協同開采技術的核心模塊與一般開發流程

陳慶發 黃 昊

(廣西大學資源環境與材料學院,廣西 南寧 530004)

隨著易采資源的消耗殆盡,那些開采難度大、隱患多、工程目標復雜的難采資源逐步受到人們的重視[1]。為滿足這部分復雜難采資源的開采需求,“協同開采”理念應時而生[2]。在該理念提出后的10余年內,協同開采理論研究與技術實踐取得了長足進步[3-11];與此同時,“協同開采”一詞也逐漸成為采礦學者研究的一個熱點詞匯[12]。如今,“協同開采”作為專業詞匯逐漸被業內廣為認同。

僅就協同開采技術而言,雖然國內諸多學者做了大量原創性開發工作;但從協同學的角度來看,一些技術還存在著協同內涵欠缺、系統結構不清、開發流程不暢等不足。這些不足不僅影響了當下復雜工程難題的有效解決,而且也使得部分從業人員不能全面認知協同開采技術。從長遠來看,也影響了協同開采技術模式的深入發展。

本研究通過分析協同學基本原理對協同開采技術的指導作用,探討協同開采技術的核心模塊與一般開發流程,為從業人員開展協同開采技術開發提供一個范式參考,以期促進協同開采技術模式的規范化、系統化發展。

1 協同學原理對協同開采技術的指導作用分析

協同學指出,各種由不同性質子系統組成的系統,其在通過自組織形成空間、時間或功能結構過程中受到相同原理的支配[13-14]。這些原理主要包括不穩定性原理、協同效應原理、漲落原理、序參量原理、伺服原理和自組織原理。它們對協同開采技術的指導作用本研究將進行闡釋。

1.1 不穩定性原理

不穩定性原理是指:隨著控制參量的連續變化,系統將經歷一系列的不穩定性,導致一系列性質不同的新舊模式的演替,系統結構經歷一個由簡單到越來越復雜的演化過程,不穩定性對系統的演化具有積極的建設性作用[15]。

協同開采系統擬呈現出新的有序結構,需把握系統中的不穩定性,其不穩定性由復雜的開采活動前置條件與開采活動的競爭產生。因此,在進行協同開采技術開發時,需率先對開采系統中的競爭與不穩定性進行分析。也就是說,這種競爭與不穩定性即為協同開采技術開發的前提條件。

1.2 協同效應原理

系統的協同效應是子系統之間發生協同作用而產生的最終結果。協同效應原理是指:系統的協同效應是在復雜系統中普遍存在的自組織能力、內部作用力下形成的,系統產生協同效應是系統形成有序結構的關鍵[16-17]。

系統的協同效應的表述,偏向于宏觀現象;如從具體過程來看,協同效應則由序參量、控制參量、子系統等諸多系統要素共同產生。在開展具體的協同開采技術開發活動時,需在厘清協同開采系統要素與結構的基礎上探討協同開采系統中子系統之間的協同作用。

1.3 漲落原理

漲落是指子系統的獨立運動及其之間可能產生的局部耦合,加上環境條件的隨機波動,導致系統宏觀量的瞬時值偏離平均值的起伏現象。漲落原理指的是:系統中絕大多數的漲落幅度很小且衰減很快,得不到子系統的響應,可以被忽略;而小部分漲落則能得到大多數子系統的響應,能由局部波及系統,得到放大,成為推動系統進入有序狀態的巨漲落,這種巨漲落的過程伴隨著序參量的產生[18-20]。

在協同開采系統中,漲落為子系統及環境條件的隨機波動導致開采系統出現不穩定振蕩的現象。人為因素作為協同開采系統中環境條件的重要組成部分,應盡量創造能引起子系統響應的漲落(即創造能促進子系統協調、合作或同步的漲落),以致巨漲落及序參量產生,進而促進系統有序化的形成。協同開采系統實現有序后,漲落仍然存在,當系統再次面臨失穩時,仍可通過利用其原理促使系統產生新的有序。

1.4 序參量原理

序參量原理是指:當系統演化至臨界點時,系統內部參量被分為快弛豫參量與慢弛豫參量;其中慢弛豫參量(被稱為序參量),因數量少、衰減速度慢,引導并決定著系統狀態的變化[21]。

由序參量原理可知,序參量具有如下特征:①序參量是描述復雜系統的宏觀行為的宏觀參量;②序參量是子系統集體運動的產物,是協同效應的表征和度量;③序參量支配子系統的行為,主宰著系統演化過程。協同學明確指出,比起研究所有的子系統,通過序參量來研究系統整體則更為簡單[22]。

協同開采系統中,通過能夠指示新結構形成的序參量來研究系統相對簡單。應根據序參量特征,研究子系統序參量的產生、總序參量的形成,進而研究系統有序化的推進。

1.5 伺服原理

伺服原理指的是序參量對其他參變量的役使作用[23]。其核心思想是指在系統的演進過程中,其余變量服從于序參量,序參量一旦形成,則對其他參量產生役使作用,此時序參量對系統的影響遠大于其他參量。

協同開采系統中,當系統達到臨界值時,子系統序參量對系統的有序演進起主導作用,此時可以忽略其他參量對系統的影響。在開發具體的協同開采技術時,需從各子系統序參量的宏觀角度出發推進系統的全局有序,而非從其他參量入手進行的系統內微觀局部優化。

1.6 自組織原理

自組織原理是指系統在沒有外部指令的條件下,內部子系統通過吸收一定的外部能量流、信息流和物質流,在競爭與協同作用中由非平衡態轉為相對平衡態,自動形成新的時間、空間或功能有序結構[24]。

自組織原理指出,子系統發生協同作用的前提需要控制參量(能量流、信息流、物質流等)達到閾值。在協同開采技術開發活動中,應在明確控制參量及其閾值的前提下探討子系統間的協同作用。

2 協同開采技術的核心模塊分析及其內涵詮釋

綜合前述協同學原理對協同開采技術的指導作用分析,可歸納得到協同開采技術的三句核心闡述,即:競爭與不穩定性是開展協同開采技術開發的前提,系統要素與結構是協同開采技術的組織載體,協同作用是維持系統有序運行的驅動力。由此可見,“競爭與不穩定性”“系統要素與結構”“協同作用”構成協同開采技術的三大核心模塊。這三大模塊在協同開采技術中占據核心地位,是協同開采技術的關鍵組成部分,是開發協同開采技術不可或缺的基本環節。

2.1 競爭與不穩定性

“競爭與不穩定性”是開發協同開采技術的前提,其中競爭包含著矛盾與沖突,沖突是矛盾的尖銳化和表面化;“不穩定性”由子系統之間的競爭產生。

“競爭與不穩定性”根源于開采活動前置條件中基礎性因素的復雜性[5]。開采活動前置條件囊括了影響開采活動的開采技術條件[25-29]及特殊工程條件[30-33],其復雜性如:礦體賦存深度大、地下水豐富、地層構造發育、有害物質含量多、有可共采資源、有建筑群需要保護、有采空區需要防護等。

這些復雜性使得上述子系統之間產生競爭(矛盾與沖突),致使開采系統出現不穩定性,進而引起漲落及序參量的出現。如當礦體賦存深度較大時,資源開采子系統與高地應力控制子系統之間產生競爭(矛盾與沖突),開采系統出現“三高一擾動”、力學特性轉化、礦井亟需轉型、災害事故易發[34]等不穩定性,為使開采系統達到穩定有序狀態,新的采礦方法及某種或某些工程技術集成模式相繼出現。

2.2 系統要素與結構

系統要素與系統結構分別是開采系統產生協同作用的組織者和承載體,弄清協同開采系統的要素及結構是協同開采技術開發的重要一環。從協同學角度看,系統要素主要有子系統、序參量、控制參量、其他參量等;其中子系統是系統內最重要的要素,序參量是系統內最重要的參量。協同開采系統要素與結構如圖1所示。

圖1 協同開采系統要素與結構Fig.1 Elements and structure of Synergetic Mining system

由圖1可知:協同開采系統由資源開采子系統、影響有序開采因素處理子系統或其他工程目標處理子系統組成。常規資源開采子系統主要包括露天開采系統、地下開采系統、露天轉地下開采系統。根據開采活動前置條件,影響有序開采因素處理子系統或其他工程目標處理子系統主要包括復雜開采技術條件基礎性因素處理系統及復雜特殊工程條件基礎性因素處理系統。

總序參量為協同開采關鍵核心技術集成模式,子系統序參量為采礦方法、某種或某些工程技術集成模式。采礦方法包含的其他參量為露天開采中的“穿爆采運排”工作及地下開采中的采場結構、采準、切割、回采工作。某種或某些工程技術集成模式包含的其他參量主要有巖層控制技術、異質共采技術等?？刂茀⒘侩S外部環境(如材料、設計、施工等)變化并以能量流、信息流、物質流作用于系統,其達到閾值后,子系統序參量共同合作實現系統有序化。

2.3 協同作用

基于前述分析,就協同作用來說,可得到如下論斷:①子系統間產生協同作用的前提為控制參量達到閾值;②研究子系統協同作用的著手點是序參量;③序參量產生的關鍵是盡量制造能引起子系統協調、合作或同步的巨漲落。由此,可將協同開采系統中的協同作用分為以下3項關鍵內容。

2.3.1 控制參量達到閾值

控制參量達到閾值作為系統產生有序結構的先決條件,在協同開采技術應用中占有至關重要的作用。協同開采系統作為一個開放系統,在不斷與外界發生能量、信息、物質交換的過程中實現有序化?？刂茀⒘縿t是對這種能量、信息、物質的綜合表達,其閾值則是系統產生新結構的臨界點或臨界范圍。只有正確把握了某種協同開采技術模式的控制參量并求出了其閾值(或者閾值范圍),協同開采系統才有可能產生宏觀有序的新結構。

不同的協同開采技術模式具有不同的控制參量,比如,在產狀復雜礦體分區協同開采技術中,礦體復雜形態與分區技術作為一種信息流在系統與外界間交換,此時的控制參量則是分區界限,閾值則是通過對復雜礦體形態、采礦方法實施條件等的綜合考慮后,結合其他手段而確定得出的合理分區界限,在此基礎上開發出各分區適配開采技術,其整個系統的有序開采新結構便得以形成。在協同開采技術工程實踐中,只有正確找出了系統序參量并求出其閾值后,開采系統的有序化才有條件得以實現。

2.3.2 子系統序參量的產生

(1)采礦方法的產生。協同開采系統采礦方法的產生,應充分考慮其他參量的影響,這些參量既包括采礦方法自身各工藝,又包括如某種或某些工程技術集成模式中的其他參量。即除了在采場結構、采準、切割、回采等工序協調合作的基礎上形成采礦方法外,還應充分考慮巖層控制、資源共采技術、采空區防護等其他參量與采礦方法之間的協調合作。

(2)某種或某些工程技術集成模式的產生。為應對復雜的開采活動前置條件,根據文獻[5]所述的8個概括性因素,將某種或某些工程技術集成模式分為八大類:復雜礦床地質條件處理技術、復雜水文地質條件處理技術、復雜工程地質條件處理技術、復雜環境地質條件處理技術、復雜其他開采技術條件處理技術、“三下一上”開采條件處理技術、復雜既有工程技術條件處理技術、其他需要防護的工程條件處理技術。這些技術的產生需考慮其與采礦方法的協調、合作或同步。

2.3.3 總序參量的形成

協同開采總序參量是關鍵核心技術集成模式。協同開采系統是多個子系統序參量同時存在的系統,系統有序化由各子系統序參量相互合作共同控制[35]。各子系統序參量,即采礦方法與某種或某些工程技術集成模式。它們之間的協調、合作或同步,共同形成能實現有序新結構的總序參量。

為實現協同開采系統宏觀結構的有序性,子系統序參量及其他參量在時間、空間及功能上應產生耦合協作關系,如:在礦氣協同開采技術模式中,采礦方法與天然氣抽采技術應在各自工藝上進行協調、合作或同步,進而實現資源安全高效開采的同時達到多種工程目的,取得雙贏或多贏的工程效果。

3 協同開采技術的一般開發流程研究

開采系統在協同前為無序混沌狀態,根據擬采對象是否被開采過,可將這種無序狀態分為兩種:一種為礦體未開采情況下的無序,一種為礦體已被部分開采情況下的無序。相較于礦體未被開采情況下的無序,已被部分開采狀態下的無序還需考慮現有工程技術條件與新出現的隱患因素或其他工程目標之間的矛盾,但其在總體上仍屬于協同開采系統兩子系統間的矛盾;二者均需通過協同開采技術的開發與應用來實現開采系統從無序混沌狀態向有序狀態的轉變。

基于協同開采技術的核心模塊,結合工程技術開發一般過程,形成協同開采技術一般開發流程,即包括工程目標確定、前提條件分析、系統要素與結構確定、協同作用分析、技術協同度測評等主要步驟。協同開采技術的一般開發流程如圖2所示。

圖2 協同開采技術的開發流程Fig.2 Development flow of Synergetic Mining technology

(1)工程目標確定。根據協同開采定義,協同開采技術的工程目標為實現協同開采系統的有序運行,體現在3種現象:① 實現資源開采的同時和諧處理影響有序開采的因素;②實現資源開采的同時處理其他工程目的;③ 實現資源開采的同時和諧處理影響有序開采的因素且同時處理其他工程目的。

(2)競爭與不穩定性分析。① 開展開采活動前置條件(基礎性因素)復雜性分析;② 開展復雜的開采活動前置條件給系統帶來的矛盾與沖突分析、現有解決技術之間的競爭矛盾與不穩定性綜合分析,初步確定矛盾解決方向。

(3)系統要素與結構確定。① 確定系統的子系統、子系統序參量、總序參量、控制參量及其他參量等;②確定上述系統要素之間的關系,并繪制系統結構圖。

(4)協同作用分析。①分析控制參量達到閾值(求出閾值或閾值范圍);②分析子系統序參量的產生、總序參量的形成。此時協同開采技術模式基本形成。

(5)協同度測評。協同度是指復雜系統內部子系統之間或子系統組成要素之間在發展演化過程中彼此和諧一致的程度[36]。協同度測評,在協同開采技術一般開發流程內是可選步驟,即根據需要選擇是否進行協同開采技術模式的測度評價。在協同開采技術開發過程中,將改進后的協同熵法[37]與實踐所得到的采切比、礦石回采率、貧化率、采礦成本及材料消耗等技術經濟指標[38]相結合進行協同度測度評價。

4 案 例

以文獻[39]所述廣西高峰礦105號碎裂礦段具體采礦工程為案例,本研究基于協同開采技術的一般開發流程,分析碎裂環境和采空區雙重隱患下協同開采技術的開發過程。

4.1 工程目標確定

廣西高峰礦105號礦體碎裂礦段受民采干擾,形成許多不規則的采空區。影響有序開采的因素主要有碎裂環境和賦存的采空區,這兩種因素構成了資源回采過程中的雙重隱患。因此,工程目標確定為:和諧處理資源回采過程中的碎裂環境和采空區,同時實現稟賦資源的安全高效回采。

4.2 競爭與不穩定性分析

開采活動前置條件方面,所涉碎裂礦段節理發育,碎塊大小約10 cm,未膠結,易脫落;105號礦體碎裂礦段受民采干擾,賦存有許多體積大小不一、形狀不規則、少量重疊貫通的采空區。針對碎裂環境隱患,基于采礦環境再造理論開發出采礦環境再造無間柱分段分條連續采礦法;針對采空區可能對有序回采形成的干擾,可將部分采空區變害為利,作為采場結構的一部分加以利用,如轉換為切割槽、拉底空間等。

4.3 系統要素與結構確定

協同開采系統的子系統可分為資源開采子系統、采空區協同利用子系統,二者序參量分別是采礦環境再造無間柱分段分條連續采礦法、采空區協同利用技術。系統的總序參量為碎裂環境和采空區雙重隱患下的協同開采技術模式?？刂茀⒘繛椴傻V方法設計依據、采空區規模與穩定性分析結果等;其他參量如采切工程布置、采空區具體轉換利用方案等。碎裂環境和采空區雙重隱患下的協同開采系統要素與結構如圖3所示。

圖3 碎裂環境和采空區雙重隱患下的協同開采系統要素與結構Fig.3 Elements and structure of Synergetic Mining system under the double hidden dangers of fragmentation environment and goaf

4.4 協同作用分析

控制參量達到閾值的標志為:① 找到合適的科學理論依據(本研究是指采礦環境再造相關理論),對采礦方法進行創新,從而有效控制碎裂環境的不利影響;②勘測出采空區位置、形狀及規模,計算出采空區穩定性,據此形成采空區協同利用方案。

子系統序參量的產生:通過對采礦環境再造理論的科學應用,形成采礦環境再造無間柱分段分條連續采礦法;通過采空區現狀及穩定性分析,將采空區轉化為部分切割槽、拉底空間等進行利用。

總序參量的形成:基于采礦環境再造無間柱分段分條連續采礦法、采空區協同利用技術,靈活調整開采布局,將采空區調整為部分切割槽或拉底空間,綜合形成碎裂環境和采空區雙重隱患下的協同開采技術模式。具體為:將較小、中等規模采空區調整為拉槽、拉底、自由爆破空間的一部分進行利用(圖4);對于中等規模采空區,由于采空區上部的塑性區分布范圍為6～7 m,則可將高度方向稍大的中等規模采空區調整為自由爆破空間加以利用;對于高度較大的中等規模采空區,可將其下部調整到新采礦方法的下一階段,利用周邊隆口崩落部分礦體,然后將剩余的上部采空區調整為自由爆破空間進行利用。

圖4 碎裂環境和采空區雙重隱患下協同開采技術模式Fig.4 Synergetic Mining technology mode under the double hidden dangers of fragmentation environment and goaf

5 結 論

(1)分析了協同學原理(不穩定性原理、協同效應原理、漲落原理、序參量原理、伺服原理、自組織原理)對協同開采技術的指導作用。

(2)歸納出了協同開采技術的3句核心闡述,即:競爭與不穩定性是開展協同開采技術開發的前提,系統要素與結構是協同開采技術的組織載體,協同作用是維持系統有序運行的驅動力。將“競爭與不穩定性”“系統要素與結構”“協同作用”視為構成協同開采技術的三大核心模塊。

(3)形成了以工程目標確定、競爭與不穩定性分析、系統要素與結構確定、協同作用分析、協同度測評等主要步驟的協同開采技術的一般開發流程。

(4)結合廣西高峰礦105號碎裂礦段具體工程,分析了碎裂環境和采空區雙重隱患下協同開采技術的開發過程,為協同開采技術的開發提供了一個范例。