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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”？
（一）
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米及以上深井发展。统计显示，年以前，我国只有2个金属矿山开采深度达到米。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米以下深度开采，其中有近10座矿山将进入~米深度开采；未来5~10年，将有1/3以上的矿山进入米以深的开采深度。
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——
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。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。三是深井高温环境问题。岩层温度随深部以1.7℃/米~3.0℃/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。
（二）
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。
（三）
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。
深部采矿，何以深？1地球浅部的资源正在逐渐枯竭，开采不断向地球更深处推进。目前，m的深部采矿很是常见，煤矿的开采深度已达到m，地热的开发已超过m，有色金属矿山的深度已达到m左右，而油气开采的深度已达约m。
深部岩体以高原岩应力、高温和高水压力为特征。与浅部资源开采相比较，深部采矿可能涉及的灾害有岩爆、大规模崩塌以及煤、瓦斯和水混合体的大规模突出等。这些事件在本质上常常是复杂的，难以预报和控制。
深部矿山岩体的特性及边界条件是深部采矿灾害的初始原因。
当采矿深度达到约m时，覆盖岩层引起的原岩应力、构造特征以及采矿作业造成的应力集中，可导致围岩的破裂和损坏。在高应力作用下，由于累积的形变能更加明显，事故可能更经常发生。采矿作业产生的扰动能导致岩体的突然和无预兆的损坏，表现为大范围的失稳和垮塌。
为了克服这些挑战和实现可观的经济收益，需要重大的创新性解决方案、最佳实践以及实施额外的安全标准。
深部矿山的岩体支护
随着开采深度的增加，原岩应力对围岩破裂及稳定性的影响尤为明显，因而选择岩体支护技术至关重要。
研究人员研发了软岩巷道的非对称耦合支护技术，已成功地应用于现场支护工作中。研究者还进一步研发了被称为深部采矿岩爆的试验系统。为了解决大变形围岩的普通支护材料的破坏问题，研发了一种大延伸量、常阻力的吸能式锚杆。
?大延伸量、常阻力的吸能式锚杆
?吸能式锚杆工作原理
通过自身的大变形，这锚杆可以抵抗由于遭遇突然产生的形变能而引起的岩体的大挤压。
智能采矿
作为信息时代和知识经济的必然产物，数字化采矿起源于矿山或采矿的地质信息系统。
数字化采矿的目的是改进矿山信息的交流，支持自动化采矿和智能化采矿，确保采矿的安全、高效、绿色和可持续发展，实现科学采矿。
数字化矿山建设是一个渐进过程，是一个复杂系统工程。
自动化采矿技术的研发始于20世纪80年代中期。最初研发的自动化设备，只是装运机（LHD）、光导系统、LHD遥控系统等设备。而如今，基于全自动化采矿/无人化采矿过程的无人化工作面和无人化矿山已成为重要的研究领域。
在深部开采的新形势下，数字化采矿有4个主要方向：①数字化矿山集成平台；②采矿模拟系统；③地下定位和导航技术；④采矿环境的智能感知。
强化连续开采和巷道切割机采矿
对于深部硬岩采矿存在4个关键问题：①深部采矿高应力场和地质结构的特征及其掌握方法；②高原岩应力作用下硬岩方块式破裂（full-blockfracturing）的知识；③高温条件下控制岩爆的支护措施；④低品位矿床溶浸采矿的全部固-气-液介质的耦合与流动的知识。
由于目标岩体复杂的各向异性，将巷道切割机（TBM）用于采矿是困难的。在矿山，超过70%的TBM的损坏是由于与地质相关的问题。
在硬岩矿山，当用TBM进行切割时，由于高应力岩体的应力重新分布而引起的岩爆和片帮是一个主要缺点，会影响作业安全和巷道支护的安装。
高度破碎和块式的岩体是仰制TBM切割机在采矿中应用的另一个因素。众所周知，松散的大块岩石会堵塞和损坏转换漏斗和切割机装岩斗。
涉及突水和瓦斯爆炸的其他并发问题影响了TBM切割机在煤矿的使用。
流态化采矿
理论上估计，一旦地下固体矿物资源的埋深超过m，目前已有的各种采矿方法将变得不可使用。因此，必须认识到更大深度矿物资源的开发和利用亟需理论和技术方面的颠覆性的创新。
为此，研究者提出了一个地下深部固体矿物资源的流态化开采的理论和技术概念：
基于与TBM相似的采矿模式，通过采、选、冶、充填、发电和固体资源气化，实现地下深部固体矿物资源的原地、实时和集成利用，即将固体资源转换成气体、液体或气、液、固物质的混合物。
其结果是，将来的煤矿再也没有工人下到矿山井下、没有煤被采下、没有煤堆积成山、没有粉尘污染空气，取而代之的是以清洁、安全、智能、环境协调和生态友好的方式进行电力和能量输送。
?深部地下固体矿物资源的流态化开采的概念图
（a）采矿模型；（b）流态化开采和转换仓。
有4种技术可以实现深部地下固体矿物资源的流态化开采：①固体矿物资源转换成气体；②固体矿物资源转换成流体燃料；③固体矿物资源转换成为混合物；④固体矿物资源原地转换成电能。
深部采矿的强化模拟设施
过去20年来，世界各地大量研发了实验室试验设备和数值模拟软件，能够在原岩应力条件下模拟真实岩体的特性。
澳大利亚莫纳什大学的深地能量（DeepEarthEnergy）实验室拥有各种先进的研究设备，可进行岩体特征化和碎裂化的强化研究（3GDeep；
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