中国黄金矿山开采技术回顾与展望.pdf

２ ０ ２ ０年第 ９期／ 第 ４ １卷 黄 金 Ｇ Ｏ Ｌ Ｄ 采 矿 工 程４ １ 中国黄金矿山开采技术回顾与展望 收稿日期 ２ ０ ２ ０－ ０ ８－ ０ ８ ；修回日期 ２ ０ ２ ０－ ０ ８－ ３ １ 基金项目 国家自然科学基金资助项目（ ４ １ ６ ３ ０ ６ ４ ２ ， ４ １ ８ ０ ７ ２ ５ ９ ） ； 国家重大科研仪器研制项目（ ５ １ ９ ２ ７ ８ ０ ８ ） 作者简介 李夕兵（ １ ９ ６ ２ ） ， 男， 湖南宁乡人， 教授， 博士生导师， 博士， 从事硬岩矿山开采和岩石动力学方面的教学与科研工作； 主持的重大项目 有国家自然科学基金重大、 重点课题， 国家 ８ ６ ３和 ９ ７ ３计划课题， 国家重点研发计划课题和国家重大科研仪器研制项目等国家级项目和 重大校企合作科研项目； 获得的主要荣誉及奖项有国家杰出青年科学基金（ １ ９ ９ ６ ） ， 中国青年科技奖（ １ ９ ９ ６ ） ， 教育部“ 长江学者” 奖励计 划特聘教授（ ２ ０ ０ ０ ） ， 湖南省首届科技领军人才（ ２ ０ ０ ７ ） ， 科学中国人年度人物（ ２ ０ ０ ９ ） ， 全国优秀科技工作者（ ２ ０ １ ２ ） ， 十佳全国优秀科技 工作者提名奖（ ２ ０ １ ２ ） ， 湖南光召科技奖（ ２ ０ １ ７ ） ， 以及国家科技进步二等奖 ４项， 湖南省自然科学奖一等奖１ 项和湖南省技术发明奖一等 奖１ 项； 出版有包括中国图书奖和“ 十二五” 国家规划教材在内的多本著作， 在国内外顶级期刊发表多篇学术论文； 长沙市岳麓区麓山南路 ９ ３ ２ 号， 中南大学资源与安全工程学院， ４ １ ０ ０ ８ ３ ； Ｅ  ｍ ａ ｉ ｌ ｘ ｂ ｌ ｉ ＠ｃ ｓ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 李夕兵１ ， ２， 周 健１ ， ２， 黄麟淇１ ， ２， 刘志祥１ ， ２ （ １ ． 中南大学资源与安全工程学院； ２ ． 中南大学深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室） 摘要 以国内典型黄金矿山特别是岩金矿床开采现状及研究成果为基础， 系统分析了现有黄金 矿山开采现状、 困境和技术难题。同时， 以透视采矿业的转型需求、 打造新时代的炼金术为导向， 系 统阐述了不同深度的深地岩金矿床开采模式与方法和变害为利的岩金矿床深部开采灾害防控策 略， 并就深部岩金矿床资源综合与循环利用技术、 智能采矿和无人采矿等方面技术难题及突破方向 进行了探讨， 以期为金矿资源开采向地球深部进军提供理论和技术参考。 关键词 黄金矿山； 深部开采； 采矿技术； 灾害防控； 智能采矿； 无人采矿 中图分类号 Ｔ Ｄ ８ ５ 文章编号 １ ０ ０ １－ １ ２ ７ ７ （ ２ ０ ２ ０ ） ０ ９－ ０ ０ ４ １－ １ ０ 文献标志码 Ａｄ ｏ ｉ １ ０ ． １ １ ７ ９ ２ ／ ｈ ｊ ２ ０ ２ ０ ０ ９ ０ ７ 引 言 黄金是关乎国民经济、 金融安全及国际贸易的关 键战略资源。步入新时代， 社会对该资源需求的剧增 及提取工艺的优化， 都为行业的繁荣发展奠定了基 础［ １ － ３ ］。截至 ２ ０ ２ ０年， 中国黄金矿金产量已连续 １ ０余年蝉联世界首位。随着浅部黄金资源逐渐减少 和枯竭， 金矿床开发正向深部逐步进军， 全球典型的 黄金矿山均已向地下延深至 ２０ ０ ０ｍ以下。例如 南 非 Ｍ ｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｇ 矿的矿体赋存深度超过 ７５ ０ ０ｍ ， 开采水 平逾４ ３ ５ ０ｍ ； 印度 Ｋ ｏ ｌ ａ ｒ 金矿区已有３个矿采深超过 ２４ ０ ０ｍ ， 其中一个已达 ３２ ６ ０ｍ 。目前， 国内有数十 座金属矿山进入深部开采阶段， 其中近半数的矿山采 深在 １０ ０ ０～１４ ０ ０ｍ 。现有井筒开拓深度已达 １５ ０ ０ｍ ， 预计未来几年最深将达 ２０ ０ ０ｍ ［ ４ － ６ ］。为了 统筹各方需求， 中国金矿的规模化开采也在向地下深 处高速迈进， 如吉林夹皮沟金矿、 河南灵宝肶鑫金矿 的开采水平均超过１４ ０ ０ｍ 。此前在山东三山岛金矿 深部探明一个储量巨大的金矿床， 为后续在该区域进 行规模化探矿提供了重要的理论依据［ ４ － ８ ］。 现今黄金矿业发展面临多重复杂因素的影响。 进入深部开采后， 亟待解决高地应力作用下的岩爆、 分区破裂及大面积采空区失稳地压控制和支护技术， 以及提升、 通风和降温等技术难题［ ９ － １ ４ ］。地应力值 随采深增加而梯度增加， 深部高地应力将会迸发冒 顶、 片帮、 突水、 岩爆、 分区破裂及大面积采空区失稳 等一系列动力灾害， 难以进行有效防范和预警， 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； 岩温随深度增加呈梯度递增， 矿井热害已严重影 响井下一线作业人员的身心健康和劳动效率， 或将成 为制约矿体开采深度的决定性因素； 而要达到显著的 降温效果， 又势必大幅增加采矿成本。此外， 矿石和 各种物料的提升高度和成本随采深也显著增加， 并成 为矿山生产安全的重大危险源。与此同时， 经过多年 的高负荷掠夺式开采， 中国现有易开采、 品位高的优 质黄金资源已趋于枯竭， 黄金行业地勘工作滞后， 黄 金危机矿山与日俱增。但由于当前国内黄金内需供 不应求， 随着金需求量和价格的不断攀升， 复杂难采 低品位金矿资源具备了开采利用价值。显然， 这对未 来中国黄金矿床开采技术条件与成本控制等方面提 出了更高的要求。 鉴于中国黄金矿山的开采现状， 国家在深部资源 开采领域投入了大量的科研经费， 先后设立“ 九五” “ 十五” “ 十一五” “ 十二五” 科技攻关项目和“ 十三 五” 重点研发计划， 尤其是“ 十三五” 期间， 深部矿产 资源开采领域“ 深部岩体力学与开采理论” “ 深部矿 ４ ２ 采 矿 工 程 黄 金 建井与提升技术” “ 金属矿安全高效开采” 和“ 无人采 矿前沿技术” 等一系列国家研发计划重点专项相继 出炉［ １ ５ ］。为此， 必须聚焦黄金行业发展的重大需求， 集中优势力量， 按照科技重大专项“ 重、 大、 专” 的精 神， 对深部开采所面临的重大难题进行科技攻关和成 果孵化。文章围绕黄金矿山开采相关工艺发展历程 和技术瓶颈进行分析， 并立足于社会发展大方向， 展 望行业未来的发展趋势和生产模式。 １ 国内黄金矿山开采现状 １ ． １ 现状及困境 中国金矿资源储量丰富， 但资源分布变化大、 矿床 规模小。金矿资源可分为岩金、 伴生金和砂金等三大 类， 囿于当前的技术条件限制， 当下岩金的开采占比较 大， 已探明储量的矿区有 １２ ０ ０余处［ ２ ， ３ ， ８ ， １ １ － １ ２ ］。 中国 黄金年鉴 ２ ０ １ ９ 显示， 中国黄金产量自 ２ ０ ０ ７年以来 持续位列榜首， 约占总体的 １ ２％（ 见图 １ ） ［ １ ６ ］。但 是， 从资源和开采方面来看， 矿体品位较低（ 大部分 岩金矿石品位只有 ２ｇ ／ ｔ 左右） 、 当前工艺水平下部 分金矿资源难以利用的问题突出。同时， 资源开采的 规模化、 深部化趋势， 使得矿体赋存环境愈发恶劣、 品 位降低， 进一步增加开采难度， 难采矿石量逐渐增加。 当前， 难处理金矿资源约占国内已探明地质储量的 １ ／ ３ 。全国黄金行业地质勘探工作滞后， 探矿工作严 重滑坡， 可利用的地质资源越来越少。从目前国内的 金矿资源保有储量看， 大部分已被生产占用， 受采深、 地温、 地压和提升等因素影响， 开采难度越来越大， 生 产成本逐年攀升。部分重点产金区和老企业的资源 优势已经失去， 资源质量普遍下降， 资源危机日趋严 重。若不尽快改变这种状况， 势必出现区域性危机矿 山。同时， 中国大型黄金矿山相对较少， “ 小而散” 的 现状依然存在， 进而导致了矿山井下机械化程度低， 工人劳动强度大、 条件差、 收入低。但是， 中国黄金行 业“ 小而散” 的局面正逐步向基地化和园区化改善， 大公司、 大集团相继成为黄金行业发展的中流砥柱， 形成了一批具有核心竞争力的大型黄金企业集团。 此外， “ 一带一路” 建设带来了前所未有的发展机遇， 并坚定了相关企业“ 迈出去” 的信心。 地表矿产资源消耗殆尽， 使得矿山企业必须摒弃 传统粗犷、 选择性利用的开采模式， 进而向低品位矿 体开采、 深部规模化开采转型。当下， 依托地表基础 发展而来的采矿方法在深部开采过程中暴露出诸多 短板， 例如 无底柱分段崩落采矿法会面临开采境界 过大、 贵重金属贫化率偏高等问题； 进路充填采矿法 的产量难以满足需求。在今后的发展过程中， 深部开 采必然会占据主导地位。如何在保证安全的前提下， 图 １ 各国黄金生产历史饼图 协调各方需求及降低采矿成本， 成为当下亟待解决的 问题。 另一方面， 黄金企业在为国家做出贡献的同时， 也给矿山地质生态环境带来了诸多问题。例如 采矿 活动所形成的尾矿库、 废石场、 露天坑， 占用了大量的 土地， 破坏了当地植被； 采空区、 坍塌区等严重破坏了 当地建筑和公路， 给居民的生活、 安全带来了极大危 害； 随采深递增， 地下水位急剧下降， 若连年干旱， 则 会出现海水倒灌现象。尤其是开采形成了大量的空 区， 成为黄金矿山的重大隐患。从空区形成的历史及 现状看， 或因历史原因民采泛滥， 无序开采形成的未 知空区； 或由于资金短缺， 一些传统留矿采矿法开采 工艺形成的空区没有及时充填； 这些隐患空区为大规 模的地质灾害埋下了伏笔。 １ ． ２ 采矿方法 就地压管理和采矿方法自身而言， 三类方法的差 距并不大。随着新设备、 新技术的出现， 由传统模式 发展而来的新方法也在适应高效、 安全的发展潮 流［ ４ － ５ ］（ 见图 ２ ） 。中深孔落矿嗣后充填正逐步取代 产能相对不足的浅孔落矿。在崩落采矿法中， 通过优 化崩矿步距和分段高度来进行成本控制， 同时， 地表 塌陷的困扰也使得该法逐渐向充填采矿法过渡。对 于空场采矿法， 矿柱承受着来自顶板的压力， 随着工 作面的持续推进， 顶板暴露面积和空区范围逐渐增 加， 预设矿柱难以支撑顶板压力， 易出现大面积空区 塌陷的多米诺效应。崩落采矿法直接崩落围岩充填 空区， 不预留矿柱支撑顶板， 这易造成岩层移动甚至 地表大面积塌陷。随着深部开采的全面化， 空场采矿 法、 崩落采矿法所暴露的安全问题日趋明显， 而充填 采矿法凭借着绿色、 安全的优势正逐渐得到矿山企业 的青睐。由于充填体的存在， 使顶板变形处在一个可 控的范围内， 避免了大跨度采空区所带来的巨大风 险。同时， 能对矿柱进行最大限度地回收， 减少了地 ２ ０ ２ ０年第 ９期／ 第 ４ １卷 采 矿 工 程４ ３ 下资源的永久损失。随着国家出台的一系列关于资 源开采和高效利用的政策法规， 相关企业也在积极响 应， 并逐步向充填采矿法过渡。不断优化自身结构， 并寻找更安全、 高效、 成本更低的充填材料。 图 ２ 岩金矿床传统采矿方法及其发展趋势 此外， 矿产资源的开采压力与日俱增， 部分品位 较低、 开采难度较大的金矿资源也逐步走进矿山企业 的视 野。隐 患 破 碎 矿 段 实 现 安 全 高 效 开 采 方 面［ １ ７ － １ ９ ］， 通过大区域作业空间安全环境构建、 大空间 超限控制爆破实施、 高天井一次爆破成井和大规模爆 破安全控制等手段， 实现了新城金矿充填体环境下的 矿柱高效回收； 通过深孔落矿、 微差减震等技术， 提出 了水平扇形深孔阶段崩落采矿法， 实现了太白金矿采 空区环境下的二步矿柱安全高效回收。大型水（ 海） 下金属矿床实现安全高效低贫损开采方面［ ２ ０ － ２ ３ ］， 为 确保海底开采的安全性和金矿资源的高回收率， 通 过数值模拟和自主研发的海底开采模拟试验平台 物理模拟， 就合理的采矿方法、 开采顺序与安全隔 离层厚度等进行了细致深入的探讨， 开发了岩层变 形与地下水观测系统、 絮状层解功能全尾充填与接 顶方法和岩层微扰低沉降房柱式开采方法， 并在胶 东地区三山岛金矿建成了国内首个大型海底基岩 开采示范矿山， 成功突破了海底开采安全监测、 低 沉降安全高效开采和海底开采安全隔层厚度等技 术瓶颈。 １ ． ３ 开采技术难题 通过对国内典型岩金矿床开采现状的梳理（ 见 表 １ ） ， 金矿资源的开发过程中， 三大方法的开采模式 类似， 并且与之相关的破碎方式、 保证开采连续性的 支护手段也没有表现出高度的分化。现阶段岩金矿 床开采仍存在如下技术难题 表 １ 国内典型金矿开采现状［ ２ ４ － ５ ２ ］ 矿山名称开采标高／ ｍ品位／ （ ｇ ｔ － １） 采矿方法存在问题 焦家金矿－ ４ ５ ０～－ ６ ３ ０２ ． ３ ６ 下向进路充填采 矿法、 机械化上向水 平分层进路采矿法、 浅孔留矿采矿法 １ ） 节理裂隙密集， 矿岩破碎， 稳定性差； 人工假顶稳定性差 ２ ） 施工中经常发生塌方， 安全隐患大， 矿石损失贫化较高 ３ ） 进路跨度偏小影响生产效率， 开采过程中地压显现明显， 顶板 围岩呈三角形冒落， 两帮围岩沿节理垮落及底角压碎， 支护效果欠 佳 ４ ） 涌水温度平均 ３ ２℃， 长距离独头掘进， 风机通风困难， 作业环 境极其恶劣 ５ ） 高地压、 地表无序采矿等多因子作用， 使得地表沉降特征明显 三山岛金矿－ ７ ８ ０～－ １２ ４ ０３ ． ４～ ４ ． ５ ２ 房柱交替上升式 机械化盘区上向充 填采矿法、 上向分层 充填采矿法、 点柱法 １ ） 巷道风温随着开采深度的增加逐渐升高， 局部温度梯度 ２ ． ６℃／ １ ０ ０ｍ ， 且风速小于０ ． ４ｍ／ ｓ ， 大量热水涌出， 地温升高， 个别 涌水点水温高达 ３ ８ ． ５℃， 预测 －１７ ７ ０ｍ中段原岩温度将达到 ５ １ ． ８℃， 高温高湿问题严重影响生产安全 ２ ） 开挖扰动地区应力重新分布， 局部出现应力集中现象， 巷道也 出现不同程度变形。现有采矿方法难以满足深部开采对安全生产、 效率、 采矿成本的要求 ３ ） 断裂带内岩体节理网络高度发育， 且整体强度偏低， 开拓过程 中经常遇到局部塌方的情形， 甚至会导通海床造成大面积海水倒灌 风险 ４ ４ 采 矿 工 程 黄 金 表 １ （ 续） 矿山名称开采标高／ ｍ品位／ （ ｇ ｔ － １） 采矿方法存在问题 夏甸金矿 － ６ ０ ０～－ １４ ７ ０３ ． ５ 上向水平分层充 填采矿法、 无底柱分 段崩落采矿法 １ ） 已进入深部开采， 地压显现， 且巷道围岩较破碎， 时有冒顶及垮 落现象 ２ ） 中深孔凿岩爆破等作业活动受地压影响大， 矿量损失严重， 矿 柱矿量较大， 为避免资源浪费， 需对矿柱进行有效回收 ３ ） 上盘矿体与围岩之间有较为发育的断层泥， 易引起矿石贫化和 塌落隐患， 部分区域为矽卡岩破碎带， 整体强度低、 黏性差， 巷道开 挖后变形严重， 巷道无法自稳， 深部破碎带支护问题亟待解决 新城金矿 － ９ ７ ０～－ １３ ０ ５ １ ． ５ ２～ ３ ． ６ １ 机械化盘区上向 分层充填采矿法 １ ） 矿石损失贫化较大 ２ ） 采区地应力以水平构造应力为主， 矿柱较为破碎， 稳固性比较 差 ３ ） 巷道受应力集中影响明显， 其破坏特征为软弱夹层垮冒、 岩体 层裂破坏和结构面控制型破坏 玲珑金矿 － ９ ０ ０～－ １０ ２ ５１ ． ６ ２ 浅孔留矿采矿法 １ ） 矿山开采过程中形成了大量采空区， 且采空区的形态大多呈不 规则状态， 最大的采空区体积超过 ２ ２万 ｍ ３， 这些采空区也为地下 水的积存提供了场所， 极易发生突发性透水、 涌水事故 ２ ） 地表产生大小不一的裂缝， 采空区因未及时充填形成了地表塌 陷区、 易塌陷沉降危险区 ３ ） 尾矿库容已达到其设计容量， 存在极大的潜在泥石流安全隐患 ４ ） 已进入深部开采， 显著的岩爆现象时有发生， 已经严重威胁到 井下工人作业的安全 ５ ） 矿体赋存倾角大， 浅孔留矿采矿法回采时放矿引起顶板塌落， 增加了矿石贫化率且存在作业安全隐患 二道沟金矿 － ８ ０ ０１ ４ ． ４ ９ 浅孔留矿采矿法、 削壁充填采矿法 多条矿脉采场出现岩爆现象， 随采深增加岩石弹射现象频繁发 生， 已有 ２个采场因强岩爆中途停采； 在发生岩爆的区段， 节理面密 闭， 硬度明显增大， 而在其走向方向的两侧， 节理裂隙发育， 有滴水 现象 灵宝金矿 － １３ ０ ０～－ １６ ０ ０７ ． ６ ２ 全面采矿法、 留矿 全面采矿法、 浅孔房 柱采矿法、 浅孔留矿 采矿法 １ ） 废石数量巨大， 矿山地质灾害凸显， 主要为矿渣泥石流， 崩塌滑 坡， 地面塌陷和地裂缝等 ２ ） 采场顶底板围岩由于地压过大出现局部掉顶现象， 有岩爆、 热 害现象 ３ ） 废弃几年甚至几十年的老工程和老采空区绝大部分未经过工 程地质勘查和安全检测， 安全隐患较为严重 湘西金矿 － １１ ０ ０１ ６ 废石胶结充填采 矿法 １ ） 矿脉赋存条件复杂， 缓倾斜， 矿脉薄和极薄， 且分支复合现象明 显， 节理、 断层和褶皱发育， 深部采区地质构造多， 地压活动剧烈， 但 矿石品位高 ２ ） 现有的采矿方法， 工人作业面宽度随采深地压的影响而不断缩 小， 电耙作业空间受到限制， 回采工作面应力集中、 电耙道顶板极易 冒落， 现有采矿方法难以满足当前采矿的需求 ３ ） 采空区未能及时充填或隔离不严密， 通风网络复杂， 风流紊乱， 矿井有效风量率低， 且深部采掘作业面空气温度超过 ３ ０℃ ４ ） 遗留下了许多高品位富矿柱和残矿块， 造成采区不能按时闭坑 紫金山金铜矿６ ０ ００ ． ６ ８ 露天开采 随着露采标高的降低， ４ ６ ０～ ５ ８ ０ｍ标高的采空区， 对露天开采带 来了严重的安全隐患。采空区未及时处理将导致联合开采的方案 无法实施 ２ ０ ２ ０年第 ９期／ 第 ４ １卷 采 矿 工 程４ ５ １ ） 采矿方法优化选择。由于岩金矿床赋存条件 复杂， 边界条件多， 矿岩开采受多种因素限制， 可供选 择的采矿方法受到限制， 致使采矿效果较差。 ２ ） 资源利用效果欠佳。由于目前该类矿体开采 没有较为成熟、 可行的技术， 开采时造成了大量的矿 产资源浪费， 而且岩金矿体一旦进行了开采并造成资 源丢弃后， 基本上无法进行回收， 其资源的损失是永 久性的。 ３ ） 采场结构参数及开采技术指标。鉴于岩金矿 体开采工程地质环境较差， 在采场参数选择、 采场布 置方式上较为困难， 致使矿石开采技术指标较差。 ４ ） 频繁地压显现。深部岩金矿体的地压环境复 杂， 采场／ 区域地压等变化显著， 经常发生局部或区域 性的动力灾害， 致使采空区处理及岩层控制困难， 甚 至波及地表建（ 构） 筑物的安全。 ５ ） 现有开采理论与方法严重滞后于工程实践。 中国在深部开采理论、 技术、 装备方面与国际先进水 平尚存在较大差距， 国内在 １５ ０ ０ｍ深度的开采技术 不能满足安全高效低耗开采需求； １５ ０ ０～ ２０ ０ ０ｍ开 采深度的大负荷高速提升装备、 深井灾害防控技术、 卸荷开采技术、 深井降温技术等存在瓶颈。 ２ 黄金矿山开采技术前沿与展望 ２ ． １ 金矿资源开采将向地球深部进军 探索深部资源是当代科学技术水平发展的体现， 是满足经济社会运行的必然要求， 更是国家长远发展 的战略需要。国外的探矿手段可到达距地表４０ ０ ０ｍ 的深处， 而国内地下矿山普遍低于 ５ ０ ０ｍ ， 针对该现 状， 习近平总书记在 ２ ０ １ ６年全国科技创新大会上提 出向“ 地球深部进军” 的口号［ ５ ３ ］， 倡导相应的政策和 技术为开采深部资源提供支持。 中国部分岩金矿山开采深度已超 １０ ０ ０ｍ（ 见 图 ３ ） 。不难预料， 在未来有更多的岩金矿山会转入 深部开采的新模式。中国岩金矿床品位极低（ 一般 只有几克每吨） ， 与开采深度呈负相关， 同时开发利 用过程中需要面对恶劣的开采环境。传统的开采理 论、 方法及工艺已严重滞后于开采活动。因此， 未来 岩金矿床的发展模式必然是通过增加矿石产量来弥 补品位低的短板， 并且不断优化采矿技术， 实现深部 矿山开采的连续化、 智能化和自动化［ ４ － ５ ］。 ２ ． ２ 深地岩金矿床开采模式与方法 显然， 不同赋存深度、 岩性和构造环境的矿床其 最优开采模式与方法各不相同。在借鉴吸收传统采 矿技术的前提下， 曾提出了不同深度空间的现代化采 矿模式（ 见图 ４ ） ［ ４ － ５ ］， 很显然也适用于深部岩金矿床 开采。不同深度空间的现代化采矿模式为［ ４ － ５ ］ 传统 图 ３ 中国部分岩金矿山开采深度 的采矿工艺中， 破碎岩体很大程度上依赖于钻爆法的 运用。在深部开采过程中， 高地应力给地下开挖活动 带来了许多不确定性因素。通过优化设计和一定的 技术手段可以实现岩体中储存的弹性能合理转化， 进 而为后续岩体切割工作创造有利条件。在向更深处 推进的过程中， 因贵重金属矿石含量（ 品位） 很低， 传 统提升矿石的矿井提升方法经济性极差， 因此有效可 行的方法是将地表破碎、 选矿等工序搬至地下， 实现 目标矿物的初步分离和废料就地充填， 减少矿石的提 升运输费用。而且可将矿物制成矿浆并借助深部巨 大的地下水压力实现物料的传送， 进而控制采矿成 本。同时， 实现高地应力、 高地温、 水力提升和溶浸采 矿工艺的高度耦合， 推动集成化采矿的发展， 将为深 部矿产资源的高效利用奠定基础。例如 通过高地应 力促进目标区域岩体中节理裂隙网络的发育， 降低其 强度并为各种溶液的流动创造通道。高地温能为物 质的交换创造有利条件并通过输出高温液体实现地 热的二次利用。当深度延伸至某一程度后， 岩体会因 为过高的温度而发生物理力学性质的改变， 且其具体 的形态也会有所不同。当下深部开采所面临的高地 应力、 高地温和灾害频发的挑战， 传统的采矿工艺显 然不能满足其需求。为此需要将开采、 致裂、 充填、 水 力提升等技术有机结合， 实现人工智能背景下的集成 化、 高效化、 无废化开采。 鉴于岩金等硬岩矿山的开采深度和难度， 早在 ２ ０ ０ １年香山科学会议第 １ ７ ５次学术讨论会上， 李夕 兵等［ ５ ４ ］就提出了“ 变害为利” 的深地资源安全高效开 采的构思， 在国内最早成立了面向深部金属矿产资源 开发与灾害控制的省部级重点实验室， 并就深地资源 开采所需解决的理论、 技术与方法等难题进行持续性 攻关， 国际上首次提出了基于高应力诱导致裂与能量 调控的非爆连续开采方法， 并于 １ ０年前就在硬岩矿 山开展这方面的工业试验。针对深部硬岩开采受力 ４ ６ 采 矿 工 程 黄 金 图 ４ 以坚硬矿岩高效破碎与开采诱发灾害有效控制为目标的深部金属矿开采模式 特征， 创造性地提出了深地资源开采有别于浅部的岩 石动静组合加载理论［ ５ ５ － ５ ７ ］， 并用该理论阐明了深部 硬岩开采诱发非常规岩体灾害的动力学解释。最近， 在开阳磷矿、 凡口铅锌矿和湘西金矿等典型矿山实测 与调查了不同埋深松动圈厚度及分布特征， 揭示了高 应力对矿岩破碎有实质贡献， 探明了诱导工程下高应 力硬岩破裂范围和能量释放规律， 并提出了适用非爆 连续开采的开采深度随岩石强度等的变化判别 式［ ５ ８ － ６ ０ ］， 这也为深部岩金矿床高应力诱导破碎非爆 连续开采模式示范提供有益的参考。 ２ ． ３ 变害为利的岩金矿床深部开采灾害防控策略 深部岩金矿床开采矿岩承受的高应力、 高岩温和 高井深导致深地工程实践活动呈现诸多技术瓶颈， 例 如 开采工序复杂， 决策管理人为因素影响严重， 生产 成本高； 深地开采过程效率低， 人工依赖性高， 安全性 差； 深地环境时空特征感知力度不足等。岩金矿床深 部岩体灾害复杂多样， 诸如冒顶片帮、 板裂、 分区破 裂、 高能级岩爆与矿震、 大面积采空区失稳和矿井热 害等。不难发现， 这些深地灾害性因素都源自于“ 三 高一扰动” 的复杂孕灾环境。对此必须真实模拟深 部动静组合应力条件， 揭示深部岩体非常规破坏机 制， 通过岩体不连续结构智能辨识、 地应力与岩温智 能监测、 岩体三维波速场层析反演和微震监测与岩体 灾害智能预警， 实现深地复杂孕灾环境智能感知与灾 害预 警，特 别 是 提 出 的 岩 石 动 静 组 合 加 载 理 论［ ４ － ５ ， ５ ５ － ５ ７ ］， 既可指导深部岩体致裂与高效破岩， 也 可用于解释深部岩体灾害发生机制； 采用智能化连续 采矿技术及装备、 全断面智能化一次成井及开拓和 “ 采护运选充” 全过程智能化， 实现深部开采全过程 智能控制； 建立全方位灾害监测预警系统， 实时采集 生产信息大数据， 通过物联网及云计算、 可视化集成 及智能决策手段与方法， 构建深部开采管控一体化平 台， 实现深地资源安全生产与决策智能管控。 当然， 除了上述传统式的岩爆等非常规破坏机理 与预测（ 高应力） 、 提升系统优化（ 高井深） 、 热害抑制 与缓解（ 高岩温） 等对策外， 事实上， 这 ３个灾害性因 素有“ 变害为利” 的可能性［ ４ － ５ ］ ①高应力有利于坚 硬矿岩致裂与块度控制， 通过合适诱导工程， 可使得 高应力诱导致裂非爆机械化破岩； ②高井深存在的静 水压力， 有利于高水压设备或井下动力源的更新， 用 来驱动井下装运、 凿岩、 采矿等机械， 或提升矿浆， 使 提升运输过程连续； ③高地温可加速原地溶浸采矿 过程中溶浸液与矿物间的相互作用， 甚至开发地热 资源供暖发电， 进而实现热、 电、 资源联合开发（ 见 图 ５ ） 。 ２ ． ４ 稳步推进岩金矿床资源综合与循环利用技术 随着采矿向深部进军， 岩温地压梯度增加， 环保 要求也日趋严格， 以废物综合利用、 资源高效开采和 地表生态维护为特征的可持续发展工艺 充填采 矿法备受学术界和工业界推崇［ ６ １ － ６ ５ ］。与此同时， 国 家黄金绿色矿山和安全生产标准化等一系列规范标 准相继出台， 稳步推进了黄金企业生产经营活动规范 化进程。鉴于此， 为实现黄金矿山固体废弃物的“ 减 量化、 资源化、 无害化” 这一宏伟目标， 有必要大力开 展岩金矿山固体废弃物综合利用、 处置与治理等相关 研究， 突破技术壁垒， 使废弃物的危害和数量得以有 效控制， 而且使废弃资源变废为宝， 进而从根本上矫 正矿区生态环境质量的弊端。在倡导“ 绿水青山就 是金山银山” 的今天， 其重要性和必要性将逐渐被学 术界和工业界所接受。 ２ ０ ２ ０年第 ９期／ 第 ４ １卷 采 矿 工 程４ ７ 图 ５ 深地资源灾害性因素变害为利途径 黄金矿山固体废弃物的资源化可行途径（ 见 图 ６ ） 包括 从选金尾矿或剥离废石中再回收金、 银、 硫等有价元素； 利用尾矿制砖， 生产水泥、 新型玻璃材 料、 建筑微晶玻璃及其他路基基础等建筑材料； 尾矿、 废石用作地下采空区充填料等处置。而在工程实际 中， 矿物成分、 化学成分及其工艺性能这 ３大要素限 定了尾矿利用可行性。在尾矿处理与资源化再生时， 需综合考虑尾矿本身特点、 当地生态环境及社会生产 状况等因素， 不断提高尾矿处理技术， 逐步提高国内 岩金矿床固废综合利用与处置整体水平。为此， 有必 要进一步加大黄金矿山固体废弃物的资源化、 减量化 和无害化等研究领域的科研投入， 大力建设黄金无尾 绿色矿山， 推广成熟的生态环境综合整治和固体废弃 物的综合利用技术， 使得黄金矿山迈入“ 无尾无废” 新纪元。为成功实现空场采矿法、 崩落采矿法向充填 采矿法的变革， 需突破如下技术难点 ①围岩 －充填 体稳定性监测； ②充填浓度和材料、 充填工艺与方法 等优化革新； ③过渡阶段的协同开采方法与技术； ④地下水资源和生态环境实时监控。亟待解决无废 和少废采选工程技术； 黄金及共伴生资源整体综合利 用技术； 经济、 高效地综合回收黄金矿山固体废弃物 中有价元素的选矿技术； 排土场、 尾矿库灾害预警与 防控技术； 矿区生态修复与环境综合整治技术； 开发 易畅销、 大用量、 低成本的黄金尾矿建材产品； 黄金矿 山废水治理与循环利用技术； 细粒尾矿筑坝成套工艺 及安全技术等。 图 ６ 黄金矿山资源综合与循环利用途径及技术瓶颈 ２ ． ５ 岩金矿床智能采矿 紧密围绕创新驱动发展战略与黄金矿业工程建 造产业转型升级需求， 依托“ 中国制造” 发展高精尖 制造业和“ 中国芯” 、 大数据与区块链技术， 发挥工程 大数据资源优势和工程数字经济价值， 大力发展信息 技术和掌握智能化采矿关键核心技术， 攻关灾害防 控、 高效破岩等一系列技术难题， 对黄金矿山生产模 式不断升级改造， 力争在“ 深地” 领域从“ 跟踪” 到“ 并 跑” ， 进而实现“ 引领” 世界岩金矿床智能采矿科技前 沿的美好愿景。 １ ） 研发智能采矿工业机器人。针对岩金矿床资 源赋存条件及开采条件， 结合“ 人工智能 ＋” 和大数 ４ ８ 采 矿 工 程 黄 金 据等先进技术， 开展能适应复杂开采环境的智能采矿 机器人本体设计、 智能控制、 路径规划、 自主移动、 场 景与目标识别、 灵巧作业、 远程监控等关键技术研究， 提高数字化、 智能化和无人化水平； 研究多源信息融 合下的机器人自主学习、 推理、 规划等机器学习技术， 构建机器人云服务平台； 研发面向黄金行业开采技术 各个领域， 具有感知、 决策、 执行等功能的智能化、 绿 色化机器人装备及产品。 ２ ） 面向黄金行业的 ５ Ｇ技术产品研发与制造。 ①针对岩金矿床复杂多变的开采环境， 开展包含几何 信息、 约束信息、 工程属性的轻量化数字建模； 构建工 程大数据共享机制， 研究工程多源异构数据的融合运 算技术， 研发工程大数据分析与智能决策方法。②研 究面向典型工程建造场景的智能工地风险监测、 辨识 及控制技术体系， 以及专用智能感知传感装置。③研 究基于 ５ Ｇ工程物联网的井下状态泛在融合感知分 析技术和多源、 异构数据融合技术， 构建智能井下管 理信息库； 研究井下工人不安全行为识别技术， 并 开展典型场景下井下风险预测的深度建模和解析。 ④构建基于 ５ Ｇ工程物联网技术的智能井下监控平 台， 并开展应用示范。⑤深部非常规灾害新一代监 测预警系统、 防灾减灾技术及装备的研制。 ３ ） 突破地下岩金矿床自动化遥控采矿关键技 术。①研发智慧传感及检测监控技术， 实现井下岩金 矿床环境地形感知、 要素采集和三维空间识别、 定位 及目标实时跟踪， 确保智能采矿设备安全运行与精确 控制。②高速数字通信网络技术， 推进 ５ Ｇ适用于井 下的高速数字通信网络技术， 突破受限作业空间无线 通信屏障。③研发井下装备定位、 导航与自动控制、 目标跟踪、 运动控制、 远程通讯和井下三维空间自动 识别的井下北斗导航空间信息技术。④采矿设备遥 控及智能化技术， 包括地下卡车、 铲运机、 凿岩台车等 在采场的位置／ 定位和自动化遥控作业技术， 及其设 备工况的智能监测和故障诊断与预防技术等。⑤变 革地下自动采矿新工艺， 使其适应采矿自动控制水平 的提高。 ２ ． ６ 岩金矿床无人采矿构想 显然， 为实现安全高效绿色采矿， 最佳的选择和 目标无疑是发展高度自动化的遥控智能化采矿技术 和建设“ 无人矿山” 。近年来， 虽然部分黄金矿山在 全面推进数字化矿山建设的同时， 其生产作业过程的 遥控化、 自动化和智能化等方面均获得了长足的进 步， 但国内“ 无人矿山” 建设仍处于初级阶段， 甚至不 少黄金矿山就连全盘机械化作业还做不到， 现阶段其 核心技术仍处于传统生产组织管理和采矿工艺的自 动化与智能化。而未来高级无人采矿技术必将革新 现有采矿工艺及生产过程， 尤其是大数据与区块链技 术及 ５ Ｇ通信时代的到来， 必将推动基于传统采矿工 艺的初级阶段无人采矿模式， 向以先进传感器及检测 监控系统、 高速数字通信网络、 新型采矿工艺、 智能采 矿设备等高等级新一代的“ 无人矿山” 发展。 面向 ２ ０ ３ ０年和长远未来的深地资源流态化开采 战略性课题， 实现固体资源原位转化、 井下无人、 智能 遥测， 突破传统井工开采面临的深度极限， 是中国深 地固体资源开采的颠覆性技术。发明盾构式采选运 充一体化、 智能化、 无人化深地岩金矿床开采技术， 可 实现深地金、 银等贵重金属的无损、 流态、 绿色和低能 耗输运， 将深地岩金矿床开采转变为全新的流相资源 开发， 为深地岩金矿床安全、 绿色和高效开采的全球 “ 领跑者” 提供重要保障。 ３ 结 语 本文以国内外黄金矿山开采现状及研究成果为 基础， 系统回顾了近年来黄金矿山开采方法与技术的 发展历程和主要进展， 指出 进入 ２ １世纪以来， 中国 黄金矿山行业科技追踪世界采矿科技进步取得很大 突破与进展， 理论有深度， 技术有突破， 方法有创新。 在 ２ ０ ０ １年香山会议上提出的深部开采灾害性因素变 害为利的思路， 结合深部开采高应力及开采扰动提出 了深部硬岩矿山高应力诱导连续采矿， 以及作为深部 开采理论支撑的岩石动静组合加载理论与方法， 为深 部金矿开采理论与技术创新提供了强有力的支撑。 构建以矿石提升量最小、 利用高应力实现诱导致裂为 目标的深部金矿智能化连续开采模式指日可待。同 时， 随着黄金开采向深部复杂难采矿体、 隐患破碎矿 体、 海底基岩矿体等极端环境转变， 迫切需要绿色智 能连续采矿技术， 跨学科、 跨专业和跨领域协同攻关， 实现中国从世界黄金大国成为世界黄金强国的梦想。 ［ 参 考 文 献］ ［ １ ］ 古德生， 李夕兵． 现代金属矿床开采科学技术［ Ｍ ］ ． 北京 冶金工 业出版社， ２ ０ ０ ６ ． ［ ２ ］ 姚香． 国内外黄金工业现状与发展对策探讨［ Ｊ ］ ． 金属矿山， ２ ０ １ ０ （ 增刊 １ ） ７ ４－ ８ ０ ． ［ ３ ］ 张滨州， 姚香， 梁春贵． 中国黄金开发几个特点综述［ Ｃ ］ ∥现代 矿业． 中国矿业科技文汇 ２ ０ １ ５ ． 成都 现代矿业杂志社， ２ ０ １ ５ ３ ６－ ４ ３ ． ［ ４ ］ 李夕兵， 周健， 王少锋， 等． 深部固体资源开采评述与探索［ Ｊ ］ ． 中国有色金属学报， ２ ０ １ ７ ， ２ ７ （ ６ ） １２ ３ ６－ １２ ６ ２ ． ［ ５ ］ 李夕兵， 黄麟淇， 周健， 等． 硬岩矿山开采技术回顾与展望［ Ｊ ］ ． 中国有色金属学报， ２ ０ １ ９ ， ２ ９ （ ９ ） １８ ２ ８－ １８ ４ ７ ． ［ ６ ］ 李夕兵， 曹芝维， 周健， 等． 硬岩矿山开采方式变革与智能化绿 色矿山构建 以开阳磷矿为例［ Ｊ ］ ． 中国有色金属学报， ２ ０ １ ９ ， ２ ９ （ １ ０ ） ２３ ６ ４－ ２３ ８ ０ ． ［ ７ ］ 李夕兵， 姚金蕊， 宫凤强． 硬岩金属矿山深部开采中的动力学问 ２ ０ ２ ０年第 ９期／ 第 ４ １卷 采 矿 工 程４ ９ 题［ Ｊ ］ ． 中国有色金属学报， ２ ０ １ １ ， ２ １ （ １ ０ ） ２５ ５ １－ ２５ ６ ３ ． ［ ８ ］ 蔡美峰， 薛鼎龙， 任奋华． 金属矿深部开采现状与发展战略［ Ｊ ］ ． 工程科学学报， ２ ０ １ ９ ， ４ １ （ ４ ） ４ １ ７－ ４ ２ ６ ． ［ ９ ］ 李夕兵． 岩石动力学基础与应用［ Ｍ］ ． 北京 科学出版社， ２ ０ １ ４ ． ［ １ ０ ］ 刘吉兴， 曲发科， 吕志文． 黄金矿山采矿安全管理问题及防护措 施研究［ Ｊ ］ ． 中国金属通报， ２ ０ １ ９ （ ７