目前，金屬礦山正面臨著“由淺至深、由易至難、由富至貧”的關鍵轉型期，在理論技術、裝備等方面都面臨著全新挑戰(zhàn)。面對以上挑戰(zhàn)，金屬礦山地下開采關鍵技術的研究顯得尤為關鍵?，F(xiàn)在，金屬礦山地下開采關鍵技術主要體現(xiàn)在以下五個方面:鑿巖爆破技術、運輸提升技術、巖層加固技術、膏體充填技術、遠程遙控技術。圍繞這五大關鍵技術，本研究系統(tǒng)綜述其發(fā)展歷程及新進展，金屬礦山地下開采關鍵技術架構如圖2所示。

圖2 金屬礦山地下開采關鍵技術架構

1.鑿巖爆破技術

鑿巖爆破技術是金屬礦開采過程中的重要技術，同時在金屬礦開采的長期發(fā)展中也是一個薄弱的環(huán)節(jié)。因此，持續(xù)提高鑿巖爆破效率，對于金屬礦山安全高效開采至關重要。目前，鑿巖爆破技術仍是地下開采的主要落礦手段，從最初的手工鑿巖到氣動鑿巖機、液壓鑿巖機、鑿巖臺車(牙輪鉆機、潛孔鉆機)，乃至現(xiàn)在的鑿巖機器人，鑿巖技術逐漸從機械化開始向自動化、智能化、環(huán)保化方向發(fā)展。

經過長期的研究，國內外相繼研發(fā)了適合各種條件的鑿巖設備。近年來，隨著鑿巖設備的完善，美國、加拿大等國家在地下開采中將露天鑿巖爆破技術引入進來，中深孔分段鑿巖被大直徑階段深孔替代，取得了不錯的應用效果。例如瑞典研發(fā)了一系列掘進鑿巖臺車，具有鑿巖效率高、操作安全、污染小等優(yōu)點;我國自主研制了集行走、鑿巖和裝藥作業(yè)于一體的全電腦三臂鑿巖臺車，具有操作簡單、安全系數(shù)高、施工成本低等優(yōu)點，這些設備保證了鑿巖質量與效率，降低了勞動強度與作業(yè)風險，自動化、智能化、環(huán)保化水平達到了一個新高度。同時，由于地下開采的條件不同，且井巷掘進和采礦作業(yè)應用條件不同，傳統(tǒng)地下礦山常用的爆破方式呈現(xiàn)多樣化，普遍使用微差爆破、擠壓爆破和光面爆破等技術，在一定程度上改善了爆破質量。

隨著爆破技術的發(fā)展，傳統(tǒng)爆破技術逐漸向精準爆破綠色爆破、智能爆破方向發(fā)展。精準爆破主要通過孔網參數(shù)精細化設計、爆破能耗理論研究及爆破方案模擬構建礦山精準爆破體系;綠色爆破主要采用新型燃燒劑代替炸藥，無爆破氣體產生，大幅改善了井下空氣環(huán)境，實現(xiàn)了井下綠色爆破;智能爆破主要通過爆破智能設計、智能裝備、爆破振動智能預測及殘孔自動識別等共同構成智能爆破系統(tǒng)，實現(xiàn)爆破技術的智能化。

在技術不斷進步和創(chuàng)新的新時代，鑿巖爆破技術已經由傳統(tǒng)的方法發(fā)展到機械物理破巖等非爆破巖技術。例如采用連續(xù)采礦機對中硬及以下礦巖進行機械破巖，工作效率高，施工條件好，有利于地壓控制;利用高壓水射流/熱力破碎的物理破巖技術，克服了單獨機械能破巖的限制，不產生粉塵和火花，大幅改善了作業(yè)環(huán)境。但由于能耗大、成本高、道具磨損嚴重等問題，至今尚未在我國進行普及推廣，同時現(xiàn)階段我國在信息技術與人工智能技術研發(fā)方面起步晚，智能化的相關核心技術仍主要依賴國外。因此，目前我國硬巖礦山尚未真正實現(xiàn)連續(xù)開采。

2.運輸提升技術

運輸提升系統(tǒng)在地下礦山生產中占有極其重要的地位，通過運輸提升可將各個環(huán)節(jié)連成一個有機整體，從而保證礦山正常生產。采場出礦經歷了“人工一有軌一無軌”運輸技術的發(fā)展歷程，形成了從有軌為主、無軌為輔逐漸向無軌為主、有軌為輔的新局面。地下礦山采用無軌自行設備運輸始于20世紀60年代，隨著地下無軌設備的完善，地下無軌開采技術得到了迅速發(fā)展，推動了地下開采工藝的變革，是目前地下開采的發(fā)展趨勢。

采場短距離出礦采用鏟運機運輸，具有操作方便、工作可靠、出礦效率高、運行靈便等優(yōu)點;井下長距離運礦采用地下汽車，目前國外應用較多，國內較為少見。提升距離隨著采深的增加不斷增加，提升技術面臨著越來越大的挑戰(zhàn)，同時伴隨著各種礦石物料提升成本的增加。因此，發(fā)展深井礦石提升技術尤為重要。在總體上向大型化、大負載高度自動化方向發(fā)展是礦井運輸提升的未來總趨勢。經過長期發(fā)展，在深部開采中，絕大多數(shù)礦井借助軌道運輸、膠帶運輸機或無軌設備等，進行多級豎井提升，例如在南非TauTona金礦采用3級豎井提升方式，在豎井之間再通過膠帶或者無軌設備進行轉運。傳統(tǒng)敞開式膠帶運輸系統(tǒng)雖然結構簡單，但是極易導致?lián)P塵和滑落，污染井下環(huán)境，爬坡能力差，安全系數(shù)低;如今SiCON公司研發(fā)了封閉式膠帶運輸系統(tǒng)，防止運輸中的滑落和揚塵，運輸速度可超過3 m/s，提升坡度能達到36°，適當改進該系統(tǒng)有望在未來應用于深部開采的礦石運輸提升中。

目前，水力提升方式主要應用在深海開采中，近年來，部分研究者試圖將水力提升應用在深部礦井中，該過程可連續(xù)進行，更容易實現(xiàn)提升過程的自動化與智能化，但是利用水力提升需要在深井建立礦石的破碎系統(tǒng)和粉磨系統(tǒng)，當前難以進行實際應用。與此同時，也出現(xiàn)了磁懸浮升降機提升這種創(chuàng)新性的構想，但仍需開展深入細致的研究。這些新技術、新方法及新工藝給礦井運輸提升領域注入了新鮮血液，極大地促進了運輸提升技術、方法及工藝的創(chuàng)新和革新。

3.巖層加固技術

金屬礦山主要針對軟弱、破碎、高應力的巖層進行加固。巖層加固技術可分為被動支護和主動支護，被動支護無法改變巖層內部結構，只能被動承受圍巖變形，例如傳統(tǒng)的木支護、砌碹支護以及鋼拱架支護等;主動支護可以改變巖層內部結構，主動加強巖層自身強度，例如錨桿(錨索)、錨注、錨噴以及錨網噴等支護方式 ，其中錨注支護、錨噴支護以及錨網噴支護屬于復合支護，錨噴支護更是成為了金屬礦山巖層的主要加固技術。全長式錨桿和黏結式錨桿復合成全長黏結式錨桿，極大提高了錨固強度，在工程實際中具有很好的推廣價值和應用前景;噴射混凝土從以往的干噴發(fā)展到如今的濕噴，改善了作業(yè)環(huán)境，防止了巖層剝落。將噴射混凝土和錨桿進行有效結合，可以在一定范圍內控制圍巖的自由變形，使圍巖應力重新分布，可有效防止巖層剝離掉落。

隨著科技的迅速發(fā)展，國內外都在加大有關錨噴支護先進裝備的使用。例如國外已研發(fā)了一系列錨桿臺車、濕噴車以及掛網臺車等設備，同時，我國自主研制了輪胎式錨桿臺車(履帶式錨桿臺車)、礦用濕噴機以及兩臂混凝土濕噴機等設備，在提高工作效率的同時，降低了勞動強度，保證了作業(yè)安全，在一定程度上實現(xiàn)了巖層加固技術的機械化、智能化。經過數(shù)次技術革新，巖層加固技術已從傳統(tǒng)被動的單一支護發(fā)展到新型主動的復合支護，今后將呈現(xiàn)出機械化、智能化的發(fā)展趨勢，以期提高安全性和作業(yè)效率。

4.膏體充填技術

金屬礦山開采引起的固廢污染、水體污染、大氣污染和侵占土地等現(xiàn)象十分嚴重。隨著充填采礦技術與裝備的發(fā)展，膏體充填技術為解決傳統(tǒng)采礦問題和金屬礦山開采所引起的環(huán)境污染問題提供了新思路，將全尾砂等礦山固體廢棄物制備成飽和態(tài)、無泌水、牙膏狀的結構流料漿，進行膏體充填，可協(xié)同解決尾礦庫和采空區(qū)這兩個重大隱患，從而保證礦山可持續(xù)發(fā)展。與傳統(tǒng)的水砂充填相比，膏體充填具有“三不”特性，即漿體不分層、不離析、不脫水。目前我國已建成國際首個工業(yè)級的膏體充填試驗平臺，占地約2 000 m2，設備200余套，具有工業(yè)級精度高、功能全、智能化的特點，可以對膏體充填工藝全流程進行實驗、參數(shù)檢測并指導系統(tǒng)設計和工程實踐，尤其多管徑、多走向、多流量的環(huán)管實驗系統(tǒng)，檢測結果較傳統(tǒng)方法更接近實際。

金屬礦膏體充填的各個工藝環(huán)節(jié)的共性基礎理論為金屬礦膏體流變學，以膏體流變本構方程為研究內容，以理論計算、流變實驗和數(shù)值模擬為主要研究手段，滿足膏體充填中尾砂濃密、膏體攪拌、膏體輸送以及充填固化這4個工藝環(huán)節(jié)的工程需求。其中，濃密技術旨在獲得穩(wěn)定合適的底流濃度，為制備合格膏體奠定基礎;攪拌技術使物料混合均勻，為膏體管道輸送流態(tài)化和力學特性均質化提供條件;輸送技術追求低能耗、少磨損;填充技術實現(xiàn)充填體強度均勻分布與充分接頂率，上述4種工藝對應著膏體充填的四大關鍵技術。膏體充填技術具有“安全、經濟、環(huán)保、高效”的豐富內涵，是金屬礦山綠色開采體系的一個重要技術支撐，被我國有關部委列為示范技術，是全球礦業(yè)領域的研究熱點。膏體充填核心理論體系架構如圖3所示。

圖3 膏體充填核心理論體系架構

5.遠程遙控技術

隨著科技的發(fā)展，采礦技術也在不斷進步，從最初的人工開采到機械化開采，再到現(xiàn)在的自動化開采、智能化開采，不論是自動化開采還是智能化開采，遠程遙控都是其核心技術。為此，遠程遙控技術在現(xiàn)代化礦山開采中將扮演著不可替代的角色，是現(xiàn)代采礦發(fā)展的重要技術手段。遠程遙控技術在國際上已是一種比較成熟的控制技術，也是地下礦山發(fā)展的一個方向，其中包括鑿巖遙控、裝藥遙控、出礦遙控等。但是該技術是一個國家工業(yè)整體發(fā)展到一定高度后的配套應用技術，目前在我國尚未全面推廣。遠程遙控關鍵技術主要體現(xiàn)在開采環(huán)境遠程感知、開采過程遠程操作、開采系統(tǒng)遠程管控這3個方面，從而實現(xiàn)自動感知與分析、無人作業(yè)、遠程調配、自動預警及遠程決策等功能。