矿产资源作为工业原料，在工业生产中占据着重要地位。矿产资源开采是人类从自然界获取资源的主要途径和重要手段，是人类研究的永久课题（钱鸣高等，2018）。长久以来，我国采矿行业存在诸多问题，如作业条件差、安全问题众多、资源回收率偏低、碳排放量高、环境破坏严重及产业结构不合理等，导致矿业在为国民经济发展作出重要贡献的同时，给社会留下了难以扭转的行业偏见。进入21世纪以来，人类社会对生态环境的保护意识不断增强，为推动清洁低碳、安全高效的现代能源体系构建，绿色开采（钱鸣高等，2003；钱鸣高，2003）、科学开采（钱鸣高，2006，2008，2010；钱鸣高等，2008）以及科学产能与科学开采水平的量化（谢和平等，2011，2012，2015；李东印等，2012，2016）等相继被提出。

在新时代我国经济发展由高速增长转向高质量发展的背景下，在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的承诺推动下（习近平，2020），传统无序的粗放式发展已经无法满足现代化科学发展的需求。为此，处于发展转折期的采矿行业竞争压力巨大，需要向清洁低碳、安全高效、创新融合和统筹协调的方向发展，产业结构向合理化、高级化调整（王少锋等，2021a，2021b）。因此，深化科学开采这一概念，加快实现全面科学开采，是推动我国矿业可持续发展，实现采矿行业顺利转型和绿色低碳发展的必经之路。

矿产资源科学开采的发展受到多方面因素制约，包含地质、技术、经济、文化和社会等因素，因此，科研人员常以研究系统科学问题的方法对科学开采这一复杂系统问题进行探究。科学开采各要素之间相互关联并渗透影响，开采过程又具有开放性、动态变化性和不确定性等特征，同时包含随机问题、非线性问题等公认的复杂问题，具有明显的复杂性。随着大数据时代的到来，矿产资源科学开采体系也趋于复杂化，科学开采问题的复杂性研究成为拓展科学开采内涵和框架的新思路。

我国对矿产资源开采活动的认识是从抽象到具体、从萌芽到科学的过程（李东印等，2016），矿产资源开采理念的发展演化可概括为图1。我国针对矿产资源的开发与利用经历了数十年的探索讨论，从20世纪90年代倡导的可持续发展战略思想，到2003年绿色开采概念的提出和丰富，矿产资源开发利用相关理论和技术体系不断发展完善，促进了节约集约、生态文明、绿色矿山和低碳发展等科学开采模式的逐步形成和延伸。

以取得最佳经济效益、环境效益和社会效益为目标（许家林，2019）的绿色开采概念自2003年提出后，从开采技术层面上缓解了部分环境问题，但采矿行业仍缺乏可供长久发展的指导思想（钱鸣高等，2018）。为此，学者们对科学开采这一问题展开了十多年的研究（钱鸣高等，2007，2008，2011；钱鸣高，2008，2010，2017a，2017b；康淑云等，2012；郑爱华等，2008）。结合我国社会发展背景与煤炭资源开采现状，钱鸣高院士（2003）提出了煤矿资源的绿色开采概念，阐述了其内涵和技术体系，并于2006年正式提出了煤炭科学开采理念（钱鸣高，2006），为科学开采的发展指明了方向。在《论科学采矿》（钱鸣高等，2008）中，全面阐述了科学采矿的理念，并提出科学开采的技术体现在机械化开采、保护环境、安全开采、提高采出率和降低成本5个方面。郑爱华等（2008）根据科学开采的具体要求构建了涵盖资源、安全、环境、发展和生产5个方面成本的科学开采完全成本体系。谢和平院士（2011，2012，2015）提出了科学产能的概念，并清晰阐述了科学开采和科学产能的概念和内涵。在开采技术逐渐走向智能化的过程中，李东印等（2012，2016）为科学采矿内涵增加了智能化开采的指标，并提出了科学采矿指数理念，通过计算程序实现了科学采矿的定量评价。随着人们对社会效益和人类发展的关注更加密切，王家臣等（2011）从技术和人才的角度出发，提出实现科学开采需要依靠强有力的科技支撑和人才培养，使科学开采的内涵更加全面。科学开采理念的提出、发展和丰富，引起了国内采矿行业的热烈讨论，也促使该体系快速丰富，为矿业可持续发展注入了新的动力。

“科学开采”这一名词在国外文献中并未明确提及，但对有相似含义的“可持续开采（Sustainable Mining）”和“责任开采（Responsible Mining）”有一定解释（王蕾，2015）。可持续开采和责任开采是以资源与人类的和谐、可持续发展为出发点，以技术手段的突破创新为支撑点，以矿产资源开采相关法律法规的制定为落脚点的开采模式（Sauer et al.，2019），与我国的“科学开采”有共通之处。

为了合理开发自然资源，联合国世界环境与发展委员会在《我们共同的未来》（Brundtland，1987）报告中阐述了可持续发展的概念，并在5年后的里约峰会上进一步提出了矿业可持续发展概念。此后，国外学者对矿业可持续开采的研究主要围绕技术革新与环境控制2个方面进行。直至进入21世纪，不可再生资源能否实现可持续发展成为争论要点，Caldwell（2008）阐述了矿业可持续发展的基本要求：矿业的可持续发展并非保持无限的发展，而是在开采之后仍能使人们依赖此处的资源环境而美好生活。此后，人类对可持续开采内涵的认识逐渐丰富（王蕾，2015）。Goodland（2012）提出采矿是一个复杂系统，应该考虑技术、经济、环境和社会的协调发展，并提出责任开采的8个原则：①社会和环境评估；②信息透明度；③利益相关者的接受；④农业生产胜于矿业开采；⑤符合国际标准；⑥企业开采资格预审；⑦保险和履约保证；⑧特许权使用费和税费。Dubinsk（2013）也认识到矿业可持续发展问题的复杂性，认为要实现矿业的可持续发展，应该在知识、方法和技术等多方面交流经验，提出应对策略。

通过整理国内外文献资料可知，科学开采是基于可持续发展战略思想和绿色开采发展而来的（王家臣，2016）。这一名词从提出到发展至今，已经在理论基础、支撑技术、人才培养和评价指标等方面取得了初步的研究成果（王蕾，2015），但仍存在更多深层次的问题有待研究，如：科学开采标准的确定、科学开采的定量评价、科学开采的管理以及科学开采的复杂性等问题。

在科学开采发展之初，钱鸣高院士（2008）将其定义为：在保证安全和保护环境的条件下实现最大限度地高效采出煤炭资源的开采技术，涵盖了高效开采、绿色开采、安全开采、提高资源回采率和完全成本化5个方面。近年来，我国经济发展进入了新常态，经济增长方式不断优化，能源消费结构发生改变，给矿业带来了冲击和挑战。同时，在“碳达峰”“碳中和”的“双碳”背景下，环境问题受到广泛关注和重视，经济学和环境学的相关问题也成为科学开采的重要内容。因此，结合前人研究和时代背景，科学开采的概念可解释为，在保证安全和保护环境的前提下，依靠科学技术和科学管理手段，经济、高效、绿色、低碳地采出矿产资源的可持续开采模式。据此提出科学开采体系主要包括安全开采、高效开采、绿色开采、低碳开采、经济开采和科学管理，其“六位一体”的基本框架如图2所示。

（1）安全开采。安全开采是把保护人的安全和身心健康放在首位，主要对安全管理、安全技术和安全投入3个方面提出要求。具体表现在：针对采矿过程中的危险因素，采用科学合理的管理手段，严格执行采矿规程，规范操作行为；加强安全技术研究，通过提升安全技术水平减少安全隐患、防范事故灾难的发生；加大安全投入，采用先进的技术设备进行开采和监测，针对作业环境中粉尘、高温和噪声等危害因素，保证防护装备充足投入，在保障人身安全的同时提高对职业疾病和职业身心健康的关注，最终达到低百万吨死亡率、低事故发生率、低职业病发病率并确保职业安全健康（谢和平等，2012）。

（2）高效开采。高效开采是以强有力的科学技术为支撑，提高不同地质开采条件下的开采机械化、自动化和智能化作业水平，提升开采作业效率。具体包括2个方面：一是提高矿产资源开采的机械化和自动化程度，以机械设备代替人工劳动，经过科学的程序和方法，实现更高生产率和更高效率的作业；二是提升矿产资源开采智能化水平，在人工智能、大数据、云计算和物联网等技术背景下，智能装备按照需求，通过数据处理和反馈做出科学决策。

（3）绿色开采。绿色开采是指以保护环境为原则的资源开采和利用，从源头减少废弃物和有害物的产生，达到环境的破坏最小和修复最大，实现开采与环境的协调发展，同时科学合理地发展资源协同开采，延伸产业链。通过充填开采、保水开采、减损开采、资源共采和矸石利用等技术的综合利用，减轻矿产资源开采对生态环境的破坏，并及时回馈自然和养护环境，在开采活动与自然之间建立起复合的生态平衡机制（钱鸣高，2010）。

（4）低碳开采。低碳开采是充分体现对资源的珍惜，控制温室气体的排放，充分利用物质资源和能源资源，降低机电设备耗能，达到高资源利用率开采、高资源回收率开采和节能开采。开采机械设备与开采技术与开采条件相适应，提高资源的采出率、利用率和回收率。

（5）经济开采。经济开采要求降低生产成本且反映真实的开采完全成本。一方面依靠先进的科学技术保证高采出率的同时降低生产成本，另一方面以经济学知识和经济发展现状为依据，将采矿的外部成本内部化，充分考虑设备技术研发、生态恢复投入等成本，构建完全成本体系反映真实的开采成本。

（6）科学管理。科学管理是指面向人文、法规、社会等方面的要求，建立健全法律法规和行业标准，重视科学开采人才培养与员工教育培训，丰富人才梯队，紧抓技能培训，提升综合素质，对资源开采过程进行全方位、全周期综合管理，在矿产资源的生产与利用2个方面实现协调和可持续发展。

要实现矿业的可持续发展，必须协调科学技术、经济、生态和管理各方面的关系，“六位一体”科学开采体系将矿产资源开采这一系统问题的安全、高效、绿色、低碳、经济和科学管理6个方面考虑为一体，相互补充、相互促进，为实现全面科学化开采服务。

20世纪90年代初，钱学森（1990）提出了开放的复杂巨系统及其方法论，国内学者对复杂系统的讨论研究自此开始。随着复杂科学重要性的逐步显现，复杂性研究逐渐与物理、工学、生物、金融和人文等众多学科内容关联，填补了许多学科与复杂学的交叉领域空白。此次，从复杂科学的角度探讨科学开采的复杂性也是一次新的尝试。

开展科学开采这一系统问题的复杂性研究，即能否用复杂科学的研究方法探讨科学开采的问题，首先需要解答如何判断科学开采复杂问题这一疑惑。

从对比公认的科学判断方法入手，借鉴安全复杂问题的判断方法（吴超，2021），可以从图3所示的途径推断科学开采是否属于复杂问题。由图3可知，判断途径包括从复杂科学问题的判断标准推断和从科学开采体系的特征推断。

（1）从复杂科学问题的判断标准推断

复杂问题的判断目前已经有了许多推论和标准，借用复杂问题的推论可以推断科学开采的问题是否属于复杂问题，包括以下3个方面的内容：

①人和人群本身及其社会关系组成的社会系统是复杂科学问题（吴超，2021）。在科学开采体系中，安全、高效、绿色、低碳、经济和科学管理等6个方面都涉及到人。安全的主要研究对象是人，高效需要提高人工作业效率，绿色和低碳均涉及人与自然环境的协调，经济和科学管理与社会系统紧密相连。科学开采服务于人、人群和社会系统，是复杂问题。

②随机问题是复杂科学问题（吴超，2021）。科学开采中的部分因素是不确定的、处于动态变化的，如安全开采子系统中事故的发生具有随机性，隐患风险的产生也难以预测，具有不确定性。科学开采涵盖了许多具有随机性的因素，是复杂问题。

③非线性问题是复杂科学问题（吴超，2021）。科学开采中存在信息量不足或未知的变化量，无法找出每个变量之间的映射关系，也无法全部用线性问题去描述变量之间的关系。科学开采中涉及的安全、经济、环境等因素及其中的动态关系基本都是非线性问题，因此科学开采的问题是复杂问题。

科学开采体系的特征有许多表述，对比分析科学开采问题本身的特征与复杂问题的特征，可以推断科学开采的问题是否属于复杂问题，包括以下6个方面的内容：

①科学开采由多个子系统构成，本研究包含安全开采、高效开采、绿色开采、低碳开采、经济开采和科学管理6个子系统，每个子系统下又包含众多指标和影响因素，涉及安全科学、工程学、环境学、生态学、经济学和管理学等学科，是一个相对宏观的、复杂的、多学科的体系。科学开采包含多目标、多变量，与复杂性问题包含大量组分的特征相符。

②科学开采不仅在各子系统间存在关联，而且各子系统内部也有相互联系，各因素相互影响并相互渗透。比如，高效开采可以通过机械化、智能化开采来实现，同时机械化、智能化技术的运用又可提高开采的安全性和经济性，因此高效开采、经济开采和安全开采各要素之间产生了关联和渗透。上述特点与复杂系统具有的复杂关联和相互作用特征相符。

③科学开采系统存在维持系统发展变化的物质流、能量流和信息流的交换，系统与外界的交流具有输入、输出特征，子系统之间也存在各种交换和循环。因此科学开采具有开放的特性，与复杂系统的开放性特征相符。

④科学开采系统中各要素随时空不断变化，处于动态发展中。除了系统功能、结构的变化外，各因素本身及作业环境也在不断变化，科学开采系统是多种技术、环境和管理要素相互作用下的复杂动态系统。这与复杂系统的动态性特征相符。

⑤科学开采系统可能出现涌现、突变、混沌和自组织等现象。如发生事故将导致矿业系统出现不可预测的混沌运动，且随着科技的发展矿业系统会出现新的影响因素，产生新的特性，即涌现现象，这与复杂系统的复杂性特征相符。

⑥科学开采系统中存在着未知和主观的因素，具有明显的不确定性。其中科学管理系统尤为复杂，主观因素影响大，充分体现了科学开采系统的不确定性，与复杂系统的不确定性特征相符。

对照复杂科学问题的判断标准和科学开采体系的特征，可以明确：科学开采问题属于复杂问题，科学开采系统是复杂系统。因此，可以从复杂科学的角度探讨科学开采的问题。

根据上述从复杂科学问题的判断标准、科学开采体系的特征2个方面展开的推断，结合相关研究，可以明确科学开采系统的复杂性：科学开采复杂系统是由开采系统主体、系统演化和开放环境等组成的动态、开放和非线性的复杂系统，科学开采体系的构建结果取决于环境、系统本身及其演化，科学开采系统的组成和运行呈现相互依存、相互影响、动态平衡的复杂属性。矿山开采系统是由开拓、运输、通风、供电、供水、供气、排水和充填八大系统构成的复杂系统，据此，构建了科学开采复杂系统模型，如图4所示。

在该科学开采复杂系统模型中，开采系统主体是矿山开采的八大系统，系统演化包括耗散、涌现、混沌、自组织和自适应等各种演变，环境开放作用包括物质流、能量流、信息流的输入、输出和控制等，最终构建得到科学开采体系。为了清楚地描述各要素间的非线性作用关系，建立如下关系式：

式中：V和E分别表示开采系统的演化和开放环境；K为开采系统与V和E的综合相关系数；α和β分别为V和E的系数；m和n分别为开采系统演化和开放环境的要素数量；M(V,E)为开采系统的演化和开放环境的耦合作用产生的结果，即科学开采体系的构建结果。

假定Vm恒定,En发生变化，即开放环境改变，设该情形K变为K1，式（1）改写为

则可能出现2种情况：（1）开放环境的作用向不利于科学开采体系构建的趋势发展，导致环境与系统不匹配，无序增加、有序减弱，使得科学开采体系构建有缺陷。（2）开放环境的作用向有利于科学开采体系构建的方面发展，使得系统达到新的平衡有序。如：我国政府在矿产资源开采的管控与治理上投入大量人力物力，通过完善政策法规，大力宣传科学开采理念，营造矿业发展的良好环境，为实现更全面和高级的科学开采助力，反之则无益于科学开采的实现，这便是开放环境改变呈现的结果。

假定En恒定，Vm发生变化，即开采系统发生演变，设该情形K变为K2，式（1）改写为

对应上述2种情况，同样可能出现以下2种情况：（1）开采系统主体的演变不能适应开放环境，甚至产生与外部环境相矛盾的动态变化，使科学开采无法完好地实现。（2）开采系统为适应开放环境做出科学合理的改变，达到有序的状态。如：贵州开阳磷矿建立了磷石膏、黄磷渣的井下充填系统和井下废石胶结充填系统，磷矿开采废料利用率达到100%，带来了巨大的经济和环境效益，形成了磷矿资源综合开发利用和低碳环保的可持续发展模式，体现了科学开采在新时代下的发展（李夕兵等，2019）。开阳磷矿废料综合利用的实现是开采系统向有利方向改变后所呈现的结果。

科学开采体系具有明显的复杂性，将复杂问题和科学开采体系的特征作为切入点，从复杂科学的角度研究科学开采的复杂性，从而提出从顶层设计、中层连接和底层基础3个层次去实现科学开采的途径，如图5所示。

科学开采复杂系统具有明显的不确定性，为减少或消除不确定性带来的复杂影响，政府机构和行业管理部门应该抓好科学开采的顶层设计。一方面，从政府层面出台有利于实现科学开采的法律法规，约束、鼓励企业践行科学开采的责任；从行业层面建立健全行业标准，使科学开采体系的评估量化有统一、科学的标准，降低主观因素的影响，同时起到增强行业沟通协调的作用。另一方面，发展和完善先进的科学开采理念，增强行业主体对科学开采的认知力，增进行业对科学开采理念的认同，以此完善科学开采体系。

从加强规律研究入手，搭牢科学开采的中层连接。科学开采系统有众多子系统，包含复杂的关联和渗透作用，也可能出现涌现、突变、混沌和自组织等演化状态。以采矿学、经济学、计量学、资源经济学和生态环境学等相关学科为纽带，充分开展矿产资源开采中技术—经济—环境—社会问题的规律研究，如研究矿产资源开采的先进技术、完全成本、绿色低碳、和谐发展及其实现方式，建立适应我国资源安全需求和采矿行业可持续发展的技术体系、经济体系、环保体系和社会体系，实现矿产资源的高效、经济、绿色、安全开采。

依托科学开采的技术进步和人才培养，夯实科学开采的底层基础。科学开采复杂系统中存在持续不断的物质、能量和信息变化，科学技术和人才队伍的输入输出对科学开采系统的发展产生影响。若科技进步的方向与科学开采发展的方向一致，便能加强科学开采复杂系统的正反馈效应。只有坚持攻克理论和技术难题，发挥创新的主体作用，才能应对目前制约矿产资源安全、高效、绿色、低碳和经济开采等方面的发展难题，建立科学开采的完整科技体系。技术攻关和行业改革需要人才，人才培养则需要建立完整的人才培养体系。科学开采领域的人才不仅要学习矿产资源科学开采与利用的技术知识，而且要广泛涉猎经济、管理和法律等知识，紧跟科技发展的潮流进行有效创新。在教育教学阶段，打破采矿专业侧重采矿工艺和方法教学的局限，引导学生形成完整的知识结构、创新思考的能力、驾驭全局的本领，培养出知识、技能全面的复合型人才和适应时代发展的创新型人才，从而促使复杂系统自组织和自适应现象趋向稳定。基于复杂系统的开放性特性，技术的交流与互动、科技和人才的输入和更迭，使得科学开采复杂系统从低层次向高层次跃迁，通过改善系统运行来获取系统更好的涌现性，逐渐实现全面、高级的科学开采。

丰富科学开采理念，完善科学开采体系，全面提升采矿行业科学开采水平，已成为“双碳”背景下采矿行业可持续发展的战略性选择。研究科学开采的复杂性为实现矿产资源的科学开采开辟了新思路，对丰富和发展科学开采体系的内涵和框架具有创新意义。研究得出以下主要结论：

（1）以前人研究为基础并结合时代背景，丰富了科学开采的定义和框架，构建了“六位一体”的科学开采体系，即：安全—高效—绿色—低碳—经济—科学管理体系。

（2）从复杂科学问题的特征和科学开采体系的特征2个方面进行推断，得出科学开采属于复杂问题，承载科学开采复杂问题的系统是复杂系统，并总结其本质特征，构建了科学开采复杂系统模型。

（3）从复杂科学的视角研究科学开采的复杂性，提出了从顶层设计、中层连接和底层基础3个层次实现科学开采。