下， 千米以上的深井，岩层温度将超过人体温度，如南非 西部矿井，在深部 3000 m 处，岩层温度最高可达 80 ℃［22］． 目前，我国开采深度超过 1000 m 的地下 金属矿山已达 16 个，开采深度超过 700 m 的地下金 属矿山有 100 多处． 据各地统计资料，开采深度超 过 700 m 的矿井的岩层温度大都超过 35 ℃，有的接 近40 ℃，最高的达到近 50 ℃ ． 如: 安徽罗河铁矿，在 700 m 的深度，东部测得的岩温值为 38 ℃，西部为 42 ℃ ; 广西河池高峰锡矿 700 m 深度达到 40 ℃ ; 山 东三山岛金矿 825 m 深度达到 38. 5 ℃ ; 安徽庐江泥 河铁矿 870 m 深度达到 40. 9 ℃ ． 这样的温度值远远 超过我国《地下矿山安全规程》规定的“采掘工作面 空气温度不得超过 28 ℃”的标准． 高温导致工作面 条件严重恶化，给设备的安全运行、生产效率、工人 的健康、劳动生产率等带来严重影响． 当地下作业 环境温度过高时，地下作业人员的注意力、判断和协 调反应能力会降低，影响工人的工作效率，严重的将 导致事故的发生． 据统计资料，矿内环境气温超标 1 ℃，工人作业劳动生产率会下降 7% ～ 10%［23--26］． 因此，必须采取有效的降温措施，井下工作面环境保 持合理的温度和湿度，才能保证深部地下开采的正 常开展． 2. 3 深井采矿的提升能力和提升安全问题 提升是采矿过程中与开挖同等重要的一个环 节，随着开采深度增大，提升高度成倍增加，不但使 生产效率大幅度下降、生产成本大幅度增加，而且对 生产安全构成严重威胁． 我国矿山普遍采用摩擦轮多绳提升机，在深度 小于 1000 m 的范围内，采用这种提升技术是最经济 · 024 ·
蔡美峰等：金属矿深部开采现状与发展战略 ·421· 和高效的网.2000年以前，我国地下矿的开采深度 绝大多数在800m之内，很多位于500~600m.在 提升钢丝绳 这个深度范围，采用传统的摩擦轮多绳提升机，提升 效率、成本、可靠性、安全性都是有保证的.但是，进 提升机 入深部开采后，随着提升高度的增加，钢丝绳需要不 提升容器 断加长，这种提升技术就会在提升能力、安全性和运 行成本方面遇到许多困难.根据各国的统计资料， 摩擦轮提升机在井深超过1800m后将不能使用，主 要问题在于：超1800m深井中使用时，由于钢丝绳 加长，提升负荷增加，钢丝绳的重量可能超过提升容 器装载的重量，从而使提升能力大大降低：钢丝绳加 图2布雷尔多层缠绕式提升机示意图 长后，其惯量大大增加，给提升运行的稳定性控制造 Fig.2 Brel multilayer winding hoist 成困难；钢丝绳加长后，尾绳长度的变化越来越大 (见图1)，导致钢丝绳因张力变化过大，较早出现断 3 解决深部开采难题的关键工程科技发展 丝且不均匀，钢丝绳有效金属截面减小，抗拉强度降 战略 低，钢丝绳寿命急剧下降，成为制约摩擦轮提升机提 升安全与效率的主要因素 3.1深部开采动力灾害（岩爆）预测与防控 金属矿山深部开采动力灾害包括：岩爆、塌方、 摩擦轮 冒顶、突水等，以岩爆为重点.岩爆是在地应力的主 导下发生的采矿动力灾害，是采矿开挖形成的扰动 能量在围岩中聚集、演化和在围岩出现破裂等情况 钢丝绳 下突然释放的过程.地应力存在于地层中本处 于自然平衡状态，开挖扰动引发地应力释放，形成 “释放荷载”（见图3）导致围岩变形和应力集中.当 提升容器 岩体中聚集的变形势能达到一定程度，在一定条件 尾绳 下突然释放产生冲击破坏，就形成了岩爆. 岩爆研究历史已有大半个世纪，国内外学者提 出了各种岩爆的理论和学说，但大多仍停留在探讨 和经验阶段，至今没有形成对岩爆机理的准确认识 图1摩擦轮多绳提升机示意图 Fig.I Friction wheel multi-rope hoist 和具有实用性的岩爆预测与防控技术.为了满足金 属矿深部开采安全的要求，应在己有工作积累基础 为了克服摩擦轮提升机的不足，英国的布雷尔 上，将岩爆研究重点从判据研究转移到预测与防控 研发出多绳缠绕式提升机（见图2）.多绳缠绕式提 研究上来.岩爆发生必须具备两个必要条件：一是 升机解决了多绳摩擦提升机在深井提升中存在的尾 采矿岩体必须具有贮存高应变能的能力并且在发生 绳问题，不仅可用作双容器多水平提升，而且可用于 破坏时具有较强冲击性；二是采场围岩必须有形成 井筒掘进，少了尾绳，容器底部还能悬挂设备和材 高应力集中和高应变能聚集的应力环境0.因此， 料，目前该提升设备主要在南非应用网 岩爆预测研究应与开采计划结合，从刚度、强度、能 Mn 开挖 拟开挖 ,释放 荷载 图3开挖释放荷载示意图 Fig.3 Schematic of excavation release load
蔡美峰等: 金属矿深部开采现状与发展战略 和高效的［27］． 2000 年以前，我国地下矿的开采深度 绝大多数在 800 m 之内，很多位于 500 ～ 600 m． 在 这个深度范围，采用传统的摩擦轮多绳提升机，提升 效率、成本、可靠性、安全性都是有保证的． 但是，进 入深部开采后，随着提升高度的增加，钢丝绳需要不 断加长，这种提升技术就会在提升能力、安全性和运 行成本方面遇到许多困难． 根据各国的统计资料， 摩擦轮提升机在井深超过 1800 m 后将不能使用，主 要问题在于: 超 1800 m 深井中使用时，由于钢丝绳 加长，提升负荷增加，钢丝绳的重量可能超过提升容 器装载的重量，从而使提升能力大大降低; 钢丝绳加 长后，其惯量大大增加，给提升运行的稳定性控制造 成困难; 钢丝绳加长后，尾绳长度的变化越来越大 ( 见图 1) ，导致钢丝绳因张力变化过大，较早出现断 丝且不均匀，钢丝绳有效金属截面减小，抗拉强度降 低，钢丝绳寿命急剧下降，成为制约摩擦轮提升机提 升安全与效率的主要因素． 图 3 开挖释放荷载示意图 Fig． 3 Schematic of excavation release load 图 1 摩擦轮多绳提升机示意图 Fig． 1 Friction wheel multi-rope hoist 为了克服摩擦轮提升机的不足，英国的布雷尔 研发出多绳缠绕式提升机( 见图 2) ． 多绳缠绕式提 升机解决了多绳摩擦提升机在深井提升中存在的尾 绳问题，不仅可用作双容器多水平提升，而且可用于 井筒掘进，少了尾绳，容器底部还能悬挂设备和材 料，目前该提升设备主要在南非应用［28］． 图 2 布雷尔多层缠绕式提升机示意图 Fig． 2 Brel multilayer winding hoist 3 解决深部开采难题的关键工程科技发展 战略 3. 1 深部开采动力灾害( 岩爆) 预测与防控 金属矿山深部开采动力灾害包括: 岩爆、塌方、 冒顶、突水等，以岩爆为重点． 岩爆是在地应力的主 导下发生的采矿动力灾害，是采矿开挖形成的扰动 能量在围岩中聚集、演化和在围岩出现破裂等情况 下突然释放的过程［29］． 地应力存在于地层中本处 于自然平衡状态，开挖扰动引发地应力释放，形成 “释放荷载”( 见图 3) 导致围岩变形和应力集中． 当 岩体中聚集的变形势能达到一定程度，在一定条件 下突然释放产生冲击破坏，就形成了岩爆． 岩爆研究历史已有大半个世纪，国内外学者提 出了各种岩爆的理论和学说，但大多仍停留在探讨 和经验阶段，至今没有形成对岩爆机理的准确认识 和具有实用性的岩爆预测与防控技术． 为了满足金 属矿深部开采安全的要求，应在已有工作积累基础 上，将岩爆研究重点从判据研究转移到预测与防控 研究上来． 岩爆发生必须具备两个必要条件: 一是 采矿岩体必须具有贮存高应变能的能力并且在发生 破坏时具有较强冲击性; 二是采场围岩必须有形成 高应力集中和高应变能聚集的应力环境［30］． 因此， 岩爆预测研究应与开采计划结合，从刚度、强度、能 · 124 ·
·422 工程科学学报，第41卷，第4期 量、岩体损伤等多方面入手，定量分析定性预测.对 泛的降温技术，主要有水冷却系统和冰冷却系统两 于岩爆防控，首先改善采矿方法，优化开采布置、端 类.水冷却系统按冷却机组布置方式可分为：地面 面形态的方法，避免开采过程中应力过于集中，减少 集中式，地面排热井下集中式，回风排热井下集中 扰动能量聚集.其次，采用防治结合的支护方式，包 式.地面集中式的优点是设备安装维护方便、安全 括提前应力解除爆破，改善围岩的物理力学性质， 可靠、冷凝热排放方便，缺点是供冷管道长冷损大、 喷、锚、格栅、钢架加固围岩等措施 经济性差.地面排热井下集中式的优点在于系统简 综上所述，目前在岩爆诱发机理和预测理论上 单、供冷管道少、冷损小，缺点是需在井下开凿大断 的研究己经取得重要进展，但在岩爆实时监测和精 面硐室、制冷站建在井下设备安装维护不方便m 准预报方面还缺乏可靠技术，准确的岩爆实时预报， 冰冷系统是在地面建造制冰厂制取粒状冰或泥状 特别是准确的岩爆短期和临震预报还难以做到.对 冰，通过风力或水力运送到井下融冰装置，完成空调 此应该在超前理论预测的基础上，除了采用传统的 水的换热网.非人工制冷和人工制冷技术均为被 应力、位移、三维数字图像扫描(3GSM)、声波监测、 动降温.为了提高深井降温效率，应该着力发展主 微震监测等手段外，还需进一步研究新的探测技术 动降温技术.具体包含以下两个方面： 和方法，精准监测深部开采过程中岩体能量聚集、演 深井高温岩层隔热技术.深井高温岩层热辐射 化、岩体破裂、损伤和能量动力释放的过程，为岩爆 是造成井下温度高的主要原因，因此研发新型隔热 的实时预测预报提供可靠依据 材料，采用新工艺、新技术对巷道进行热隔离，并辅 3.2深井降温与热害治理 以人工制冷降温技术，可以取得良好的降温效果 1920年巴西的莫劳约里赫金矿建立了世界上 深井地热开发技术.地热是一种天然能源，在 第一个矿井空调系统，标志着矿井降温技术的兴起. 深部开采过程中采用热交换技术，可以对岩层中地 20世纪70年代后，矿井降温技术发展迅速并广泛 热资源开发利用阅.如果将深部地热开发与深井 应用.我国对矿井降温技术的研究开始于20世纪 采矿联系起来，可以大幅抵消降温成本，实现能源利 60年代，1964年淮南九龙岗矿第一次使用了矿井局 用与资源开发的双赢，为采矿深井降温找到一条具 部制冷系统。目前国内外常见的深井降温技术可分 有颠覆性且经济有效的技术途径. 为非人工制冷降温技术和人工制冷降温技术两类. 3.3深井提升技术 非人工制冷降温包含热源隔离、预冷岩层、填充 当提升高度超过3000m或4000m后，有绳提升 采空区等多种方法，但应用最多的是矿井通风系统. 技术由于钢丝绳造成的大负荷、大惯量、大扭矩将是 通过改进通风方式、提高通风能力，可以起到明显的 无法解决的问题.为此，必须研发无绳垂直提升技 降温效果.若将风流预冷后送入井下，通风降温效 术.如直线电机驱动，磁悬浮驱动提升技术等.图4 果会更好.但它的缺陷在于降温成本较高、降温能 为双边永磁直线同步电机垂直提升设想示意图.永 力小，如果矿井热害严重，很难满足需求 磁直线同步电机工作原理与旋转永正弦磁同步电机 人工制冷降温技术是目前金属矿山应用较为广 工作原理相类似.如图所示，当电机初级单元内通 运行方向 并架 ⊕ 求磁体 电机 ⊕ 初级单元 永磁体 ⊕ 三相对称正弦 ⊙ 电流-行波磁场 电机初级 单元 图4双边型永磁直线同步电机垂直提升系统 Fig.4 Two-sided permanent magnetic linear synchronous motor system
工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 量、岩体损伤等多方面入手，定量分析定性预测． 对 于岩爆防控，首先改善采矿方法，优化开采布置、端 面形态的方法，避免开采过程中应力过于集中，减少 扰动能量聚集． 其次，采用防治结合的支护方式，包 括提前应力解除爆破，改善围岩的物理力学性质， 喷、锚、格栅、钢架加固围岩等措施． 综上所述，目前在岩爆诱发机理和预测理论上 的研究已经取得重要进展，但在岩爆实时监测和精 准预报方面还缺乏可靠技术，准确的岩爆实时预报， 特别是准确的岩爆短期和临震预报还难以做到． 对 此应该在超前理论预测的基础上，除了采用传统的 应力、位移、三维数字图像扫描( 3GSM) 、声波监测、 微震监测等手段外，还需进一步研究新的探测技术 和方法，精准监测深部开采过程中岩体能量聚集、演 化、岩体破裂、损伤和能量动力释放的过程，为岩爆 的实时预测预报提供可靠依据． 3. 2 深井降温与热害治理 1920 年巴西的莫劳约里赫金矿建立了世界上 第一个矿井空调系统，标志着矿井降温技术的兴起． 20 世纪 70 年代后，矿井降温技术发展迅速并广泛 应用． 我国对矿井降温技术的研究开始于 20 世纪 60 年代，1964 年淮南九龙岗矿第一次使用了矿井局 部制冷系统． 目前国内外常见的深井降温技术可分 为非人工制冷降温技术和人工制冷降温技术两类． 图 4 双边型永磁直线同步电机垂直提升系统 Fig． 4 Two-sided permanent magnetic linear synchronous motor system 非人工制冷降温包含热源隔离、预冷岩层、填充 采空区等多种方法，但应用最多的是矿井通风系统． 通过改进通风方式、提高通风能力，可以起到明显的 降温效果． 若将风流预冷后送入井下，通风降温效 果会更好． 但它的缺陷在于降温成本较高、降温能 力小，如果矿井热害严重，很难满足需求． 人工制冷降温技术是目前金属矿山应用较为广 泛的降温技术，主要有水冷却系统和冰冷却系统两 类． 水冷却系统按冷却机组布置方式可分为: 地面 集中式，地面排热井下集中式，回风排热井下集中 式． 地面集中式的优点是设备安装维护方便、安全 可靠、冷凝热排放方便，缺点是供冷管道长冷损大、 经济性差． 地面排热井下集中式的优点在于系统简 单、供冷管道少、冷损小，缺点是需在井下开凿大断 面硐室、制冷站建在井下设备安装维护不方便［31］． 冰冷系统是在地面建造制冰厂制取粒状冰或泥状 冰，通过风力或水力运送到井下融冰装置，完成空调 水的换热［32］． 非人工制冷和人工制冷技术均为被 动降温． 为了提高深井降温效率，应该着力发展主 动降温技术． 具体包含以下两个方面: 深井高温岩层隔热技术． 深井高温岩层热辐射 是造成井下温度高的主要原因，因此研发新型隔热 材料，采用新工艺、新技术对巷道进行热隔离，并辅 以人工制冷降温技术，可以取得良好的降温效果． 深井地热开发技术． 地热是一种天然能源，在 深部开采过程中采用热交换技术，可以对岩层中地 热资源开发利用［33］． 如果将深部地热开发与深井 采矿联系起来，可以大幅抵消降温成本，实现能源利 用与资源开发的双赢，为采矿深井降温找到一条具 有颠覆性且经济有效的技术途径． 3. 3 深井提升技术 当提升高度超过3000 m 或4000 m 后，有绳提升 技术由于钢丝绳造成的大负荷、大惯量、大扭矩将是 无法解决的问题． 为此，必须研发无绳垂直提升技 术． 如直线电机驱动，磁悬浮驱动提升技术等． 图 4 为双边永磁直线同步电机垂直提升设想示意图． 永 磁直线同步电机工作原理与旋转永正弦磁同步电机 工作原理相类似． 如图所示，当电机初级单元内通 · 224 ·
蔡美峰等：金属矿深部开采现状与发展战略 ·423· 入三相对称的电流后，在中气隙产生一个磁场，此气 高压水射流破岩技术.高压水射流分为连续射 隙磁场沿直线方上呈正弦分布，峰值随着时间平移， 流和脉冲射流两种类型.连续射流是连续喷射且压 称为行波磁场（图中V为三相电机的V相）.行 力稳定：脉冲射流是间断发射，压力随时间变化.水 波磁场与永磁体建立的磁场发生作用便产生电磁推 射流的能量集中，横向分力很小.目前高压水射流 力，在这个电磁推力的作用下，实现罐笼直线向上 技术研制的采煤机、切割机和清洗机在软岩中已有 移动B 应用 传统的箕斗、罐笼等提升方式，都是机械提升方 激光破岩技术.利用高能激光束作用于岩石 式，除向无线直线电机驱动等无绳垂直提升技术发 表面，产生大量热能使岩石迅速受热膨胀，引发岩 展外，欧盟国家前些年还曾试验开发水力提升技术. 石局部热应力升高，当热应力超过岩石极限强度 这种提升方式在井下对矿石进行粗选、破碎和磨矿， 时，岩石就会发生热破裂，从而实现岩矿切割叨 之后用泵扬送到地面选矿场，可大幅降低提升成本， 2000年，俄罗斯的一个物理研究所完成了高能激 实现废石不出坑便于井下充填，同时也减少了环境 光钻井破岩可行性试验，证明兆瓦级激光器能满 污染，为建立“无废矿山”创造条件.由于无需开挖 足硬岩破岩能量要求，破岩效率比金刚石钻头高 竖井，不仅减少了井巷工程的投资和维护费用，而且 10~100倍B7=9 提高了采矿工程的安全性.德国的普鲁萨格金属公 等离子爆破破岩技术.利用电能将炮孔中的电 司和瑞典基律纳铁矿是水力提升系统的先行者.进 解液分解产生高压、高温等离子气体，通过等离子气 入超深开采之后，水力提升必须分多段提升才能完 体的迅速膨胀形成冲击波，达到类似炸药的爆破效 成，这也制约了水力提升的效率和提升高度，真正能 果胸.1993年，等离子破岩技术在加拿大东魁北克 够实现无高度限制是无线直线电机驱动垂直提升技 的Gaspe矿进行了现场试验，在强度为140~350 术.无线直线电机驱动等无绳垂直提升技术，设备 MPa的硬岩工作面爆破中获得成功o 小，运动灵活，效率高，无提升高度的限制，是适合超 目前，地下矿山的开采方法主要有空场法、崩落 深井提升的技术和设备 法、充填法三种，根据矿石开采价值和空区维护难 3.4传统采矿模式和开采方法与工艺的变革 度，选择开采方法.我国大部分金矿和品味高的稀 为了适应深部开采应力环境条件、地质构造、岩 有金属矿山采用充填法；这些矿山大多存在围岩稳 体力学结构与特性的变化，特别是为了满足深部无 定性差，相邻作业区采场和巷道维护困难等问题，例 人采矿作业需求，极大地提高采矿的效率、保证采矿 如栾川钼矿.铁矿价值低，但矿体体积大、整体性 工程的稳定和安全，对用于浅部的传统采矿模式、方 好，围岩稳定性好，所以首选开采效率高、支护成本 法与工艺进行根本的变革是完全必要的，主要包括 低的崩落法进行开采，这已成为选择采矿方法的传 采矿开挖和支护加固两个方面. 统观念，也是开采价值和支护成本相平衡的结果. 从长远出发，采用机械连续切割破岩取代传统 但随着采矿深度不断增加，特别当开采深度超过 爆破开采，具有重要意义.传统爆破采矿工艺的弊 1500m或更深以后，在高地应力的作用下，地压活 端一方面在于爆破对围岩和环境的破坏，另一方面 动会越来越剧烈，为了有效控制地压活动，保证采矿 矿石和废石一起爆落采出，大幅增加提升量.采用 安全，充填法将是多数进入深部开采的地下矿山不 机械切割采矿的优越性在于：开采过程不需实施爆 得不采用的开采方法，这也是未来采矿方法的一项 破，提高了围岩稳定性：不受爆破安全边界的限制， 重要改变.为了使铁矿这样的矿山能够采用充填 扩大了开采空间：机械切割提高了采矿准确性，使矿 法，必须从工艺和材料两个方面入手降低充填成本， 石贫化率降到最低.德国维特根(Virtgen)公司生产 提高充填法的经济性。全尾砂膏体充填，可在低水 的切割机在切削矿石中同时将矿石破碎；可实现 泥耗量条件下获得高质量的充填体，能有效维护空 切割落矿、装载、运输采矿过程的连续作业，从而创 区、控制岩爆，代表着充填技术的发展方向.德国 造了连续采矿的条件.采用连续切割设备取代传统 PM公司采用的膏体泵送充填技术，将尾矿砂浆 爆破采矿也是实施智能化采矿、建设无人矿山的必 浓缩到浓度78%左右，泵送到井下工作面，再添加 然需要，这涉及到传统采矿工艺技术的大规模变革， 3%左右的水泥用以充填采场.我国金川公司引进 是采矿方法和工艺的战略性转变.除机械连续切割 该技术，采用戈壁碎石集料、全尾砂与水泥制备成浓 破岩采矿方法以外，有研究价值的新型连续破岩切 度81%~83%的膏体，充填体抗压强度达到40MPa 割采矿方法还有： 以上阳
蔡美峰等: 金属矿深部开采现状与发展战略 入三相对称的电流后，在中气隙产生一个磁场，此气 隙磁场沿直线方上呈正弦分布，峰值随着时间平移， 称为行波磁场［34］( 图中 V 为三相电机的 V 相) ． 行 波磁场与永磁体建立的磁场发生作用便产生电磁推 力，在这个电磁推力的作用下，实现罐笼直线向上 移动［35］． 传统的箕斗、罐笼等提升方式，都是机械提升方 式，除向无线直线电机驱动等无绳垂直提升技术发 展外，欧盟国家前些年还曾试验开发水力提升技术． 这种提升方式在井下对矿石进行粗选、破碎和磨矿， 之后用泵扬送到地面选矿场，可大幅降低提升成本， 实现废石不出坑便于井下充填，同时也减少了环境 污染，为建立“无废矿山”创造条件． 由于无需开挖 竖井，不仅减少了井巷工程的投资和维护费用，而且 提高了采矿工程的安全性． 德国的普鲁萨格金属公 司和瑞典基律纳铁矿是水力提升系统的先行者． 进 入超深开采之后，水力提升必须分多段提升才能完 成，这也制约了水力提升的效率和提升高度，真正能 够实现无高度限制是无线直线电机驱动垂直提升技 术． 无线直线电机驱动等无绳垂直提升技术，设备 小，运动灵活，效率高，无提升高度的限制，是适合超 深井提升的技术和设备． 3. 4 传统采矿模式和开采方法与工艺的变革 为了适应深部开采应力环境条件、地质构造、岩 体力学结构与特性的变化，特别是为了满足深部无 人采矿作业需求，极大地提高采矿的效率、保证采矿 工程的稳定和安全，对用于浅部的传统采矿模式、方 法与工艺进行根本的变革是完全必要的，主要包括 采矿开挖和支护加固两个方面． 从长远出发，采用机械连续切割破岩取代传统 爆破开采，具有重要意义． 传统爆破采矿工艺的弊 端一方面在于爆破对围岩和环境的破坏，另一方面 矿石和废石一起爆落采出，大幅增加提升量． 采用 机械切割采矿的优越性在于: 开采过程不需实施爆 破，提高了围岩稳定性; 不受爆破安全边界的限制， 扩大了开采空间; 机械切割提高了采矿准确性，使矿 石贫化率降到最低． 德国维特根( Virtgen) 公司生产 的切割机在切削矿石中同时将矿石破碎［36］; 可实现 切割落矿、装载、运输采矿过程的连续作业，从而创 造了连续采矿的条件． 采用连续切割设备取代传统 爆破采矿也是实施智能化采矿、建设无人矿山的必 然需要，这涉及到传统采矿工艺技术的大规模变革， 是采矿方法和工艺的战略性转变． 除机械连续切割 破岩采矿方法以外，有研究价值的新型连续破岩切 割采矿方法还有: 高压水射流破岩技术． 高压水射流分为连续射 流和脉冲射流两种类型． 连续射流是连续喷射且压 力稳定; 脉冲射流是间断发射，压力随时间变化． 水 射流的能量集中，横向分力很小． 目前高压水射流 技术研制的采煤机、切割机和清洗机在软岩中已有 应用． 激光破岩技术． 利用高能激光束作用于岩石 表面，产生大量热能使岩石迅速受热膨胀，引发岩 石局部热应力升高，当热应力超过岩石极限强度 时，岩石就会发生热破裂，从而实现岩矿切割［37］． 2000 年，俄罗斯的一个物理研究所完成了高能激 光钻井破岩可行性试验，证明兆瓦级激光器能满 足硬岩破岩能量要求，破岩效率比金刚石钻头高 10 ～ 100 倍［37--38］． 等离子爆破破岩技术． 利用电能将炮孔中的电 解液分解产生高压、高温等离子气体，通过等离子气 体的迅速膨胀形成冲击波，达到类似炸药的爆破效 果［39］． 1993 年，等离子破岩技术在加拿大东魁北克 的 Gaspe 矿进行了现场试验，在强度为 140 ～ 350 MPa 的硬岩工作面爆破中获得成功［40］． 目前，地下矿山的开采方法主要有空场法、崩落 法、充填法三种，根据矿石开采价值和空区维护难 度，选择开采方法． 我国大部分金矿和品味高的稀 有金属矿山采用充填法; 这些矿山大多存在围岩稳 定性差，相邻作业区采场和巷道维护困难等问题，例 如栾川钼矿． 铁矿价值低，但矿体体积大、整体性 好，围岩稳定性好，所以首选开采效率高、支护成本 低的崩落法进行开采，这已成为选择采矿方法的传 统观念，也是开采价值和支护成本相平衡的结果． 但随着采矿深度不断增加，特别当开采深度超过 1500 m 或更深以后，在高地应力的作用下，地压活 动会越来越剧烈，为了有效控制地压活动，保证采矿 安全，充填法将是多数进入深部开采的地下矿山不 得不采用的开采方法，这也是未来采矿方法的一项 重要改变． 为了使铁矿这样的矿山能够采用充填 法，必须从工艺和材料两个方面入手降低充填成本， 提高充填法的经济性． 全尾砂膏体充填，可在低水 泥耗量条件下获得高质量的充填体，能有效维护空 区、控制岩爆，代表着充填技术的发展方向． 德国 PM 公司［41］采用的膏体泵送充填技术，将尾矿砂浆 浓缩到浓度 78% 左右，泵送到井下工作面，再添加 3% 左右的水泥用以充填采场． 我国金川公司引进 该技术，采用戈壁碎石集料、全尾砂与水泥制备成浓 度 81% ～ 83% 的膏体，充填体抗压强度达到 40 MPa 以上［42］． · 324 ·
·424 工程科学学报，第41卷，第4期 我国正在新建的思山岭铁矿、大台沟铁矿、马城 境无影响的无废采选生产.在地下建选矿厂需要开 铁矿等大规模深部地下金属矿山，其开采规模将达 拓大的酮室来放置选矿设备，对深部开采来说，地下 到1.5~3×10'ta-1,在我国史无前例，在世界上也 酮室、巷道在开拓过程中要面临高应力、高井温、高 是少见的.目前我国只有开采深度800m以上、开 井深的“三高”的难题，一方面要对现有的地下开拓 采规模小于7×10t·a地下金属矿山的开采经验， 技术进行改进，另一方面要改变现有的选矿设备结 对于超大开采规模的深井矿山，为了保证开采的安 构，使其占地面积更小、高度更低，适应地下硐室的 全和开采的效益，开采模式和开采工艺必须有重大 空间要求. 变革，研究膏体胶结充填的大面积连续充填技术和 3.6深井遥控自动化、智能化无人采矿技术 工艺，才能满足1.5~3×10'ta1开采规模的要求. 早在上世纪80年代初，瑞典、加拿大、芬兰等西 3.5适应深部采矿的选矿新工艺、新技术 方国家即开始遥控自动化开采作业的研究和现场应 进入深部开采以后，开拓、提升、运输成本的大 用.我国在这方面的研究起步较晚.直到“十一五” 幅增加和矿石品位的下降，严重影响采矿的经济效 期间，才有国家级的研究项目出现，如“十一五” 益.为了维持矿山的正常生产，尽管选矿工艺主要 “863”项目《井下（无人工作面）采矿遥控关键技术 受矿石本身性质的影响比较大，受矿石开采深度的 与装备的开发》、“十二五”“863”项目《地下金属矿 影响较小，但是从采选一体化的思路出发，采选结 智能开采技术》.本世纪以来，随着信息、通讯、数字 合，从选矿的角度，研究、开发能够降低深部开采成 化和自动化技术的快速发展，机械装备己经与这些 本的选矿新工艺、新技术，将极大地降低矿石提升的 技术深度融合，深刻地影响和改变着传统采矿工艺 能耗和成本，实现采选环节的循环利用，有利于深部 和开采模式.基于信息化、自动化、智能化发展起来 开采矿山的节能降耗和提质增效. 的遥控智能化无人采矿技术是应对高地压和恶劣环 原位浸出工艺.原位浸出是集采、选、治一体的 境条件最行之有效的方法，为深部安全高效开采创 技术，在矿体预设位置破碎、钻孔后，将浸矿溶液通 造了条件.当前，在建设“无人矿山”方面，国内外均 过钻孔或从爆堆深部注入矿山中，浸出的矿物富集 处于初级阶段.在此阶段，自动化、智能化采矿设备 液由集液通道抽送至地表回收处理.该工艺对处理 的研发和传统采矿工艺的变革仍然是无人采矿技术 开采难度大品位低的矿石效果显著，省去采矿开挖、 的核心.发展无人采矿技术，需要在很多方面进行 提升、运输作业，通过浸矿液直接回收金属，大幅减 研究探索，例如深井高温高地应力环境下无人采矿 少采矿作业和提升的工作量阅.相比传统工艺，原 设备的可靠性、维护、故障处理；新一代采矿工艺流 位浸出的生产成本可以节约三成，对深部适合矿产 程；采矿设计方案等。目前，我国多数矿山采矿技术 的开采具有重要应用价值.目前的主要问题在于能 基础和经济实力都有很大差距，特别是先进采矿装 够应用该工艺回收的金属品种只有轴、铜和金，数量 备依赖国外进口，这是制约我国矿山采矿科技进步 太少，还需大力研究适合更多金属矿种的技术. 的关键因素.为此我国需要加大科技投入，科研设 基于超导磁选的有色金属高效预富集工艺.有 计单位需要加大大型自动化采矿装备的研发力度， 色金属矿山品位低、选矿比高.如果能在地下进行 尽早实现关键设备的国产化，为推进我国采矿行业 预富集作业，则可以节省大量的提升能耗和费用. 自动化智能化创造条件 由于有色金属选矿大多采用浮选的方法，工艺流程 非常复杂，多段的粗选、精选和扫选工艺流程只能在 4结论 地上选厂完成.因此，必须研究相对简化的工艺流 当前我国正处在工业化、城镇化快速发展的关 程，才能在地下对矿石进行预富集，利用超导磁选技 键时期，对矿产资源的需求日益增加.随着浅部资 术对深部开采的有色金属资源进行预富集是最有研 源的日益枯竭，我国金属矿己进入向深部开采全面 究前景的方法 推进的阶段.本文作者通过对国内外金属矿深部开 选厂建在井下.目前深部开采的矿山选矿主工 采现状的调研，归纳总结了深部开采主要工程技术 艺流程仍然在地上完成，若将选矿厂建在井下，直接 难题，提出了解决深部开采难题的发展战略.以下 向地面输送精矿，包括干式精矿提升或矿浆直接输 是作者的几点浅见： 送，对降低矿石提升成本，减少废石返回量起到关键 (1)深部开采已成为我国金属矿产资源开发利 的作用，同时能够减少废石与尾矿的提升，将其用于 用所面临的重要问题，5000m开采深度将会是我国 井下原地充填，可以提高经济效益并实现对生态环 金属矿深部开采中长期战略研究目标
工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 我国正在新建的思山岭铁矿、大台沟铁矿、马城 铁矿等大规模深部地下金属矿山，其开采规模将达 到 1. 5 ～ 3 × 107 t·a － 1，在我国史无前例，在世界上也 是少见的． 目前我国只有开采深度 800 m 以上、开 采规模小于 7 × 106 t·a － 1地下金属矿山的开采经验， 对于超大开采规模的深井矿山，为了保证开采的安 全和开采的效益，开采模式和开采工艺必须有重大 变革，研究膏体胶结充填的大面积连续充填技术和 工艺，才能满足 1. 5 ～ 3 × 107 t·a － 1开采规模的要求． 3. 5 适应深部采矿的选矿新工艺、新技术 进入深部开采以后，开拓、提升、运输成本的大 幅增加和矿石品位的下降，严重影响采矿的经济效 益． 为了维持矿山的正常生产，尽管选矿工艺主要 受矿石本身性质的影响比较大，受矿石开采深度的 影响较小，但是从采选一体化的思路出发，采选结 合，从选矿的角度，研究、开发能够降低深部开采成 本的选矿新工艺、新技术，将极大地降低矿石提升的 能耗和成本，实现采选环节的循环利用，有利于深部 开采矿山的节能降耗和提质增效． 原位浸出工艺． 原位浸出是集采、选、冶一体的 技术，在矿体预设位置破碎、钻孔后，将浸矿溶液通 过钻孔或从爆堆深部注入矿山中，浸出的矿物富集 液由集液通道抽送至地表回收处理． 该工艺对处理 开采难度大品位低的矿石效果显著，省去采矿开挖、 提升、运输作业，通过浸矿液直接回收金属，大幅减 少采矿作业和提升的工作量［43］． 相比传统工艺，原 位浸出的生产成本可以节约三成，对深部适合矿产 的开采具有重要应用价值． 目前的主要问题在于能 够应用该工艺回收的金属品种只有铀、铜和金，数量 太少，还需大力研究适合更多金属矿种的技术． 基于超导磁选的有色金属高效预富集工艺． 有 色金属矿山品位低、选矿比高． 如果能在地下进行 预富集作业，则可以节省大量的提升能耗和费用． 由于有色金属选矿大多采用浮选的方法，工艺流程 非常复杂，多段的粗选、精选和扫选工艺流程只能在 地上选厂完成． 因此，必须研究相对简化的工艺流 程，才能在地下对矿石进行预富集，利用超导磁选技 术对深部开采的有色金属资源进行预富集是最有研 究前景的方法． 选厂建在井下． 目前深部开采的矿山选矿主工 艺流程仍然在地上完成，若将选矿厂建在井下，直接 向地面输送精矿，包括干式精矿提升或矿浆直接输 送，对降低矿石提升成本，减少废石返回量起到关键 的作用，同时能够减少废石与尾矿的提升，将其用于 井下原地充填，可以提高经济效益并实现对生态环 境无影响的无废采选生产． 在地下建选矿厂需要开 拓大的硐室来放置选矿设备，对深部开采来说，地下 硐室、巷道在开拓过程中要面临高应力、高井温、高 井深的“三高”的难题，一方面要对现有的地下开拓 技术进行改进，另一方面要改变现有的选矿设备结 构，使其占地面积更小、高度更低，适应地下硐室的 空间要求． 3. 6 深井遥控自动化、智能化无人采矿技术 早在上世纪 80 年代初，瑞典、加拿大、芬兰等西 方国家即开始遥控自动化开采作业的研究和现场应 用． 我国在这方面的研究起步较晚． 直到“十一五” 期间，才有国家级的研究项目出现，如: “十一五” “863”项目《井下( 无人工作面) 采矿遥控关键技术 与装备的开发》、“十二五”“863”项目《地下金属矿 智能开采技术》． 本世纪以来，随着信息、通讯、数字 化和自动化技术的快速发展，机械装备已经与这些 技术深度融合，深刻地影响和改变着传统采矿工艺 和开采模式． 基于信息化、自动化、智能化发展起来 的遥控智能化无人采矿技术是应对高地压和恶劣环 境条件最行之有效的方法，为深部安全高效开采创 造了条件． 当前，在建设“无人矿山”方面，国内外均 处于初级阶段． 在此阶段，自动化、智能化采矿设备 的研发和传统采矿工艺的变革仍然是无人采矿技术 的核心． 发展无人采矿技术，需要在很多方面进行 研究探索，例如深井高温高地应力环境下无人采矿 设备的可靠性、维护、故障处理; 新一代采矿工艺流 程; 采矿设计方案等． 目前，我国多数矿山采矿技术 基础和经济实力都有很大差距，特别是先进采矿装 备依赖国外进口，这是制约我国矿山采矿科技进步 的关键因素． 为此我国需要加大科技投入，科研设 计单位需要加大大型自动化采矿装备的研发力度， 尽早实现关键设备的国产化，为推进我国采矿行业 自动化智能化创造条件． 4 结论 当前我国正处在工业化、城镇化快速发展的关 键时期，对矿产资源的需求日益增加． 随着浅部资 源的日益枯竭，我国金属矿已进入向深部开采全面 推进的阶段． 本文作者通过对国内外金属矿深部开 采现状的调研，归纳总结了深部开采主要工程技术 难题，提出了解决深部开采难题的发展战略． 以下 是作者的几点浅见: ( 1) 深部开采已成为我国金属矿产资源开发利 用所面临的重要问题，5000 m 开采深度将会是我国 金属矿深部开采中长期战略研究目标． · 424 ·
蔡美峰等：金属矿深部开采现状与发展战略 ·425· (2)无线直线电机驱动等无绳垂直提升技术， neapolis,1988 提升效率高、使用限制少，是适合超深井提升的技术 7]Bolstad DD.Rockburst control research by the US Bureau of Mines /Rockbursts and Seismicity in Mines.Rotterdam,1990 和设备，建议我国今后要重点开展此类提升技术和 [8]Hedley D G F.Rockburst handbook for Ontario Hardrock Mines 装备的研发. d/0L].Mines and Resources(1993-02-05).[2018-11-08] (3)将深部矿产资源开采与深部能源开发相结 http://publications.ge.ca/site/eng/28196/publication.html 合，可以有效降低深部开采降温成本，提高开采效 9]Kaiser P K,MeCreath D R,Tannant DD.Canadian Rockburst 益，为解决深部采矿经济性开拓新的途径. Research Program 1990-1995.Sudbury:CAMIRO Mining Divi- (4)新一代采矿技术需要对原有的采矿模式和 sion,1995 [1o]Wesseloo J,Dight P,Potvin Y.High Resolution Seismic Monito- 开采工艺进行变革.采用机械连续切割破岩技术取 ring in Open Pit Mines D/OL].ACG Research (2014-12-09) 代钻爆法是实施遥控自动化、智能化无人采矿的关 2018-118].http://acg.uwa.edu.au/acg-research/ 键，是未来超深矿井建设的重要发展方向， [11]SIMRAC.SIMRAC Final Project Reports.Cape Town:Depart- (⑤)充填法是保证深部开采安全最有效的方法 ment of Minerals and Energy,2001 之一.应对充填材料、充填工艺进行更深入的研究， 12] Gu D S,Li X B.Science problems and research state of deep 在成本、效率、充填支护效果等方面形成更加突出的 mining in metal and nonferrous mines.Min Res Der,2003,23 (Suppl 1)1 优势，为深部开采广泛推广应用创造条件， (古德生，李夕兵.有色金属深井采矿研究现状与科学前沿 (6)目前我国不少矿山尚未实现全盘机械化作 矿业研究与开发，2003,23（增刊1）：1) 业，全面推广应用遥控智能化采矿技术难度很大. [13]Changsha Institute of Mining Research.World Mine Overview 可以通过产学研联合攻关，借鉴、引进和采用一批国 Beijing:Metallurgical Industry Press,1988 外高新技术，通过自主研发和集成创新，提高矿山生 (长沙矿山研究院情报室.世界矿山概览.北京：治金工业 出版社，1988) 产自动化和遥控智能作业水平. [14]Li X B,Zhou J,Wang S F,et al.Review and practice of deep 参考文献 mining for solid mineral resources.Chin J Nonferrous Met,2017 27(6):1236 [Ma C H.China will have the world's largest number of deep Wells (李夕兵，周健，王少锋，等.深部固体资源开采评述与探 0/0LJ.China Gold News(2017-07-01）[2018-11-08].ht- 索.中国有色金属学报，2017,27(6)：1236) tp:/gold.jj可.com.cn/2017/07/01141922683553.shtml [15]Gu D S.The development tendency of mining science and tech- (马春红.中国深井矿山数量将达到世界第一0/0L].中国 nology of underground metal mine.Cold,2004,25(1):18 黄金报(2017-07-01）[2018-11-08].http:11gold.j可.com. (古德生·地下金属矿采矿科学技术的发展趋势.黄金， cn/2017/07/01141922683553.shtml) 2004,25(1):18) D]Wang L S.The Effect Evaluation of Prospecting Work of Substitute [16]Xie H P.Resources development under high ground stress:pres- Resources for Crisis Mines [Dissertation].Beijing:China Universi- ent state,base science problems and perspective//The 175th ty of Geosciences (Beijing),2013 Xiangshan Science Congress.Beijing,2002:179 (王柳松.危机矿山接替资源找矿专项效益评价研究[学位论 (谢和平.深部高应力下的资源开采一现状、基础科学问 文].北京：中国地质大学（北京），2013) 题与展望/1香山第175次科学会议.北京，2002：179) B]Hu S R,Peng JC.Huang C,et al.An overview of current status 7] Wang Q J.How to realize the curve overtaking of deep mining and progress in coal mining of deep over a kilometer.China Min technology [/O1].China Mining Nens (2017-01-06)D2018- Mag,2011,20(7):105 11-08].http://www.zgkyb.com/fangtan/20170106_37991. (胡社荣，彭纪超，黄灿，等.千米以上深矿井开采研究现状 htm 与进展.中国矿业，2011,20(7)：105) (王琼杰.如何实现深部开采技术的“弯道超车”D/0L].中 [4]Wu H.Marching deep into the earth.China Mining Neres 国矿业报(201701062018-11-08].htp:/www.kyb. (2016-0701)[2018-11-08].http://www.zgkyb.com/dzdc/ com/fangtan/20170106_37991.htm) 20160701_31619.htm 8] Xie H P.Research framework and anticipated results of deep rock (吴吴.向地球深部进军0/0L].中国矿业报(20160701) mechanics and mining theory.Adr Eng Sci,2017,49(2):1 [2018-11-08].htp:1/ww.zgkyb.com/dzdc/20160701- (谢和平.“深部岩体力学与开采理论”研究构想与预期成果 31619.htm) 展望.工程科学与技术，2017,49(2)：1) 5]Bieniawski Z T.Strata Control in the Mineral Engineering.Rotter- [19]He M C,Xie H P,Peng S P,et al.Study on rock mechanics in dam:Balkema.1987 deep mining engineering.Chin J Rock Mech Eng,2005,24 [6]Young R P,Hutchins D A,MeGaughey W J,et al.Seismic ima- (16):2803 ging ahead of mining in rockburst prone ground /Proceedings2nd (何满潮，谢和平，彭苏萍，等。深部开采岩体力学研究.岩 International Synopsis on Rockbursts and Seismicity in Mines.Min- 石力学与工程学报，2005,24(16)：2803)
蔡美峰等: 金属矿深部开采现状与发展战略 ( 2) 无线直线电机驱动等无绳垂直提升技术， 提升效率高、使用限制少，是适合超深井提升的技术 和设备，建议我国今后要重点开展此类提升技术和 装备的研发． ( 3) 将深部矿产资源开采与深部能源开发相结 合，可以有效降低深部开采降温成本，提高开采效 益，为解决深部采矿经济性开拓新的途径． ( 4) 新一代采矿技术需要对原有的采矿模式和 开采工艺进行变革． 采用机械连续切割破岩技术取 代钻爆法是实施遥控自动化、智能化无人采矿的关 键，是未来超深矿井建设的重要发展方向． ( 5) 充填法是保证深部开采安全最有效的方法 之一． 应对充填材料、充填工艺进行更深入的研究， 在成本、效率、充填支护效果等方面形成更加突出的 优势，为深部开采广泛推广应用创造条件． ( 6) 目前我国不少矿山尚未实现全盘机械化作 业，全面推广应用遥控智能化采矿技术难度很大． 可以通过产学研联合攻关，借鉴、引进和采用一批国 外高新技术，通过自主研发和集成创新，提高矿山生 产自动化和遥控智能作业水平． 参 考 文 献 ［1］ Ma C H． China will have the world's largest number of deep Wells ［J/OL］． China Gold News( 2017--07--01) ［2018--11--08］． http: / /gold． jrj． com． cn /2017 /07 /01141922683553． shtml ( 马春红． 中国深井矿山数量将达到世界第一［J/OL］． 中国 黄金报( 2017--07--01) ［2018--11--08］． http: / /gold． jrj． com． cn /2017 /07 /01141922683553． shtml) ［2］ Wang L S． The Effect Evaluation of Prospecting Work of Substitute Ｒesources for Crisis Mines［Dissertation］． Beijing: China University of Geosciences ( Beijing) ，2013 ( 王柳松． 危机矿山接替资源找矿专项效益评价研究［学位论 文］． 北京: 中国地质大学( 北京) ，2013) ［3］ Hu S Ｒ，Peng J C，Huang C，et al． An overview of current status and progress in coal mining of deep over a kilometer． China Min Mag，2011，20( 7) : 105 ( 胡社荣，彭纪超，黄灿，等． 千米以上深矿井开采研究现状 与进展． 中国矿业，2011，20( 7) : 105) ［4］ Wu H． Marching deep into the earth［J/OL］． China Mining News ( 2016--07--01) ［2018--11--08］． http: / /www． zgkyb． com / dzdc / 20160701_31619． htm ( 吴昊． 向地球深部进军［J/OL］． 中国矿业报( 2016--07--01) ［2018-- 11-- 08］． http: / /www． zgkyb． com / dzdc /20160701 _ 31619． htm) ［5］ Bieniawski Z T． Strata Control in the Mineral Engineering． Ｒotterdam: Balkema，1987 ［6］ Young Ｒ P，Hutchins D A，McGaughey W J，et al． Seismic imaging ahead of mining in rockburst prone ground / / Proceedings 2nd International Synopsis on Ｒockbursts and Seismicity in Mines． Minneapolis，1988 ［7］ Bolstad D D． Ｒockburst control research by the US Bureau of Mines / / Ｒockbursts and Seismicity in Mines． Ｒotterdam，1990 ［8］ Hedley D G F． Ｒockburst handbook for Ontario Hardrock Mines ［J/OL］． Mines and Ｒesources ( 1993--02--05) ［2018--11--08］． http: / / publications． gc． ca / site /eng /28196 / publication． html ［9］ Kaiser P K，McCreath D Ｒ，Tannant D D． Canadian Ｒockburst Ｒesearch Program 1990—1995． Sudbury: CAMIＲO Mining Division，1995 ［10］ Wesseloo J，Dight P，Potvin Y． High Ｒesolution Seismic Monitoring in Open Pit Mines［J/OL］． ACG Ｒesearch ( 2014--12--09) ［2018--11--08］． http: / /acg． uwa． edu． au /acg-research / ［11］ SIMＲAC． SIMＲAC Final Project Ｒeports． Cape Town: Department of Minerals and Energy，2001 ［12］ Gu D S，Li X B． Science problems and research state of deep mining in metal and nonferrous mines． Min Ｒes Dev，2003，23 ( Suppl 1) : 1 ( 古德生，李夕兵． 有色金属深井采矿研究现状与科学前沿． 矿业研究与开发，2003，23( 增刊 1) : 1) ［13］ Changsha Institute of Mining Ｒesearch． World Mine Overview． Beijing: Metallurgical Industry Press，1988 ( 长沙矿山研究院情报室． 世界矿山概览． 北京: 冶金工业 出版社，1988) ［14］ Li X B，Zhou J，Wang S F，et al． Ｒeview and practice of deep mining for solid mineral resources． Chin J Nonferrous Met，2017， 27( 6) : 1236 ( 李夕兵，周健，王少锋，等． 深部固体资源开采评述与探 索． 中国有色金属学报，2017，27( 6) : 1236) ［15］ Gu D S． The development tendency of mining science and technology of underground metal mine． Gold，2004，25( 1) : 18 ( 古德生． 地下金属矿采矿科学技术的发展趋势． 黄 金， 2004，25( 1) : 18) ［16］ Xie H P． Ｒesources development under high ground stress: present state，base science problems and perspective / / The 175th Xiangshan Science Congress． Beijing，2002: 179 ( 谢和平． 深部高应力下的资源开采———现状、基础科学问 题与展望/ /香山第 175 次科学会议． 北京，2002: 179) ［17］ Wang Q J． How to realize the curve overtaking of deep mining technology［J/OL］． China Mining News( 2017--01--06) ［2018-- 11--08］． http: / /www． zgkyb． com /fangtan /20170106 _ 37991． htm ( 王琼杰． 如何实现深部开采技术的“弯道超车”［J/OL］． 中 国矿业报( 2017--01--06) ［2018--11--08］． http: / /www． zgkyb． com /fangtan /20170106_37991． htm) ［18］ Xie H P． Ｒesearch framework and anticipated results of deep rock mechanics and mining theory． Adv Eng Sci，2017，49( 2) : 1 ( 谢和平．“深部岩体力学与开采理论”研究构想与预期成果 展望． 工程科学与技术，2017，49( 2) : 1) ［19］ He M C，Xie H P，Peng S P，et al． Study on rock mechanics in deep mining engineering． Chin J Ｒock Mech Eng，2005，24 ( 16) : 2803 ( 何满潮，谢和平，彭苏萍，等． 深部开采岩体力学研究． 岩 石力学与工程学报，2005，24( 16) : 2803) · 524 ·
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