協(xié)同開采及其技術(shù)體系

陳慶發(fā) ，蘇家紅

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

由于礦產(chǎn)資源的有限性與不可再生性，礦產(chǎn)資源必須進(jìn)行高效節(jié)約型開采，以提高資源的利用率，保障人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1]；同時(shí)。礦產(chǎn)資源的開采會(huì)對(duì)地球環(huán)境造成不同程度的破壞，影響人類的生存環(huán)境，甚至對(duì)人類生命造成傷害[2]。為此，礦業(yè)工作者近年提出了無廢開采、協(xié)調(diào)開采、綠色開采和采礦環(huán)境再造等多種采礦與環(huán)境關(guān)系協(xié)調(diào)的理念[3-5]。這些理念的實(shí)質(zhì)，都是把采礦與環(huán)境看成不同的系統(tǒng)，利用系統(tǒng)工程的理論與方法，協(xié)調(diào)與優(yōu)化彼此的關(guān)系，以創(chuàng)造良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。本文作者對(duì)現(xiàn)有采礦與環(huán)境關(guān)系協(xié)調(diào)理念進(jìn)行梳理分析，在此基礎(chǔ)上引入?yún)f(xié)同理念，提出 “協(xié)同開采”新命題，開展其技術(shù)體系及工程應(yīng)用研究。

1 現(xiàn)有采礦與環(huán)境關(guān)系協(xié)調(diào)理念

在可持續(xù)發(fā)展理念的指引下，近年來發(fā)展的采礦與環(huán)境關(guān)系協(xié)調(diào)理念主要有無廢開采、協(xié)調(diào)開采、綠色開采和采礦環(huán)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(huì)議上被系統(tǒng)論述，其涵義就是最大限度地減少廢料的產(chǎn)出、排放，提高資源綜合利用率，減輕或杜絕礦產(chǎn)資源開發(fā)的負(fù)面影響的工藝技術(shù)[6-7]。

(2) 協(xié)調(diào)開采。協(xié)調(diào)開采是根據(jù)不同的受護(hù)對(duì)象，通過合理布設(shè)開采工作面，如合理設(shè)計(jì)工作面之間的相對(duì)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(hù)對(duì)象的允許變形值，以達(dá)到減小開采對(duì)受護(hù)對(duì)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(guān)技術(shù)、研究試驗(yàn)平臺(tái)等的研究和建設(shè)，改變傳統(tǒng)采煤工藝造成的生態(tài)與環(huán)境問題，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的環(huán)保、高效、高回收率和安全開采。

(4) 采礦環(huán)境再造?！安傻V環(huán)境再造”命題是由我國古德生院士2006年提出[4,10]。其基本內(nèi)涵是“突破傳統(tǒng)的采礦方法設(shè)計(jì)思想的限制，應(yīng)用新的理論、方法和技術(shù)，營造一個(gè)良好的礦巖開采環(huán)境，最終實(shí)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(jì)60年代由Ansoff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(dǎo)原則[11-12]。所謂協(xié)同指的是事物與事物之間的一種關(guān)系，一種相互之間的和諧與正向配合的關(guān)系。系統(tǒng)協(xié)同指的是通過某種方法來組織和調(diào)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(zhuǎn)換到有序，達(dá)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(fù)效應(yīng)，提高系統(tǒng)的整體輸出功能和整體效應(yīng)。

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(zāi)隱患、火災(zāi)隱患等)時(shí)或者伴隨著其他工程目的(如降低某種開采損害的程度、強(qiáng)化圍巖的支護(hù)等)，通過采取某種工程技術(shù)措施(包括采礦方法、巖層控制技術(shù)、災(zāi)害控制技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)等)，能夠在實(shí)現(xiàn)資源開采的同時(shí)，和諧處理隱患因素的負(fù)面影響，或同時(shí)達(dá)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(jìn)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(zāi)害處理行為及其他技術(shù)行為的合作、協(xié)調(diào)與同步，使得礦山開采系統(tǒng)輸出較高的協(xié)同效應(yīng)。

2.3 協(xié)同開采提出的意義

(1) 改變了人們常規(guī)先治理隱患后進(jìn)行資源開采或逐個(gè)實(shí)現(xiàn)多種工程目的的觀念，而觀念的轉(zhuǎn)變，對(duì)于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步同樣有著重大與深遠(yuǎn)的影響。

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

(3) 進(jìn)一步豐富與發(fā)展了固體礦床開采理論，有利于促進(jìn)采礦工藝技術(shù)的變革與創(chuàng)新，有利于促進(jìn)采礦工藝走向科學(xué)。

3 幾種采礦理念的關(guān)系辨析

3.1 幾種理念的區(qū)別與聯(lián)系

協(xié)同開采與前述幾種采礦與環(huán)境關(guān)系協(xié)調(diào)理念具有一定的區(qū)別與聯(lián)系，但各理念均具有自身特點(diǎn)?！皡f(xié)同開采”強(qiáng)調(diào)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(xié)同開采往往是一種綜合性或耦合性的集成技術(shù)?！盁o廢開采”重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是采礦工藝實(shí)施過程中最大限度地做到無廢、少廢；“協(xié)調(diào)開采”重點(diǎn)是合理設(shè)計(jì)工作面時(shí)空順序，減少受護(hù)對(duì)象的損害；“綠色開采”重點(diǎn)是從源頭上通過采煤方法、巖層控制及相關(guān)技術(shù)，減少煤炭開采對(duì)環(huán)境的破壞；“采礦環(huán)境再造”強(qiáng)調(diào)的是為復(fù)雜難采、軟破礦體營造一個(gè)良好的礦巖開采環(huán)境。

“無廢開采”與“綠色開采”都有減少對(duì)環(huán)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(xié)調(diào)開采”是減少對(duì)環(huán)境的后期破壞，“協(xié)同開采”強(qiáng)調(diào)的是已經(jīng)在某種程度上破壞的環(huán)境下如何進(jìn)行資源的和諧開采，但也包含有減少對(duì)環(huán)境的后期破壞的涵義?！安傻V環(huán)境再造”強(qiáng)調(diào)的是對(duì)原生或次生不良環(huán)境進(jìn)行人工再造，為采礦行為提供安全空間。

3.2 “協(xié)同開采”理念的可耦合性分析

“協(xié)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(fù)雜條件下的礦產(chǎn)資源的安全高效開采提供更高更寬的指導(dǎo)，如與“無廢開采”耦合可形成“無廢協(xié)同開采”理念、與“綠色開采”耦合可形成“綠色協(xié)同開采”理念、與“采礦環(huán)境再造”耦合可形成“協(xié)同再造”理念。

如本文作者基于“無廢協(xié)同開采”理念，借鑒充填采礦法技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)淺孔留礦法進(jìn)行二次創(chuàng)新，將嗣后充填提前至大量放礦的同時(shí)進(jìn)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(fā)明專利技術(shù)[13]。該方法的實(shí)質(zhì)是大量放礦前預(yù)先在留礦堆表面鋪設(shè)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(dòng)、控制了地表沉陷事故的發(fā)生。

4 協(xié)同開采技術(shù)體系的構(gòu)建

4.1 構(gòu)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(xié)同開采總目標(biāo)。按照實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)的時(shí)間先后順序，將協(xié)同開采劃分為3個(gè)時(shí)期，即協(xié)同前期、協(xié)同中期和協(xié)同后期。各個(gè)時(shí)期研究的任務(wù)側(cè)重點(diǎn)不同，對(duì)應(yīng)的技術(shù)需求不同。將不同時(shí)期的技術(shù)集成，構(gòu)成協(xié)同開采的技術(shù)體系。

4.2 協(xié)同開采技術(shù)體系

根據(jù)前述方法，構(gòu)建出一般意義上的固體礦床的協(xié)同開采技術(shù)體系，如圖1所示。

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

協(xié)同中期主要目標(biāo)是做出協(xié)同開采方案設(shè)計(jì)，為此，需要研究隱患因素作用下或肩負(fù)不同工程目的的礦床開采新方法、巖層控制技術(shù)、潛在災(zāi)害控制技術(shù)、采礦環(huán)境再造技術(shù)及其它相關(guān)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，基于協(xié)同理念、方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則與技術(shù)，耦合前述各技術(shù)，開展協(xié)同開采方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

圖1 協(xié)同開采技術(shù)體系Fig.1 Synergetic mining technology system

協(xié)同后期執(zhí)行協(xié)同開采設(shè)計(jì)方案，開展施工工作，實(shí)施擬采礦床的協(xié)同開采，開采過程中及閉坑后及時(shí)開展技術(shù)實(shí)施效果的評(píng)價(jià)工作，及時(shí)總結(jié)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，完善相關(guān)技術(shù)。

不同隱患因素作用下或者具有多種工程目的的資源協(xié)同開采技術(shù)體系，可能由于其客觀情況的不同，其具體技術(shù)的表現(xiàn)形式略有差異，可根據(jù)其具體特點(diǎn)開展針對(duì)性的研究。待弄清其技術(shù)體系后，遵循一般研發(fā)思路，開展協(xié)同開采技術(shù)開發(fā)并實(shí)施新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程總目標(biāo)。

5 應(yīng)用實(shí)例

5.1 工程概況

廣西高峰礦105號(hào)礦體在-79 m標(biāo)高以下，是一個(gè)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(hào)礦體1號(hào)礦段屬于碎裂結(jié)構(gòu)礦體，碎塊大小一般為10 cm，未膠結(jié)，易脫落。由于受民采干擾，1號(hào)礦段內(nèi)賦存有關(guān)聯(lián)關(guān)系的采空區(qū)共13個(gè)，圖2所示為利用3DMine軟件構(gòu)建的礦體與空區(qū)分布的實(shí)體模型。

5.2 開采技術(shù)條件分析

圖2 1號(hào)礦段礦體與空區(qū)分布實(shí)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(jià)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(shí)礦體埋藏較深，礦體碎裂，基本可以排除單純的崩落法和空?qǐng)龇?；由于礦石含硫高，有自燃的可能性，應(yīng)排除與留礦法有關(guān)的采礦方法；礦體節(jié)理裂隙異常發(fā)育，工作面穩(wěn)定性和堅(jiān)固性差，排除常規(guī)的分層充填法[14]。賦存在其中的采空區(qū)也對(duì)碎裂資源開采提出了更高的要求。因此，必須突破常規(guī)對(duì)采礦方法的局限，尋求新思想、新思維開展采礦方法的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

5.3 協(xié)同開采設(shè)計(jì)

5.3.1 采礦方法設(shè)計(jì)

多空區(qū)條件下的隱患資源開采必須最大限度上保障安全，在協(xié)同開采理念的指導(dǎo)下，周科平[15]發(fā)明了采礦環(huán)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(gè)10 m厚的分層。分層內(nèi)按照設(shè)計(jì)的采礦方法進(jìn)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(huán)采取整體上隔一采一的方式，然后進(jìn)行較高配比的水泥砂漿膠結(jié)充填(水泥與砂漿質(zhì)量配比為1∶4)；第2循環(huán)，在已經(jīng)隔一采一嗣后充填的條件下，對(duì)第2循環(huán)內(nèi)礦體進(jìn)行隔一采一然后回采礦房，先進(jìn)行3 m的高配比膠結(jié)充填，然后進(jìn)行低配比的水泥砂漿充填。第1循環(huán)和第2循環(huán)的回采工藝大致相同，拉槽布置在條柱的端部，然后進(jìn)行后退式回采，出礦從鑿巖道平底結(jié)構(gòu)鏟運(yùn)機(jī)出礦。充填均通過上一分層的外圍平巷進(jìn)行，經(jīng)出礦進(jìn)路、充填通風(fēng)聯(lián)絡(luò)道下放充填管路進(jìn)行。

5.3.2 協(xié)同開采方案設(shè)計(jì)

這里僅介紹4分層礦體的協(xié)同開采方案設(shè)計(jì)。該分層礦體右側(cè)圍巖區(qū)域礦方規(guī)定不允許布置任何工程。為給1號(hào)碎裂礦段開采提供一個(gè)安全空間，4分層礦體的17號(hào)和15號(hào)空區(qū)在礦段開采前已全部充填，18號(hào)空區(qū)僅充填至-130 m。分層內(nèi)劃分22個(gè)條柱，由2條穿脈巷道把4分層礦體分為A，B和C 3個(gè)區(qū)段，如圖4所示。

圖3 采礦環(huán)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(xié)同開采方案Fig.4 Synergetic mining scheme of layer No.4

設(shè)計(jì)過程中如將A區(qū)和B區(qū)資源劃為單個(gè)條柱式開采，則條柱過長，不利于工程的安全性與產(chǎn)能搭配；如在A和B區(qū)之間留設(shè)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(chǎn)資源開采后形成的采空?qǐng)?，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(shí)，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(xié)同空間(通風(fēng)與充填巷道)，其自身也可與其他條柱在產(chǎn)能上進(jìn)行合理搭配。

斜條柱布設(shè)是本層協(xié)同開采設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)，集中體現(xiàn)了協(xié)同開采技術(shù)的精髓。

6 結(jié)論

(1) 提出了協(xié)同開采理念，明確定義了協(xié)同開采概念，構(gòu)建了協(xié)同開采的技術(shù)體系，探討了協(xié)同開采理念與現(xiàn)有采礦與環(huán)境關(guān)系協(xié)調(diào)理念的區(qū)別與聯(lián)系及可耦合性。

(2) 工程中需要結(jié)合具體情況進(jìn)行綜合性分析，多學(xué)科多層次地開展協(xié)同開采方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中采礦方法創(chuàng)新設(shè)計(jì)是核心。

(3) 協(xié)同開采作為一種新的采礦技術(shù)模式為復(fù)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(fā)展方向。

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