摘要：詳細(xì)闡述了黃金礦山深井開(kāi)采國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及所面臨的技術(shù)難題，圍繞采動(dòng)巖石力學(xué)理論、巖體結(jié)構(gòu)識(shí)別與巖體質(zhì)量分級(jí)、礦山三維工程災(zāi)害建模、深部采礦設(shè)計(jì)方法研究、深部采場(chǎng)爆破落礦技術(shù)、采動(dòng)地壓調(diào)控、采動(dòng)地壓監(jiān)測(cè)、自承載主動(dòng)釋壓支護(hù)技術(shù)、深部采動(dòng)對(duì)地表巖移影響、通風(fēng)降溫技術(shù)、智能開(kāi)采技術(shù)、超深豎井建設(shè)等展開(kāi)了詳細(xì)的討論與分析；對(duì)于黃金礦山非爆采礦機(jī)器人研制、采動(dòng)巖石力學(xué)、深部采動(dòng)地壓災(zāi)害防控、深井降溫技術(shù)、超深豎井建設(shè)、基于采動(dòng)地壓均衡的深部連續(xù)智能化開(kāi)采技術(shù)等方面的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提出了展望，為黃金礦山深井開(kāi)采的系統(tǒng)研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：黃金礦山；深井開(kāi)采；采動(dòng)巖石力學(xué)；采礦方法；通風(fēng)降溫；智能開(kāi)采；地壓調(diào)控；超深豎井

中圖分類(lèi)號(hào)：TD85""""""""""文章編號(hào)：1001-1277（2024）08-0001-18

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240801

引"言

深部采礦已經(jīng)成為世界礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的必然趨勢(shì)［1］。當(dāng)前國(guó)外開(kāi)采深度超過(guò)1 000 m的金屬礦山有130余座。其中，開(kāi)采深度超過(guò)3 000 m的有16座；最具代表性的國(guó)家是南非、加拿大［2］，南非的TauTona、Mponeng、SaVuka 3座金礦山開(kāi)采深度超過(guò)4 000 m，南非South Deep金礦建成2 990 m深豎井［3］；加拿大的Kidd Creek多金屬礦、LaRonde金礦等開(kāi)采深度超過(guò)3 000 m，Creighton多金屬礦［4-5］開(kāi)采深度超過(guò)2 700 m；美國(guó)的Lucky Friday鋅礦開(kāi)采深度達(dá)到3 000 m。歐洲開(kāi)采最深的金屬礦是俄羅斯Skalistaja（BC10）銅礦，開(kāi)采深度2 100 m；澳洲開(kāi)采最深的礦山為昆士蘭Mount Isa銅礦，開(kāi)采深度1 800 m；亞洲開(kāi)采最深的礦山是印度Kolar金礦，開(kāi)采深度超過(guò)3 000 m［6-7］，由于嚴(yán)重的巖爆災(zāi)害，造成礦山被迫關(guān)閉。

目前，中國(guó)超千米開(kāi)采的黃金礦山約有20座，主要集中在膠東半島、夾皮溝金成礦帶、靈寶—秦嶺金成礦帶等。膠東半島金礦開(kāi)采深度超過(guò)1 000 m的主要有：三山島金礦（1 400 m），采礦證深度達(dá)2 700 m，在建1 915 m超深豎井，目前該豎井建設(shè)深度已達(dá)1 568 m；紗嶺金礦建成1 551.8 m超深豎井，新城金礦豎井建設(shè)深度達(dá)1 527 m，瑞海金礦建設(shè)深度超1 500 m，金洲礦業(yè)建成1 260 m深豎井，焦家金礦在建1 100 m超深豎井，玲瓏金礦東風(fēng)礦田、崟鑫金礦等礦山開(kāi)采深度超過(guò)1 000 m。吉林夾皮溝金礦開(kāi)采深度達(dá)1 600 m，其成礦帶上的板廟子金礦、大線(xiàn)溝金礦、粗榆金礦開(kāi)采深度均超過(guò)1 000 m。陜西潼關(guān)秦嶺金礦開(kāi)采深度1 400 m，潼關(guān)金礦開(kāi)采深度1 200 m。河南靈寶文峪金礦開(kāi)采深度1 300 m。山西繁峙東峪金礦開(kāi)采深度達(dá)1 300 m。此外，遼寧二道溝金礦、湖北大冶雞冠嘴銅金礦、湖南湘西金礦等開(kāi)采深度均超過(guò)1 000 m，青海大柴旦礦業(yè)擬建1 300 m超深豎井。初步統(tǒng)計(jì)，中國(guó)深部黃金資源儲(chǔ)量約15 000 t，未來(lái)10～20年，中國(guó)將有更多黃金礦山進(jìn)入2 000 m深度開(kāi)采［8］。由此可見(jiàn)，黃金礦山深部開(kāi)采已經(jīng)成為中國(guó)黃金采礦業(yè)的重要組成部分。

黃金礦山深部采礦在高井深（＞1 500 m）、高地壓（＞50 MPa）、高地溫（＞35 ℃）、高承水壓力（＞10 MPa）、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)開(kāi)挖擾動(dòng)條件下開(kāi)采，地質(zhì)條件更加復(fù)雜、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力大、破碎巖體增多、承壓涌水量加大、高溫高濕，導(dǎo)致深部礦山生產(chǎn)和作業(yè)環(huán)境嚴(yán)重劣化。特別是在深部強(qiáng)采動(dòng)應(yīng)力“驅(qū)動(dòng)”下，在淺部十分普通的“硬巖”，在深部表現(xiàn)出“軟巖”特性［9］，致使深部采場(chǎng)/巷道產(chǎn)生了剝落、層裂、屈曲、巖爆、脆-延性大變形等應(yīng)力控制型破壞。與淺部開(kāi)采相比，深部采動(dòng)巖體損傷機(jī)制、演化機(jī)理、致災(zāi)過(guò)程、響應(yīng)特征等均發(fā)生了顯著變化［10-14］，仍沿用淺部“經(jīng)驗(yàn)法”“工程類(lèi)比法”指導(dǎo)深部采礦，將導(dǎo)致深部地壓活動(dòng)頻繁、災(zāi)害頻發(fā)、采礦損失貧化加大、資源浪費(fèi)嚴(yán)重［15］。究其原因，當(dāng)前中國(guó)對(duì)于深部黃金資源開(kāi)采缺乏正確的基礎(chǔ)理論指導(dǎo)，導(dǎo)致深部采掘活動(dòng)普遍存在盲目性、低效性和不確定性；現(xiàn)有的采礦設(shè)計(jì)理論、地壓控制方法，均未充分考慮采動(dòng)應(yīng)力影響，導(dǎo)致深部黃金礦山開(kāi)采存在工程難掘、礦體難采、災(zāi)害難防、地壓難控、生產(chǎn)不連續(xù)、效率低、安全性差［16-19］等問(wèn)題；單純盲目加大采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、增加采場(chǎng)數(shù)量，采用以“礦石流”為基礎(chǔ)的連續(xù)智能化開(kāi)采等，難以滿(mǎn)足深部黃金資源安全、高效、智能化開(kāi)采理論與技術(shù)需求［20］。

2024年第8期/第45卷""礦業(yè)工程礦業(yè)工程""黃"金

因此，深部黃金資源開(kāi)發(fā)需充分考慮深部采動(dòng)地壓影響，系統(tǒng)深入研究深部采動(dòng)巖體損傷機(jī)制及其響應(yīng)，建立深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和地壓防控方法，形成以采動(dòng)地壓均衡為基礎(chǔ)的連續(xù)智能化安全開(kāi)采理論和關(guān)鍵技術(shù)，也是中國(guó)深部金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)亟待解決的關(guān)鍵性科學(xué)問(wèn)題［21］。

1"國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

與淺部采礦相比，深部金屬礦開(kāi)采是在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、巖性劣化、高應(yīng)力（高原巖應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)應(yīng)力）和特殊環(huán)境（高溫、高濕、大水）下的開(kāi)采［22］。因此，為解決深部金屬礦安全、高效、連續(xù)智能化開(kāi)采問(wèn)題，需從深部礦體賦存地質(zhì)條件出發(fā)，分析礦體所處應(yīng)力環(huán)境，系統(tǒng)研究深部采動(dòng)巖體損傷本構(gòu)及其響應(yīng)，并以此為基礎(chǔ)研究采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地壓災(zāi)害防控等基礎(chǔ)理論；創(chuàng)新采礦設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)以采動(dòng)地壓均衡為基礎(chǔ)的連續(xù)智能化開(kāi)采關(guān)鍵共性技術(shù)，為中國(guó)黃金礦山深部連續(xù)智能化安全、高效開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)。

1.1"采動(dòng)巖石力學(xué)理論

巖體作為天然的地質(zhì)體，是巖塊和結(jié)構(gòu)面的組合體，具有非連續(xù)、非均勻及各向異性等特征［23-26］。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)大量的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，建立彈性本構(gòu)、脆性本構(gòu)、完美塑性本構(gòu)、應(yīng)變軟化本構(gòu)及延性本構(gòu)等基本本構(gòu)模型，每種本構(gòu)模型均揭示了某類(lèi)巖石的某一基本應(yīng)力變形特征［27-29］；通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)、分析測(cè)試等，提出了彈-脆-塑性本構(gòu)、彈性-應(yīng)變軟化本構(gòu)、彈性-完美塑性本構(gòu)、彈性-脆性-塑性-延性本構(gòu)等多種反映巖體應(yīng)力變形本構(gòu)關(guān)系，且每種本構(gòu)模型依據(jù)巖體類(lèi)型、巖體質(zhì)量、應(yīng)力環(huán)境等因素具有不同的適用范圍［30-32］。在深部高應(yīng)力條件下，不同質(zhì)量等級(jí)巖體具有不同峰后變形特征及其響應(yīng)，常見(jiàn)的基本本構(gòu)模型包括完美塑性本構(gòu)、應(yīng)變軟化本構(gòu)及彈脆塑性本構(gòu)模型等，而完美塑性本構(gòu)因其峰后參數(shù)變化簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用于理論研究與工程實(shí)踐，然而其適用范圍是非常有限的［33］。

Hoek-Brown結(jié)合巖體工程實(shí)踐，提出了以GSI標(biāo)定巖體質(zhì)量分級(jí)為基礎(chǔ)的本構(gòu)模型，建議：當(dāng)GSIgt;75時(shí)，采用彈脆塑性本構(gòu)模型；當(dāng)25lt;GSIlt;75時(shí)，采用應(yīng)變軟化本構(gòu)模型;當(dāng)GSIlt;25時(shí)，采用完美塑性本構(gòu)模型［34］。在應(yīng)變軟化本構(gòu)模型中，巖體峰后強(qiáng)度參數(shù)常隨軟化系數(shù)線(xiàn)性衰減，采用Hoek-Brown屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則時(shí)，衰減強(qiáng)度參數(shù)包括Hoek-Brown常數(shù)，即m，s與a，以及剪脹角；采用Mohr-Column屈服準(zhǔn)則時(shí)，衰減強(qiáng)度參數(shù)包括內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及剪脹角，一般選取塑性剪應(yīng)變、最大塑性主應(yīng)變、最小塑性主應(yīng)變?yōu)槟Ｐ蛙浕禂?shù)［35］。僅Carranza-Torres在采用更為簡(jiǎn)單的TRESCA屈服準(zhǔn)則條件下，應(yīng)用應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，獲得了平面圓形及三維球形開(kāi)挖體圍巖應(yīng)力變形狀態(tài)閉合解［36］。但是，本構(gòu)模型本身的復(fù)雜性，使其在理論計(jì)算中很難獲取開(kāi)挖巖體應(yīng)力變形狀態(tài)閉合解［37］，當(dāng)前該模型主要在平面圓形開(kāi)挖體應(yīng)力、變形與破壞的半理論解析計(jì)算與數(shù)值模擬中應(yīng)用［38-42］，對(duì)于非圓斷面地下采動(dòng)巖體結(jié)構(gòu)，其理論解析根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，僅可通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)深部各種斷面形狀巖體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變軟化表現(xiàn)進(jìn)行分析計(jì)算。Hoek、Brown等推薦的選取本構(gòu)模型的量化標(biāo)準(zhǔn)，絕非適用于任意條件下巖體本構(gòu)模型的選擇，很多學(xué)者仍對(duì)其存在質(zhì)疑并提出了修正結(jié)果［43-45］。在實(shí)踐理論研究與應(yīng)用中，對(duì)于本構(gòu)模型的選擇仍需慎重，特別是在深部差異化采動(dòng)條件下，深部采動(dòng)巖體應(yīng)力變形表現(xiàn)復(fù)雜多變，而任意單一本構(gòu)模型僅能針對(duì)某一類(lèi)采動(dòng)巖體應(yīng)力變形表現(xiàn)進(jìn)行闡釋?zhuān)嬖诤艽缶窒扌裕?6-48］。

為全面、充分揭示深部采動(dòng)巖體復(fù)雜多變的應(yīng)力變形特征，發(fā)展采動(dòng)巖石力學(xué)理論，提出深部采動(dòng)巖體“廣義”應(yīng)力變形本構(gòu)模型理念，針對(duì)深部采動(dòng)巖體復(fù)雜多變的應(yīng)力變形特征，以巖體基本應(yīng)力變形特征及其相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變形本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建采動(dòng)巖體基本本構(gòu)模型數(shù)據(jù)庫(kù)，考慮深部采動(dòng)巖體工程地質(zhì)條件、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及巖體力學(xué)特性等，借助三維激光測(cè)量、微震監(jiān)測(cè)、鉆孔電視、鉆孔應(yīng)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)等應(yīng)力與位移監(jiān)測(cè)、鉆孔探視手段，對(duì)礦山深部不同開(kāi)采方法、不同回采順序下采動(dòng)巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)全過(guò)程進(jìn)行全時(shí)空域應(yīng)力、變形及其微震活動(dòng)性監(jiān)測(cè)，獲取礦山深部采動(dòng)巖體應(yīng)力變形特征，以對(duì)建立的深部采動(dòng)巖體損傷本構(gòu)模型（組）進(jìn)行校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)深部采動(dòng)巖體響應(yīng)特征預(yù)測(cè)分析，揭示深部采動(dòng)巖體損傷本質(zhì)。

1.2"巖體結(jié)構(gòu)識(shí)別與巖體質(zhì)量分級(jí)

巖體結(jié)構(gòu)是巖石工程設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析與災(zāi)害防控的關(guān)鍵因素。多年來(lái)，地質(zhì)工程師和巖石力學(xué)工程師主要采用測(cè)線(xiàn)法［49］人工測(cè)量巖體結(jié)構(gòu)，該方法主要采用地質(zhì)羅盤(pán)和測(cè)尺，沿巖石工程某一方向素描出巖體結(jié)構(gòu)二維平面分布及其相互位置關(guān)系。為使巖體結(jié)構(gòu)識(shí)別具有一定的空間范圍，KULATILAKE等［50］建立了統(tǒng)計(jì)窗法描述局部巖體結(jié)構(gòu)特征。為更好地滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)巖石工程巖體結(jié)構(gòu)識(shí)別，ZHANG等［51］和MAULDON［52］分別建立了矩形統(tǒng)計(jì)窗法和圓形統(tǒng)計(jì)窗法，相對(duì)提高了統(tǒng)計(jì)窗法適用范圍和適用條件。但是，無(wú)論測(cè)線(xiàn)法還是統(tǒng)計(jì)窗法，均為人工采集和描述巖體結(jié)構(gòu)信息，不能全空間尺度反映巖體結(jié)構(gòu)分布特征，且存在低效、費(fèi)力、耗時(shí)、安全性差等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代巖體工程快速施工的要求。

攝影測(cè)量技術(shù)［53-58］是一種非接觸測(cè)量手段，主要應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維成像技術(shù)、影像匹配、模式識(shí)別等理論與方法，采用雙目相機(jī)攝取巖石工程表面影像圖片，開(kāi)發(fā)巖石結(jié)構(gòu)識(shí)別算法，統(tǒng)計(jì)和分析巖石工程的三維巖體結(jié)構(gòu)信息，對(duì)于地表和露天巖石工程受雙目相機(jī)焦距影響，圖像分辨率差異較大；對(duì)于地下工程，攝影測(cè)量技術(shù)受空間范圍、照明條件限制，攝取的巖體結(jié)構(gòu)圖像成像質(zhì)量差、圖像拼接困難，且不能在巷（隧）道等進(jìn)行全三維空間尺度巖體結(jié)構(gòu)測(cè)量。為獲取全空間尺度巖體結(jié)構(gòu)信息，三維激光掃描技術(shù)被應(yīng)用于巖體結(jié)構(gòu)測(cè)量。三維激光掃描技術(shù)［59-60］不但能夠測(cè)量識(shí)別巖體結(jié)構(gòu)，而且能夠構(gòu)建工程巖體全空間尺度三維模型。

以三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲取巖體露頭點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選用點(diǎn)的法向量作為結(jié)構(gòu)面判斷的依據(jù)，并設(shè)定相應(yīng)的閾值，對(duì)區(qū)域生長(zhǎng)算法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的算法通過(guò)比較相鄰點(diǎn)的法向量來(lái)確定哪些點(diǎn)屬于同一結(jié)構(gòu)面。如果點(diǎn)的法向量之間差異小于設(shè)定的閾值，這些點(diǎn)將被認(rèn)為屬于同一結(jié)構(gòu)面，并被分為一個(gè)簇。利用改進(jìn)的區(qū)域生長(zhǎng)法與解析幾何理論，實(shí)現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)面智能識(shí)別與信息提取，利用巖體結(jié)構(gòu)面的平面性質(zhì)和法向量的一致性，準(zhǔn)確地得出巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息（走向、傾向、傾角、跡長(zhǎng)等）（見(jiàn)圖1）。

通過(guò)大量巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查、巖體破壞形式調(diào)查及破壞巖體所在位置的采動(dòng)應(yīng)力分析，構(gòu)建了以巖體結(jié)構(gòu)間距、組數(shù)分布和采動(dòng)應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的巖體質(zhì)量分類(lèi)圖表（JSI，見(jiàn)圖2）。該分類(lèi)圖表依據(jù)巖體結(jié)構(gòu)分布和采動(dòng)應(yīng)力閾值，直接確定采場(chǎng)/巷道可能發(fā)生的破壞類(lèi)型，為地壓災(zāi)害防控提供依據(jù)。

1.3"礦山三維工程災(zāi)害建模

礦床地質(zhì)及礦體地質(zhì)特征變化的復(fù)雜程度是劃分礦床勘探類(lèi)型的根據(jù)。地質(zhì)勘探資料是正確評(píng)價(jià)礦床勘探質(zhì)量、提交勘探成果和礦山合理開(kāi)發(fā)的必備基礎(chǔ)資料；而地質(zhì)勘探鉆孔鉆取的地質(zhì)巖芯含豐富的巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)及地下水等信息。當(dāng)前，三維地質(zhì)構(gòu)造模型［61］包括概念模型（Conceptual Models）、物理模擬模型（Physical Analog Models）、數(shù)學(xué)模型（Mathematical Models）、統(tǒng)計(jì)學(xué)模型（Statistical Models）及可視化模型（Visualization Models）［62］等，構(gòu)成了一個(gè)完整的地質(zhì)模型模擬系統(tǒng)。

三維地質(zhì)可視化建模的數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括：①直接觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)，野外填圖、測(cè)量、遙感、GPS等；②鉆孔獲取巖芯資料和測(cè)井資料；③地震資料［63］。其中，地質(zhì)鉆孔獲取的數(shù)據(jù)大多呈規(guī)律性離散，僅通過(guò)鉆孔數(shù)據(jù)用TIN表面法來(lái)構(gòu)建三維地層模型，不能有效反映地質(zhì)形態(tài)的原貌，需要對(duì)原始地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、加密。三維可視化地質(zhì)建模技術(shù)包括數(shù)學(xué)建模及可視化2個(gè)方面；構(gòu)建三維模型的方法主要有斷面構(gòu)模法、表面構(gòu)模法、塊體構(gòu)模法、線(xiàn)框構(gòu)模法、實(shí)體構(gòu)模法和體視化技術(shù)等。利用三維可視化結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)三維空間中最完整的地質(zhì)構(gòu)造解釋?zhuān)枋鰪?fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造情況，反映礦床的構(gòu)造形態(tài)和屬性特征的三維圖形圖像，實(shí)現(xiàn)全三維資料解釋、三維地質(zhì)建模、地質(zhì)過(guò)程的仿真模擬等高級(jí)可視化應(yīng)用功能［61］。

當(dāng)前礦山三維可視化模型直觀反映了礦床地質(zhì)、巖性、礦體空間形態(tài)、斷層構(gòu)造、礦石品位等地質(zhì)勘探信息。目前三維空間建模中的地質(zhì)構(gòu)造解釋方法和表達(dá)方式仍以剖面和平面（構(gòu)造等值線(xiàn)）圖等為主，以相對(duì)簡(jiǎn)單的內(nèi)插、外推方法，包含礦區(qū)地層、巖性、巖相，控礦斷裂、褶皺構(gòu)造，圍巖蝕變及礦化度的控制等，僅反映埋深、礦體及產(chǎn)狀、圍巖、構(gòu)造和采掘工程空間關(guān)系的三維可視化模型［62-64］。但此類(lèi)三維地質(zhì)建模是三維問(wèn)題二維化，構(gòu)建的三維地質(zhì)模型不能直觀表達(dá)巖體力學(xué)、巖體質(zhì)量等級(jí)、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等與數(shù)值模型、采掘工程設(shè)計(jì)的空間映射關(guān)系，特別是不能直觀展現(xiàn)采掘工程設(shè)計(jì)與復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)間的三維空間映射關(guān)系。究其原因是該建模方法未對(duì)礦床富含的巖體質(zhì)量、巖體力學(xué)、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等內(nèi)部屬性信息充分解析，且未與三維可視化模型形成映射關(guān)系，無(wú)法在“開(kāi)采前”指導(dǎo)采掘設(shè)計(jì)，且無(wú)法將巖體力學(xué)直接賦入礦山三維數(shù)值模型參與采動(dòng)地壓分析。

地質(zhì)巖芯含豐富的地質(zhì)數(shù)據(jù)、巖體質(zhì)量與巖體力學(xué)等信息，以紗嶺金礦地質(zhì)巖芯為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了基于地質(zhì)巖芯深度學(xué)習(xí)的RQD識(shí)別技術(shù)［65］和巖性智能識(shí)別方法［66］。通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn)、巖體質(zhì)量分級(jí)、巖體力學(xué)參數(shù)估算等，研究地質(zhì)勘探鉆孔巖芯隨鉆孔深度變化的地質(zhì)災(zāi)害工程屬性，以勘探線(xiàn)地質(zhì)巖芯鉆孔R(shí)QD為基礎(chǔ)，基于改進(jìn)的克里金插值算法對(duì)呈規(guī)律性“離散”勘探鉆孔進(jìn)行同源異構(gòu)、歸一化處理，通過(guò)三維可視化建模平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)深部礦（巖）體地質(zhì)災(zāi)害建模與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，構(gòu)建了含地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的礦山三維可視化工程災(zāi)害模型（見(jiàn)圖3），揭示深部未采動(dòng)礦巖體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。構(gòu)建含礦床地質(zhì)、巖體力學(xué)、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的礦山三維工程災(zāi)害結(jié)構(gòu)模型，既能指導(dǎo)深部采掘設(shè)計(jì)，又能為深部采動(dòng)巖體穩(wěn)定性分析提供工程物理模型。

1.4"深部采礦設(shè)計(jì)方法研究

地下金屬礦山依據(jù)地壓管理將采礦方法劃分為空?qǐng)霾傻V法、崩落采礦法和充填采礦法。隨著黃金礦山開(kāi)采深度增加，環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)及相關(guān)政策規(guī)定，充填采礦法成為黃金礦山開(kāi)采的首選［67-68］。黃金礦山深井開(kāi)采常用的充填采礦法包括上向水平分層充填采礦法［69-70］、上向/下向進(jìn)路充填采礦法［71-73］、機(jī)械化盤(pán)區(qū)上向水平分層充填采礦法［74-75］、削壁充填采礦法［76］和點(diǎn)柱式分層充填采礦法［77-78］等。但上述傳統(tǒng)的充填采礦法存在采切工程量大，開(kāi)拓、采切工藝復(fù)雜，安全性差，生產(chǎn)能力小等突出問(wèn)題，采礦方法與礦山產(chǎn)能及深部開(kāi)采需求不相適應(yīng)的矛盾，直接影響深部礦山生產(chǎn)管理系統(tǒng)和未來(lái)黃金礦山深部的安全高效開(kāi)發(fā)。深部開(kāi)采需進(jìn)一步簡(jiǎn)化開(kāi)拓、采準(zhǔn)設(shè)計(jì)，發(fā)展大型機(jī)械化設(shè)備與連續(xù)智能化開(kāi)采，提高礦房回采速度和回采效率，形成標(biāo)準(zhǔn)的鉆-爆-運(yùn)生產(chǎn)循環(huán)。因此，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)采場(chǎng)及其采動(dòng)區(qū)域穩(wěn)定性起著決定性作用，也影響著礦山開(kāi)采技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，反映礦山生產(chǎn)技術(shù)裝備水平［79-81］。

為設(shè)計(jì)合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，Mathews于1980年首次提出了穩(wěn)定性圖表法，其實(shí)質(zhì)是依據(jù)大量工程實(shí)例提出的經(jīng)驗(yàn)公式法，未考慮采動(dòng)應(yīng)力影響；1992年，POTVIN等［82-83］通過(guò)收集更多深部采礦現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)資料，對(duì)穩(wěn)定性圖表法合理性進(jìn)行驗(yàn)證，考慮深部采動(dòng)應(yīng)力影響，提出修正的穩(wěn)定性圖表法；2000年，TRUEMAN等［84］根據(jù)大量新增的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例資料，采用對(duì)數(shù)回歸方法重新定義修正穩(wěn)定性圖表法內(nèi)的穩(wěn)定區(qū)和嚴(yán)重破壞區(qū)；2004年，MAWDESLEY［85］給出了穩(wěn)定性圖表法內(nèi)穩(wěn)定區(qū)破壞與嚴(yán)重破壞區(qū)的等概率圖，適用于多類(lèi)型巖體條件下采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇及其穩(wěn)定性研究，但對(duì)采動(dòng)應(yīng)力大、巖體質(zhì)量差（Qlt;1）或巖體質(zhì)量非常好（Qgt;20）的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適用性差。當(dāng)前中國(guó)對(duì)于采礦方法選擇與采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以礦床地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，輔以計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)選采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)［16］。優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)多采用工程類(lèi)比法［86-89］、解析法［90-93］、數(shù)值分析法［94-97］、綜合分析法［98-99］，對(duì)淺部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。但沿用此方法設(shè)計(jì)出的深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸偏大，導(dǎo)致礦山深部采場(chǎng)及巷道穩(wěn)定性難以保障，采礦損失貧化加劇，甚至無(wú)法進(jìn)行開(kāi)采［100］。

當(dāng)前淺部金屬礦主要以礦床地質(zhì)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等為基礎(chǔ)，綜合考慮國(guó)家法律、法規(guī)，以“經(jīng)驗(yàn)法”和“工程類(lèi)比法”設(shè)計(jì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)；但隨礦山開(kāi)采深度增加，采動(dòng)應(yīng)力亦在增加，需充分考慮采動(dòng)應(yīng)力對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)（形狀）穩(wěn)定性的影響，以采動(dòng)巖體結(jié)構(gòu)損傷失穩(wěn)過(guò)程響應(yīng)為基礎(chǔ)，以采場(chǎng)形狀、采動(dòng)地壓響應(yīng)為主要變量，引入系統(tǒng)科學(xué)、數(shù)學(xué)等理論，研發(fā)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)量化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)礦山地質(zhì)和生產(chǎn)情況自適應(yīng)設(shè)計(jì)采礦結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)智能采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）。三山島金礦在無(wú)人采礦實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)中將原有的進(jìn)路式充填采礦法替換為連續(xù)機(jī)械化分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法［101-103］（見(jiàn)圖5），該采礦方法采用下向中深孔爆破成井技術(shù)和下向中深孔序次梯段式采場(chǎng)落礦方法，實(shí)現(xiàn)了采礦多工序連續(xù)循環(huán)作業(yè)，提高了采礦工藝的連續(xù)性和生產(chǎn)效率，降低了采礦損失貧化；采用平底結(jié)構(gòu)出礦，通過(guò)搭建運(yùn)行平臺(tái)使得人員可遠(yuǎn)程遙控智能設(shè)備，改善了人員生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，最大程度保證作業(yè)安全。

1.5"深部采場(chǎng)爆破落礦技術(shù)

鉆爆法因?qū)Φ刭|(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、成本低且效率高，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間將是金屬礦床開(kāi)采的主要手段［104-105］。對(duì)于深部黃金礦床開(kāi)采而言，高地應(yīng)力對(duì)巖體爆炸應(yīng)力與爆炸能量的分布有著重要影響［106-107］，因此，深部高應(yīng)力巖體開(kāi)挖的爆破參數(shù)設(shè)

計(jì)方法應(yīng)當(dāng)與淺部不同。然而，中國(guó)當(dāng)前大部分礦山采場(chǎng)爆破參數(shù)的確定主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法，采場(chǎng)爆破設(shè)計(jì)缺乏理論和試驗(yàn)依據(jù)，例如：幾乎所有采用165 mm大直徑深孔落礦的國(guó)內(nèi)地下礦山，其炮孔孔網(wǎng)參數(shù)均為3 m×3 m，很少根據(jù)礦山具體巖體情況去優(yōu)化爆破參數(shù)。對(duì)于深部采場(chǎng)爆破而言，由于其受到三向不等采動(dòng)應(yīng)力的影響，其爆破能量和爆破裂隙的分布具有方向性，因此，爆破孔網(wǎng)參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分考慮地應(yīng)力的大小和方向［108-109］。開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)爆破漏斗試驗(yàn)，對(duì)于優(yōu)化采場(chǎng)爆破參數(shù)具有重要意義。

切割天井作為切割槽爆破的初始自由面和補(bǔ)償空間，對(duì)切割槽的形成質(zhì)量及后續(xù)爆破落礦作業(yè)影響巨大［110］。由于圍巖夾制作用大，掘進(jìn)量大，且施工困難，因此切割天井掘進(jìn)方法一直是業(yè)界關(guān)注的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)［111］。采用常規(guī)的普通法、吊罐法或爬罐法掘進(jìn)天井存在工作環(huán)境惡劣、安全性差、成本高、效率低的問(wèn)題；采用鉆井法則存在施工機(jī)械龐大，施工準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用高的問(wèn)題；深孔爆破法則有效率高、安全性好、成本低、施工工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，是值得推廣的成井技術(shù)［112］。對(duì)深孔爆破法掘進(jìn)天井模式和參數(shù)的選擇成為深孔爆破成井法成敗的關(guān)鍵。近年來(lái)，隨著對(duì)深孔爆破成井法掏槽爆破機(jī)理、掏槽方式、爆破參數(shù)的研究［113-116］，深孔爆破成井法逐漸從分層或分段爆破的VCR法成井模式向直孔掏槽模式轉(zhuǎn)變，一次成井高度可達(dá)15 m左右，對(duì)于斷面較大的天井，一次成井高度甚至可達(dá)32 m［117］。西藏某礦山實(shí)施的切割天井孔網(wǎng)參數(shù)見(jiàn)圖6，其中紅色炮孔為裝藥孔，孔徑165 mm，藥卷直徑140 mm，采用分段微差爆破技術(shù)成井，一次成井高度可達(dá)15 m左右。此外，數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展為確定合理的爆破參數(shù)提供了依據(jù)，沙溪銅礦切割井爆破過(guò)程巖體損傷演化規(guī)律模擬結(jié)果［118］見(jiàn)圖7。由圖7-b）可知，數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果一致，說(shuō)明數(shù)值模擬技術(shù)可以有效模擬巖體的爆破損傷過(guò)程，因此，通過(guò)建立合理的數(shù)值模型，可為爆破參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

電子數(shù)碼雷管的普及，為采場(chǎng)大規(guī)模落礦提供了技術(shù)支撐。通過(guò)合理的微差時(shí)間，可以達(dá)到控制爆破振動(dòng)強(qiáng)度的目的，課題組開(kāi)發(fā)了適用于深部采場(chǎng)爆破落礦的下向扇形深孔梯段式爆破落礦技術(shù)（見(jiàn)圖8），通過(guò)三步法完成采場(chǎng)爆破落礦，減少了爆破輔助作業(yè)時(shí)間，提升采場(chǎng)落礦效率，減少了采場(chǎng)圍巖暴露時(shí)間，便于地壓防控。利用倒階梯形便于爆破能量向下傳遞、減小側(cè)向爆破能量的特點(diǎn)，削弱了側(cè)向崩礦對(duì)鄰近充填體損傷大的缺點(diǎn)。通過(guò)增大兩次爆破的炮孔排間距以提升爆破能量利用率，改善爆破效果，試驗(yàn)采場(chǎng)爆破參數(shù)見(jiàn)圖9，整個(gè)試驗(yàn)采場(chǎng)一共包含3次爆破。爆破后現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖10。由圖10可以看出：采場(chǎng)側(cè)幫裸露出充填體，充填體完整性好，無(wú)大范圍垮塌，采空區(qū)形態(tài)與設(shè)計(jì)采場(chǎng)形態(tài)基本吻合；而崩落的礦石塊度較為均勻，大塊較少，爆破效果較好。

1.6"采動(dòng)地壓調(diào)控

隨著開(kāi)采深度增加，采動(dòng)應(yīng)力亦在增加，這需要在原采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，充分考慮采動(dòng)應(yīng)力對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。原巖應(yīng)力是存在于地層中的天然應(yīng)力［119］，是在沒(méi)有開(kāi)挖擾動(dòng)情況下巖體處于平衡狀態(tài)的地應(yīng)力。井巷工程的開(kāi)挖和礦體的回采會(huì)打破原始的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致原巖應(yīng)力向圍巖釋放進(jìn)而重新達(dá)到平衡狀態(tài)，同時(shí)會(huì)引發(fā)巖體的變形和向自由面的移動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)的應(yīng)力集中將導(dǎo)致井巷工程和采場(chǎng)的變形甚至破壞和失穩(wěn)（見(jiàn)圖11）。因此，需要通過(guò)有效手段減輕因開(kāi)挖導(dǎo)致地壓顯現(xiàn)造成的圍巖變形破壞。

采動(dòng)順序是提高采場(chǎng)/巷道穩(wěn)定性和提高礦山產(chǎn)量的核心內(nèi)容，深部采場(chǎng)需布置在低應(yīng)力環(huán)境，也需要考慮本步開(kāi)采對(duì)于后續(xù)采場(chǎng)應(yīng)力分布的影響，避免在礦體回采過(guò)程中部分區(qū)域出現(xiàn)較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中或者變形破壞。開(kāi)采順序優(yōu)化研究的實(shí)質(zhì)是研究各個(gè)開(kāi)挖步驟采場(chǎng)頂板應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)，進(jìn)而區(qū)分各個(gè)開(kāi)挖步驟對(duì)于采場(chǎng)、巷道等穩(wěn)定性的影響大小。依據(jù)開(kāi)挖工程中圍巖應(yīng)力分布及變化規(guī)律，找到井巷工程開(kāi)挖和采場(chǎng)回采工程中應(yīng)力集中區(qū)域，通過(guò)一定的手段使圍巖中集中的應(yīng)力向圍巖深處釋放，保證井巷工程和采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性，保證礦山開(kāi)拓、采準(zhǔn)和回采工作的有序進(jìn)行。

國(guó)外使用釋壓開(kāi)采法［120］，通過(guò)順序網(wǎng)格采礦的方式，基于應(yīng)力遷移原理，通過(guò)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)布置方式和回采順序角度，將巷道或采場(chǎng)周?chē)鷳?yīng)力向圍巖深處釋放進(jìn)而在巷道或采場(chǎng)周邊圍巖中形成一個(gè)較低地應(yīng)力區(qū)域，在圍巖深處形成一個(gè)承載較高地應(yīng)力的區(qū)域，以此控制巷道或采場(chǎng)圍巖中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，一定程度上預(yù)防可能出現(xiàn)的巖爆［121］。南非Elandsrand金礦為世界上最早應(yīng)用順序網(wǎng)格采礦的礦山［122］，通過(guò)合理布置礦柱改善了開(kāi)采過(guò)程中工作人員和設(shè)備的安全。

關(guān)于采場(chǎng)開(kāi)采順序優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究，主要從采場(chǎng)穩(wěn)定性角度區(qū)分各個(gè)開(kāi)采順序的優(yōu)劣，進(jìn)而設(shè)計(jì)針對(duì)特定礦體賦存條件的最優(yōu)開(kāi)采順序，將應(yīng)力調(diào)控原理引入采礦回采順序優(yōu)化，某礦山回采順序見(jiàn)圖12。數(shù)值模擬研究了不同開(kāi)采順序下采場(chǎng)應(yīng)力、位移演化規(guī)律，據(jù)此確定上行式開(kāi)采的順序采場(chǎng)頂板應(yīng)力、變形均較小，為最佳開(kāi)采順序方案。

當(dāng)前中國(guó)采礦地壓調(diào)控以免壓拱理論為主，但對(duì)于深部強(qiáng)采動(dòng)誘發(fā)的動(dòng)力破壞是深部采動(dòng)地壓防控需要解決的瓶頸問(wèn)題。因此，對(duì)于深部黃金礦床開(kāi)采，應(yīng)從礦山整體采動(dòng)順序考慮，正反演不同開(kāi)采順序下采動(dòng)地壓響應(yīng)，研究地壓響應(yīng)與采動(dòng)順序動(dòng)態(tài)互饋的釋壓調(diào)控機(jī)制，提出超前序次釋壓機(jī)理；從力學(xué)更高層次上研究礦山整體采動(dòng)失穩(wěn)過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)遷移時(shí)空演化機(jī)制與采掘工程、采礦順序間協(xié)同作用機(jī)制，依據(jù)采動(dòng)巖體動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行深部采動(dòng)地壓災(zāi)害防控。

1.7"采動(dòng)地壓監(jiān)測(cè)

采動(dòng)地壓監(jiān)測(cè)是高采動(dòng)應(yīng)力區(qū)判識(shí)、采動(dòng)地壓災(zāi)害預(yù)警和防控的關(guān)鍵。傳統(tǒng)地壓監(jiān)測(cè)集中于圍巖應(yīng)力和變形的監(jiān)測(cè)，但通過(guò)在國(guó)內(nèi)多座深部硬巖礦山開(kāi)展的應(yīng)力和位移監(jiān)測(cè)實(shí)踐表明，鉆孔應(yīng)力計(jì)和單（多）點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)效果均不太理想，突出表現(xiàn)為：在采動(dòng)過(guò)程中鉆孔應(yīng)力計(jì)數(shù)值幾乎無(wú)變化，單（多）點(diǎn)位移計(jì)數(shù)值僅在發(fā)生宏觀破裂面后才發(fā)生顯著改變［123］，難以真實(shí)反映深部硬巖采動(dòng)地壓巖體破裂失穩(wěn)形變過(guò)程。據(jù)此，提出微應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法感知硬巖微小變形演化過(guò)程，紗嶺金礦采用微應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)采動(dòng)巖體形變演化過(guò)程（見(jiàn)圖13），揭示了深部圍巖應(yīng)力狀態(tài)存在壓應(yīng)力向拉應(yīng)力的轉(zhuǎn)換過(guò)程［124］，可見(jiàn)微應(yīng)變監(jiān)測(cè)能夠?yàn)椴蓜?dòng)巖體失穩(wěn)破壞預(yù)測(cè)提供關(guān)鍵信息。

微地震監(jiān)測(cè)是分析采動(dòng)巖體破裂失穩(wěn)和巖爆預(yù)警的有效工具［125］，對(duì)于礦區(qū)范圍采動(dòng)地壓監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)警提出了基于微地震監(jiān)測(cè)的深部采動(dòng)巖體層析成像方法。該方法主要以地震檢波器為信號(hào)采集工具，必要時(shí)輔以傳統(tǒng)微震檢波器。典型微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各組成單元均位于地表，布設(shè)若干獨(dú)立微地震臺(tái)站，數(shù)據(jù)傳遞以傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)為主，具有成本低、維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)，但存在垂直方向定位精度低的問(wèn)題，是未來(lái)需要攻克的難題。當(dāng)前，典型的微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由若干微地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站、通信網(wǎng)絡(luò)和配套處理軟件組成，研發(fā)的MS微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件（見(jiàn)圖14-a）），可對(duì)微地震事件進(jìn)行實(shí)時(shí)的濾波、到時(shí)拾取、定位、震源參數(shù)計(jì)算。目前，已在三山島金礦地表安裝首套微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下爆破事件和巖體破裂事件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［126］。在后處理過(guò)程中，微震事件的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律、空間分布特征、b值演化規(guī)律、能量和震源機(jī)制解均會(huì)提升對(duì)采動(dòng)巖體響應(yīng)的理解程度。采動(dòng)誘發(fā)的微地震與數(shù)值模擬互饋的分析方法可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、巖體破壞等與微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高度融合交互顯示，以有效分析采動(dòng)誘發(fā)的應(yīng)力集中區(qū)范圍及潛在地壓災(zāi)害評(píng)估，也可為下一步回采順序設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)指導(dǎo)。鑒于采動(dòng)應(yīng)力、微地震事件分布密集區(qū)和高應(yīng)力分布區(qū)具有良好的一致性［125］，可以采用基于微地震監(jiān)測(cè)的層析成像技術(shù)為采動(dòng)高應(yīng)力區(qū)識(shí)別和采動(dòng)地壓災(zāi)害防控提供依據(jù)。三山島金礦-650 m水平P波層析成像云圖見(jiàn)圖14-b），可以依據(jù)波速高低識(shí)別出高應(yīng)力區(qū)分布范圍，也反映出應(yīng)力分布的不均勻性。

地下開(kāi)采礦山中采掘活動(dòng)及其他人員、設(shè)備活動(dòng)區(qū)域均存在持續(xù)不斷的振動(dòng)信號(hào)，此類(lèi)在時(shí)間、空間分布都極不規(guī)則的振動(dòng)在地震和勘探領(lǐng)域稱(chēng)為微動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)稱(chēng)為微動(dòng)信號(hào)。微動(dòng)信號(hào)既包含體波也包含面波，微動(dòng)信號(hào)中的面波能量占70 %以上，所以常利用面波信息來(lái)研究地下橫波速度結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中常利用面波信號(hào)中的瑞利波。微動(dòng)信號(hào)的振幅和形態(tài)隨時(shí)空的變化而變化，但在一定的時(shí)空范圍內(nèi)具有統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，可用時(shí)間和空間上平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程加以描述，也可以平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論為依據(jù)，從微動(dòng)信號(hào)中提取面波的頻散曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)頻散曲線(xiàn)的反演獲取地下橫波速度結(jié)構(gòu)［127］。通過(guò)巖石波速異常分析，識(shí)別礦山斷裂構(gòu)造、巖層結(jié)構(gòu)與裂隙發(fā)育區(qū)和采空區(qū)的分布情況。三山島金礦微動(dòng)探測(cè)試驗(yàn)中探測(cè)出的采空區(qū)分布見(jiàn)圖15。

1.8"自承載主動(dòng)釋壓支護(hù)技術(shù)

深部高應(yīng)力條件下的采場(chǎng)/巷道地壓防控是當(dāng)今世界深部采礦面臨的重要技術(shù)問(wèn)題之一。隨著金屬礦開(kāi)采深度的不斷增加，地應(yīng)力隨之增大，采場(chǎng)/巷道地壓顯現(xiàn)劇烈。深部采動(dòng)巖體失穩(wěn)主要表現(xiàn)為靜力型破壞和動(dòng)力型破壞2種類(lèi)型。靜力型破壞指在深部采場(chǎng)/巷道出現(xiàn)的層裂、剝落、折曲等無(wú)動(dòng)力彈射現(xiàn)象的脆性破壞；動(dòng)力型破壞指深部采場(chǎng)/巷道出現(xiàn)的巖塊彈射、崩落、巖爆等現(xiàn)象［128］。ZUBELEWICZ等［129-130］認(rèn)為，巖爆是在巖體的靜力穩(wěn)定條件被打破時(shí)發(fā)生的動(dòng)力失穩(wěn)過(guò)程。巖爆誘發(fā)采場(chǎng)/巷道圍巖表面動(dòng)力響應(yīng)特征主要為：破壞時(shí)有響聲，表現(xiàn)為巖塊彈射、爆裂剝落、巖體拋擲性破壞等［131-132］；其最顯著的動(dòng)力破壞特征是采場(chǎng)/巷道圍巖表面1 m厚的巖體以5～10 m/s速度向采場(chǎng)/巷道內(nèi)拋出［133-134］，拋擲距離達(dá)10～20 m，彈射能為5～20 kJ/m2，最大彈射能可達(dá)到50 kJ/m2［135］，嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員和設(shè)備的安全。

國(guó)外礦山對(duì)深部強(qiáng)采動(dòng)下采場(chǎng)/巷道地壓防控問(wèn)題研究較早，取得了大量的研究成果，并積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有代表性的是加拿大、南非和北歐等［136-137］。早在20世紀(jì)90年代，南非首先提出了釋能支護(hù)體系［136］?！都幽么髱r爆支護(hù)手冊(cè)》［135］中設(shè)計(jì)了抗巖爆沖擊的釋能支護(hù)系統(tǒng)，并在有巖爆傾向性的區(qū)域使用。這是由于在巖爆傾向區(qū)域采用釋能支護(hù)系統(tǒng)，盡管礦體開(kāi)采時(shí)發(fā)生了多起礦震、高震級(jí)的巖爆事件，都沒(méi)有造成較大的破壞，而使礦體安全采出。

中國(guó)對(duì)于深部采礦誘發(fā)的巖爆沖擊型地壓控制仍沿用淺部靜止型地壓分析理論與支護(hù)設(shè)計(jì)方法，無(wú)法有效控制深部強(qiáng)采動(dòng)誘發(fā)巖體動(dòng)力破壞；對(duì)于深部強(qiáng)采動(dòng)誘發(fā)的巖爆沖擊型破壞，應(yīng)以巖體動(dòng)力響應(yīng)、能量耗散與釋能原理為基礎(chǔ)，充分考慮支護(hù)剛度、釋震能力、往復(fù)動(dòng)荷載沖擊等因素，研發(fā)一種既能有效釋放積聚在巖體表面的高應(yīng)變能，又能抵抗沖擊荷載作用的動(dòng)力支護(hù)系統(tǒng)，為有效控制或減輕深部采動(dòng)地壓災(zāi)害奠定基礎(chǔ)。

通過(guò)對(duì)比釋能錨桿的結(jié)構(gòu)組成、作用機(jī)制及優(yōu)缺點(diǎn)，研發(fā)了一種既具有Cone錨桿的整體滑移釋能能力，又具有D錨桿多點(diǎn)錨固作用的新型J釋能錨桿［138］。J釋能錨桿是一種能夠有效防控巖爆等動(dòng)力沖擊的錨桿。當(dāng)巖爆發(fā)生時(shí)，既能保持高靜止拉拔力，又可通過(guò)桿體產(chǎn)生一定滑移或形變以釋放積聚在巖體內(nèi)的動(dòng)能，降低巖爆等動(dòng)力沖擊造成的破壞。J釋能錨桿（見(jiàn)圖16）由螺母、墊圈、托盤(pán)、桿體與攪拌端組成，分為錨固（阻尼）模塊、變形模塊、攪拌模塊、錨固端4個(gè)部分。在錨桿安裝過(guò)程中，攪拌模塊能均勻攪拌樹(shù)脂藥卷或水泥卷，錨固模塊實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)錨固。在動(dòng)力沖擊下能夠使錨桿桿體在錨固劑中產(chǎn)生一定的整體滑移，快速釋放積聚在巖體表面的動(dòng)能。釋能支護(hù)作為一種先進(jìn)的支護(hù)技術(shù)，是主動(dòng)支護(hù)的重要類(lèi)型之一。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，錨桿支護(hù)最大的問(wèn)題是支護(hù)參數(shù)的確定缺乏足夠的科學(xué)依據(jù)。大部分礦山雖然采用了先進(jìn)的錨桿支護(hù)，但由于支護(hù)參數(shù)選擇的不合理和施工過(guò)程的不合規(guī)，導(dǎo)致大量的支護(hù)結(jié)構(gòu)體失效。究其根本原因是礦山對(duì)錨桿支護(hù)的支護(hù)力學(xué)機(jī)理缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。自承載主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是當(dāng)錨桿錨固于巷道頂板的破碎區(qū)以后，錨桿的兩個(gè)端部將會(huì)形成一個(gè)圓錐形的壓應(yīng)力場(chǎng)，此時(shí)，若合理選擇錨桿的間距，錨桿間形成的圓錐形體將會(huì)彼此疊加，形成一個(gè)拱形的自承載壓應(yīng)力區(qū)，該區(qū)可以自主承受巖體上方的徑向應(yīng)力，提高巖體的整體承載強(qiáng)度。自承載主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)（見(jiàn)圖17）為系統(tǒng)研究自承載主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力，通過(guò)物理模型構(gòu)建了自承載主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖18），表征了極破碎巖體在錨網(wǎng)支護(hù)作用下可以抵御強(qiáng)動(dòng)力沖擊帶來(lái)的影響，巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布云圖也直觀地表明錨固力、錨桿間距和錨桿長(zhǎng)度等參數(shù)合理選擇的重要性及金屬網(wǎng)和噴射混凝土等輔助支護(hù)對(duì)錨桿支護(hù)的協(xié)調(diào)作用。研究結(jié)果表明，形成有效的自承載主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是錨桿的作用機(jī)理和錨固力?；趲r體Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和自承載主動(dòng)支護(hù)理論，采用極限平衡法則對(duì)錨桿的錨固力進(jìn)行了推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)錨桿的錨固力是一個(gè)受巖體質(zhì)量、錨固長(zhǎng)度、錨桿間排距和巷道幾何形狀多參數(shù)影響的函數(shù)［139］。該公式從理論層面對(duì)自承載主動(dòng)支護(hù)理論下的錨桿支護(hù)力學(xué)作用機(jī)理進(jìn)行了闡釋?zhuān)?yīng)用于礦山實(shí)際生產(chǎn)的支護(hù)設(shè)計(jì)。

1.9"深部采動(dòng)對(duì)地表巖移影響

隨著金屬礦地下開(kāi)采的持續(xù)進(jìn)行，礦體采出破壞了初始地應(yīng)力平衡，使圍巖發(fā)生持續(xù)破壞并產(chǎn)生移動(dòng)，巖體移動(dòng)發(fā)育至地表將造成不同程度的地表移動(dòng)變形。國(guó)內(nèi)外對(duì)于淺部地下開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律、預(yù)測(cè)方法及控制理論等的研究較為成熟，已經(jīng)能夠滿(mǎn)足淺部正常地質(zhì)采礦條件下的工程需要，但對(duì)深部開(kāi)采條件下，覆巖及地表移動(dòng)機(jī)理、預(yù)測(cè)方法及控制理論尚不完善［140-141］。國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者結(jié)合礦山地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和力學(xué)分析，對(duì)深部開(kāi)采引起的地表沉降問(wèn)題進(jìn)行了研究，論述了深部開(kāi)采的地表沉降規(guī)律和特點(diǎn)，表明深部開(kāi)采與淺部開(kāi)采相比地表移動(dòng)有以下特征：①地表影響范圍相對(duì)大、變形值??；②地表下沉及移動(dòng)速度小、周期長(zhǎng)；③地表移動(dòng)變形連續(xù)，不連續(xù)形變減少或者消失［142］。

對(duì)于地下開(kāi)采移動(dòng)范圍的劃分，傳統(tǒng)礦山地下開(kāi)采移動(dòng)范圍的確定主要根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、圍巖性質(zhì)、礦體厚度、礦體傾角、開(kāi)采深度、采礦方法等因素，通過(guò)工程類(lèi)比法、極限平衡法等確定巖體移動(dòng)角，劃定剖面移動(dòng)范圍，進(jìn)而得到礦山地下開(kāi)采移動(dòng)范圍［143-144］。對(duì)于深部開(kāi)采礦山，采用此種方法進(jìn)行移動(dòng)范圍劃分將導(dǎo)致地表移動(dòng)范圍過(guò)大，致使礦山企業(yè)不得不擴(kuò)大地表移動(dòng)保護(hù)范圍、擴(kuò)大征地面積，增加開(kāi)采成本，因此深部開(kāi)采金屬礦山多結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行礦山移動(dòng)范圍劃分［145］。通過(guò)二維或三維數(shù)值模擬提取數(shù)據(jù)，計(jì)算某種變形值，但由于臨界變形值的單一性和對(duì)于不同建（構(gòu)）筑物適用性，圈定結(jié)果可進(jìn)一步優(yōu)化。

深部采礦誘發(fā)地表沉降監(jiān)測(cè)的變形參數(shù)主要有水平垂直變形、傾斜度、曲率等，其中，對(duì)于水平方向長(zhǎng)度較長(zhǎng)的建筑物曲率變化將使建筑物部分位置處于拉伸狀態(tài)，容易造成建筑物發(fā)生失效損壞；對(duì)于地表高寬比較大的建筑物，地表傾斜度較大則可能發(fā)生傾斜倒塌；對(duì)于豎井、巷道硐室等井下建（構(gòu)）筑物，水平或垂直變形將可能引起建（構(gòu)）筑物發(fā)生拉伸破壞［146-147］。因此，可通過(guò)結(jié)合三維數(shù)值模擬和地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、開(kāi)采范圍內(nèi)建（構(gòu)）筑物種類(lèi)和保護(hù)等級(jí)，參考安全規(guī)程及其各種變形進(jìn)行改進(jìn)并計(jì)算，圈定深部開(kāi)采移動(dòng)范圍。

1.10"通風(fēng)降溫技術(shù)

隨著世界范圍內(nèi)礦井開(kāi)采深度的持續(xù)增加，高溫礦井將會(huì)越來(lái)越多，深部開(kāi)采面臨的高溫?zé)岷?wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重［148］。目前，礦井深部高溫?zé)岷?wèn)題已經(jīng)成為繼礦井巖爆、礦井水害、沖擊地壓、頂板塌方之后的又一嚴(yán)重災(zāi)害，但其危害程度要超過(guò)其他災(zāi)害，因?yàn)楦邷責(zé)岷Σ粌H具有持續(xù)性，而且還會(huì)引起二次災(zāi)害，可以說(shuō)礦井高溫?zé)岷Ψ乐嗡綄⒅苯又萍s未來(lái)礦山深部開(kāi)采的極限深度［149］。

從國(guó)內(nèi)外礦井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)看，南非斯太總統(tǒng)金礦的工作面深度超過(guò)3 000 m，原巖溫度高達(dá)63 ℃；羅賓孫金礦開(kāi)采深度2 700 m，原巖溫度41.1 ℃；澳大利亞北部的Mount Isa銅礦，在深度為2 000 m時(shí)，原巖溫度60 ℃；加拿大Creighton多金屬礦在2 400 m深度時(shí)，原巖溫度48 ℃。紗嶺金礦開(kāi)采深度達(dá)1 200 m時(shí)，井下溫度超過(guò)31 ℃；三山島金礦開(kāi)采深度達(dá)1 500 m時(shí)，井下溫度升至35 ℃～43 ℃；新城金礦開(kāi)采深度達(dá)1 030 m時(shí)，井下溫度達(dá)到33 ℃～35 ℃。由此可見(jiàn)，許多礦井到達(dá)深部后，原巖溫度和采場(chǎng)風(fēng)溫都顯著升高，危害人體健康，降低勞動(dòng)效率，嚴(yán)重惡化井下作業(yè)環(huán)境，影響安全生產(chǎn)［150］。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在礦井高溫?zé)岷χ卫眍I(lǐng)域，礦井通風(fēng)降溫技術(shù)已經(jīng)形成了相對(duì)完善的體系，其大致可以分為非人工制冷降溫技術(shù)和人工制冷降溫技術(shù)兩類(lèi)。其中，非人工制冷降溫技術(shù)主要包括增加風(fēng)量、隔絕熱源、預(yù)冷風(fēng)流和個(gè)體防護(hù)等方法［151-152］。由于非人工制冷技術(shù)主要適用于熱害程度不高的礦井，且根據(jù)礦井的熱源屬性，只能針對(duì)性地解決部分礦井的高溫?zé)岷?wèn)題，對(duì)于高溫?zé)岷?yán)重的礦井更多的還需依靠人工強(qiáng)制制冷技術(shù)［153］。早在1860年，在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州弗吉尼亞城的康斯塔克礦就利用礦車(chē)將冰運(yùn)送到井下，起到了降溫作用，這是人類(lèi)第一次主動(dòng)進(jìn)行井下降溫。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的緩慢發(fā)展，20世紀(jì)初，礦產(chǎn)資源需求量大、開(kāi)采技術(shù)發(fā)展迅速的國(guó)家對(duì)礦井降溫技術(shù)方面的研究得到了蓬勃發(fā)展。1915年，巴西莫?jiǎng)诩s里赫金礦建立了世界上第一個(gè)礦井空調(diào)系統(tǒng)，在地面建立了集中制冷站，采深2 000 m，圍巖溫度50 ℃，采用活塞式制冷機(jī)，可將溫度由30 ℃冷卻到6 ℃。1923年，英國(guó)彭德?tīng)栴D煤礦第一個(gè)在采區(qū)安設(shè)制冷機(jī)，冷卻采面風(fēng)流。德國(guó)最早于1924年在拉德勞德（Radlod）煤礦地面安設(shè)冷凍機(jī)，采深968 m，圍巖溫度44 ℃，可將風(fēng)溫由22.5 ℃降到19.5 ℃。澳大利亞Mount Isa銅礦采用制冷系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入主風(fēng)井的空氣進(jìn)行預(yù)先冷卻，可以將風(fēng)溫從26 ℃冷卻到14.6 ℃。加拿大Kidd Creek多金屬礦安裝了制冷系統(tǒng)，以冷卻3 000 m深部的35 ℃風(fēng)溫。南非20世紀(jì)60年代開(kāi)始使用大型礦井集中式空調(diào)，利用冰冷技術(shù)來(lái)降溫，最深的Mponeng金礦，埋深3 500 m的溫度達(dá)到60 ℃左右，通過(guò)通風(fēng)和冷凍充填物技術(shù)，可以將空氣溫度冷卻到32 ℃左右。20世紀(jì)70年代開(kāi)始，蘇聯(lián)、日本等國(guó)應(yīng)用制冷降溫。21世紀(jì)之后，降溫技術(shù)已發(fā)展成熟，逐漸走向集成化、節(jié)能化，以及高效化。

從發(fā)展歷程看，不同的降溫系統(tǒng)具有各自的技術(shù)特點(diǎn)，不同的冷媒介質(zhì)也有不同的材質(zhì)特性，在工程實(shí)際中需要根據(jù)礦井的實(shí)際情況選擇合適的冷媒和制冷方式（見(jiàn)圖19）。

與國(guó)外相比，中國(guó)對(duì)礦井熱害問(wèn)題的研究工作起步較晚，起始于20世紀(jì)60年代中期。從第一個(gè)礦井局部制冷降溫系統(tǒng)的研發(fā)開(kāi)始，后續(xù)研制了礦用冷水機(jī)組用于工作面降溫；設(shè)計(jì)建立了中國(guó)第一個(gè)地面集中制冷空調(diào)系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)后，冰冷卻低溫輻射降溫技術(shù)、HEMS降溫技術(shù)［154］、熱-電-乙二醇低溫制冷礦井降溫系統(tǒng)、冷媒水噴淋降溫技術(shù)、特種礦用制冷裝置、渦流管降溫技術(shù)、新型空冷器、移動(dòng)式換熱降溫設(shè)備等相繼登上礦井降溫的舞臺(tái)［155-156］。近期，東北大學(xué)提出了深井低碳冷源降溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要原理是利用冷源系統(tǒng)中的地?zé)崮芰拷粨Q設(shè)備獲取大地恒溫帶的穩(wěn)定冷源能量，將得到的冷源水由隔熱管路送至千米深井，利用井下基站內(nèi)的換熱設(shè)備對(duì)冷源流體和高溫風(fēng)流進(jìn)行熱交換，將降溫后的低溫冷風(fēng)排至高溫巷道進(jìn)行降溫，換熱后的熱余水由管路排至地表水池，以進(jìn)行二次利用，具有節(jié)能、低碳、環(huán)保、冷源穩(wěn)定，余熱可利用等特點(diǎn)，達(dá)到了地面制冷—井下?lián)Q熱的目的。以按需冷卻為理念，開(kāi)展了移動(dòng)式冰媒降溫設(shè)備的相關(guān)研究［156］。該設(shè)備利用冰的相變高熔化熱能量對(duì)內(nèi)部循環(huán)水進(jìn)行冷卻降溫，從而獲得高品位冷源，再由核心翅片管換熱器完成熱交換，每秒換熱量可達(dá)156 kJ，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布置靈活，組裝便捷，冷源穩(wěn)定可控，換熱效率高，應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。

1.11"智能開(kāi)采技術(shù)

知識(shí)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生于20世紀(jì)40年代的信息技術(shù)革命，特別是20世紀(jì)80年代興起的高科技革命［157］，對(duì)傳統(tǒng)采礦工業(yè)起著推動(dòng)和改變作用，因此研制智能礦山設(shè)備，采用遙控和自動(dòng)控制技術(shù)，在無(wú)組織性的礦井環(huán)境中控制礦山設(shè)備，實(shí)現(xiàn)井下高難采、高危險(xiǎn)下少人、無(wú)人化智能開(kāi)采［158］，是21世紀(jì)礦業(yè)的重要發(fā)展方向。

地下金屬礦自動(dòng)化開(kāi)采研究始于20世紀(jì)60年代，遙控作業(yè)的設(shè)備包括鑿巖、鏟裝、運(yùn)輸與提升等設(shè)備［159］。早在1970年，瑞典Kiruna礦井下主要運(yùn)輸水平的機(jī)車(chē)運(yùn)輸就實(shí)現(xiàn)了在控制室內(nèi)遙控鏟運(yùn)機(jī)裝卸載、電動(dòng)卡車(chē)無(wú)人駕駛，將監(jiān)控、自動(dòng)化和遙控系統(tǒng)集成在控制中心，直接遙控鑿巖臺(tái)車(chē)Simba46W及由機(jī)載計(jì)算機(jī)與導(dǎo)航系統(tǒng)控制Toro2500Es裝載機(jī)；瑞典制訂了向礦山自動(dòng)化進(jìn)軍的“Grounteknik-2000”戰(zhàn)略計(jì)劃。美國(guó)Arizona大學(xué)將人工智能、模糊邏輯技術(shù)應(yīng)用于鏟運(yùn)機(jī)的控制，開(kāi)發(fā)了一種智能鏟運(yùn)機(jī)，能自適應(yīng)地對(duì)裝載體積、裝載條件進(jìn)行識(shí)別，最大可能地發(fā)揮鏟運(yùn)機(jī)的機(jī)械性能。1992年，芬蘭采礦工業(yè)宣布了智能礦山技術(shù)方案，涉及實(shí)時(shí)過(guò)程控制、資源實(shí)時(shí)管理、全礦范圍信息網(wǎng)、新機(jī)械及其自動(dòng)化等28個(gè)專(zhuān)題。1996年，加拿大Comlink與Saskatchewan碳酸鉀公司合作，開(kāi)發(fā)了世界上首例無(wú)人操作、連續(xù)作業(yè)的采礦機(jī);20世紀(jì)90年代初，加拿大INCO公司同IBM公司合作［160］，在加拿大Stobie礦、Creighton礦，進(jìn)行了多項(xiàng)遙控采礦試驗(yàn)，包括自動(dòng)鑿巖、自動(dòng)裝藥與爆破、自動(dòng)裝巖、自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、自動(dòng)卸巖和自動(dòng)支護(hù)等，并在1994年多倫多CIM年會(huì)上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)展示;1999年6月，將上述3座礦山的遙控采礦試驗(yàn)集中在薩德伯里地區(qū)的一個(gè)中央控制室內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控;1992年，加拿大國(guó)際鎳公司、鷹橋公司和諾蘭達(dá)技術(shù)中心組成聯(lián)合研究組［161］，為Precarn聯(lián)合公司完成了以無(wú)線(xiàn)電通訊為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控采礦環(huán)境地下硬巖采礦自動(dòng)化研究;Tamrock公司的3臺(tái)Data Solo自動(dòng)化鉆機(jī)在Stobie礦連續(xù)應(yīng)用了4年，效果良好；諾貝爾公司的Roc Mec 2000裝藥設(shè)備，能根據(jù)鉆機(jī)提供的信息把各種乳膠炸藥裝入炮孔內(nèi)；加拿大INCO公司制定未來(lái)25年機(jī)器人采礦計(jì)劃，即2050年遠(yuǎn)景計(jì)劃［162］，通過(guò)對(duì)加拿大北部邊遠(yuǎn)地區(qū)一個(gè)礦山實(shí)現(xiàn)機(jī)械破碎或切割采礦，建設(shè)地下選礦廠(chǎng)，在Sudbury通過(guò)衛(wèi)星操縱地下所有設(shè)備自動(dòng)作業(yè)，使地下開(kāi)采硫化鎳礦的成本降低至澳大利亞露天開(kāi)采紅土型氧化礦的水平。

當(dāng)前，中國(guó)貴州錦豐金礦、青海大柴旦礦業(yè)公司等部分地下金屬礦山已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采礦，并建立了一套比較完整的自動(dòng)化集中調(diào)度、控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鏟運(yùn)機(jī)、運(yùn)輸卡車(chē)等機(jī)械設(shè)備運(yùn)行全過(guò)程的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控。三山島金礦、新城金礦等地下礦山實(shí)現(xiàn)了井下有軌運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)智能化運(yùn)輸；紫金礦業(yè)、招金礦業(yè)等所屬礦山都已應(yīng)用視距遙控鏟運(yùn)機(jī)連續(xù)出礦；三山島金礦等地下礦山實(shí)現(xiàn)了鏟運(yùn)機(jī)的地面遠(yuǎn)程遙控。

從以上對(duì)比分析可以看出：地下連續(xù)智能化采礦雖然難度大，但遙控采礦、無(wú)人工作面甚至無(wú)人礦井等已在加拿大、瑞典、美國(guó)、澳大利亞等成為現(xiàn)實(shí)；中國(guó)部分地下金屬礦山局部已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了視距操控、地面遠(yuǎn)程遙控的無(wú)人工作面，但與國(guó)外相比，距離無(wú)人礦井仍有很大差距。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，使得礦山連續(xù)智能化開(kāi)采技術(shù)達(dá)到三維可視化并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制是十分可行的。

隨著礦山開(kāi)采深度的增加，深部開(kāi)采條件嚴(yán)重劣化，采動(dòng)地壓大，造成深部開(kāi)采效率明顯下降、生產(chǎn)成本增加、安全性差，淺部以“礦石流”為基礎(chǔ)的連續(xù)智能化開(kāi)采工藝和連續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)［163-165］的智能采礦思維已不能滿(mǎn)足深部開(kāi)采需求。但對(duì)于深部連續(xù)智能化開(kāi)采，需突破淺部以“礦石流”為主的智能開(kāi)采工藝系統(tǒng)研究，充分考慮深部采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)均衡及采動(dòng)地壓響應(yīng)的影響，將礦床地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害、巖石力學(xué)有機(jī)融入深部采礦設(shè)計(jì)與采掘計(jì)劃中，開(kāi)發(fā)集采動(dòng)地壓分析、采掘計(jì)劃管理、連續(xù)生產(chǎn)管控、生產(chǎn)智能調(diào)度于一體的礦山智能開(kāi)采三維可視化虛擬交互平臺(tái)，通過(guò)采動(dòng)地壓分析、泛在信息采集，進(jìn)行礦山生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模擬；依據(jù)采掘計(jì)劃分析深部采動(dòng)地壓響應(yīng)，動(dòng)態(tài)反饋調(diào)整采礦計(jì)劃，沉浸交互式調(diào)度井下生產(chǎn)設(shè)備；通過(guò)海量開(kāi)采數(shù)據(jù)解析，研發(fā)生產(chǎn)過(guò)程智能化管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)井下生產(chǎn)全流程的連續(xù)生產(chǎn)智能管理及三維可視化呈現(xiàn)，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程。

1.12"超深豎井建設(shè)

隨著國(guó)內(nèi)深部礦產(chǎn)資源勘探技術(shù)的提高，大量金屬礦產(chǎn)資源不斷被發(fā)現(xiàn)，而深部礦產(chǎn)資源的開(kāi)采需要高效的豎井建設(shè)，因此對(duì)超深豎井建設(shè)提出更高要求。“十一五”時(shí)期，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)金屬礦超1 000 m豎井建設(shè)數(shù)量達(dá)到30個(gè)，形成掘進(jìn)深度達(dá)1 200 m，直徑多為6 m的深豎井建造能力。在“十二五”期間，中國(guó)豎井建設(shè)深度處于1 200～1 500 m，井筒凈直徑擴(kuò)大至10 m，開(kāi)始接近超深豎井建設(shè)深度［166］?！笆濉睍r(shí)期，中國(guó)豎井建設(shè)技術(shù)達(dá)到新的高度，建設(shè)深度接近或超過(guò)1 500 m［167］。“十四五”期間，中國(guó)豎井建設(shè)深度基本在1 500～2 000 m，開(kāi)始向2 000 m逼近，三山島金礦正在進(jìn)行約2 000 m超深豎井建設(shè)，目前建設(shè)深度已超過(guò)1 580 m［168］。當(dāng)前中國(guó)正處于超深豎井建設(shè)的初步階段，由于深部“三高一擾動(dòng)”、地質(zhì)條件的復(fù)雜性，不確定性因素、未知因素更多、更復(fù)雜化，建井工程條件顯著變化，建井過(guò)程中必然面臨一系列工程問(wèn)題，給建井工程帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)顯著提高。

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)豎井建設(shè)采用短段掘砌及與之配套的傘鉆、大型抓巖機(jī)、整體移動(dòng)金屬模板等成套工藝及技術(shù)參數(shù)進(jìn)行掘砌正規(guī)循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進(jìn)尺以5 m為主，月成井可達(dá)100 m以上［150，169］。隨著豎井建設(shè)深度增加，淺部豎井支護(hù)理念與設(shè)計(jì)方法、施工工藝等在深井建設(shè)中已不再完全適用，亟待改進(jìn)與優(yōu)化，因此提出超深豎井超前釋壓理論與技術(shù)，為超深豎井建設(shè)提供參考。該理論核心思想是克服傳統(tǒng)“隨掘隨砌”施工方法和依靠提高襯砌混凝土強(qiáng)度及厚度加強(qiáng)井筒圍巖支護(hù)理念，通過(guò)序次提高井壁襯砌與井筒掘進(jìn)工作面距離（HUS=5D），釋放積聚在井筒圍巖內(nèi)的高應(yīng)力。設(shè)計(jì)卸壓爆破、釋能支護(hù)系統(tǒng)主動(dòng)調(diào)控未襯砌段井筒圍巖受力狀態(tài)與應(yīng)力分布特征，支護(hù)結(jié)構(gòu)將逐漸承載圍巖應(yīng)力重分布產(chǎn)生的變形壓力，釋放井筒圍巖內(nèi)集中的高應(yīng)力，減小其影響范圍。將圍巖變形、支護(hù)約束及井筒開(kāi)挖面的空間約束分開(kāi)考慮，確定支護(hù)時(shí)機(jī)和合理支護(hù)方式。此后在井筒襯砌低強(qiáng)度等級(jí)混凝土支護(hù)井筒圍巖。該項(xiàng)理論與技術(shù)分別在思山嶺鐵礦1 503 m超深井筒、新城金礦1 527 m超深井筒進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，效果良好［170-171］。

在井筒掘進(jìn)過(guò)程中，由于掘進(jìn)工作面以下工程地質(zhì)環(huán)境隱蔽、復(fù)雜多變，使超深豎井在建設(shè)過(guò)程中面臨未知風(fēng)險(xiǎn)，井下突涌水是礦山中較為嚴(yán)重的一類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害，并且高承壓、強(qiáng)富水環(huán)境引發(fā)的突涌水災(zāi)害威脅日益嚴(yán)重，復(fù)雜的充水水文地質(zhì)條件導(dǎo)致井筒突涌水致災(zāi)因素復(fù)雜、機(jī)理多變、類(lèi)型多樣、影響因素增多，成為超深豎井安全建設(shè)的巨大挑戰(zhàn)。多起工程案例表明［172-175］，井下突涌水一旦處理不當(dāng)，極易造成淹井事故。礦井水害的發(fā)生需滿(mǎn)足涌水源和導(dǎo)水通道2個(gè)條件，涌水源可通過(guò)地質(zhì)調(diào)查、超前探測(cè)等手段獲知，導(dǎo)水通道則通過(guò)注漿方式封堵。針對(duì)目前豎井工作面短探、短注工藝復(fù)雜，無(wú)法超前預(yù)報(bào)井筒深部地層情況，揭露水治水，施工效率低等技術(shù)缺陷，提出超深豎井超長(zhǎng)段探水高壓驅(qū)水注漿技術(shù)。該技術(shù)以“不揭露水治水”為總要求，執(zhí)行“有掘必探，探注結(jié)合”的方針。通過(guò)采取超長(zhǎng)段鉆孔探測(cè)，探測(cè)深度120 m，同時(shí)利用工程地質(zhì)調(diào)查與物探方法輔助探測(cè)，多手段相結(jié)合獲取地層深部含水層分布信息。采用三維激光掃描、CT掃描及核磁共振技術(shù)，獲取巖層孔隙、裂隙信息，選擇相適應(yīng)注漿材料。針對(duì)深部高應(yīng)力地層，因地制宜利用基巖巖帽代替止?jié){墊進(jìn)行高壓注漿，最終達(dá)到靶向注漿的目的。超長(zhǎng)段探水高壓驅(qū)水注漿技術(shù)通過(guò)在三山島金礦約2 000 m超深豎井建造過(guò)程中試驗(yàn)應(yīng)用，注漿堵水率達(dá)到90 %，真正做到不揭露水治水。目前，1 500 m以深超深豎井建設(shè)相繼完成的有思山嶺鐵礦（1 503 m）、新城金礦新主井（1 527 m）、紗嶺金礦（1 551.8 m）和三山島金礦在建2 005 m超深豎井建設(shè)（見(jiàn)圖20）。

2"發(fā)展趨勢(shì)

巖體是天然地質(zhì)體，具有非連續(xù)、非均勻及各向異性等特征，特別是在深部差異化采動(dòng)下（多重采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)交互作用及爆破等動(dòng)力沖擊下），采動(dòng)巖體應(yīng)力變形復(fù)雜多變，因此，構(gòu)建反映深部采動(dòng)巖體損傷機(jī)制及其響應(yīng)特征的本構(gòu)關(guān)系，是解決深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、地壓災(zāi)害防控機(jī)理、深部連續(xù)智能化開(kāi)采的關(guān)鍵共性理論瓶頸；揭示深部采動(dòng)巖體損傷響應(yīng)及其本構(gòu)關(guān)系是深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安全開(kāi)采所需解決的關(guān)鍵共性科學(xué)問(wèn)題。未來(lái)黃金礦山深井開(kāi)采主要有以下幾方面發(fā)展趨勢(shì)：

1）非爆采礦機(jī)器人研制。鉆爆法開(kāi)采在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間仍將是黃金礦山開(kāi)采主要的落礦技術(shù)手段，需要充分研究破巖機(jī)理，以破巖機(jī)理為理論依據(jù)，發(fā)展硬巖非爆采礦機(jī)器人是未來(lái)無(wú)人采礦的基礎(chǔ)，但硬巖非爆采礦機(jī)器人開(kāi)發(fā)需要克服很多難題，仍有很長(zhǎng)的路需要走。

2）采動(dòng)巖石力學(xué)。深部開(kāi)采打破深部原巖應(yīng)力場(chǎng)均衡，采動(dòng)巖石在強(qiáng)采動(dòng)應(yīng)力作用下將發(fā)生與淺部截然不同的地壓顯現(xiàn)形式，需要依據(jù)礦山實(shí)際開(kāi)展地應(yīng)力測(cè)量，進(jìn)行采動(dòng)應(yīng)力分析；依據(jù)大量地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、巖石力學(xué)數(shù)據(jù)和巖體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究強(qiáng)采動(dòng)應(yīng)力作用下采動(dòng)巖體失穩(wěn)變形特征，發(fā)展采動(dòng)巖石形變本構(gòu)和判據(jù)，揭示深部采動(dòng)巖體地壓響應(yīng)及其形變規(guī)律，為深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采動(dòng)地壓調(diào)控和智能開(kāi)采提供理論依據(jù)，以提高深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。

3）深部采動(dòng)地壓災(zāi)害防控。充分考慮礦床地質(zhì)、巖體力學(xué)、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與采掘活動(dòng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，提出構(gòu)建礦山三維工程災(zāi)害分析模型及其方法；開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與區(qū)域差異化采動(dòng)數(shù)值模擬互饋的研究方法，研究深部差異化動(dòng)態(tài)采動(dòng)誘發(fā)多尺度巖體非線(xiàn)性變形-損傷-破裂-失穩(wěn)過(guò)程及其響應(yīng)，揭示深部采動(dòng)巖體損傷機(jī)理及其本構(gòu)模型，探索深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)位移場(chǎng)、能量場(chǎng)遷移規(guī)律及其時(shí)空響應(yīng)；建立以采場(chǎng)形狀、采動(dòng)地壓為主要變量的深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及其智能設(shè)計(jì)方法；研究巖體動(dòng)力響應(yīng)、釋壓機(jī)制與背景應(yīng)力場(chǎng)遷移規(guī)律耦合關(guān)系，提出超前序次釋壓機(jī)理與釋能支護(hù)系統(tǒng)，建立以采動(dòng)地壓均衡與主動(dòng)釋壓防控的深部采動(dòng)地壓災(zāi)害防控理論與技術(shù)。

4）深井降溫技術(shù)。自然風(fēng)流只能解決1 000 m以深礦體開(kāi)采1/3的降溫問(wèn)題。深井高溫?zé)岷﹄S深度增加的威脅逐漸增大，由于井下熱源的復(fù)雜性和多樣性，多種方式組合的聯(lián)合降溫體系的構(gòu)建勢(shì)在必行，以綠色高效、換熱效率高、冷源可控等為研究導(dǎo)向。深部通風(fēng)降溫技術(shù)未來(lái)將以按需換熱制冷為原則，出于成本和技術(shù)條件限制的考慮，深部非必需區(qū)域的通風(fēng)降溫會(huì)造成能量的不必要消耗，很多礦井對(duì)通風(fēng)降溫系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，以按需通風(fēng)為原則，意圖減少能耗。那么，深部降溫時(shí)的按需制冷也同樣重要，根據(jù)工作面的溫度要求，在井下只對(duì)必需區(qū)域進(jìn)行局部通風(fēng)降溫以達(dá)到減少能耗的目的，最大程度實(shí)現(xiàn)井下通風(fēng)降溫和能源合理利用之間的相對(duì)平衡，因此，在黃金礦山深井開(kāi)采設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮通風(fēng)降溫系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，以解決深部黃金資源開(kāi)發(fā)降溫難題。

5）超深豎井建設(shè)。近10年來(lái)，黃金礦山超深豎井建設(shè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，不斷刷新國(guó)內(nèi)超深豎井建設(shè)紀(jì)錄，紗嶺金礦剛完成1 551.8 m超深豎井建設(shè)，三山島金礦正在建設(shè)2 005 m超深豎井，當(dāng)前該豎井建設(shè)深度已達(dá)1 568 m。未來(lái)三山島金礦2 005 m超深豎井穩(wěn)定建成，將是中國(guó)超深豎井建設(shè)具有典型代表的一面旗幟。但深豎井提升問(wèn)題，將給國(guó)內(nèi)超深豎井研究帶來(lái)新的研究課題，因此，超深豎井提升裝備是未來(lái)發(fā)展亟須解決的難題。

6）基于采動(dòng)地壓均衡的深部連續(xù)智能化開(kāi)采技術(shù)。智能化、無(wú)人化開(kāi)采必將成為未來(lái)黃金礦山深井開(kāi)采乃至整個(gè)采礦業(yè)發(fā)展的主流方向。通過(guò)進(jìn)一步推進(jìn)黃金礦山數(shù)字化技術(shù)進(jìn)步，包括更先進(jìn)、更精確的傳感器技術(shù)，更智能、更全面的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等實(shí)現(xiàn)從地質(zhì)勘探到礦山開(kāi)采的礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化和采礦工藝流程透明化，建設(shè)透明礦山。在透明礦山的基礎(chǔ)上，研發(fā)先進(jìn)無(wú)人開(kāi)采設(shè)備，進(jìn)一步推動(dòng)以大數(shù)據(jù)分析與人工智能算法為導(dǎo)向的礦山生產(chǎn)工藝智能化，礦山生產(chǎn)管理智能化及礦山生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)智能化，實(shí)現(xiàn)少人化、無(wú)人化的礦山開(kāi)采和管理，最終建成安全、綠色、高效、高產(chǎn)的無(wú)人化生產(chǎn)礦山。

當(dāng)前中國(guó)地下金屬礦連續(xù)智能化開(kāi)采主要針對(duì)井下有軌/無(wú)軌作業(yè)裝備實(shí)行局部遠(yuǎn)程可視化操控調(diào)度，而在礦山范圍內(nèi)進(jìn)行多采區(qū)、多類(lèi)型裝備的系統(tǒng)整合和一體化方面比較薄弱，且未考慮深部采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)均衡與采動(dòng)地壓響應(yīng)的影響；因此，對(duì)于深部連續(xù)智能化開(kāi)采需以采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)均衡及采動(dòng)地壓響應(yīng)為背景，構(gòu)建以開(kāi)采順序、生產(chǎn)智能調(diào)度、生產(chǎn)過(guò)程管控與海量開(kāi)采信息解析相融合的礦山智能開(kāi)采三維可視化虛擬交互平臺(tái)，形成全時(shí)空域沉浸交互式連續(xù)智能化采礦工藝系統(tǒng)。依據(jù)采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)均衡及采動(dòng)地壓響應(yīng)，開(kāi)發(fā)集采動(dòng)地壓分析、采掘計(jì)劃管理、連續(xù)生產(chǎn)管控、生產(chǎn)智能調(diào)度于一體的礦山智能開(kāi)采三維可視化虛擬交互平臺(tái)，系統(tǒng)分析采掘計(jì)劃對(duì)深部采動(dòng)地壓響應(yīng)的敏感性，動(dòng)態(tài)反饋智能調(diào)整采掘計(jì)劃，智能調(diào)度井下生產(chǎn)設(shè)備，形成深部金屬礦連續(xù)智能化安全開(kāi)采成套理論與技術(shù)，為黃金礦山深部安全、高效、智能開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保障。

3"結(jié)"語(yǔ)

當(dāng)前，中國(guó)有近20座黃金礦山開(kāi)始步入深部開(kāi)采，部分黃金礦山開(kāi)采深度已經(jīng)超過(guò)1 500 m，本文僅針對(duì)當(dāng)前黃金礦山深井開(kāi)采面臨的巖石力學(xué)、巖體結(jié)構(gòu)面識(shí)別、礦山三維工程災(zāi)害建模、巖體質(zhì)量分級(jí)、采礦方法、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采場(chǎng)爆破、回采順序、采動(dòng)地壓控制、深部開(kāi)采對(duì)地表影響、釋能支護(hù)、通風(fēng)降溫、智能開(kāi)采技術(shù)、超深豎井建設(shè)等理論和關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合近些年所做的工作進(jìn)行了概述，但對(duì)于深部地質(zhì)勘查、透明礦山、探水注漿、膏體充填等系列問(wèn)題未進(jìn)行分析，所涉及的內(nèi)容基礎(chǔ)是結(jié)合科研所涉及的礦山對(duì)于問(wèn)題的總結(jié)與分析，在這些礦山中，部分礦山是在原有工程基礎(chǔ)上進(jìn)行深部黃金資源開(kāi)采的延續(xù)，部分礦山直接步入深部開(kāi)采，二者所面臨和解決的問(wèn)題不盡一致。黃金礦山深井開(kāi)采是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)中國(guó)黃金礦山深井開(kāi)采所面臨的問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和系統(tǒng)性的研究，從行業(yè)整體考慮，采用系統(tǒng)論的方法，解決黃金開(kāi)采面臨的系列難題，真正解決黃金礦山深井開(kāi)采面臨的痛點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，取得的科研成果經(jīng)過(guò)礦山生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，切實(shí)解決生產(chǎn)難題，才能從根本上解決黃金礦山深井開(kāi)采問(wèn)題，推動(dòng)黃金礦山深井開(kāi)采行業(yè)進(jìn)步。

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Research progress and development trends in deep gold mine mining

Zhao Xingdong

（Key Laboratory of Mine Safety Supervision and Control for Disaster Prevention

and Mitigation in Deep Metal Mines of National Mine Safety Administration，Northeastern University）

Abstract：This paper details the current research status and technical challenges of deep gold mine mining，discussing in detail theories of mining-induced rock mechanics，rock mass structure identification and rock mass quality classification，mine 3D engineering disaster modeling，study of deep mining design methods，deep stope blasting and caving technology，mining-induced ground pressure regulation and monitoring，self-supporting active pressure relief support technology，impact on surface rock displacement，ventilation and cooling technologies，intelligent mining，and ultra-deep vertical shaft construction.Prospects for future development in areas such as the development of non-explosive mining robots for gold mines，mining-induced rock mechanics，prevention and control of deep mining-induced ground pressure disasters，deep mine cooling technology，construction of ultra-deep vertical shafts，and continuous intelligent mining technology based on the equilibrium of mining-induced ground pressure have been proposed，providing a reference for systematic research on deep gold mine mining.

Keywords：gold mine;deep mining;mining-induced rock mechanics;mining methods;ventilation and cooling;intelligent mining;ground pressure regulation;ultra-deep vertical shaft