協同開采及其技術體系

陳慶發 ，蘇家紅

(1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2.廣西大學 資源與冶金學院，廣西 南寧，530004；3.廣西華錫集團股份有限公司，廣西 柳州，545006)

由于礦產資源的有限性與不可再生性，礦產資源必須進行高效節約型開采，以提高資源的利用率，保障人類社會的可持續發展[1]；同時。礦產資源的開采會對地球環境造成不同程度的破壞，影響人類的生存環境，甚至對人類生命造成傷害[2]。為此，礦業工作者近年提出了無廢開采、協調開采、綠色開采和采礦環境再造等多種采礦與環境關系協調的理念[3-5]。這些理念的實質，都是把采礦與環境看成不同的系統，利用系統工程的理論與方法，協調與優化彼此的關系，以創造良好的社會效益與經濟效益。本文作者對現有采礦與環境關系協調理念進行梳理分析，在此基礎上引入協同理念，提出 “協同開采”新命題，開展其技術體系及工程應用研究。

1 現有采礦與環境關系協調理念

在可持續發展理念的指引下，近年來發展的采礦與環境關系協調理念主要有無廢開采、協調開采、綠色開采和采礦環境再造等4種，分述如下：

(1) 無廢開采。無廢開采是在1984年塔什干無廢工藝國際會議上被系統論述，其涵義就是最大限度地減少廢料的產出、排放，提高資源綜合利用率，減輕或杜絕礦產資源開發的負面影響的工藝技術[6-7]。

(2) 協調開采。協調開采是根據不同的受護對象，通過合理布設開采工作面，如合理設計工作面之間的相對位置讓各工作面開采的相互影響能夠有利疊加，使疊加后的變形值小于受護對象的允許變形值，以達到減小開采對受護對象影響的目的[8]。

(3) 綠色開采。綠色開采理念是由我國錢鳴高院士2003年提出[9]。其涵義是立足于煤炭開采的源頭，通過采煤方法、巖層控制及相關技術、研究試驗平臺等的研究和建設，改變傳統采煤工藝造成的生態與環境問題，實現煤炭資源的環保、高效、高回收率和安全開采。

(4) 采礦環境再造。“采礦環境再造”命題是由我國古德生院士2006年提出[4,10]。其基本內涵是“突破傳統的采礦方法設計思想的限制，應用新的理論、方法和技術，營造一個良好的礦巖開采環境，最終實現礦石資源的高效回采”。

2 協同開采

2.1 協同理念

協同理念自20世紀60年代由Ansoff提出后，一直成為理論界、企業界、工程界研究很多問題的指導原則[11-12]。所謂協同指的是事物與事物之間的一種關系，一種相互之間的和諧與正向配合的關系。系統協同指的是通過某種方法來組織和調控所研究的系統，尋求解決矛盾或沖突的方案，使系統從無序轉換到有序，達到協同或和諧的狀態。系統協同的目的就是減少系統的負效應，提高系統的整體輸出功能和整體效應。

2.2 協同開采的基本概念

協同開采是指擬采礦床賦存有其他影響有序開采的隱患因素(如空區隱患、水災隱患、火災隱患等)時或者伴隨著其他工程目的(如降低某種開采損害的程度、強化圍巖的支護等)，通過采取某種工程技術措施(包括采礦方法、巖層控制技術、災害控制技術及其他相關技術等)，能夠在實現資源開采的同時，和諧處理隱患因素的負面影響，或同時達到多種工程目的，從而收到雙贏或多贏的工程效果，最終促進稟賦資源的安全、高效、綠色、和諧開采。

簡之，協同開采就是礦山開采期間資源開采行為與災害處理行為及其他技術行為的合作、協調與同步，使得礦山開采系統輸出較高的協同效應。

2.3 協同開采提出的意義

(1) 改變了人們常規先治理隱患后進行資源開采或逐個實現多種工程目的的觀念，而觀念的轉變，對于科學技術的進步同樣有著重大與深遠的影響。

(2) 為具有不同隱患或具有特殊復雜工程目的資源和諧有序開發指明一條科學可行的發展之路。

(3) 進一步豐富與發展了固體礦床開采理論，有利于促進采礦工藝技術的變革與創新，有利于促進采礦工藝走向科學。

3 幾種采礦理念的關系辨析

3.1 幾種理念的區別與聯系

協同開采與前述幾種采礦與環境關系協調理念具有一定的區別與聯系，但各理念均具有自身特點?！皡f同開采”強調的隱患資源的和諧、有序開采問題或具有多種工程目的的資源開采問題，因此，協同開采往往是一種綜合性或耦合性的集成技術?！盁o廢開采”重點強調的是采礦工藝實施過程中最大限度地做到無廢、少廢；“協調開采”重點是合理設計工作面時空順序，減少受護對象的損害；“綠色開采”重點是從源頭上通過采煤方法、巖層控制及相關技術，減少煤炭開采對環境的破壞；“采礦環境再造”強調的是為復雜難采、軟破礦體營造一個良好的礦巖開采環境。

“無廢開采”與“綠色開采”都有減少對環境的破壞的目的，差別在于“無廢開采”注重提高資源利用率，“綠色開采”注重提高資源回采率。

“無廢開采”、“綠色開采”和“協調開采”是減少對環境的后期破壞，“協同開采”強調的是已經在某種程度上破壞的環境下如何進行資源的和諧開采，但也包含有減少對環境的后期破壞的涵義。“采礦環境再造”強調的是對原生或次生不良環境進行人工再造，為采礦行為提供安全空間。

3.2 “協同開采”理念的可耦合性分析

“協同開采”理念具有較大的耦合性，可與其他理念耦合形成新的理念，從而為我國各種復雜條件下的礦產資源的安全高效開采提供更高更寬的指導，如與“無廢開采”耦合可形成“無廢協同開采”理念、與“綠色開采”耦合可形成“綠色協同開采”理念、與“采礦環境再造”耦合可形成“協同再造”理念。

如本文作者基于“無廢協同開采”理念，借鑒充填采礦法技術優勢對淺孔留礦法進行二次創新，將嗣后充填提前至大量放礦的同時進行充填，提出了“大量放礦同步充填無底柱留礦采礦方法”國家發明專利技術[13]。該方法的實質是大量放礦前預先在留礦堆表面鋪設隔離層，采取措施使充填料與礦石同步均勻下沉，不僅防止了圍巖大量片落混入礦石、控制了礦石貧化率和損失率、提高了礦石回收率；而且更為重要的是限制了巖層移動、控制了地表沉陷事故的發生。

4 協同開采技術體系的構建

4.1 構建方法

分析固體礦床賦存的隱患因素和伴隨工程目的，形成協同開采總目標。按照實現總目標的時間先后順序，將協同開采劃分為3個時期，即協同前期、協同中期和協同后期。各個時期研究的任務側重點不同，對應的技術需求不同。將不同時期的技術集成，構成協同開采的技術體系。

4.2 協同開采技術體系

根據前述方法，構建出一般意義上的固體礦床的協同開采技術體系，如圖1所示。

協同前期工作的重心在于分析礦床賦存的工程地質條件、開采技術條件、隱患因素稟賦特點及其他工程目的，切實弄清影響礦床開采的主要影響因素，及各影響因素作用規律及作用程度的序列分析。

協同中期主要目標是做出協同開采方案設計，為此，需要研究隱患因素作用下或肩負不同工程目的的礦床開采新方法、巖層控制技術、潛在災害控制技術、采礦環境再造技術及其它相關技術，在此基礎上，基于協同理念、方案優化設計的原則與技術，耦合前述各技術，開展協同開采方案的優化設計工作。

圖1 協同開采技術體系Fig.1 Synergetic mining technology system

協同后期執行協同開采設計方案，開展施工工作，實施擬采礦床的協同開采，開采過程中及閉坑后及時開展技術實施效果的評價工作，及時總結技術經驗，完善相關技術。

不同隱患因素作用下或者具有多種工程目的的資源協同開采技術體系，可能由于其客觀情況的不同，其具體技術的表現形式略有差異，可根據其具體特點開展針對性的研究。待弄清其技術體系后，遵循一般研發思路，開展協同開采技術開發并實施新技術，實現工程總目標。

5 應用實例

5.1 工程概況

廣西高峰礦105號礦體在-79 m標高以下，是一個世界罕見的錫石—硫化物多金屬特富礦體，錫、鋅、鉛和銻4種主要金屬綜合平均品位在22%左右，含銀155.45 g/t，但含硫28%左右。105號礦體1號礦段屬于碎裂結構礦體，碎塊大小一般為10 cm，未膠結，易脫落。由于受民采干擾，1號礦段內賦存有關聯關系的采空區共13個，圖2所示為利用3DMine軟件構建的礦體與空區分布的實體模型。

5.2 開采技術條件分析

圖2 1號礦段礦體與空區分布實體模型Fig.2 Solid model of orebody and cavities in ore section No.1

碎裂礦段礦石品位較高，價值貴重，決定了礦段回采需采取回收率高、貧化率低的采礦方法，同時礦體埋藏較深，礦體碎裂，基本可以排除單純的崩落法和空場法；由于礦石含硫高，有自燃的可能性，應排除與留礦法有關的采礦方法；礦體節理裂隙異常發育，工作面穩定性和堅固性差，排除常規的分層充填法[14]。賦存在其中的采空區也對碎裂資源開采提出了更高的要求。因此，必須突破常規對采礦方法的局限，尋求新思想、新思維開展采礦方法的創新設計。

5.3 協同開采設計

5.3.1 采礦方法設計

多空區條件下的隱患資源開采必須最大限度上保障安全，在協同開采理念的指導下，周科平[15]發明了采礦環境再造分層分條中深孔落礦采礦法，如圖 3所示。

首先將-110～-140 m主體資源劃分為3個10 m厚的分層。分層內按照設計的采礦方法進行開采，條柱斷面為10 m×10 m，條柱長度按礦體具體條件確定。第1循環采取整體上隔一采一的方式，然后進行較高配比的水泥砂漿膠結充填(水泥與砂漿質量配比為1∶4)；第2循環，在已經隔一采一嗣后充填的條件下，對第2循環內礦體進行隔一采一然后回采礦房，先進行3 m的高配比膠結充填，然后進行低配比的水泥砂漿充填。第1循環和第2循環的回采工藝大致相同，拉槽布置在條柱的端部，然后進行后退式回采，出礦從鑿巖道平底結構鏟運機出礦。充填均通過上一分層的外圍平巷進行，經出礦進路、充填通風聯絡道下放充填管路進行。

5.3.2 協同開采方案設計

這里僅介紹4分層礦體的協同開采方案設計。該分層礦體右側圍巖區域礦方規定不允許布置任何工程。為給1號碎裂礦段開采提供一個安全空間，4分層礦體的17號和15號空區在礦段開采前已全部充填，18號空區僅充填至-130 m。分層內劃分22個條柱，由2條穿脈巷道把4分層礦體分為A，B和C 3個區段，如圖4所示。

圖3 采礦環境再造分層分條中深孔落礦采礦法Fig.3 Mining environment reconstructing layering and stripping medium-length hole caving mining method

圖4 4分層礦體協同開采方案Fig.4 Synergetic mining scheme of layer No.4

設計過程中如將A區和B區資源劃為單個條柱式開采，則條柱過長，不利于工程的安全性與產能搭配；如在A和B區之間留設一斜4～6 m寬的條柱，則上述開采難題迎刃而解。斜條柱礦產資源開采后形成的采空場，不僅解決了A和B資源開采條柱過長與安全性差的問題，與此同時，連同A部分資源開采后部分采場盈余空間也為 B部分資源的開采提供了協同空間(通風與充填巷道)，其自身也可與其他條柱在產能上進行合理搭配。

斜條柱布設是本層協同開采設計的亮點，集中體現了協同開采技術的精髓。

6 結論

(1) 提出了協同開采理念，明確定義了協同開采概念，構建了協同開采的技術體系，探討了協同開采理念與現有采礦與環境關系協調理念的區別與聯系及可耦合性。

(2) 工程中需要結合具體情況進行綜合性分析，多學科多層次地開展協同開采方案優化設計，其中采礦方法創新設計是核心。

(3) 協同開采作為一種新的采礦技術模式為復雜難采礦體或具有特殊工程目的礦床開采指明了一條科新發展方向。

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