協同采礦方法的發展及類組歸屬

陳慶發

（廣西大學資源環境與材料學院，廣西南寧530004）

我國金屬礦產資源賦存的基本特點是大型礦床少，中、小礦床多；單金屬礦少，伴生、多金屬礦多；管理粗放，集約化程度低。且隨著開采強度的增加，易采資源逐步消耗殆盡，一些開采難度大、隱患多、工程目標復雜等難采資源逐漸受到了人們的重視［1］。

對于這部分資源的開發利用，亟需一些采礦新理念、新理論予以指導，正如《未來10年中國學科發展戰略：工程科學》［2］一書指出，“復雜難動用資源開采理論與方法”等是未來影響我國采礦行業長遠發展的理論與技術難點，并將“難動用儲量的資源開采理論與方法”列為優先資助方向。

“協同開采”理念，是筆者2009年針對采空區隱患資源開采時提出的［3］，2011年明確了其定義及其技術體系［4-5］。時至今日，“協同開采”理念已被我國礦業行業廣泛采用［6-14］。

采礦方法在地下礦山生產中占據著核心地位。隨著“協同開采”理念的深入發展，我國學者發明了大量協同采礦方法，這些采礦方法的提出極大地豐富了我國采礦方法體系。但迄今為止，尚未有學者對這類采礦方法進行系統歸納與整理，且該類采礦方法在一定程度上仍存在概念不清晰、命名不規范、技術特點模糊、類組歸屬混亂等問題，令從業人員無從掌握，難以廣泛推廣應用。

1 協同采礦方法定義及范疇界定

1.1 協同采礦方法的定義

采礦方法主要包括“采場結構”和“采場回采工作”兩大方面。采場結構與采場回采工作是相互聯系的，采場結構隨著回采工作的需要而變化。因此，采場回采工作是決定采礦方法本質的主要方面。采場結構包括采場型式、結構參數和采準布置等。采場回采工作包括“地壓控制”與“落礦、礦石運搬”兩個方面，其中地壓控制是主要方面，它決定了采場能否按期生產、落礦和礦石運搬能否順利進行。

將在采場結構（含采場型式、結構參數和采準布置等）或采場回采工作（含地壓控制與落礦、礦石運搬）兩大方面具有合作、協調與同步等協同屬性的采礦方法定義為協同采礦方法。

1.2 協同采礦方法的范疇界定

傳統采礦方法是一套模式化的流程，建立在高度專業化分工和類似科層組織的基礎上，描述的是礦塊回采的先后順序；而協同采礦方法，則更為強調采礦環節間具有的協調、合作、同步的協同屬性以及產生的協同效果。

因此，協同采礦方法的范疇界定如下：①協同采礦方法首先隸屬于采礦方法；②區別于其他采礦方法，協同采礦方法更為強調在采場結構或采場回采工作兩大方面具有的合作、協調與同步等協同屬性，是一類比較特殊的采礦方法；③協同采礦方法所具有的協同屬性，通常有助于實現復雜難采礦體的順利開采或實現某種特殊開采目的，比如安全、高效、多目標等。

2 協同采礦方法的發展

通過對萬方專利技術數據庫、國家知識產權局專利檢索數據庫、國家重點產業專利信息服務平臺、中國學術期刊全文數據庫（CNKI）及專業書籍、教材、手冊等檢索知悉，通過檢索“名稱”、“摘要”、“正文”內含有“協同”二字或具有協同屬性的采礦方法，發現自2009年起至2018年10年來我國采礦學者一共提出19種協同采礦方法，如表1所示。

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表1中19種協同采礦方法，其中陳慶發提出10項，陳何、雷濤各提出2項，周愛民、鄧紅衛、胡建華、李啟月、孫麗軍各提出1項；提出采礦方法的依托單位主要集中于廣西大學、中南大學、武漢理工大學、長沙礦山研究院、北京礦冶研究總院、馬鞍山礦山研究院等高校與科研院所；所提出的采礦方法在數目上呈現出逐年增多的趨勢，這些信息說明了“協同開采”理念正在不斷地受到越來越多的行業專家學者的認可，體現了我國學者對協同采礦方法開發與革新的重視。

2009年，陳慶發在其博士學位論文《隱患資源開采與采空區治理協同研究》中，首次明確提出了“協同空區利用的采礦環境再造分段鑿巖階段礦房采礦法”，將部分中小規模采空區作為礦塊的井巷工程、切割工程、自由爆破空間等部分工程結構加以協同利用（即采空區協同利用）。區別于閉坑后作為核廢料、垃圾儲存空間的利用和地下商場、軍事指揮所等的利用，采空區協同利用是資源開采過程中的同步利用，它區別于傳統的從地壓管理角度劃分的四類獨立的采空區處理方法，是采礦工藝調整過程中的利用，可稱得上具有獨立意義的第五類采空區處理方法。

2010年，陳慶發突破傳統的“嗣后充填”采礦技術思想的限制，率先提出了“同步充填”采礦技術理念，首次提出了一種具有代表性意義的“同步充填”采礦方法，即“大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦方法”［15］。新采礦方法與傳統放礦工藝區別在于大量放礦前設置了柔性隔離層，這使得放礦過程中散體介質（礦石）流動受到了來自充填料的非自由表面縱向荷載、柔性隔離層因介質流動產生的次生橫向荷載以及采場邊界限制條件等多重復合作用，這與傳統放礦工藝明顯不同，柔性隔離層作用下散體介質流動規律突破了傳統放礦理論的描述范圍?；趯θ嵝愿綦x層作用下放礦規律發生重大變化的認知，申報的《柔性隔離層作用下散體介質流理論研究》項目，在專利授權后獲得了國家自然科學基金資助。已開展的研究表明：單漏斗條件下，放礦前期放出體為近似橢球體，后期為陀螺體；多漏斗條件下，放礦前期隔離層界面保持水平并平緩下移，某一深度后隔離層起伏變大。目前，有關機理研究正在進行中，有望創建一套完整的柔性隔離層下散體介質流理論，從而進一步推動金屬礦床放礦學理論的新發展。

2011年，針對傳統采礦方法一次回采爆破的崩礦量小、作業循環多、采場規模小、采場產能與崩礦效率低等現象，長沙礦山院周愛民提出了一種高效率、大產能的“立體分區大量崩礦采礦方法”［16］，實現了大規模、高效率大量落礦，為厚大礦體或急傾斜中厚礦體實現大規模集中強化采礦提供了一種安全、高效和大產能、低成本的解決方案；同年，針對階段崩落采礦法和階段空場采礦法開采厚大礦床時，頂板管理困難、爆破效果不理想、礦石貧化損失大等問題，北京礦冶研究總院陳何采用布置集束孔的形式改進爆破落礦方式，提出了“一種連續崩落采礦法”［17］，該方法能夠使落礦、出礦、頂板管理等工作協調統一，實現了大步距高效安全的連續后退式回采。

2013年，陳慶發通過分析分段礦房法和垂直深孔分段鑿巖階段礦房法在開采礦巖穩固、傾角變換頻繁或因斷層錯動的傾斜、急傾斜中厚礦體時所表現出的優點和不足，提出了一種充分利用分段礦房法和垂直深孔分段鑿巖階段礦房法優點、適用于礦巖穩固傾角變化頻繁或因斷層錯動的傾斜急傾斜中厚礦體的“分段鑿巖并段出礦分段礦房采礦法”［18］；同年，針對頂底板、上下盤圍巖破碎不穩固的高品位傾斜中厚礦體采用上向或下向分層充填法回采存在的采切工程量大、采礦成本高、工作效率低、難以規?；_采、礦石損失貧化高、經濟損失大等問題，中南大學鄧紅衛提出一種在構筑人工頂板、上下盤圍巖預先加固與支護的組合再造結構體下實現礦體安全、高效、規?；_采有效結合的“組合再造結構體中深孔落礦協同錨索支護嗣后充填采礦法”［19］；同年，針對上盤為不穩固圍巖或充填體的緩傾斜中厚礦體在回收礦柱時存在的作業安全性差問題，中南大學胡建華提出一種在頂板圍巖不穩固條件下礦石回收率高、安全性高的“分條間柱全空場開采嗣后充填協同采礦法”［20］。

2014年，基于對開采厚大礦體時分段充填法在回采過程中存在頂板安全性問題的分析，中南大學李啟月提出了一種“垂直孔與水平孔協同回采的機械化分段充填采礦法”［21］，發揮了分段采礦的高強度、高效率、低成本的特點。

2015年，為解決多層水平或緩傾斜薄至中厚礦體分層回采的技術難題，陳慶發提出了一種“采場臺階布置多分支溜井共貯礦段協同采礦方法”［22］，它能夠克服多層礦體分采時，采用常規溜井帶來的開采不協調、采礦管理復雜等缺點，改善各礦層貯礦段容量、采場出礦與漏斗放礦間協調性等，最大限度地減小多層礦體回采過程中的互相影響和互相制約，在生產空間實現集約高效，最終實現多層礦體的安全、高效、低成本的協同開采；同年，北京礦冶研究總院陳何基于對國內外多層緩傾斜薄礦體開采出現的不足，提出了“一種緩傾斜薄礦體采礦方法”［23］，有效提升了采場的生產能力和采切比，提高了開采回收率，降低了礦石貧化率，上覆圍巖均勻沉降，礦層受開采影響小，采礦過程采用機械條帶式推進式采礦，切頂協同充填與誘導爆破控頂處理空區。

2016年，針對常規采礦方法采空區災害及礦石貧化損失大的問題，引入陳慶發提出的同步充填技術思想，雷濤提出了一種“厚大礦體無采空區同步放礦充填采礦方法”［24］；同年，為安全高效回采傾斜薄礦體，降低礦石損失與貧化，綜合分析房柱式采礦法和爆力采礦法各自優點，陳慶發提出了一種適用于礦體傾角為30～55°、厚度為1～3 m的礦巖穩固或中等穩固的傾斜薄礦體的“電耙—爆力協同搬運偽傾斜房柱式采礦法”［25］；針對使用分段崩落法方法易造成礦石損失貧化大、廢石混入率高、回采巷道局扇通風困難且易形成污風串聯以及通風、上下分段的銜接和生產管理復雜等缺點，陳慶發提出了一種“柔性隔離層充當假頂的分段崩落協同采礦方法”［26］；同年，基于同步充填技術思想，針對空場嗣后充填法的缺點，雷濤提出了一種“垂直中深孔兩次放礦同步充填階段采礦法”［27］，該方法簡化了回采單元的結構，開采下一階段時回收上階段底柱并形成鑿巖硐室實現回采單元礦石全回收，克服了回采單元采空區圍巖片落問題，有效地控制采空區的暴露面積；同年，針對圍巖穩固性較差的礦山，采用傳統空場法會留下空區安全隱患，若增大礦柱尺寸必將增大礦石損失，為此，陳慶發提出了一種具有協同開采理念、同步充填優點的“底部結構下卡車直接出礦后期放礦充填同步的水平深孔留礦法”［28］，該方法作業安全性好、生產效率高、礦石回收率高，省略了鏟運機—溜井轉運環節、卡車直接出礦，實現采空區協同置換利用，保障了圍巖穩定性；同年，針對回采多層傾斜薄礦體時全面留礦法生產能力低、回采周期長、對相鄰礦層礦塊回采影響大、安全系數低等問題以及沿礦體走向或傾向分段的傳統爆力運搬采礦法生產能力低、采切工作量大、脈外工程多等問題，陳慶發提出將淺孔爆力運搬技術應用于多層傾斜薄礦體的開采，從而提出了一種“淺孔鑿巖爆力-電耙協同運搬分段礦房法”［29］，該方法大大減少了脈外工程量，提高了生產能力與運搬效率；同年，針對大型地下礦山使用嗣后充填采礦法開采時采空區暴露面積大、安全性差、采切工程量大等問題，引入協同理念，孫麗軍提出了“一種地下礦山井下雙采場協同開采的新方法”［30］，該方法實現了地下礦山多采場協同開采，提高了安全性和生產能力，減小采切工程量。

2017年，針對垂直深孔落礦有底柱分段崩落法回采礦體時由于使用電耙、溜井出礦存在底部結構復雜、采準切割工程量大、出礦效率低等缺點而造成采場落礦和出礦作業在時間和礦量上不能很好匹配的現象，基于協同開采理念、順應采礦作業環節簡化與無軌運輸是我國地下礦山采礦技術發展的趨勢，陳慶發創新提出了“卡車協同出礦有底柱分段崩落法”［31］，該方法提高了機械化程度，保證了落礦和出礦的協同，簡化了底部結構，減少了礦石轉運作業環節，提升了礦山生產效率；同年，針對垂直深孔分段鑿巖階段礦房法回采礦體存在采切工程量大、出礦效率低等缺點，陳慶發創新提出了“卡車協同出礦分段鑿巖階段礦房法”［32］，新方法減小了采切工程量，提高了機械化程度，保證了落礦與出礦的協同，提高了礦山生產效率。

3 協同采礦方法類組歸屬標準表

協同采礦方法隸屬于采礦方法范疇，其分類按地壓管理方法與一般采礦方法一致，可將協同采礦方法分為空場法、充填法、崩落法三大類。其具體方案的類組歸屬，按地壓管理方法將其歸于三大類采礦方法的某一類某一組。將表1統計的協同采礦方法填入筆者前期開展的金屬礦床地下開采采礦方法分類修訂表，形成了協同采礦方法類組歸屬標準表，如表2所示。表2可以作為采礦從業人員在做采礦方法選擇與研究時參考使用。

4 結論

（1）基于對“協同開采”理念的理解和采礦方法的認知，明確給出了協同采礦方法的定義、界定了其隸屬范疇。

（2）按采礦方法提出或專利申請時間的先后順序排序，梳理了2009～2018年10年來我國協同采礦方法的發展過程。

（3）對現有19種協同采礦方法典型方案進行了類組歸屬，制定了協同采礦方法類組歸屬標準表，以此作為采礦從業人員研究和選用參考。

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