深部金属矿开采关键理论技术进展与展望_王勇.pdf

深部金属矿开采关键理论技术进展与展望王勇1,2)，吴爱祥1)，杨军2)，杨钢锋1)，王珍岐1)，李健1)1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083通信作者，E-mail:摘要深部岩体相比浅部岩体具有强流变性、强湿热环境和强动力灾害等差异，相关岩体力学理论和开采技术不再适用于深部金属矿开采.因此本文对深部岩体力学、深部建井提升、绿色开采、智能开采这 4 个金属矿深部开采的关键理论技术的研究现状进行综述，并针对性提出未来的研究重点.最后，基于现阶段深部金属矿开采的关键技术和理论的研究现状以及存在的问题，提出了发展和完善极深部岩体力学理论、进行原位流态化开采技术研究和应用以及建设超大型深部智慧化无人矿山这 3 个方面的展望.随着金属矿开采深度不断下降，亟需研究金属矿深部开采相关理论技术，确保深部金属矿产资源安全、高效、经济、环保地进行开采.关键词深部金属矿；岩体力学；建井提升；绿色开采；智能开采分类号TD853ProgressandprospectiveoftheminingkeytechnologyfordeepmetalminesWANG Yong1,2)，WU Ai-xiang1)，YANG Jun2)，YANG Gang-feng1)，WANG Zhen-qi1)，LI Jian1)1)SchoolofCivilandResourceEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China2)StateKeyLaboratoryforGeoMechanicsandDeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTMineralresourcesareessentialtohumanlifeandsocialdevelopmentandplayanimportantroleinnationalsecurityandeconomicdevelopment.Chinahashugereservesofmetalmineralresources,butthepercapitapossessionislow.Especially,itisdifficultforiron,copper,aluminum,andothermetalmineralresourcestobeself-sufficientandheavilydependentonforeigncountries.Becauseofthemassiveexploitationofmetalmineralresources,shallowresourcesarebecomingexhausted,anddeepminingwillbecomethemainforceforthesupplyofmetalmineralresourcesinthefuture.“Goingdeepintotheearth”correspondstothecurrentstateofnationalresourcestrategydevelopment.ItisfoundthatthereisstillacertaingapbetweenChinasdeepmetalminingtechnologyandminingdepthcomparedwithinternationallydevelopedminingcountries.Theminingdepthofforeignminingcountriesismostlyover3000m,withthreeSouthAfricanmineshavingaminingdepthofover4000m,whereastheminingdepthofChineseminesismostlybelow2000m,andmostofthemetalmineshavenotyetbrokenthroughthekilometerdepth.Furthermore,thelevelofminingtechnologyinestablishedminingcountriesabroadishigh,andthedegreeofmechanizationandintelligenceishigh.DeepminingtechnologyinChinaisinsufficienttomeettheneedfordeepmining.Chinastillhasalargegapcomparedwithinternationallydevelopedcountries;therefore,therelatedrockmassmechanicstheoryandminingtechnologyarenolongersuitablefordeepmetalmining.Inthispaper,wesummarizetheresearchstatusoffourmajortheoriesandtechnologiesfordeepminingofmetalmines,namely,deeprockmechanics,deepwellbuildingandlifting,greenmining,andintelligentmining,andproposesfutureresearchemphases.Finally,based收稿日期:20221112基金项目:国家自然科学基金资助项目（52130404）；中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金课题资助项目（SKLGDUEK2127）；中央高校基本科研业务费资助项目（QNXM20220002,FRF-TP-19-002C2Z，FRF-IDRY-GD22-004）工程科学学报，第45卷，第8期：12811292，2023年8月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.8:12811292,August2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.12.004;http:/ontheresearchstatusandexistingproblemsofthekeytechnologiesandtheoriesofdeepmetalminingatpresent,thepaperputsforwardthreestrategicideas:deep-partconstructionofasuper-largeintelligentautonomousmine,in-situfluidizedmining,androckmechanics.Withthecontinuousincreaseofminingdepth,itisurgenttostudytherelatedtheoryandtechnologyofdeepminingofmetalminessoastoensurethesafe,efficient,economical,andenvironmentallyfriendlyminingofdeepmetalmineralresourcesandensuretheresourcesecurityofourcountry.KEYWORDSdeepmetalmines；rockmechanics；shaftconstructionandhoisting；greenmining；intelligentmining矿产资源是人类生存和社会发展必不可少的物质基础和保障，矿产资源的开发利用水平一定程度上决定了人类社会的发展水平1.据统计，目前社会生产所需的 80%左右的原材料、90%以上的能源、70%左右的农业生产资料，均来自矿产资源，其中金属矿产占据主导地位2.金属矿产资源是指经过加工冶炼可以从中提取金属元素的矿产资源，是社会发展的必需品，是构成现代社会三大支柱的重要组成部分3.金属矿产资源是关系国家经济命脉和国家安全的重要战略物资，是中国全面建成小康社会、实现第三步战略目标宏伟任务和经济社会可持续发展的重要物质基础，在中国现代化建设中具有举足轻重的地位4.我国金属矿产储量高，但人均占有量低，呈现“大而不强”的特点.特别是进入 21 世纪以来，工业化发展迅速，国内的金属矿产资源已不能满足需求，严重依赖国外进口.根据智研咨询、中国产业信息网等相关数据，近年来我国铁、铜、铝对外依存度均在 50%以上，尤其是 2019 年铁矿对外依存度高达 77.1%.金属矿产资源的保障程度直接关系到国民经济发展和国家安全.因此，因而金属矿产资源紧缺成为制约我国经济社会快速发展的瓶颈.金属矿产资源是不可再生资源，几十年的大规模开采使我国浅部金属矿产资源日渐枯竭.但随着金属矿产资源的需求不断增大，为保障供应，金属矿山开采的深度随之增大，未来我国金属矿产资源的开采将进入第二深度空间（10002000m）5.据相关数据统计与预测，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 1000m，最高可达到 20003000m6.而纵观世界金属矿产资源的开发，国外金属矿山开采深度超千米有100 余座，分布在南非、加拿大、美国、印度、俄罗斯和欧盟等国家和地区，且其绝大多数的开采深度超过 2000m7.2011 年，国务院找矿突破战略行动纲要（20112020 年）提出，加快推进重点成矿区带的基础地质调查、矿产远景调查和综合研究工作，促进深部找矿突破8.2016 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”，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9.2021 年，按照国务院的要求，自然资源部将联合发展改革委、科技部、财政部等部门，充分调动社会各界的积极性，共同组织实施战略性矿产找矿行动（20212035）10.进入深部开采已经成为金属矿产资源开采的必然趋势.为此，本文归纳总结了国内外金属矿深部开采关键理论与技术的发展现状及研究趋势，并以此为基础提出了极深部岩体力学、深部金属矿原位流态化开采和超大型深部智慧化无人矿山建设 3 个方面的展望，以期在金属矿深部开采方面，不断开拓创新、持续科技攻关、突破技术瓶颈，安全、经济、高效、环保、智能地开采深部金属矿产资源，保障我国金属矿产资源安全.1金属矿深部开采国内外现状金属矿深部开采已经在国内外取得了较快的发展，深部开采矿山数量及开采深度迅速增长.与此同时，为了确保深部金属矿安全、高效、环保地进行开采，包括中国在内的世界各采矿大国联合工业部门与研究机构，对金属矿深部开采的相关技术开展了深入的研究.1.1国外金属矿深部开采现状1.1.1开采现状国外的金属矿深部开采和研究起步早.1989 年在印度 Kolar 金矿采用空场法开采深度达到 320m时记录到有岩爆现象的发生11，1900 年在印度科拉尔金矿观察到岩爆现象12.1904 年在美国大西洋 Atlanta 铜矿观察到了明显的岩爆现象，且该矿由于在 1906 年发生了一次较大的岩爆（地震强度估计达到里氏 3.6 级）后关闭13.随后，在美国、前苏联、加拿大、澳大利亚等国家相继进行了深部金属矿的开采和研究工作.据不完全统计，国外采深超千米的地下金属矿山有 110 余座，主要分布在南非、加拿大、美国、印度、澳大利亚、欧盟等国家和地区5.其中，1282工程科学学报，第45卷，第8期南非绝大多数金矿、铀矿的开采深度都在 1000m以上，Westerndeeplevel 金矿开采深度达到 4800m，是目前世界上采深最深的地下金属矿