金属矿山“三下”开采技术与应用——中国矿业大学（北京）王炳文

在矿产资源日益枯竭的今天，如何安全高效地开采位于建筑物、铁路公路和水体之下的复杂矿体，成为全球矿业领域亟待解决的难题。近日，在国家矿山安全监察局组织的“矿山安全科技进河南”活动中，中国矿业大学（北京）的王炳文教授分享了《“三下开采”技术与应用》的报告，凭借其深厚的学术造诣和丰富的实践经验，在“三下开采”技术领域取得了突破性进展，为全球矿业发展提供了中国方案。

请在底部附件处下载PPT

一、资源困局下的技术革新：时代呼唤“三下开采”

矿产资源，作为经济社会发展的重要物质基础和国家安全的基础保障，其重要性不言而喻。习近平总书记在中央国家安全委员会第一次会议中明确指出，资源安全是现代社会的基础和保障。然而，随着开采强度的持续加大，条件优越的矿床已基本开发完毕，而“三下”等复杂难采矿床逐步成为资源供给的主力战场。

王炳文教授指出，当前我国90%以上的一次能源、80%左右的工业原材料和60%以上的农业生产资料均取自于矿产资源。但与此同时，资源开发的结构性转变也带来了前所未有的挑战。以铁矿为例，我国年进口量超过10亿吨，对外依存度长期维持在80%左右。更为严峻的是，尾矿堆积问题日益突出，2021年我国尾矿产生量达到13.08亿吨，其中铁尾矿产量5.43亿吨，铜尾矿产量3.34亿吨，黄金尾矿产量1.95亿吨，尾矿堆积量增至235.1亿吨，而综合利用率仅为4.28亿吨，大量尾矿堆存不仅浪费资源，更带来严重的环境安全隐患。

在这样的背景下，“三下开采”技术应运而生。王炳文教授及其团队致力于这一领域的研究，通过多年的技术攻关和工程实践，成功构建了从理论创新到工程应用的完整技术体系，为破解资源困局提供了中国智慧。

二、技术突破：全链条创新破解“三下”开采难题

王炳文教授的“三下开采”技术，核心在于将“控制地表变形”与“高效资源回收”有机结合，形成以充填采矿法为核心的技术方案。这一技术体系涵盖了地压控制理论、充填技术、超细尾砂充填等多个方面，实现了从基础理论到工程应用的全面突破。

1. 地压控制理论的颠覆性突破

传统“三带”理论（冒落带、裂隙带、弯曲带）在复杂环境下难以满足精准控制需求。王炳文教授团队提出“动态三带”概念，考虑充填体与围岩的相互作用，建立基于时空维度的覆岩移动预测模型。这一理论创新，使得“三下开采”过程中的地表变形控制更加精准有效。

在安徽某铁矿的应用中，王炳文教授团队通过理论计算确定安全开采深度和充填体强度要求，采用上向分层点柱充填法，配合局部疏干与注浆堵水措施，成功实现了年产150万吨铁矿的安全高效开采。这一案例不仅验证了“动态三带”理论的可行性，更为类似矿床的开采提供了宝贵经验。

2. 充填技术的迭代升级

充填采矿法是“三下开采”技术的核心。王炳文教授团队在高水固结充填和似膏体充填技术方面取得了显著成果。20世纪80年代，团队利用铝矾土研发高水充填材料，实现全尾砂不分级直接利用，固化体含水率超过90%。这一创新不仅解决了传统充填方法中浓度提升难度大的问题，更提高了充填效率。

20世纪末，团队进一步研发出硅铝基胶凝材料，创建似膏体充填理论与技术体系。该技术利用尾砂、矸石及建筑垃圾作骨料，制成浓度72%-78%的似膏体浆体，实现井下充填体的快速固化和高强度支撑。在山东三山岛金矿的滨海矿床开采中，似膏体充填技术成功控制了海水入侵，资源回收率提高至90%以上，较传统方法提升了15个百分点。

3. 超细尾砂充填的瓶颈突破

随着资源枯竭和选矿技术进步，尾砂颗粒超细化趋势明显。-20μm粒级含量超过35%-55%后，充填体抗压强度显著降低。王炳文教授团队提出超细尾砂基骨料梯级制备技术，基于核壳效应和缓释胶囊原理，将超细尾砂制备成粗骨料，通过“释水-吸水”分阶段调节效应，实现充填料浆流动性与充填体力学性能的协同调控。

在某铜矿的应用中，超细尾砂经造粒后形成多孔结构粗骨料，充填体28天强度提升40%以上，管输阻力损失降低70%以上。这一创新不仅解决了尾砂堆存难题，更开辟了固废资源化利用的新路径。通过将超细尾砂转化为粗骨料，团队实现了尾砂的100%利用，同时降低了充填成本。

三、工程实践：从技术验证到产业推广

理论创新的价值最终需在工程实践中检验。王炳文教授团队的技术已在全国多个金属矿山实现产业化应用，形成可复制、可推广的技术模式。

1. 空场嗣后充填的系统解决方案

在辽宁某铁矿，针对地表环境复杂、矿权范围内有河流、铁路及村庄的“三下”开采条件，王炳文教授团队设计空场嗣后充填开采方案。-100m水平以上矿体留作矿柱，采用分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法，配合大直径深孔阶段空场嗣后充填技术，实现采充一体化作业。

通过建立采-充动态平衡模型，团队确定合理周转空区体积，将地表变形控制在0.12mm以内，远低于III级保护等级要求。优化充填接顶工艺后，矿岩移动角从70°增至85°，地表变形范围缩小40%以上，成功保护地表河流和交通设施。这一案例不仅验证了空场嗣后充填技术的可行性，更为类似矿床的开采提供了系统解决方案。

2. 水体下开采的安全保障体系

针对水体下开采的突水风险，王炳文教授团队构建“三带控制+隔水层保护+智能监测”的安全保障体系。在江西某铜矿，矿体顶板为含水层，地表有河床和水库，团队采用空场嗣后块石胶结充填法，配合河流改道防渗和巷道放水孔疏干措施，杜绝突水事故，降低采矿成本15%。

同时，团队开发的岩移监测系统通过布设光纤传感器和智能监测终端，实现对地表沉降、岩层应力、充填体变形的实时监测和预警。在安徽白象山铁矿的应用中，系统提前3个月预测充填体局部沉降趋势，避免安全事故。这一安全保障体系不仅提高了水体下开采的安全性，更为类似矿床的开采提供了有力支撑。

3. 政策驱动下的产业升级

随着国家对资源安全和环境保护的重视，一系列政策相继出台，为“三下开采”技术的推广提供了有力支持。2020年应急管理部《防范化解尾矿库安全风险工作方案》要求尾矿库数量“只减不增”，2023年两办《关于进一步加强矿山安全生产工作的意见》规定新建、改扩建金属非金属地下矿山原则上采用充填采矿法。

在政策支持下，王炳文教授团队的技术成果加速推广，目前已在全国20余个金属矿山应用，新增资源储量开发能力超5000万吨/年。这些工程实践不仅验证了技术的可行性和有效性，更为我国矿业产业的升级转型提供了有力支撑。

四、未来展望：绿色智能引领“三下开采”新方向

展望未来，“三下开采”技术正朝着智能化、绿色化方向迈进。王炳文教授提出三大趋势：

一是充填材料全固废化：研发多源工业固废基胶凝材料，替代传统水泥，目标实现充填材料100%固废利用，降低充填成本30%以上。这一创新不仅有助于解决尾矿堆存难题，更将推动矿业产业的绿色化发展。

二是开采过程智能化控制：基于数字孪生技术，构建“三下开采”虚拟仿真系统，实现全流程智能化。试点矿山采充效率提升20%，人力成本降低40%。这一趋势将推动矿业产业向智能化、高效化方向发展。

三是资源利用循环化：通过“无尾矿山”建设，将尾矿全部用于井下充填，实现“采-选-充”闭环运行。王炳文教授团队提出的“尾矿制粗骨料-胶结充填-地表复垦”产业链模式，正在安徽、山东等地试点，预计可使矿山固废综合利用率达到95%以上。这一模式不仅有助于解决尾矿堆存和环境问题，更将推动矿业产业的循环化发展。

从论坛的技术分享到全国矿山的工程实践，“三下开采”技术不仅是解决我国资源安全问题的方案，更是践行绿色发展理念的生动实践。当越来越多的金属矿山在“三下”实现安全高效开采，我们看到的不仅是资源开发方式的革新，更是中国矿业走向绿色低碳未来的坚定步伐。