随着矿山机械化水平的提高，以及大规模、高强度集中生产采矿方法在地下金属矿山的应用，传统回采方案优化设计模式的弊端日益凸现。本文研究解决了动态、主动、全局性回采方案优化设计方法涉及的关键理论和技术问题，并以冬瓜山铜矿为例，结合“十五”国家科技攻关课题“复杂难采深部铜矿床安全高效开采关键技术研究”展开应用研究，主要工作包含以下几个方面： (1)提出了基于计算机过程模拟的现代金属矿山回采方案优化设计方法。此方法克服了传统设计模式的不足，一方面可实现方案的优化，另一方面可对实施效果进行预见，确保提前制定工程措施，以规避实施阶段的被动、浪费甚至严重事故的发生，增强超前性和主动性。 (2)分析了“资源与开采环境三维模型”同时集资源评价和有限元前处理模型功能于一体的内涵。提出了基于轮廓线构建表面模型的算法。研究和开发了以表面模型为约束、以线性八叉树莫顿编码、空间和平面协同分解、分区平衡以及B-Tree索引技术的“资源与开采环境三维平衡块段模型”的建模算法和实用程序。 (3)研究解决了二维各向同性、各向异性及三维各向异性条件下的代数多重网格求解算法。提出了在初始刚度矩阵基础上利用图论方法构建最细层网格，借助纯代数方法、通过矩阵分解和转换技术，由最细层网格构建各粗层网格的方法。几个典型算例表明提出的算法是有效的，且随着问题规模的增大，代数多重网格的运算效率具有明显的优势，这种求解方法对于大规模回采过程的实时模拟是非常适宜的。 (4)以大规模阶段空场嗣后充填采矿方法为主要研究对象，分析了其回采过程的特征。在此基础上，对并行多工序作业的回采过程动态模拟系统的功能模块、体系结构进行了研究，开发了相应的软件系统。 (5)通过回采过程模拟，确立了稳产条件下的最优回采顺序确定原则--将并行多工序作业问题简化为2工序问题，以“爆破前”各工序累计作业时间长度为准则，从大到小对采场进行排序。结合冬瓜山铜矿实际，给出了只回采矿房和矿房/矿柱同时回采条件下的2种最优方案。前者自达产之日起，一直处于稳产阶段，后者则仅在第一盘区矿房向该盘区矿柱转移时，有一定时期的产量起伏，对此提出了矿柱提前和强化作业的工程对策。 (6)根据2个优化方案结构稳定性的分析结果，提出了冬瓜山铜矿充填工艺和系统建设必须完成并投入使用的时期(开始井下采准起第394～第494天)，以及在矿房充填条件下，为确保深埋、高地应力条件下冬瓜山铜矿的安全生产，需要采取相关支护措施的工程部位。本文的研究成果为发展新的金属矿回采方案优化设计模式和方法具有非常重要的意义。冬瓜山铜矿已经按照优化设计的采准系统，进行了采准工程的施工，并按照回采顺序确定原则提前组织了井下生产，取得了良好的应用效果。