地下空间智能采矿究竟要怎样实现？

伴随着浅部矿产资源开采程度的提高，我国矿山尤其是金属矿山正逐步走向深部开采阶段。但是，深部开采面临着诸多环境和技术难题。对于正处于自动化向智能化过渡的国内矿山而言，绿色开采、深部开采是其未来发展中必然要考量的主题。而融合绿色开发、智能采矿在内的新理念、新模式、新技术创新，成为深部安全、高效、环保开采的关键。作为矿业未来发展的方向，智能采矿如何保障深部开采？将会在深部开采中开拓出怎样的一条“通途大道”？

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深部开采，既是矿业发展的必然，也是探索深地奥秘、开拓深地矿床的前沿。经过新中国成立以来60多年的勘查开采，我国浅部矿产资源逐年减少，开采深度在千米以内的金属矿产资源正在逐步消耗殆尽。

矿产资源特别是金属矿产资源开采正向深部全面推进，一些金属矿山将逐步由千米以内向1500米及以上深井发展。统计显示，2000年以前，我国只有2个金属矿山开采深度达到1000米。进入21世纪以来，其发展速度很快，目前已有16座地下金属矿山采深达到或超过1000米。其中，吉林夹皮沟金矿、云南会泽铅锌矿和六苴铜矿、河南灵宝釜鑫金矿均超过1500米。

此外，全国找矿突破战略行动通过在整装勘查区、矿山深边部找矿，发现了多个深井矿床，例如思山岭铁矿、济宁铁矿、大台沟铁矿、陈台沟铁矿、瑞海金矿、三山岛金矿西岭矿区等。

有专家预测，我国将有近30余座金属矿山进入地下1000米以下深度开采，其中有近10座矿山将进入1300~2000米深度开采；未来5~10年，将有1/3以上的矿山进入1000米以深的开采深度。

但是，深部开采作为矿业发展的前沿领域，也面临着诸多挑战。

深部岩体地质力学特点决定了深部开采与浅部开采的明显区别在于深部岩石所处的特殊环境，即“三高一扰动”的复杂力学环境，使得诸多关键难题需要破解:

1. 一是深部高应力问题。深部高应力可能导致破坏性的地压活动，包括岩爆、塌方、冒顶、突水等由采矿开挖引起的动力灾害。
2. 二是岩性恶化问题。浅部的硬岩到深部变成软岩，弹性体变成潜塑性体，这给支护和采矿安全造成很大负担，严重影响采矿效率和效益。
3. 三是深井高温环境问题。岩层温度随深部以1.7℃/100米~3.0℃/100米的梯度增加。深井的高温环境条件严重影响工人的劳动生产效率，而为了进行有效降温，又必将大大增加采矿成本。而随着开采深度的增加，矿石和各种物料的提升高度显著增加，提升难度和提升成本大大增加，并对生产安全构成威胁。

同时，超大规模超深井开采中涉及安全生产的建井施工、采矿工艺、提升运输、通风降温、充填、岩移预测等重大问题的解决，离不开深井提升钢丝绳检测装置、大处理能力的尾矿浓缩贮存装置、超大规模金属矿井运输智能控制系统等关键装备的研发应用；深部金属矿山开采相关技术标准也有待建立和完善。

这些深部开采中的关键难题，同时也是未来智能采矿中需要面对和处理的核心问题。

此外，我国矿山面临的来自矿业市场、转型发展以及国家安全环保政策方面的压力与挑战，也促使其通过提升机械化、自动化、智能化水平，以提高生产效率和资源利用率，在推进“机械化换人、自动化减人”，建设地下矿山安全避险“六大系统”、“尾矿库安全在线监测系统”等的过程中，提升整个矿山的现代化水平。

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针对矿山开采面临的新形势和新挑战，业内专家提出了一条解决途径——智能矿山。这也是矿山未来发展的诗与远方。

北京矿冶研究总院张元生教授认为，“智能矿山”是“工业化”与“信息化”的有机结合和新的发展阶段，是“互联网+矿山”的本质体现，其终极目标是实现“无人采矿”。“智能矿山”是采用人工智能、物联网、云计算、大数据、地理信息技术（RS\GIS\GNSS）、虚拟现实（VR）、智能机器人、轨道交通技术、无线通信技术、自动控制、计算机软件、移动互联网、高端装备制造等高新技术，应用于矿山生产各个作业环节，实现矿山全流程、全生命周期的数字化与智能化。

所谓智能采矿，就是在矿床开采中，以开采环境数字化、采掘装备智能化，生产过程遥控化、信息传输网络化和经营管理信息化为特质，以安全、高效、经济、环保为目标的矿业工程。

从运行模式上看，“智能矿山”应该是生产管理远程化、遥控化、无人化，采矿作业智能化，选冶过程自动化，运输调度无缝化。

当前，我国智能矿山技术发展主要体现在综合调度中心、资源管理系统、智能装备、泛在信息智能采集与传输、智能化采矿爆破技术与装备、地下空间高精度定位与导航、智能生产调度与控制平台、矿山安全智能化监测预警系统等方面。

其中，在智能装备方面，智能铲运机、装药车、凿岩台车等装备已投入使用；在智能通信方面，井下无线通信系统已经在甲玛铜矿等10余个矿山进行了应用；在智能化采矿爆破技术与装备上，三维激光扫描系统已经在新疆阿舍勒铜矿、湖北大冶等矿山进行了应用，支撑智能化采矿爆破设计，并将结果指导自动钻孔与优化装药；在地下空间高精度定位与导航上，已经开发出了原型系统，部分技术已经实现现场转化应用。

大规模深井充填法开采是我国近年来金属矿山的一个显著特点，埋藏深（高地应力、高地温）、矿体厚大、环保要求等给矿山开采带来了诸多技术挑战，体现在采矿方法选择、回采顺序、提升运输、通风和制冷降温、充填系统、尾矿处理、安全（包括防水）等方面。

瑞海金矿是大规模深井矿床充填法开采的一个典型矿山。依照设计方案，采矿自动化及信息化融合控制也被纳入其中。瑞海金矿自动化及信息化系统包括：采矿自动化、选矿自动化、生产管理信息平台、企业网络系统规划。其中，采矿自动化包括采矿自动化系统、通信和网络系统、安全监测和监控系统、井下交通自动化系统；选矿自动化包括顽石破碎、磨矿系统、浮选系统、脱水系统；企业管理信息平台主要指矿山生产管理信息系统；企业网络系统规划包括井下光环网系统、地表光环网系统。

具体而言，其设计中的采矿自动化系统又细分为提升自动化系统，胶带运输控制系统，溜井、破碎系统，充填料制备自动化、通风控制系统等；通信和网络系统细分为井下光环网系统、井下有线通信系统、坑内无线通信系统等；安全监测和监控系统细分为气体监测系统、地压（微震）适时监测系统、人员定位系统、车辆定位系统等；井下交通自动化系统细分为斜坡道交通信号系统、无人驾驶电机车控制系统等。

伴随着一些大型地下矿山的建成投产，可以预见，未来远程遥控和自动化开采将是一个显著特征，新建矿山的现代化水平将有一个巨大的提升。

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矿山有智能化的诗与远方，当然也有眼前的现实。应该看到，当前我国金属矿山整体机械化程度还相对落后，依然需要加快工业化与信息化融合进程，实现传统矿业的跨越，从而走向智能采矿。

谈到当前矿山自动化、信息化的实际，中国恩菲工程技术有限公司白光辉认为矿山企业应该根据自己的需求，选择先进的和有发展前途的技术。

他表示，国内地下矿传统自动化系统可细分十几个系统，如高压供电系统、低压供电系统、排水系统、通风系统、破碎系统、铲运机远程遥控系统、无人驾驶卡车运输系统、有轨电机车运输系统、溜井料位检测系统、排泥系统、提升系统以及六大系统。应该说，国内矿山对先进技术非常重视，同时也投入大量资金和人力搞自动化和信息化建设，但总体效果不尽如人意。

随着网络技术和TCP/IP通讯协议的广泛应用，在他看来，地下矿自动化、信息化融合具备可行性。但他认为，集成不是融合，综合也不是融合。融合是要在集成的基础上，实现各专业各系统（供配电、控制、网络）之间的相互交叉、相互渗透、信息相互引用、资源相互共享层面上的融合，以至于不再出现综合的痕迹，比系统之间无缝衔接的层次更高。这种融合应从矿山总体集成到各个子系统的实施标准开始，最后到所有系统纳入地下公网搭建的管控平台全范围进行融合。这种程度的融合，需要融合者具备全面的专业技能和全局的把控能力。

针对融合的切入点，白光辉认为融合应该从底层做起：从高低压供配电、各个子系统自动化控制、各个子系统对外通信规约做起。风、水、电是一个矿山的动力命脉，而供配电系统又是风和水的动力来源，所以抓住电（包含控制）也就等于抓住了一个企业的动力命脉。所以，融合的第一个切入点是“电”。信息化是现代化矿山建设的基础，而网络又是实现全矿信息化的高速公路。抓住了网络也就等于抓住了全矿的神经系统——做到一切皆有可能。所以，融合的第二个切入点是“网络”。

目前，大多数矿山的做法是，首先按照工艺系统、按照专业划分需要建设的各个子系统，并将各个子系统分包给不同的专业集成公司去完成。在此基础上，再用一张大网(综合信息网络)去把各个子系统都罩住。这张大网一般都由业主来集成。

由于各个子系统之间固有的特性，使得协调性较差。这种分散实施、统一协调的方式最多也就是能够获得一个综合系统。该系统具有N多种通讯协议、N多种控制设备、N多种集成习惯等特点。同时从系统上就自然分割开来，使得用户即使有融合维护的想法，但也很难或无法实施。这种化整为零的集成方式势必导致矿山建设缺乏整体性，各个系统之间的融合就更是难上加难。

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