協(xié)同開采與采空區(qū)協(xié)同利用

陳慶發(fā)，周科平，古德生

(1.廣西大學資源與冶金學院，廣西 南寧 530004; 2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

礦產資源是一種不可更新的自然資源，既是人類生活資料的來源，又是極其重要的社會生產資料[1]。然而，礦業(yè)給人類帶來了巨大財富的同時，也成為人類對地球環(huán)境破壞最主要的破壞者、污染源和災害源[2]。而事實上，采礦與環(huán)境之間的關系，并不是不可調節(jié)、不可調和的。近年來, 在可持續(xù)發(fā)展理念的指引下, 人們逐漸突破了傳統(tǒng)思想觀念禁錮，積極探索開采技術變革與創(chuàng)新，涌現(xiàn)了無廢開采、協(xié)調開采、綠色開采和采礦環(huán)境再造等4種調和采礦與環(huán)境關系的采礦理念[3-5]。這些新理念體現(xiàn)了國際采礦界在思維方法和采礦技術上的發(fā)展趨勢, 對礦業(yè)朝著綠色、安全、高效、環(huán)保、可持續(xù)等方向發(fā)展起到積極的促進作用。

采空區(qū)處理是預防與控制采空區(qū)災害的重要組成部分，從地壓控制的角度，將采空區(qū)處理方法分為崩落法、充填法、支撐法、封閉隔離法和聯(lián)合法五類[6]。近年來，隨著科學技術的進步，采空區(qū)處理方法取得了一些新進展，李俊平[7]提出了控制爆破局部切割槽放頂技術處理采空區(qū)；千海洪[8]基于VCR法，采用深孔牙輪鉆機利用高臺階崩落法，成功地處理了復合采空區(qū)，解決了復合采空區(qū)處理難的問題；周科平等[9]提出了采用爆破擾動誘發(fā)頂板失穩(wěn)的誘導崩落空區(qū)處理技術；陳友東[10]提出類框架結構采空區(qū)處理方法。這些研究進展，推動了采礦科學的進步，發(fā)展與完善了采空區(qū)處理技術體系。

本文首先對現(xiàn)有的可調和采礦理念進行梳理，在此基礎上引入?yún)f(xié)同理念，提出了一種新的采礦與環(huán)境關系調和理念——“協(xié)同開采”。隨后介紹了在協(xié)同開采理念的指導下，從協(xié)調資源開采的角度提出的區(qū)別于傳統(tǒng)的4類獨立采空區(qū)處理方法的“采空區(qū)協(xié)同利用”新方法。

1 現(xiàn)有采礦與環(huán)境可調和理念

1.1 無廢開采

1984年聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會在塔什干召開了無廢工藝國際會議，對礦業(yè)開發(fā)產生的環(huán)境負效應與無廢開采的意義及整治方法進行了充分的論述[11]。所謂無廢開采，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(fā)的負面影響的工藝技術。

1.2 協(xié)調開采

協(xié)調開采，由前蘇聯(lián)C.B. 庫里巴巴1987年提出，關守仁1990年將該理念引入我國[12]。該理念的實質，是根據(jù)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、回采順序等，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。

1.3 綠色開采

綠色開采理念是由我國著名煤炭開采專家、中國工程院院士錢鳴高2003年提出的[13]。綠色開采的概念，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(tǒng)采煤工藝造成的生態(tài)與環(huán)境問題，實現(xiàn)煤炭資源的環(huán)保、高效、高回收率和安全開采，根本解決煤炭開采產出率低與生態(tài)環(huán)境破壞等嚴重問題，實現(xiàn)采礦工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1.4 采礦環(huán)境再造

為了實現(xiàn)復雜條件下軟破礦體的安全高效回采，我國著名金屬礦采礦專家、中國工程院院士古德生教授，2006年提出了“采礦環(huán)境再造”命題[14]。其基本內涵是“突破傳統(tǒng)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(huán)境，最終實現(xiàn)礦石資源的高效回采”。

2 協(xié)同開采

2.1 協(xié)同理念

協(xié)同理念自20世紀60年代由A. H. Ansoff教授首次提出后，一直成為理論界、企業(yè)界、工程界研究很多問題的指導原則[15-16]。所謂協(xié)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(tǒng)協(xié)同指的是通過某種方法來組織和調控所研究的系統(tǒng)，尋求解決矛盾或沖突的方案，使系統(tǒng)從無序轉換到有序，達到協(xié)同或和諧的狀態(tài)。系統(tǒng)協(xié)同的目的，就是減少系統(tǒng)的負效應，提高系統(tǒng)的整體輸出功能和整體效應。

2.2 協(xié)同開采的基本概念

協(xié)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(qū)隱患、水災隱患等)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(xiàn)資源開采的同時，和諧處理其他不良因素的影響(甚至變害為益)，或者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(xié)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(xié)調與同步，使得礦山開采系統(tǒng)輸出較高的協(xié)同效應。

3 幾種可調和采礦理念的關系辨析

“無廢開采”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(xié)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，減少對環(huán)境的破壞；“采礦環(huán)境再造”強調的是為復雜難采、軟破礦體礦體營造一個良好的礦巖開采環(huán)境；“協(xié)同開采”與“協(xié)調開采”概念上相近，不同的是協(xié)同開采更為注重隱患資源的和諧開采問題，或具有多種工程目的的資源開采問題。如果要求和諧處理工程隱患，同時又要求滿足一定的工程目的，則開發(fā)協(xié)同開采技術的難度劇增。因此，協(xié)同開采往往是一種技術起點要求較高的綜合性或耦合性集成技術。

“無廢開采”與“綠色開采”都有減少對環(huán)境破壞的目的，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?！盁o廢開采”、“綠色開采”、“協(xié)調開采”是減少對環(huán)境的后期破壞，“協(xié)同開采”更為強調的是已經(jīng)在某種程度上破壞的環(huán)境下，如何進行資源的和諧開采，但也包含有減少對環(huán)境的后期破壞的涵義?！安傻V環(huán)境再造”強調的是對原生或次生不良環(huán)境進行人工再造，為采礦行為提供安全空間，打破了傳統(tǒng)的采礦方法之間的界限。

4 采空區(qū)協(xié)同利用

以往人們把空區(qū)隱患的資源開采與空區(qū)處理看作一對矛盾，分別進行獨立設計、施工，對二者之間的相互關系研究相對較少[17-18]。根據(jù)前述“協(xié)同開采”的思想，如果采空區(qū)能夠被納入整個礦山的開采布局之中，成為開采工藝流程的一部分，那么礦山將取得較好的協(xié)同效果，輸出較高的協(xié)同效應。這種協(xié)同技術，既實現(xiàn)了隱患資源的安全高效開采，同時又處理了空區(qū)隱患，可謂一舉兩得。從協(xié)調資源開采的角度，這一空區(qū)處理方法，就是礦山開采過程中的采空區(qū)協(xié)同利用。

采空區(qū)協(xié)同利用是將現(xiàn)有采空區(qū)直接或通過某種技術手段環(huán)境改造后被納入整個礦山的開采布局之中，作為開采系統(tǒng)中的部分井巷工程、切割工程、自由爆破空間、硐室空間等加以利用，使礦山取得較好的協(xié)同效果和較高的協(xié)同效應。

新方法區(qū)別于“充”、“崩”、“撐”、“封”等常規(guī)采空區(qū)處理方法，如用一個字來表示這種采空區(qū)處理理念，那就是“用”。顯而易見地是，這種“用”區(qū)別于礦山閉坑后的用，是資源開采過程中的“用”，是從系統(tǒng)的內部出發(fā)，積極地、主動地、能動地“用”。

5 采空區(qū)協(xié)同利用的基本原則與模式

5.1 采空區(qū)協(xié)同利用的基本原則

5.1.1 安全第一性

采空區(qū)協(xié)同利用，不能以犧牲工程穩(wěn)定性為代價，在保證工程穩(wěn)定的前提下，變被動為主動，變不利為有利，充分合理地開發(fā)利用采空區(qū)。工程安全性應包含宏觀上工程整體穩(wěn)定性與微觀上的施工安全。

5.1.2 工藝合理性

采空區(qū)利用本質是使得采空區(qū)所在空間位置能夠最大程度上內嵌入開采布局中。采空區(qū)利用對采礦方法設計提出了要求，因此，在采礦方法選擇時就應同步考慮到采空區(qū)的協(xié)同利用。

5.1.3 經(jīng)濟節(jié)約性

采空區(qū)協(xié)同利用需要考慮經(jīng)濟性，如果僅考慮工藝方便，而花費代價太高就使利用意義大打折扣。如果能夠直接利用，不進行采空區(qū)物理環(huán)境的改造，此時成本最低。

5.2 采空區(qū)協(xié)同利用的基本模式

從利用過程中采空區(qū)所起的作用不同，將采空區(qū)協(xié)同利用分為以下三大類基本模式。

5.2.1 作為開采空間利用

結合選用的采礦工藝，調整開采布局，將采空區(qū)調整為開采布局的一部分，充分利用采空區(qū)，節(jié)省工程量，提供施工方便。對于復雜的空區(qū)群，可能有多套調整利用方案，需進行綜合比較確定最佳方案。

按改造的程度不同，作為開采空間利用模式又可分為四亞類。

1)直接調整利用。根據(jù)采空區(qū)空間形狀，規(guī)模，方位，將其調整為開采系統(tǒng)中的部分井巷工程、切割工程、自由爆破空間、硐室空間等直接利用，適用于中小規(guī)模的獨立采空區(qū)。

2)崩落部分圍巖后利用。基于采礦方法的開采布局中，如果不能直接將采空區(qū)利用，可以采用崩落部分圍巖后，將采空區(qū)調整為部分井巷工程，切割工程或自由爆破空間利用，適用于中小規(guī)模的獨立采空區(qū)。

3)部分充填后利用。采礦方法的開采布局中，如不能直接將采空區(qū)直接利用，也可以借鑒采礦環(huán)境再造技術，采取先進行部分充填后將其調整為部分井巷工程，切割工程或自由爆破空間利用，適用于大中型采空區(qū)。圖1為部分上向分層充填與條柱式充填表現(xiàn)形式，圖2給出了部分不同表現(xiàn)形式的人工礦柱水平投影圖。

4)聯(lián)合處理后利用。對于復雜形狀的大中型采空區(qū)或者復雜空區(qū)群體，經(jīng)多種常規(guī)采空區(qū)方法或采礦環(huán)境再造方式處理后再進行利用。

5.2.2 作為轉換空間利用

將采空區(qū)看作為轉換空間進行利用，是指將廢石、尾礦等礦山固體廢料直接充填至井下采空區(qū)，少廢或無廢排放。采空區(qū)作為轉換空間利用不僅解決了這些廢料的排放堆積問題，而且強化了工程穩(wěn)定性。采空區(qū)周邊資源回采也可與轉換空間的利用協(xié)同進行，系統(tǒng)輸出較高的協(xié)同效應。

圖1 水平分層充填與條礦柱式充填

圖2 人工礦柱水平投影圖

5.2.3 作為卸荷空間利用

深部資源的不利開采條件主要表現(xiàn)為“三高一擾動”的特點，即“高地應力、高地溫、高巖溶水壓和強烈的開采擾動”[19]。近年來，深部資源卸壓開采技術取得了較大進展，其卸荷原理是通過合理的回采順序，使開采區(qū)域的適當部位產生局部弱化，以合理調整圍巖應力分布狀態(tài)，在開挖結構的近表層形成低應力卸荷圈，使應力集中部位向深部轉移，在圍巖深部形成應力集中的自承載圈[20]。

通過調整開采布局，可將部分現(xiàn)有空區(qū)調整為卸荷開采中卸荷槽的一部分加以利用。圖3所示為采空區(qū)作為部分卸荷空間的利用模式。

圖3 采空區(qū)作為卸荷空間的利用模式

6 結論

1)創(chuàng)新地提出了“協(xié)同開采”新采礦理念，定義了基本概念，探討新理念與現(xiàn)有采礦與環(huán)境關系可調和理念的區(qū)別與聯(lián)系。作為一種新的采礦模式，協(xié)同開采具有廣闊的應用前景，為復雜難采礦體或具有特殊工程目的礦床的開采，指明了一條科學可行的發(fā)展方向。

2)從協(xié)調資源開采的角度，創(chuàng)新地提出了“協(xié)同利用”采空區(qū)處理方法，確立了采空區(qū)協(xié)同利用的基本原則與基本模式，進一步豐富和發(fā)展了采空區(qū)處理技術體系。

3)“協(xié)同開采”與“采空區(qū)協(xié)同利用”兩種新思想的提出，將對我國采礦科學技術的進步產生重要而又深遠的影響。

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