中國黃金礦山開采技術(shù)回顧與展望

李夕兵　周健　黃麟淇　劉志祥

摘要：以國內(nèi)典型黃金礦山特別是巖金礦床開采現(xiàn)狀及研究成果為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析了現(xiàn)有黃金礦山開采現(xiàn)狀、困境和技術(shù)難題。同時(shí)，以透視采礦業(yè)的轉(zhuǎn)型需求、打造新時(shí)代的煉金術(shù)為導(dǎo)向，系統(tǒng)闡述了不同深度的深地巖金礦床開采模式與方法和變害為利的巖金礦床深部開采災(zāi)害防控策略，并就深部巖金礦床資源綜合與循環(huán)利用技術(shù)、智能采礦和無人采礦等方面技術(shù)難題及突破方向進(jìn)行了探討，以期為金礦資源開采向地球深部進(jìn)軍提供理論和技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：黃金礦山;深部開采;采礦技術(shù);災(zāi)害防控;智能采礦;無人采礦

中圖分類號(hào)：TD85 文章編號(hào)：1001-1277（2020）09-0041-10

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20200907

引 言

黃金是關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)、金融安全及國際貿(mào)易的關(guān)鍵戰(zhàn)略資源。步入新時(shí)代，社會(huì)對(duì)該資源需求的劇增及提取工藝的優(yōu)化，都為行業(yè)的繁榮發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1-3]。截至2020年，中國黃金礦金產(chǎn)量已連續(xù)10余年蟬聯(lián)世界首位。隨著淺部黃金資源逐漸減少和枯竭，金礦床開發(fā)正向深部逐步進(jìn)軍，全球典型的黃金礦山均已向地下延深至2 000 m以下。例如：南非Mponeng礦的礦體賦存深度超過7 500 m，開采水平逾4 350 m;印度Kolar金礦區(qū)已有3個(gè)礦采深超過2 400 m，其中一個(gè)已達(dá)3 260 m。目前，國內(nèi)有數(shù)十座金屬礦山進(jìn)入深部開采階段，其中近半數(shù)的礦山采深在1 000～1 400 m。現(xiàn)有井筒開拓深度已達(dá)1 500 m，預(yù)計(jì)未來幾年最深將達(dá)2 000 m[4-6]。為了統(tǒng)籌各方需求，中國金礦的規(guī)模化開采也在向地下深處高速邁進(jìn)，如吉林夾皮溝金礦、河南靈寶崟鑫金礦的開采水平均超過1 400 m。此前在山東三山島金礦深部探明一個(gè)儲(chǔ)量巨大的金礦床，為后續(xù)在該區(qū)域進(jìn)行規(guī)?；降V提供了重要的理論依據(jù)[4-8]。

現(xiàn)今黃金礦業(yè)發(fā)展面臨多重復(fù)雜因素的影響。進(jìn)入深部開采后，亟待解決高地應(yīng)力作用下的巖爆、分區(qū)破裂及大面積采空區(qū)失穩(wěn)地壓控制和支護(hù)技術(shù)，以及提升、通風(fēng)和降溫等技術(shù)難題[9-14]。地應(yīng)力值隨采深增加而梯度增加，深部高地應(yīng)力將會(huì)迸發(fā)冒頂、片幫、突水、巖爆、分區(qū)破裂及大面積采空區(qū)失穩(wěn)等一系列動(dòng)力災(zāi)害，難以進(jìn)行有效防范和預(yù)警，給支護(hù)和采礦安全造成很大負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響采礦效率和效益;巖溫隨深度增加呈梯度遞增，礦井熱害已嚴(yán)重影響井下一線作業(yè)人員的身心健康和勞動(dòng)效率，或?qū)⒊蔀橹萍s礦體開采深度的決定性因素;而要達(dá)到顯著的降溫效果，又勢(shì)必大幅增加采礦成本。此外，礦石和各種物料的提升高度和成本隨采深也顯著增加，并成為礦山生產(chǎn)安全的重大危險(xiǎn)源。與此同時(shí)，經(jīng)過多年的高負(fù)荷掠奪式開采，中國現(xiàn)有易開采、品位高的優(yōu)質(zhì)黃金資源已趨于枯竭，黃金行業(yè)地勘工作滯后，黃金危機(jī)礦山與日俱增。但由于當(dāng)前國內(nèi)黃金內(nèi)需供不應(yīng)求，隨著金需求量和價(jià)格的不斷攀升，復(fù)雜難采低品位金礦資源具備了開采利用價(jià)值。顯然，這對(duì)未來中國黃金礦床開采技術(shù)條件與成本控制等方面提出了更高的要求。

鑒于中國黃金礦山的開采現(xiàn)狀，國家在深部資源開采領(lǐng)域投入了大量的科研經(jīng)費(fèi)，先后設(shè)立“九五”“十五”“十一五”“十二五”科技攻關(guān)項(xiàng)目和“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，尤其是“十三五”期間，深部礦產(chǎn)資源開采領(lǐng)域“深部巖體力學(xué)與開采理論”“深部礦建井與提升技術(shù)”“金屬礦安全高效開采”和“無人采礦前沿技術(shù)”等一系列國家研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)相繼出爐[15]。為此，必須聚焦黃金行業(yè)發(fā)展的重大需求，集中優(yōu)勢(shì)力量，按照科技重大專項(xiàng)“重、大、?！钡木?，對(duì)深部開采所面臨的重大難題進(jìn)行科技攻關(guān)和成果孵化。文章圍繞黃金礦山開采相關(guān)工藝發(fā)展歷程和技術(shù)瓶頸進(jìn)行分析，并立足于社會(huì)發(fā)展大方向，展望行業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)和生產(chǎn)模式。

1 國內(nèi)黃金礦山開采現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)狀及困境

中國金礦資源儲(chǔ)量豐富，但資源分布變化大、礦床規(guī)模小。金礦資源可分為巖金、伴生金和砂金等三大類，囿于當(dāng)前的技術(shù)條件限制，當(dāng)下巖金的開采占比較大，已探明儲(chǔ)量的礦區(qū)有1 200余處[2，3，8，11-12]?！吨袊S金年鑒2019》顯示，中國黃金產(chǎn)量自2007年以來持續(xù)位列榜首，約占總體的12 %（見圖1）[16]。但是，從資源和開采方面來看，礦體品位較低（大部分巖金礦石品位只有2 g/t左右）、當(dāng)前工藝水平下部分金礦資源難以利用的問題突出。同時(shí)，資源開采的規(guī)?；?、深部化趨勢(shì)，使得礦體賦存環(huán)境愈發(fā)惡劣、品位降低，進(jìn)一步增加開采難度，難采礦石量逐漸增加。當(dāng)前，難處理金礦資源約占國內(nèi)已探明地質(zhì)儲(chǔ)量的1/3。全國黃金行業(yè)地質(zhì)勘探工作滯后，探礦工作嚴(yán)重滑坡，可利用的地質(zhì)資源越來越少。從目前國內(nèi)的金礦資源保有儲(chǔ)量看，大部分已被生產(chǎn)占用，受采深、地溫、地壓和提升等因素影響，開采難度越來越大，生產(chǎn)成本逐年攀升。部分重點(diǎn)產(chǎn)金區(qū)和老企業(yè)的資源優(yōu)勢(shì)已經(jīng)失去，資源質(zhì)量普遍下降，資源危機(jī)日趨嚴(yán)重。若不盡快改變這種狀況，勢(shì)必出現(xiàn)區(qū)域性危機(jī)礦山。同時(shí)，中國大型黃金礦山相對(duì)較少，“小而散”的現(xiàn)狀依然存在，進(jìn)而導(dǎo)致了礦山井下機(jī)械化程度低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、條件差、收入低。但是，中國黃金行業(yè)“小而散”的局面正逐步向基地化和園區(qū)化改善，大公司、大集團(tuán)相繼成為黃金行業(yè)發(fā)展的中流砥柱，形成了一批具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的大型黃金企業(yè)集團(tuán)。此外，“一帶一路”建設(shè)帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，并堅(jiān)定了相關(guān)企業(yè)“邁出去”的信心。

地表礦產(chǎn)資源消耗殆盡，使得礦山企業(yè)必須摒棄傳統(tǒng)粗獷、選擇性利用的開采模式，進(jìn)而向低品位礦體開采、深部規(guī)模化開采轉(zhuǎn)型。當(dāng)下，依托地表基礎(chǔ)發(fā)展而來的采礦方法在深部開采過程中暴露出諸多短板，例如：無底柱分段崩落采礦法會(huì)面臨開采境界過大、貴重金屬貧化率偏高等問題;進(jìn)路充填采礦法的產(chǎn)量難以滿足需求。在今后的發(fā)展過程中，深部開采必然會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。如何在保證安全的前提下，協(xié)調(diào)各方需求及降低采礦成本，成為當(dāng)下亟待解決的問題。

另一方面，黃金企業(yè)在為國家做出貢獻(xiàn)的同時(shí)，也給礦山地質(zhì)生態(tài)環(huán)境帶來了諸多問題。例如：采礦活動(dòng)所形成的尾礦庫、廢石場(chǎng)、露天坑，占用了大量的土地，破壞了當(dāng)?shù)刂脖?采空區(qū)、坍塌區(qū)等嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)亟ㄖ凸?，給居民的生活、安全帶來了極大危害;隨采深遞增，地下水位急劇下降，若連年干旱，則會(huì)出現(xiàn)海水倒灌現(xiàn)象。尤其是開采形成了大量的空區(qū)，成為黃金礦山的重大隱患。從空區(qū)形成的歷史及現(xiàn)狀看，或因歷史原因民采泛濫，無序開采形成的未知空區(qū);或由于資金短缺，一些傳統(tǒng)留礦采礦法開采工藝形成的空區(qū)沒有及時(shí)充填;這些隱患空區(qū)為大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害埋下了伏筆。

1.2 采礦方法

就地壓管理和采礦方法自身而言，三類方法的差距并不大。隨著新設(shè)備、新技術(shù)的出現(xiàn)，由傳統(tǒng)模式發(fā)展而來的新方法也在適應(yīng)高效、安全的發(fā)展潮流[4-5]（見圖2）。中深孔落礦嗣后充填正逐步取代產(chǎn)能相對(duì)不足的淺孔落礦。在崩落采礦法中，通過優(yōu)化崩礦步距和分段高度來進(jìn)行成本控制，同時(shí)，地表塌陷的困擾也使得該法逐漸向充填采礦法過渡。對(duì)于空?qǐng)霾傻V法，礦柱承受著來自頂板的壓力，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，頂板暴露面積和空區(qū)范圍逐漸增加，預(yù)設(shè)礦柱難以支撐頂板壓力，易出現(xiàn)大面積空區(qū)塌陷的多米諾效應(yīng)。崩落采礦法直接崩落圍巖充填空區(qū)，不預(yù)留礦柱支撐頂板，這易造成巖層移動(dòng)甚至地表大面積塌陷。隨著深部開采的全面化，空?qǐng)霾傻V法、崩落采礦法所暴露的安全問題日趨明顯，而充填采礦法憑借著綠色、安全的優(yōu)勢(shì)正逐漸得到礦山企業(yè)的青睞。由于充填體的存在，使頂板變形處在一個(gè)可控的范圍內(nèi)，避免了大跨度采空區(qū)所帶來的巨大風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，能對(duì)礦柱進(jìn)行最大限度地回收，減少了地下資源的永久損失。隨著國家出臺(tái)的一系列關(guān)于資源開采和高效利用的政策法規(guī)，相關(guān)企業(yè)也在積極響應(yīng)，并逐步向充填采礦法過渡。不斷優(yōu)化自身結(jié)構(gòu)，并尋找更安全、高效、成本更低的充填材料。

此外，礦產(chǎn)資源的開采壓力與日俱增，部分品位較低、開采難度較大的金礦資源也逐步走進(jìn)礦山企業(yè)的視野。隱患破碎礦段實(shí)現(xiàn)安全高效開采方面[17-19]，通過大區(qū)域作業(yè)空間安全環(huán)境構(gòu)建、大空間超限控制爆破實(shí)施、高天井一次爆破成井和大規(guī)模爆破安全控制等手段，實(shí)現(xiàn)了新城金礦充填體環(huán)境下的礦柱高效回收;通過深孔落礦、微差減震等技術(shù)，提出了水平扇形深孔階段崩落采礦法，實(shí)現(xiàn)了太白金礦采空區(qū)環(huán)境下的二步礦柱安全高效回收。大型水（海）下金屬礦床實(shí)現(xiàn)安全高效低貧損開采方面[20-23]，為確保海底開采的安全性和金礦資源的高回收率，通過數(shù)值模擬和自主研發(fā)的海底開采模擬試驗(yàn)平臺(tái)物理模擬，就合理的采礦方法、開采順序與安全隔離層厚度等進(jìn)行了細(xì)致深入的探討，開發(fā)了巖層變形與地下水觀測(cè)系統(tǒng)、絮狀層解功能全尾充填與接頂方法和巖層微擾低沉降房柱式開采方法，并在膠東地區(qū)三山島金礦建成了國內(nèi)首個(gè)大型海底基巖開采示范礦山，成功突破了海底開采安全監(jiān)測(cè)、低沉降安全高效開采和海底開采安全隔層厚度等技術(shù)瓶頸。

1.3 開采技術(shù)難題

通過對(duì)國內(nèi)典型巖金礦床開采現(xiàn)狀的梳理（見表1），金礦資源的開發(fā)過程中，三大方法的開采模式類似，并且與之相關(guān)的破碎方式、保證開采連續(xù)性的支護(hù)手段也沒有表現(xiàn)出高度的分化?，F(xiàn)階段巖金礦床開采仍存在如下技術(shù)難題：

1）采礦方法優(yōu)化選擇。由于巖金礦床賦存條件復(fù)雜，邊界條件多，礦巖開采受多種因素限制，可供選擇的采礦方法受到限制，致使采礦效果較差。

2）資源利用效果欠佳。由于目前該類礦體開采沒有較為成熟、可行的技術(shù)，開采時(shí)造成了大量的礦產(chǎn)資源浪費(fèi)，而且?guī)r金礦體一旦進(jìn)行了開采并造成資源丟棄后，基本上無法進(jìn)行回收，其資源的損失是永久性的。

3）采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及開采技術(shù)指標(biāo)。鑒于巖金礦體開采工程地質(zhì)環(huán)境較差，在采場(chǎng)參數(shù)選擇、采場(chǎng)布置方式上較為困難，致使礦石開采技術(shù)指標(biāo)較差。

4）頻繁地壓顯現(xiàn)。深部巖金礦體的地壓環(huán)境復(fù)雜，采場(chǎng)/區(qū)域地壓等變化顯著，經(jīng)常發(fā)生局部或區(qū)域性的動(dòng)力災(zāi)害，致使采空區(qū)處理及巖層控制困難，甚至波及地表建（構(gòu)）筑物的安全。

5）現(xiàn)有開采理論與方法嚴(yán)重滯后于工程實(shí)踐。中國在深部開采理論、技術(shù)、裝備方面與國際先進(jìn)水平尚存在較大差距，國內(nèi)在1 500 m深度的開采技術(shù)不能滿足安全高效低耗開采需求;1 500～2 000 m開采深度的大負(fù)荷高速提升裝備、深井災(zāi)害防控技術(shù)、卸荷開采技術(shù)、深井降溫技術(shù)等存在瓶頸。

2 黃金礦山開采技術(shù)前沿與展望

2.1 金礦資源開采將向地球深部進(jìn)軍

探索深部資源是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展的體現(xiàn)，是滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行的必然要求，更是國家長遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略需要。國外的探礦手段可到達(dá)距地表4 000 m的深處，而國內(nèi)地下礦山普遍低于500 m，針對(duì)該現(xiàn)狀，習(xí)近平總書記在2016年全國科技創(chuàng)新大會(huì)上提出向“地球深部進(jìn)軍”的口號(hào)[53]，倡導(dǎo)相應(yīng)的政策和技術(shù)為開采深部資源提供支持。

中國部分巖金礦山開采深度已超1 000 m（見圖3）。 不難預(yù)料，在未來有更多的巖金礦山會(huì)轉(zhuǎn)入深部開采的新模式。中國巖金礦床品位極低（一般只有幾克每噸），與開采深度呈負(fù)相關(guān)，同時(shí)開發(fā)利用過程中需要面對(duì)惡劣的開采環(huán)境。傳統(tǒng)的開采理論、方法及工藝已嚴(yán)重滯后于開采活動(dòng)。因此，未來巖金礦床的發(fā)展模式必然是通過增加礦石產(chǎn)量來彌補(bǔ)品位低的短板，并且不斷優(yōu)化采礦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)深部礦山開采的連續(xù)化、智能化和自動(dòng)化[4-5]。

2.2 深地巖金礦床開采模式與方法

顯然，不同賦存深度、巖性和構(gòu)造環(huán)境的礦床其最優(yōu)開采模式與方法各不相同。在借鑒吸收傳統(tǒng)采礦技術(shù)的前提下，曾提出了不同深度空間的現(xiàn)代化采礦模式（見圖4）[4-5]，很顯然也適用于深部巖金礦床開采。不同深度空間的現(xiàn)代化采礦模式為[4-5]：傳統(tǒng)的采礦工藝中，破碎巖體很大程度上依賴于鉆爆法的運(yùn)用。在深部開采過程中，高地應(yīng)力給地下開挖活動(dòng)帶來了許多不確定性因素。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和一定的技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)巖體中儲(chǔ)存的彈性能合理轉(zhuǎn)化，進(jìn)而為后續(xù)巖體切割工作創(chuàng)造有利條件。在向更深處推進(jìn)的過程中，因貴重金屬礦石含量（品位）很低，傳統(tǒng)提升礦石的礦井提升方法經(jīng)濟(jì)性極差，因此有效可行的方法是將地表破碎、選礦等工序搬至地下，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)礦物的初步分離和廢料就地充填，減少礦石的提升運(yùn)輸費(fèi)用。而且可將礦物制成礦漿并借助深部巨大的地下水壓力實(shí)現(xiàn)物料的傳送，進(jìn)而控制采礦成本。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高地應(yīng)力、高地溫、水力提升和溶浸采礦工藝的高度耦合，推動(dòng)集成化采礦的發(fā)展，將為深部礦產(chǎn)資源的高效利用奠定基礎(chǔ)。例如：通過高地應(yīng)力促進(jìn)目標(biāo)區(qū)域巖體中節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育，降低其強(qiáng)度并為各種溶液的流動(dòng)創(chuàng)造通道。高地溫能為物質(zhì)的交換創(chuàng)造有利條件并通過輸出高溫液體實(shí)現(xiàn)地?zé)岬亩卫?。?dāng)深度延伸至某一程度后，巖體會(huì)因?yàn)檫^高的溫度而發(fā)生物理力學(xué)性質(zhì)的改變，且其具體的形態(tài)也會(huì)有所不同。當(dāng)下深部開采所面臨的高地應(yīng)力、高地溫和災(zāi)害頻發(fā)的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的采礦工藝顯然不能滿足其需求。為此需要將開采、致裂、充填、水力提升等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)人工智能背景下的集成化、高效化、無廢化開采。

鑒于巖金等硬巖礦山的開采深度和難度，早在2001年香山科學(xué)會(huì)議第175次學(xué)術(shù)討論會(huì)上，李夕兵等[54]就提出了“變害為利”的深地資源安全高效開采的構(gòu)思，在國內(nèi)最早成立了面向深部金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)與災(zāi)害控制的省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并就深地資源開采所需解決的理論、技術(shù)與方法等難題進(jìn)行持續(xù)性攻關(guān)，國際上首次提出了基于高應(yīng)力誘導(dǎo)致裂與能量調(diào)控的非爆連續(xù)開采方法，并于10年前就在硬巖礦山開展這方面的工業(yè)試驗(yàn)。針對(duì)深部硬巖開采受力特征，創(chuàng)造性地提出了深地資源開采有別于淺部的巖石動(dòng)靜組合加載理論[55-57]，并用該理論闡明了深部硬巖開采誘發(fā)非常規(guī)巖體災(zāi)害的動(dòng)力學(xué)解釋。最近，在開陽磷礦、凡口鉛鋅礦和湘西金礦等典型礦山實(shí)測(cè)與調(diào)查了不同埋深松動(dòng)圈厚度及分布特征，揭示了高應(yīng)力對(duì)礦巖破碎有實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)，探明了誘導(dǎo)工程下高應(yīng)力硬巖破裂范圍和能量釋放規(guī)律，并提出了適用非爆連續(xù)開采的開采深度隨巖石強(qiáng)度等的變化判別式[58-60]，這也為深部巖金礦床高應(yīng)力誘導(dǎo)破碎非爆連續(xù)開采模式示范提供有益的參考。

2.3 變害為利的巖金礦床深部開采災(zāi)害防控策略

深部巖金礦床開采礦巖承受的高應(yīng)力、高巖溫和高井深導(dǎo)致深地工程實(shí)踐活動(dòng)呈現(xiàn)諸多技術(shù)瓶頸，例如：開采工序復(fù)雜，決策管理人為因素影響嚴(yán)重，生產(chǎn)成本高;深地開采過程效率低，人工依賴性高，安全性差;深地環(huán)境時(shí)空特征感知力度不足等。巖金礦床深部巖體災(zāi)害復(fù)雜多樣，諸如冒頂片幫、板裂、分區(qū)破裂、高能級(jí)巖爆與礦震、大面積采空區(qū)失穩(wěn)和礦井熱害等。不難發(fā)現(xiàn)，這些深地災(zāi)害性因素都源自于“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜孕災(zāi)環(huán)境。對(duì)此必須真實(shí)模擬深部動(dòng)靜組合應(yīng)力條件，揭示深部巖體非常規(guī)破壞機(jī)制，通過巖體不連續(xù)結(jié)構(gòu)智能辨識(shí)、地應(yīng)力與巖溫智能監(jiān)測(cè)、巖體三維波速場(chǎng)層析反演和微震監(jiān)測(cè)與巖體災(zāi)害智能預(yù)警，實(shí)現(xiàn)深地復(fù)雜孕災(zāi)環(huán)境智能感知與災(zāi)害預(yù)警，特別是提出的巖石動(dòng)靜組合加載理論[4-5，55-57]，既可指導(dǎo)深部巖體致裂與高效破巖，也可用于解釋深部巖體災(zāi)害發(fā)生機(jī)制;采用智能化連續(xù)采礦技術(shù)及裝備、全斷面智能化一次成井及開拓和“采護(hù)運(yùn)選充”全過程智能化，實(shí)現(xiàn)深部開采全過程智能控制;建立全方位災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)信息大數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算、可視化集成及智能決策手段與方法，構(gòu)建深部開采管控一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)深地資源安全生產(chǎn)與決策智能管控。

當(dāng)然，除了上述傳統(tǒng)式的巖爆等非常規(guī)破壞機(jī)理與預(yù)測(cè)（高應(yīng)力）、提升系統(tǒng)優(yōu)化（高井深）、熱害抑制與緩解（高巖溫）等對(duì)策外，事實(shí)上，這3個(gè)災(zāi)害性因素有“變害為利”的可能性[4-5]：①高應(yīng)力有利于堅(jiān)硬礦巖致裂與塊度控制，通過合適誘導(dǎo)工程，可使得高應(yīng)力誘導(dǎo)致裂非爆機(jī)械化破巖;②高井深存在的靜水壓力，有利于高水壓設(shè)備或井下動(dòng)力源的更新，用來驅(qū)動(dòng)井下裝運(yùn)、鑿巖、采礦等機(jī)械，或提升礦漿，使提升運(yùn)輸過程連續(xù);③高地溫可加速原地溶浸采礦過程中溶浸液與礦物間的相互作用，甚至開發(fā)地?zé)豳Y源供暖發(fā)電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱、電、資源聯(lián)合開發(fā)（見圖5）。

2.4 穩(wěn)步推進(jìn)巖金礦床資源綜合與循環(huán)利用技術(shù)

隨著采礦向深部進(jìn)軍，巖溫地壓梯度增加，環(huán)保要求也日趨嚴(yán)格，以廢物綜合利用、資源高效開采和地表生態(tài)維護(hù)為特征的可持續(xù)發(fā)展工藝——充填采礦法備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界推崇[61-65]。與此同時(shí)，國家黃金綠色礦山和安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等一系列規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺(tái)，穩(wěn)步推進(jìn)了黃金企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)規(guī)范化進(jìn)程。鑒于此，為實(shí)現(xiàn)黃金礦山固體廢棄物的“減量化、資源化、無害化”這一宏偉目標(biāo)，有必要大力開展巖金礦山固體廢棄物綜合利用、處置與治理等相關(guān)研究，突破技術(shù)壁壘，使廢棄物的危害和數(shù)量得以有效控制，而且使廢棄資源變廢為寶，進(jìn)而從根本上矯正礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的弊端。在倡導(dǎo)“綠水青山就是金山銀山”的今天，其重要性和必要性將逐漸被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所接受。

黃金礦山固體廢棄物的資源化可行途徑（見圖6）包括：從選金尾礦或剝離廢石中再回收金、銀、硫等有價(jià)元素;利用尾礦制磚，生產(chǎn)水泥、新型玻璃材料、建筑微晶玻璃及其他路基基礎(chǔ)等建筑材料;尾礦、廢石用作地下采空區(qū)充填料等處置。而在工程實(shí)際中，礦物成分、化學(xué)成分及其工藝性能這3大要素限定了尾礦利用可行性。在尾礦處理與資源化再生時(shí)，需綜合考慮尾礦本身特點(diǎn)、當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境及社會(huì)生產(chǎn)狀況等因素，不斷提高尾礦處理技術(shù)，逐步提高國內(nèi)巖金礦床固廢綜合利用與處置整體水平。為此，有必要進(jìn)一步加大黃金礦山固體廢棄物的資源化、減量化和無害化等研究領(lǐng)域的科研投入，大力建設(shè)黃金無尾綠色礦山，推廣成熟的生態(tài)環(huán)境綜合整治和固體廢棄物的綜合利用技術(shù)，使得黃金礦山邁入“無尾無廢”新紀(jì)元。為成功實(shí)現(xiàn)空?qǐng)霾傻V法、崩落采礦法向充填采礦法的變革，需突破如下技術(shù)難點(diǎn)：①圍巖-充填體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè);②充填濃度和材料、充填工藝與方法等優(yōu)化革新;③過渡階段的協(xié)同開采方法與技術(shù);④地下水資源和生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控。亟待解決無廢和少廢采選工程技術(shù);黃金及共伴生資源整體綜合利用技術(shù);經(jīng)濟(jì)、高效地綜合回收黃金礦山固體廢棄物中有價(jià)元素的選礦技術(shù);排土場(chǎng)、尾礦庫災(zāi)害預(yù)警與防控技術(shù);礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與環(huán)境綜合整治技術(shù);開發(fā)易暢銷、大用量、低成本的黃金尾礦建材產(chǎn)品;黃金礦山廢水治理與循環(huán)利用技術(shù);細(xì)粒尾礦筑壩成套工藝及安全技術(shù)等。

2.5 巖金礦床智能采礦

緊密圍繞創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略與黃金礦業(yè)工程建造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)需求，依托“中國制造”發(fā)展高精尖制造業(yè)和“中國芯”、大數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈技術(shù)，發(fā)揮工程大數(shù)據(jù)資源優(yōu)勢(shì)和工程數(shù)字經(jīng)濟(jì)價(jià)值，大力發(fā)展信息技術(shù)和掌握智能化采礦關(guān)鍵核心技術(shù)，攻關(guān)災(zāi)害防控、高效破巖等一系列技術(shù)難題，對(duì)黃金礦山生產(chǎn)模式不斷升級(jí)改造，力爭(zhēng)在“深地”領(lǐng)域從“跟蹤”到“并跑”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“引領(lǐng)”世界巖金礦床智能采礦科技前沿的美好愿景。

1）研發(fā)智能采礦工業(yè)機(jī)器人。

針對(duì)巖金礦床資源賦存條件及開采條件，結(jié)合“人工智能+”和大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，開展能適應(yīng)復(fù)雜開采環(huán)境的智能采礦機(jī)器人本體設(shè)計(jì)、智能控制、路徑規(guī)劃、自主移動(dòng)、場(chǎng)景與目標(biāo)識(shí)別、靈巧作業(yè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)研究，提高數(shù)字化、智能化和無人化水平;研究多源信息融合下的機(jī)器人自主學(xué)習(xí)、推理、規(guī)劃等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，構(gòu)建機(jī)器人云服務(wù)平臺(tái);研發(fā)面向黃金行業(yè)開采技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域，具有感知、決策、執(zhí)行等功能的智能化、綠色化機(jī)器人裝備及產(chǎn)品。

2）面向黃金行業(yè)的5G技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)與制造。

①針對(duì)巖金礦床復(fù)雜多變的開采環(huán)境，開展包含幾何信息、約束信息、工程屬性的輕量化數(shù)字建模;構(gòu)建工程大數(shù)據(jù)共享機(jī)制，研究工程多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合運(yùn)算技術(shù)，研發(fā)工程大數(shù)據(jù)分析與智能決策方法。②研究面向典型工程建造場(chǎng)景的智能工地風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、辨識(shí)及控制技術(shù)體系，以及專用智能感知傳感裝置。③研究基于5G工程物聯(lián)網(wǎng)的井下狀態(tài)泛在融合感知分析技術(shù)和多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，構(gòu)建智能井下管理信息庫;研究井下工人不安全行為識(shí)別技術(shù)，并開展典型場(chǎng)景下井下風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的深度建模和解析。④構(gòu)建基于5G工程物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能井下監(jiān)控平臺(tái)，并開展應(yīng)用示范。⑤深部非常規(guī)災(zāi)害新一代監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)及裝備的研制。

3）突破地下巖金礦床自動(dòng)化遙控采礦關(guān)鍵技術(shù)。①研發(fā)智慧傳感及檢測(cè)監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下巖金礦床環(huán)境地形感知、要素采集和三維空間識(shí)別、定位及目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤，確保智能采礦設(shè)備安全運(yùn)行與精確控制。②高速數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，推進(jìn)5G適用于井下的高速數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，突破受限作業(yè)空間無線通信屏障。③研發(fā)井下裝備定位、導(dǎo)航與自動(dòng)控制、目標(biāo)跟蹤、運(yùn)動(dòng)控制、遠(yuǎn)程通訊和井下三維空間自動(dòng)識(shí)別的井下北斗導(dǎo)航空間信息技術(shù)。④采礦設(shè)備遙控及智能化技術(shù)，包括地下卡車、鏟運(yùn)機(jī)、鑿巖臺(tái)車等在采場(chǎng)的位置/定位和自動(dòng)化遙控作業(yè)技術(shù)，及其設(shè)備工況的智能監(jiān)測(cè)和故障診斷與預(yù)防技術(shù)等。⑤變革地下自動(dòng)采礦新工藝，使其適應(yīng)采礦自動(dòng)控制水平的提高。

2.6 巖金礦床無人采礦構(gòu)想

顯然，為實(shí)現(xiàn)安全高效綠色采礦，最佳的選擇和目標(biāo)無疑是發(fā)展高度自動(dòng)化的遙控智能化采礦技術(shù)和建設(shè)“無人礦山”。近年來，雖然部分黃金礦山在全面推進(jìn)數(shù)字化礦山建設(shè)的同時(shí)，其生產(chǎn)作業(yè)過程的遙控化、自動(dòng)化和智能化等方面均獲得了長足的進(jìn)步，但國內(nèi)“無人礦山”建設(shè)仍處于初級(jí)階段，甚至不少黃金礦山就連全盤機(jī)械化作業(yè)還做不到，現(xiàn)階段其核心技術(shù)仍處于傳統(tǒng)生產(chǎn)組織管理和采礦工藝的自動(dòng)化與智能化。而未來高級(jí)無人采礦技術(shù)必將革新現(xiàn)有采礦工藝及生產(chǎn)過程，尤其是大數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈技術(shù)及5G通信時(shí)代的到來，必將推動(dòng)基于傳統(tǒng)采礦工藝的初級(jí)階段無人采礦模式，向以先進(jìn)傳感器及檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、高速數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)、新型采礦工藝、智能采礦設(shè)備等高等級(jí)新一代的“無人礦山”發(fā)展。

面向2030年和長遠(yuǎn)未來的深地資源流態(tài)化開采戰(zhàn)略性課題，實(shí)現(xiàn)固體資源原位轉(zhuǎn)化、井下無人、智能遙測(cè)，突破傳統(tǒng)井工開采面臨的深度極限，是中國深地固體資源開采的顛覆性技術(shù)。發(fā)明盾構(gòu)式采選運(yùn)充一體化、智能化、無人化深地巖金礦床開采技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)深地金、銀等貴重金屬的無損、流態(tài)、綠色和低能耗輸運(yùn)，將深地巖金礦床開采轉(zhuǎn)變?yōu)槿碌牧飨噘Y源開發(fā)，為深地巖金礦床安全、綠色和高效開采的全球“領(lǐng)跑者”提供重要保障。

3 結(jié) 語

本文以國內(nèi)外黃金礦山開采現(xiàn)狀及研究成果為基礎(chǔ)，系統(tǒng)回顧了近年來黃金礦山開采方法與技術(shù)的發(fā)展歷程和主要進(jìn)展，指出：進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國黃金礦山行業(yè)科技追蹤世界采礦科技進(jìn)步取得很大突破與進(jìn)展，理論有深度，技術(shù)有突破，方法有創(chuàng)新。在2001年香山會(huì)議上提出的深部開采災(zāi)害性因素變害為利的思路，結(jié)合深部開采高應(yīng)力及開采擾動(dòng)提出了深部硬巖礦山高應(yīng)力誘導(dǎo)連續(xù)采礦，以及作為深部開采理論支撐的巖石動(dòng)靜組合加載理論與方法，為深部金礦開采理論與技術(shù)創(chuàng)新提供了強(qiáng)有力的支撐。構(gòu)建以礦石提升量最小、利用高應(yīng)力實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)致裂為目標(biāo)的深部金礦智能化連續(xù)開采模式指日可待。同時(shí)，隨著黃金開采向深部復(fù)雜難采礦體、隱患破碎礦體、海底基巖礦體等極端環(huán)境轉(zhuǎn)變，迫切需要綠色智能連續(xù)采礦技術(shù)，跨學(xué)科、跨專業(yè)和跨領(lǐng)域協(xié)同攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)中國從世界黃金大國成為世界黃金強(qiáng)國的夢(mèng)想。

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Review and prospect of gold mining technology in China

Li Xibing1，2，Zhou Jian1，2，Huang Linqi1，2，Liu Zhixiang1，2

（1.School of Resources and Safety Engineering，Central South University;

2.Hunan Provincial Key Laboratory of Resources Exploitation and Hazard Control for Deep Metal Mines）

Abstract：Based on the mining status and research results of typical domestic gold mines，especially rock gold deposits，this paper systematically analyzes the mining status，difficulties and technical problems of the existing gold mines; Meanwhile，in order to fully understand the transformation needs of the mining industry and create a new era of alchemy，the modes and methods to mine deep rock gold deposits with different depths and the disaster prevention strategy for deep mining of rock gold deposits that converts harm into benefit are systematically expounded.Also，the technical challenges and breakthrough direction of the comprehensive and recycled utilization technology，intelligent mining and unmanned mining for deep rock gold deposit resources are addressed，which will provide theoretical and technical reference for gold resources exploitation marching deep into the earth.

Keywords：gold mine;deep mining;mining technology;disaster prevention;intelligent mining;unmanned mining

收稿日期：2020-08-08; 修回日期：2020-08-31

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41630642，41807259）;國家重大科研儀器研制項(xiàng)目（51927808）

作者簡(jiǎn)介：李夕兵（1962—），男，湖南寧鄉(xiāng)人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，

從事硬巖礦山開采和巖石動(dòng)力學(xué)方面的教學(xué)與科研工作;主持的重大項(xiàng)目有國家自然科學(xué)基金重大、重點(diǎn)課題，國家863和973計(jì)劃課題，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題和國家重大科研儀器研制項(xiàng)目等國家級(jí)項(xiàng)目和重大校企合作科研項(xiàng)目;獲得的主要榮譽(yù)及獎(jiǎng)項(xiàng)有國家杰出青年科學(xué)基金（1996），中國青年科技獎(jiǎng)（1996），教育部“長江學(xué)者”獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授（2000），湖南省首屆科技領(lǐng)軍人才（2007），科學(xué)中國人年度人物（2009），全國優(yōu)秀科技工作者（2012），十佳全國優(yōu)秀科技工作者提名獎(jiǎng)（2012），湖南光召科技獎(jiǎng)（2017），以及國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，湖南省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)和湖南省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng);出版有包括中國圖書獎(jiǎng)和“十二五”國家規(guī)劃教材在內(nèi)的多本著作，在國內(nèi)外頂級(jí)期刊發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文;長沙市岳麓區(qū)麓山南路932號(hào)，中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，410083;E-mail：xbli@csu.edu.cn