基于協(xié)同學(xué)的協(xié)同開采科學(xué)內(nèi)涵詮釋

陳慶發(fā) 黃 昊

(廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院,廣西 南寧 530004)

“協(xié)同開采”作為固定表述,最早可追溯至筆者2008年提出的“碎裂礦段開采與空區(qū)處理協(xié)同理念”[1]。2011年,筆者與周科平教授、古德生院士合作發(fā)表了《協(xié)同開采與采空區(qū)協(xié)同利用》[2]一文,正式給出了“協(xié)同開采”的定義。時至今日,“協(xié)同開采”已成為我國采礦工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)詞匯之一[3-5]。

對協(xié)同進(jìn)行研究,最早的是美國著名戰(zhàn)略管理學(xué)家安索夫(A.H.Ansoff)和德國斯圖加特大學(xué)理論物理學(xué)家哈肯(H.Haken)。安索夫在1965年出版的《公司戰(zhàn)略》中首次提出了協(xié)同的概念,主要從企業(yè)經(jīng)濟(jì)管理的角度對協(xié)同進(jìn)行了研究[6]。哈肯于1971年提出了協(xié)同的概念[7],1976年完成《協(xié)同學(xué)導(dǎo)論》[8],創(chuàng)立了協(xié)同學(xué),主要從自然科學(xué)的角度對協(xié)同進(jìn)行了研究。比較二位學(xué)者的研究,顯然哈肯的協(xié)同學(xué)對于工程類科學(xué)問題的研究更具有指導(dǎo)作用。

隨著協(xié)同開采理念的發(fā)展,雖然筆者專門撰文闡述了協(xié)同開采內(nèi)涵[9],但業(yè)內(nèi)對于協(xié)同開采內(nèi)涵的理解尚需深入;并且隨著我國占比較大的大量復(fù)雜難采礦體開采的技術(shù)需求不斷增大,亟需協(xié)同開采等新理論、新方法的指導(dǎo)。為此,本文基于哈肯協(xié)同學(xué)理論,系統(tǒng)詮釋協(xié)同開采的科學(xué)內(nèi)涵,厘清協(xié)同開采的基礎(chǔ)概念、前置條件、協(xié)同效應(yīng)、自組織過程等方面的深刻含義。

1 協(xié)同學(xué)基礎(chǔ)概念及其在協(xié)同開采中的含義詮釋

協(xié)同學(xué)是一門描述系統(tǒng)從無序到有序或從有序到有序轉(zhuǎn)變的條件和規(guī)律的科學(xué),其基礎(chǔ)概念主要有系統(tǒng)與子系統(tǒng)、有序與無序、序參量與控制參量、平衡相變與非平衡相變、競爭與協(xié)同等。

1.1 系統(tǒng)與子系統(tǒng)

協(xié)同學(xué)研究的對象為系統(tǒng),構(gòu)成系統(tǒng)下一層次的“物體”為子系統(tǒng)。協(xié)同學(xué)以統(tǒng)一的概念與方法處理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的共同之處及使他們變得復(fù)雜的原因是它們都被高維狀態(tài)空間所描述[10]。

協(xié)同學(xué)研究的系統(tǒng)與系統(tǒng)工程的系統(tǒng)有所區(qū)別:后者認(rèn)為“系統(tǒng)是具有特定功能的、相互間具有有機(jī)聯(lián)系的許多要素所構(gòu)成的一個整體”[11],更強(qiáng)調(diào)整體與要素之間的關(guān)系;協(xié)同學(xué)更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的組織狀態(tài)及子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用。此處的協(xié)同作用與子系統(tǒng)的性質(zhì)無關(guān),受相同原理所支配[12-13]。

協(xié)同開采所研究的系統(tǒng),是擬采礦床賦存有其他影響有序開采的因素或者伴隨有其他工程目的的礦山工程系統(tǒng)。它是一個開放系統(tǒng),與外界有能量流、物質(zhì)流和信息流的交換[14]。該系統(tǒng)有資源開采子系統(tǒng)、影響有序開采因素處理子系統(tǒng)或其他工程目的處理子系統(tǒng),即有兩個或兩個以上的子系統(tǒng)構(gòu)成。協(xié)同開采系統(tǒng)的協(xié)同,實(shí)質(zhì)是指構(gòu)成系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間的協(xié)同。

1.2 有序與無序

協(xié)同學(xué)中,當(dāng)系統(tǒng)具有一定規(guī)律性的結(jié)構(gòu)時,稱為有序;有結(jié)構(gòu)而無分布規(guī)律可循時,稱為無序。所謂“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”,是指構(gòu)成系統(tǒng)與大量子系統(tǒng)之間的組織狀態(tài)以及相互聯(lián)系的反映。宏觀上,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為有序結(jié)構(gòu)和無序結(jié)構(gòu),其中有序結(jié)構(gòu)又可分為空間結(jié)構(gòu)、時間結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)和時—空—功能結(jié)構(gòu)[15]。

系統(tǒng)協(xié)同的過程,體現(xiàn)在系統(tǒng)由無序到有序或有序到有序的動態(tài)轉(zhuǎn)變中。有序是系統(tǒng)協(xié)同過程中不可缺少的狀態(tài)。系統(tǒng)的有序,強(qiáng)調(diào)子系統(tǒng)之間的組織狀態(tài)與相互聯(lián)系有一定的規(guī)律可循,比人們一般理解的“有順序、有條理”有著更豐富的內(nèi)涵。

協(xié)同開采系統(tǒng)的有序,是指其各子系統(tǒng)(資源開采子系統(tǒng)、影響有序開采因素處理子系統(tǒng)或其他工程目的處理子系統(tǒng))之間通過競爭、自組織,相互協(xié)調(diào)配合,促使系統(tǒng)由無序轉(zhuǎn)向有序或由有序轉(zhuǎn)向新的有序。協(xié)同開采系統(tǒng)的無序,對應(yīng)的是各子系統(tǒng)之間的矛盾無法解決或者系統(tǒng)“有序”定態(tài)中再次出現(xiàn)混沌狀態(tài)。傳統(tǒng)礦山開采,主要體現(xiàn)的是“有順序、有條理”的采礦工藝(作業(yè))過程。從協(xié)同學(xué)的視角及觀點(diǎn)來看,傳統(tǒng)礦山開采在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上缺失或者忽視其他子系統(tǒng)。

1.3 序參量與控制參量

1.3.1 序參量

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)自組織時,表現(xiàn)出有序的集體運(yùn)動。宏觀上這種有序運(yùn)動的形式,稱為模式。描寫這種模式的宏觀參量,稱之為序參量[16]。哈肯從朗道的平衡相變理論中引入序參量,旨在描述系統(tǒng)在時間的進(jìn)程中會處于什么樣的有序狀態(tài),具有什么樣的有序結(jié)構(gòu)和性能,運(yùn)行于什么樣的模式之中,以什么模式存在和變化等。序參量支配著宏觀系統(tǒng)的有序狀態(tài)和結(jié)構(gòu)性能以及各子系統(tǒng)及其微觀參量的存在和行為。序參量是系統(tǒng)相變前后所發(fā)生質(zhì)的飛躍的最突出的標(biāo)志,表示著系統(tǒng)的有序結(jié)構(gòu)和類型,是所有子系統(tǒng)對協(xié)同運(yùn)動的貢獻(xiàn)總和,是子系統(tǒng)介入?yún)f(xié)同運(yùn)動程度的集中體現(xiàn)。協(xié)同學(xué)中,一般通過伺服原理中的絕熱消去法消去“穩(wěn)定模”和“快弛豫變量”,得到序參量方程,求解序參量。

復(fù)雜系統(tǒng)可通過子系統(tǒng)和序參量兩個層次來研究,比起研究所有的子系統(tǒng),通過序參量來研究系統(tǒng)整體則相對簡單[17]。通過序參量來研究系統(tǒng),一是研究序參量與其他參量之間的合作或聯(lián)合作用,二是研究序參量之間的合作或聯(lián)合作用。前者主要描述序參量從眾多參量中的產(chǎn)生及其役使其他參量的過程,后者主要指系統(tǒng)中有幾個序參量同時存在時,各個序參量之間相互役使、合作起來共同控制整個系統(tǒng)有序化的過程。協(xié)同開采系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)存在1個序參量,所有序參量構(gòu)成總序參量?？傂騾⒘繛殛P(guān)鍵核心技術(shù)集成模式,如圖1所示。如:資源開采子系統(tǒng)的序參量為采礦方法;影響有序開采因素處理子系統(tǒng)或其他工程目的處理子系統(tǒng)中的序參量,為和諧處理影響有序開采因素或?qū)崿F(xiàn)其他工程目的的“某種工程技術(shù)模式或某些工程技術(shù)集成模式”。

圖1 協(xié)同開采系統(tǒng)及其序參量Fig.1 Synergetic Mining system and its order parameter

1.3.2 控制參量

控制參量指控制系統(tǒng)發(fā)展的外參量[18]。系統(tǒng)有序化(無序到有序、有序到新的有序)過程中,首先需要環(huán)境提供能量流、信息流和物質(zhì)流作保證。即控制參量需要達(dá)到閾值時才能出現(xiàn)如下轉(zhuǎn)變:子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)和子系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)動,從均勢轉(zhuǎn)變到關(guān)聯(lián)占主導(dǎo)地位,此時系統(tǒng)中出現(xiàn)了由關(guān)聯(lián)所決定的子系統(tǒng)之間的協(xié)同運(yùn)動,出現(xiàn)了宏觀的結(jié)構(gòu)或類型[19]。

協(xié)同開采系統(tǒng)中,控制參量為人為因素及環(huán)境因素所提供的能量流、信息流和物質(zhì)流,即為和諧處理影響有序開采因素或?qū)崿F(xiàn)其他工程目的的某種或某些工程技術(shù)措施所需要提供的能量、物質(zhì)與信息。當(dāng)這些能量流、信息流和物質(zhì)流達(dá)到某個閾值時,協(xié)同開采系統(tǒng)內(nèi)部通過自組織產(chǎn)生相變,最終實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)有序化的轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)在資源開采的同時和諧處理相應(yīng)因素的不利影響或達(dá)到多種工程目的,從而取得雙贏或多贏的工程效果。

1.4 平衡相變與非平衡相變

人們把物質(zhì)所處的不同結(jié)構(gòu)或狀態(tài)稱為不同的相。在一定條件下,系統(tǒng)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的現(xiàn)象稱為相變。平衡相變在平衡系統(tǒng)中發(fā)生,非平衡相變在遠(yuǎn)離平衡的系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生[20]。

平衡相變的特點(diǎn)是它研究的系統(tǒng)是一個與外界沒有接觸的,處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的孤立系統(tǒng),與外界沒有能量、物質(zhì)與信息的交換。非平衡相變除了研究的是一個開放系統(tǒng)(與外界有能量流、物質(zhì)流和信息流的交換)外,還具有以下主要特點(diǎn):①控制參量達(dá)到閾值后,非平衡相變的突然發(fā)生是一種臨界現(xiàn)象;②系統(tǒng)新態(tài)具有更為豐富的時空功能結(jié)構(gòu);③系統(tǒng)新態(tài)需要外界提供能量流、物質(zhì)流、信息流來保證;④系統(tǒng)新態(tài)具有一定的穩(wěn)定性,不會因?yàn)橥饨鐥l件的微小改變而消失。

發(fā)生在協(xié)同開采系統(tǒng)內(nèi)的相變是非平衡相變。協(xié)同開采系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)從無序到有序的相變轉(zhuǎn)變過程中,首先需要控制參量達(dá)到閾值,其次還需要外界提供能量流、物質(zhì)流、信息流保證其有序的定態(tài),最后形成的有序開采系統(tǒng)具有更為豐富和穩(wěn)定的時空功能結(jié)構(gòu)。

1.5 競爭與協(xié)同

1.5.1 競 爭

競爭是指競爭主體為最大限度地獲取所需的資源或取得支配地位,以一種相互排斥、相互爭勝、優(yōu)勝劣汰的行為獲取最終的結(jié)果。競爭包含著矛盾與沖突,沖突是矛盾的尖銳化和表面化體現(xiàn)[21]。

競爭也是協(xié)同學(xué)的核心觀點(diǎn)。競爭促進(jìn)發(fā)展,協(xié)同形成結(jié)構(gòu),是協(xié)同系統(tǒng)相變過程中的普遍規(guī)律。因?yàn)榇嬖诟偁庍@種內(nèi)在驅(qū)動力,系統(tǒng)才能在競爭的前提條件下進(jìn)行協(xié)同。因?yàn)榇嬖诟偁?才能使系統(tǒng)間產(chǎn)生雙贏或多贏的局面。系統(tǒng)協(xié)同的前提,是系統(tǒng)內(nèi)的各子系統(tǒng)之間要有競爭關(guān)系。

協(xié)同開采系統(tǒng)中的競爭主要表現(xiàn)在其子系統(tǒng)之間。如一方面,礦山需要進(jìn)行安全、高效、有序地開采;另一方面,影響有序開采的因素和其他工程目的又約束著礦山安全、高效、有序開采。

1.5.2 協(xié) 同

“協(xié)同(Synergy)”一詞最早來源于古希臘[22],協(xié)同是指在序參量支配下子系統(tǒng)統(tǒng)一步調(diào)的運(yùn)動過程。這個運(yùn)動過程主要體現(xiàn)在當(dāng)控制參量變化時,系統(tǒng)出現(xiàn)的相變及有序化。哈肯將協(xié)同定義為“系統(tǒng)的各部分之間互相協(xié)作,使整個系統(tǒng)形成微觀個體層次所不存在的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和特征”。也可解釋為系統(tǒng)中諸多子系統(tǒng)相互協(xié)同、合作或同步的聯(lián)合作用和集體行為[23]。

協(xié)同系統(tǒng)中各部分之間的互相協(xié)作關(guān)系如圖2所示。

圖2 協(xié)同系統(tǒng)中各部分之間的相互協(xié)作關(guān)系Fig.2 Mutual collaboration relationship among components of a synergetic system

協(xié)同有兩層含義:一是指子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)合作產(chǎn)生宏觀的有序結(jié)構(gòu);二是指序參量之間的協(xié)調(diào)合作決定著系統(tǒng)的有序結(jié)構(gòu)。第一層含義主要體現(xiàn)協(xié)同的宏觀現(xiàn)象,強(qiáng)調(diào)子系統(tǒng)及其協(xié)調(diào)合作使系統(tǒng)最終產(chǎn)生了宏觀有序結(jié)構(gòu),即控制參量達(dá)到閾值時,子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)和子系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)動從均勢轉(zhuǎn)變到關(guān)聯(lián)占主導(dǎo)地位,由此出現(xiàn)子系統(tǒng)之間的協(xié)同運(yùn)動,形成宏觀有序結(jié)構(gòu)。第二層含義主要體現(xiàn)協(xié)同的具體過程,強(qiáng)調(diào)序參量及微觀組態(tài),即有時系統(tǒng)中有幾個序參量同時存在,每個序參量都包含著一組微觀組態(tài),每個微觀組態(tài)都對應(yīng)著一定的宏觀結(jié)構(gòu),每個序參量都企圖獨(dú)自主宰系統(tǒng),但彼此因處于均勢狀態(tài)而相互妥協(xié)協(xié)同一致共同控制系統(tǒng),進(jìn)而決定系統(tǒng)的宏觀結(jié)構(gòu)[24]。

協(xié)同開采中的“協(xié)同”也存在著如下兩種含義:

(1)從宏觀現(xiàn)象來看,協(xié)同開采子系統(tǒng)協(xié)調(diào)合作產(chǎn)生了協(xié)同開采系統(tǒng)的有序結(jié)構(gòu),即在實(shí)現(xiàn)資源開采的同時能和諧處理相應(yīng)因素的不利影響或在資源開采的同時能達(dá)到多種工程目的。

(2)從具體過程來看,協(xié)同開采子系統(tǒng)的序參量(采礦方法、為和諧處理影響有序開采的因素或?qū)崿F(xiàn)其他工程目的的某種工程技術(shù)模式或某些工程技術(shù)集成模式)之間產(chǎn)生合作或聯(lián)合作用,它們合作起來一起控制著協(xié)同開采系統(tǒng),協(xié)同開采有序的宏觀結(jié)構(gòu)便在這些序參量的相互合作、役使中共同確定。

系統(tǒng)及其要素(控制參量、子系統(tǒng)、漲落、序參量、其他參量)在協(xié)同過程中的變化過程見圖3。

圖3 系統(tǒng)及其要素在協(xié)同過程中的變化過程Fig.3 Change process of system and its elements in synergy process

2 協(xié)同開采與開采活動前置條件的關(guān)系分析

“協(xié)同開采”的定義歷經(jīng)2次修改。文獻(xiàn)[9]給出最新修訂后的定義,即:“協(xié)同開采”指擬采礦床賦存有其他影響有序開采的因素(如產(chǎn)狀、裂隙環(huán)境、空區(qū)隱患、水災(zāi)隱患等)時或者伴隨有其他工程目的(如同步開采地下水、地?zé)岬茸匀毁Y源,同時降低某種開采損害的程度、強(qiáng)化圍巖的支護(hù)等),通過采取某種或某些工程技術(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)資源開采的同時和諧處理相應(yīng)因素的不利影響,或者在實(shí)現(xiàn)資源開采的同時達(dá)到多種工程目的,從而取得雙贏或多贏的工程效果。

協(xié)同開采要解決的開采技術(shù)難題,往往根源于礦床地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)條件、其他開采技術(shù)條件或特殊工程條件中的一些基礎(chǔ)性因素。為全面闡述影響開采活動的條件及基礎(chǔ)性因素,筆者在研讀大量專業(yè)資料的基礎(chǔ)上,提出了“開采活動前置條件”表述,包括了開采技術(shù)條件和特殊工程條件,其結(jié)構(gòu)關(guān)系與基礎(chǔ)性因素位置如圖4所示。

圖4 開采活動前置條件知識體系Fig.4 Know ledge system of pre-conditions for mining activities

開采技術(shù)條件主要為影響開采活動的自然技術(shù)條件,包括礦床地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)條件和其他開采技術(shù)條件等[25]。

特殊工程條件主要為影響開采活動的人為工程條件,包括“三下一上(建筑物下、鐵路公路等線性構(gòu)筑物下、水體下和承壓水體上)”開采條件[26]、既有工程技術(shù)條件、其他需要保護(hù)及防護(hù)的工程條件[27]等。

開采活動前置條件中某一個或一個以上基礎(chǔ)性因素的復(fù)雜,將導(dǎo)致礦山無法按照常規(guī)開采順序進(jìn)行或按常規(guī)開采順序進(jìn)行出現(xiàn)較為嚴(yán)重的技術(shù)或經(jīng)濟(jì)后果,技術(shù)難題解決的方向?qū)?yīng)擬開發(fā)的協(xié)同開采技術(shù)模式。如:礦床地質(zhì)條件中的礦體產(chǎn)狀因素復(fù)雜,將干擾正常的開采順序或者按常規(guī)開采順序無法進(jìn)行下去,可開發(fā)出“產(chǎn)狀復(fù)雜礦體分區(qū)協(xié)同開采技術(shù)”;煤與瓦斯為異質(zhì)共采資源,可開發(fā)出煤與瓦斯協(xié)同開采技術(shù)。

3 協(xié)同效應(yīng)及其在協(xié)同開采系統(tǒng)中的內(nèi)涵闡釋

3.1 協(xié)同效應(yīng)內(nèi)涵

協(xié)同效應(yīng)是指在一個復(fù)雜的、開放的系統(tǒng)中,子系統(tǒng)之間發(fā)生協(xié)同作用時而出現(xiàn)的最終結(jié)果,這也是系統(tǒng)有序狀態(tài)得以產(chǎn)生的內(nèi)在驅(qū)動力。系統(tǒng)發(fā)展到臨界狀態(tài)時,不同子系統(tǒng)間的相互作用則產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),促使系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)變,引導(dǎo)系統(tǒng)從無序走向有序、從不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)變?yōu)榉€(wěn)定結(jié)構(gòu)[28]。

3.2 整體效應(yīng)與協(xié)同效應(yīng)比較

整體效應(yīng)在系統(tǒng)工程中提及較多,系統(tǒng)理論最重要的觀點(diǎn)就是整體效應(yīng)。整體效應(yīng)是系統(tǒng)的綜合性、整體性。根據(jù)系統(tǒng)功能的“非加和性原理”,整體效應(yīng)可能是整體大于、等于或小于部分之和[29]。

整體效應(yīng)與協(xié)同效應(yīng)的主要區(qū)別在于:

(1)整體效應(yīng)多強(qiáng)調(diào)結(jié)果,這種結(jié)果主要體現(xiàn)在整體與要素所產(chǎn)“效應(yīng)”的差值上;協(xié)同效應(yīng)既強(qiáng)調(diào)結(jié)果又強(qiáng)調(diào)過程,即在結(jié)果上強(qiáng)調(diào)高度有序(使整個系統(tǒng)形成微觀個體層次所不存在的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和特征),又在過程中強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)間的一系列動態(tài)變化。

(2)整體效應(yīng)由要素之間的單純合作產(chǎn)生;協(xié)同效應(yīng)在系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的競爭與合作、合作與競爭中產(chǎn)生。

(3)整體效應(yīng)在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生;協(xié)同效應(yīng)不僅在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生,還在系統(tǒng)內(nèi)部與外部環(huán)境的共同作用下產(chǎn)生(系統(tǒng)內(nèi)部與外部之間物質(zhì)、能量與信息的交換)。

(4)整體效應(yīng)主要由各要素間的組合、整合所產(chǎn)生。組合、整合意指將兩個或兩個以上的要素集合成為一個整體,目的在于更大程度地提高整體的功能,多屬于他組織的范疇;協(xié)同效應(yīng)由系統(tǒng)中各部分之間的高層次合作產(chǎn)生[30],具有動態(tài)性和發(fā)展性,既涉及他組織范疇,又涉及自組織范疇[31]。

3.3 協(xié)同開采系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)內(nèi)涵

3.3.1 從其產(chǎn)生的結(jié)果來看

協(xié)同開采系統(tǒng)“通過各子系統(tǒng)之間相互協(xié)作,最終形成微觀個體層次所不存在的新質(zhì)的結(jié)構(gòu)與特征”。如協(xié)同開采系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式能夠同時開采資源、處理影響有序開采的因素或處理其他工程目的,這種關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式是每個子系統(tǒng)中所不單獨(dú)存在的。

3.3.2 從其產(chǎn)生的過程來看

首先,基于其子系統(tǒng)之間固有的競爭(如資源開采與影響有序開采因素處理的競爭,資源開采與其他工程目的處理之間的競爭),這種競爭非人為將兩個子系統(tǒng)拼湊所產(chǎn)生,而是其固有的、內(nèi)生的。協(xié)同開采系統(tǒng)中這種內(nèi)生的競爭是其產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的前提條件。

其次,基于子系統(tǒng)的序參量之間的相互競爭、役使與合作(如采礦方法、某種工程技術(shù)模式或某些工程技術(shù)集成模式在相互矛盾、顧此失彼的狀態(tài)下產(chǎn)生役使與合作、相互制約,最終構(gòu)成一個每個子系統(tǒng)都不單獨(dú)具有的、全新的協(xié)同開采關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式)。協(xié)同開采系統(tǒng)中子系統(tǒng)序參量之間的競爭、役使與合作是其產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的必要途徑。

然后,協(xié)同開采系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)是在系統(tǒng)內(nèi)部與外部環(huán)境之間共同作用下產(chǎn)生的,協(xié)同開采系統(tǒng)與外部環(huán)境時刻發(fā)生著物質(zhì)、能量與信息的交換,其中包括人為為其提供的物質(zhì)能量與信息,還包括非人為提供的如圍巖、水體等物質(zhì),地應(yīng)力、重力等能量、生物信號等信息。這是協(xié)同開采系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的必要手段。

最后,協(xié)同開采系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)主要由系統(tǒng)內(nèi)的自組織產(chǎn)生,這種自組織下的協(xié)同效應(yīng)并非僅僅取決于人為主觀意愿,而是將人為因素視為協(xié)同開采系統(tǒng)的一部分,運(yùn)用對所有系統(tǒng)都具有普適性自組織理論,在客觀規(guī)律下產(chǎn)生的。這是協(xié)同開采系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。

4 協(xié)同開采系統(tǒng)的自組織過程探討

4.1 協(xié)同學(xué)中的自組織概念

自組織理論是協(xié)同學(xué)的核心理論之一,協(xié)同學(xué)的目的是揭示開放復(fù)雜系統(tǒng)中自組織的基本原理[32-33]。哈肯將自組織定義為:如果系統(tǒng)在獲得空間的、時間的或功能的結(jié)構(gòu)過程中,沒有外界的特定干預(yù),系統(tǒng)便是自組織的。這里的“特定”一詞是指,那種結(jié)構(gòu)和功能并非外界強(qiáng)加給系統(tǒng)的,而且外界是以非特定的方式作用于系統(tǒng)[34]。

4.2 自組織在協(xié)同開采系統(tǒng)中的適用性

一些理解認(rèn)為,自組織應(yīng)該是在完全沒有人為干預(yù)的情況下的系統(tǒng)自我組織,其實(shí)不然,理由如下:

(1)協(xié)同學(xué)是對所有復(fù)雜系統(tǒng)所遵從的普遍規(guī)律的探索與研究,這里的復(fù)雜系統(tǒng)包含了物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)等自然科學(xué)及經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué)等社會科學(xué)中的各種系統(tǒng),其中既有完全沒有人為干預(yù)的系統(tǒng),也有包含了人為因素在內(nèi)的系統(tǒng)。協(xié)同開采系統(tǒng)就是有人為因素參與的系統(tǒng),同樣遵從著協(xié)同學(xué)所研究的復(fù)雜系統(tǒng)所遵循的普遍規(guī)律。即人造系統(tǒng)或非人造系統(tǒng)的自組織都是協(xié)同學(xué)自組織研究的對象。

(2)在協(xié)同學(xué)研究的系統(tǒng)中,本身就包含了人為因素在內(nèi)的系統(tǒng)往往將人為因素視為系統(tǒng)本身的一部分,其中人為因素對系統(tǒng)產(chǎn)生的各種作用也是系統(tǒng)自組織的結(jié)果。

(3)哈肯對自組織的定義“如果系統(tǒng)在獲得空間的、時間的或功能的結(jié)構(gòu)過程中,沒有外界的特定干預(yù),系統(tǒng)便是自組織的”中的“外界”并非僅指人為干預(yù)。研究不同的系統(tǒng)時,“外界”的范圍也不同,如在研究生物化學(xué)反應(yīng)等系統(tǒng)時,人為因素的干預(yù)作為外界干預(yù),但在研究協(xié)同開采系統(tǒng)時,人為因素帶來的能量流、信息流、物質(zhì)流等本身就是協(xié)同開采系統(tǒng)中的一部分,并非屬于系統(tǒng)外界的干預(yù)。

(4)協(xié)同開采系統(tǒng)在獲得有序結(jié)構(gòu)時并不是外界強(qiáng)加給系統(tǒng)的,而是在開采活動前置條件與人為適當(dāng)?shù)募s束下自發(fā)形成的,這種約束是通過對開采活動前置條件與相應(yīng)技術(shù)措施的適切匹配,在協(xié)同學(xué)研究的對復(fù)雜系統(tǒng)所遵從的普遍規(guī)律的指導(dǎo)下對系統(tǒng)的控制參量(人為因素及環(huán)境因素為開采系統(tǒng)提供的能量流、信息流和物質(zhì)流)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤⒄{(diào)整,在達(dá)到其自組織現(xiàn)象產(chǎn)生的閾值時實(shí)現(xiàn)有序開采,并在這種自組織的形成過程中形成序參量,序參量也反過來役使控制自組織,最終實(shí)現(xiàn)有序開采。綜上所述,協(xié)同學(xué)中的自組織理論在協(xié)同開采系統(tǒng)中是適用的。

4.3 協(xié)同開采系統(tǒng)的自組織過程

自組織過程是一個復(fù)雜系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的相互作用引起模式、結(jié)構(gòu)或功能自發(fā)出現(xiàn)的有序化過程[35]。當(dāng)一定的條件使得序參量原來所處的穩(wěn)定平衡位置變成非穩(wěn)定時,在漲落(無規(guī)力、隨機(jī)力)作用下,序參量由非穩(wěn)定位置過渡到新的穩(wěn)定平衡位置,而系統(tǒng)的其他微觀參量緊跟序參量變化,形成系統(tǒng)的自組織活動。協(xié)同開采系統(tǒng)中的自組織過程可進(jìn)行如下分析:

(1)由于開采活動前置條件中一個或一個以上基礎(chǔ)性因素的復(fù)雜性,在協(xié)同開采關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式未形成之前或協(xié)同開采系統(tǒng)由穩(wěn)定狀態(tài)再次失穩(wěn),導(dǎo)致協(xié)同開采系統(tǒng)的序參量不存在或者處于非穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)協(xié)同開采系統(tǒng)的控制參量達(dá)到閾值(如通過在協(xié)同學(xué)所研究的對復(fù)雜系統(tǒng)都遵從的普遍規(guī)律的指導(dǎo)下,對協(xié)同開采過程中的某種或某些工程技術(shù)措施需要的能量流、物質(zhì)流與信息流進(jìn)行創(chuàng)新、控制、調(diào)整)。

(3)在漲落(無規(guī)力,隨機(jī)力)作用下,協(xié)同開采系統(tǒng)從非穩(wěn)定位置過渡到新的穩(wěn)定平衡位置(如能克服開采活動前置條件復(fù)雜性的協(xié)同開采技術(shù)的產(chǎn)生),且在此過程中形成序參量(如協(xié)同開采關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式)。

(4)開采系統(tǒng)中其他微觀參量緊隨序參量運(yùn)動變化(如協(xié)同采礦方法及相應(yīng)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、采場回采工作隨同協(xié)同開采核心技術(shù)模式而運(yùn)動變化,以適應(yīng)系統(tǒng)的有序開采模式),表現(xiàn)出資源開采與復(fù)雜開采活動前置條件之間矛盾的有序化解,最終實(shí)現(xiàn)在資源開采的同時和諧處理相應(yīng)因素的不利影響或者在實(shí)現(xiàn)資源開采的同時達(dá)到多種工程目的,達(dá)到一種宏觀有序狀態(tài),形成協(xié)同開采系統(tǒng)的自組織活動。

5 結(jié) 論

(1)協(xié)同開采系統(tǒng)由資源開采子系統(tǒng)、影響有序開采因素處理子系統(tǒng)或其他工程目的處理子系統(tǒng)中兩個或兩個以上的子系統(tǒng)構(gòu)成。協(xié)同開采系統(tǒng)的總序參量為協(xié)同開采關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式,其子系統(tǒng)對應(yīng)的序參量分別為采礦方法和某種工程技術(shù)模式或某些工程技術(shù)集成模式。協(xié)同開采系統(tǒng)的控制參量為人為及環(huán)境因素提供的能量流、信息流和物質(zhì)流。協(xié)同開采系統(tǒng)中的協(xié)同有“子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)合作產(chǎn)生宏觀的有序結(jié)構(gòu)”和“序參量之間的協(xié)調(diào)合作決定著系統(tǒng)的有序結(jié)構(gòu)”兩層含義。

(2)提出了“開采活動前置條件”表述,分析認(rèn)為開采活動前置條件中某一個或一個以上基礎(chǔ)性因素的復(fù)雜性對應(yīng)擬開發(fā)的協(xié)同開采技術(shù)模式。

(3)協(xié)同開采系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)內(nèi)涵包含兩部分:一是在其產(chǎn)生結(jié)果上所表現(xiàn)的“最終形成微觀個體層次所不存在的新質(zhì)的結(jié)構(gòu)與特征”;二是在其產(chǎn)生過程中所表現(xiàn)的“子系統(tǒng)與序參量的競爭、役使與協(xié)作”“系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境的共同作用”和“系統(tǒng)內(nèi)的自組織過程”。

(4)論證了自組織理論在協(xié)同開采系統(tǒng)中的適用性,探討了協(xié)同開采系統(tǒng)中的自組織過程。