協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的核心模塊與一般開(kāi)發(fā)流程

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)

隨著易采資源的消耗殆盡,那些開(kāi)采難度大、隱患多、工程目標(biāo)復(fù)雜的難采資源逐步受到人們的重視[1]。為滿(mǎn)足這部分復(fù)雜難采資源的開(kāi)采需求,“協(xié)同開(kāi)采”理念應(yīng)時(shí)而生[2]。在該理念提出后的10余年內(nèi),協(xié)同開(kāi)采理論研究與技術(shù)實(shí)踐取得了長(zhǎng)足進(jìn)步[3-11];與此同時(shí),“協(xié)同開(kāi)采”一詞也逐漸成為采礦學(xué)者研究的一個(gè)熱點(diǎn)詞匯[12]。如今,“協(xié)同開(kāi)采”作為專(zhuān)業(yè)詞匯逐漸被業(yè)內(nèi)廣為認(rèn)同。

僅就協(xié)同開(kāi)采技術(shù)而言,雖然國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者做了大量原創(chuàng)性開(kāi)發(fā)工作;但從協(xié)同學(xué)的角度來(lái)看,一些技術(shù)還存在著協(xié)同內(nèi)涵欠缺、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不清、開(kāi)發(fā)流程不暢等不足。這些不足不僅影響了當(dāng)下復(fù)雜工程難題的有效解決,而且也使得部分從業(yè)人員不能全面認(rèn)知協(xié)同開(kāi)采技術(shù)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,也影響了協(xié)同開(kāi)采技術(shù)模式的深入發(fā)展。

本研究通過(guò)分析協(xié)同學(xué)基本原理對(duì)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的指導(dǎo)作用,探討協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的核心模塊與一般開(kāi)發(fā)流程,為從業(yè)人員開(kāi)展協(xié)同開(kāi)采技術(shù)開(kāi)發(fā)提供一個(gè)范式參考,以期促進(jìn)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)模式的規(guī)范化、系統(tǒng)化發(fā)展。

1 協(xié)同學(xué)原理對(duì)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的指導(dǎo)作用分析

協(xié)同學(xué)指出,各種由不同性質(zhì)子系統(tǒng)組成的系統(tǒng),其在通過(guò)自組織形成空間、時(shí)間或功能結(jié)構(gòu)過(guò)程中受到相同原理的支配[13-14]。這些原理主要包括不穩(wěn)定性原理、協(xié)同效應(yīng)原理、漲落原理、序參量原理、伺服原理和自組織原理。它們對(duì)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的指導(dǎo)作用本研究將進(jìn)行闡釋。

1.1 不穩(wěn)定性原理

不穩(wěn)定性原理是指:隨著控制參量的連續(xù)變化,系統(tǒng)將經(jīng)歷一系列的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致一系列性質(zhì)不同的新舊模式的演替,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷一個(gè)由簡(jiǎn)單到越來(lái)越復(fù)雜的演化過(guò)程,不穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)的演化具有積極的建設(shè)性作用[15]。

協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)擬呈現(xiàn)出新的有序結(jié)構(gòu),需把握系統(tǒng)中的不穩(wěn)定性,其不穩(wěn)定性由復(fù)雜的開(kāi)采活動(dòng)前置條件與開(kāi)采活動(dòng)的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生。因此,在進(jìn)行協(xié)同開(kāi)采技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí),需率先對(duì)開(kāi)采系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)與不穩(wěn)定性進(jìn)行分析。也就是說(shuō),這種競(jìng)爭(zhēng)與不穩(wěn)定性即為協(xié)同開(kāi)采技術(shù)開(kāi)發(fā)的前提條件。

1.2 協(xié)同效應(yīng)原理

系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)是子系統(tǒng)之間發(fā)生協(xié)同作用而產(chǎn)生的最終結(jié)果。協(xié)同效應(yīng)原理是指:系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)是在復(fù)雜系統(tǒng)中普遍存在的自組織能力、內(nèi)部作用力下形成的,系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)是系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[16-17]。

系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)的表述,偏向于宏觀現(xiàn)象;如從具體過(guò)程來(lái)看,協(xié)同效應(yīng)則由序參量、控制參量、子系統(tǒng)等諸多系統(tǒng)要素共同產(chǎn)生。在開(kāi)展具體的協(xié)同開(kāi)采技術(shù)開(kāi)發(fā)活動(dòng)時(shí),需在厘清協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上探討協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用。

1.3 漲落原理

漲落是指子系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)及其之間可能產(chǎn)生的局部耦合,加上環(huán)境條件的隨機(jī)波動(dòng),導(dǎo)致系統(tǒng)宏觀量的瞬時(shí)值偏離平均值的起伏現(xiàn)象。漲落原理指的是:系統(tǒng)中絕大多數(shù)的漲落幅度很小且衰減很快,得不到子系統(tǒng)的響應(yīng),可以被忽略;而小部分漲落則能得到大多數(shù)子系統(tǒng)的響應(yīng),能由局部波及系統(tǒng),得到放大,成為推動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入有序狀態(tài)的巨漲落,這種巨漲落的過(guò)程伴隨著序參量的產(chǎn)生[18-20]。

在協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中,漲落為子系統(tǒng)及環(huán)境條件的隨機(jī)波動(dòng)導(dǎo)致開(kāi)采系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩的現(xiàn)象。人為因素作為協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中環(huán)境條件的重要組成部分,應(yīng)盡量創(chuàng)造能引起子系統(tǒng)響應(yīng)的漲落(即創(chuàng)造能促進(jìn)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)、合作或同步的漲落),以致巨漲落及序參量產(chǎn)生,進(jìn)而促進(jìn)系統(tǒng)有序化的形成。協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有序后,漲落仍然存在,當(dāng)系統(tǒng)再次面臨失穩(wěn)時(shí),仍可通過(guò)利用其原理促使系統(tǒng)產(chǎn)生新的有序。

1.4 序參量原理

序參量原理是指:當(dāng)系統(tǒng)演化至臨界點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)內(nèi)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(chēng)為序參量),因數(shù)量少、衰減速度慢,引導(dǎo)并決定著系統(tǒng)狀態(tài)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(fù)雜系統(tǒng)的宏觀行為的宏觀參量;②序參量是子系統(tǒng)集體運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物,是協(xié)同效應(yīng)的表征和度量;③序參量支配子系統(tǒng)的行為,主宰著系統(tǒng)演化過(guò)程。協(xié)同學(xué)明確指出,比起研究所有的子系統(tǒng),通過(guò)序參量來(lái)研究系統(tǒng)整體則更為簡(jiǎn)單[22]。

協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中,通過(guò)能夠指示新結(jié)構(gòu)形成的序參量來(lái)研究系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。應(yīng)根據(jù)序參量特征,研究子系統(tǒng)序參量的產(chǎn)生、總序參量的形成,進(jìn)而研究系統(tǒng)有序化的推進(jìn)。

1.5 伺服原理

伺服原理指的是序參量對(duì)其他參變量的役使作用[23]。其核心思想是指在系統(tǒng)的演進(jìn)過(guò)程中,其余變量服從于序參量,序參量一旦形成,則對(duì)其他參量產(chǎn)生役使作用,此時(shí)序參量對(duì)系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)大于其他參量。

協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中,當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到臨界值時(shí),子系統(tǒng)序參量對(duì)系統(tǒng)的有序演進(jìn)起主導(dǎo)作用,此時(shí)可以忽略其他參量對(duì)系統(tǒng)的影響。在開(kāi)發(fā)具體的協(xié)同開(kāi)采技術(shù)時(shí),需從各子系統(tǒng)序參量的宏觀角度出發(fā)推進(jìn)系統(tǒng)的全局有序,而非從其他參量入手進(jìn)行的系統(tǒng)內(nèi)微觀局部?jī)?yōu)化。

1.6 自組織原理

自組織原理是指系統(tǒng)在沒(méi)有外部指令的條件下,內(nèi)部子系統(tǒng)通過(guò)吸收一定的外部能量流、信息流和物質(zhì)流,在競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同作用中由非平衡態(tài)轉(zhuǎn)為相對(duì)平衡態(tài),自動(dòng)形成新的時(shí)間、空間或功能有序結(jié)構(gòu)[24]。

自組織原理指出,子系統(tǒng)發(fā)生協(xié)同作用的前提需要控制參量(能量流、信息流、物質(zhì)流等)達(dá)到閾值。在協(xié)同開(kāi)采技術(shù)開(kāi)發(fā)活動(dòng)中,應(yīng)在明確控制參量及其閾值的前提下探討子系統(tǒng)間的協(xié)同作用。

2 協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的核心模塊分析及其內(nèi)涵詮釋

綜合前述協(xié)同學(xué)原理對(duì)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的指導(dǎo)作用分析,可歸納得到協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的三句核心闡述,即:競(jìng)爭(zhēng)與不穩(wěn)定性是開(kāi)展協(xié)同開(kāi)采技術(shù)開(kāi)發(fā)的前提,系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)是協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的組織載體,協(xié)同作用是維持系統(tǒng)有序運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)力。由此可見(jiàn),“競(jìng)爭(zhēng)與不穩(wěn)定性”“系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)”“協(xié)同作用”構(gòu)成協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的三大核心模塊。這三大模塊在協(xié)同開(kāi)采技術(shù)中占據(jù)核心地位,是協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的關(guān)鍵組成部分,是開(kāi)發(fā)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)不可或缺的基本環(huán)節(jié)。

2.1 競(jìng)爭(zhēng)與不穩(wěn)定性

“競(jìng)爭(zhēng)與不穩(wěn)定性”是開(kāi)發(fā)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的前提,其中競(jìng)爭(zhēng)包含著矛盾與沖突,沖突是矛盾的尖銳化和表面化;“不穩(wěn)定性”由子系統(tǒng)之間的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生。

“競(jìng)爭(zhēng)與不穩(wěn)定性”根源于開(kāi)采活動(dòng)前置條件中基礎(chǔ)性因素的復(fù)雜性[5]。開(kāi)采活動(dòng)前置條件囊括了影響開(kāi)采活動(dòng)的開(kāi)采技術(shù)條件[25-29]及特殊工程條件[30-33],其復(fù)雜性如:礦體賦存深度大、地下水豐富、地層構(gòu)造發(fā)育、有害物質(zhì)含量多、有可共采資源、有建筑群需要保護(hù)、有采空區(qū)需要防護(hù)等。

這些復(fù)雜性使得上述子系統(tǒng)之間產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)(矛盾與沖突),致使開(kāi)采系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定性,進(jìn)而引起漲落及序參量的出現(xiàn)。如當(dāng)?shù)V體賦存深度較大時(shí),資源開(kāi)采子系統(tǒng)與高地應(yīng)力控制子系統(tǒng)之間產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)(矛盾與沖突),開(kāi)采系統(tǒng)出現(xiàn)“三高一擾動(dòng)”、力學(xué)特性轉(zhuǎn)化、礦井亟需轉(zhuǎn)型、災(zāi)害事故易發(fā)[34]等不穩(wěn)定性,為使開(kāi)采系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定有序狀態(tài),新的采礦方法及某種或某些工程技術(shù)集成模式相繼出現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)要素與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別是開(kāi)采系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同作用的組織者和承載體,弄清協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)的要素及結(jié)構(gòu)是協(xié)同開(kāi)采技術(shù)開(kāi)發(fā)的重要一環(huán)。從協(xié)同學(xué)角度看,系統(tǒng)要素主要有子系統(tǒng)、序參量、控制參量、其他參量等;其中子系統(tǒng)是系統(tǒng)內(nèi)最重要的要素,序參量是系統(tǒng)內(nèi)最重要的參量。協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)Fig.1 Elements and structure of Synergetic Mining system

由圖1可知:協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)由資源開(kāi)采子系統(tǒng)、影響有序開(kāi)采因素處理子系統(tǒng)或其他工程目標(biāo)處理子系統(tǒng)組成。常規(guī)資源開(kāi)采子系統(tǒng)主要包括露天開(kāi)采系統(tǒng)、地下開(kāi)采系統(tǒng)、露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采系統(tǒng)。根據(jù)開(kāi)采活動(dòng)前置條件,影響有序開(kāi)采因素處理子系統(tǒng)或其他工程目標(biāo)處理子系統(tǒng)主要包括復(fù)雜開(kāi)采技術(shù)條件基礎(chǔ)性因素處理系統(tǒng)及復(fù)雜特殊工程條件基礎(chǔ)性因素處理系統(tǒng)。

總序參量為協(xié)同開(kāi)采關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式,子系統(tǒng)序參量為采礦方法、某種或某些工程技術(shù)集成模式。采礦方法包含的其他參量為露天開(kāi)采中的“穿爆采運(yùn)排”工作及地下開(kāi)采中的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)、采準(zhǔn)、切割、回采工作。某種或某些工程技術(shù)集成模式包含的其他參量主要有巖層控制技術(shù)、異質(zhì)共采技術(shù)等。控制參量隨外部環(huán)境(如材料、設(shè)計(jì)、施工等)變化并以能量流、信息流、物質(zhì)流作用于系統(tǒng),其達(dá)到閾值后,子系統(tǒng)序參量共同合作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有序化。

2.3 協(xié)同作用

基于前述分析,就協(xié)同作用來(lái)說(shuō),可得到如下論斷:①子系統(tǒng)間產(chǎn)生協(xié)同作用的前提為控制參量達(dá)到閾值;②研究子系統(tǒng)協(xié)同作用的著手點(diǎn)是序參量;③序參量產(chǎn)生的關(guān)鍵是盡量制造能引起子系統(tǒng)協(xié)調(diào)、合作或同步的巨漲落。由此,可將協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中的協(xié)同作用分為以下3項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。

2.3.1 控制參量達(dá)到閾值

控制參量達(dá)到閾值作為系統(tǒng)產(chǎn)生有序結(jié)構(gòu)的先決條件,在協(xié)同開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用中占有至關(guān)重要的作用。協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)作為一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng),在不斷與外界發(fā)生能量、信息、物質(zhì)交換的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)有序化?？刂茀⒘縿t是對(duì)這種能量、信息、物質(zhì)的綜合表達(dá),其閾值則是系統(tǒng)產(chǎn)生新結(jié)構(gòu)的臨界點(diǎn)或臨界范圍。只有正確把握了某種協(xié)同開(kāi)采技術(shù)模式的控制參量并求出了其閾值(或者閾值范圍),協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)才有可能產(chǎn)生宏觀有序的新結(jié)構(gòu)。

不同的協(xié)同開(kāi)采技術(shù)模式具有不同的控制參量,比如,在產(chǎn)狀復(fù)雜礦體分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)中,礦體復(fù)雜形態(tài)與分區(qū)技術(shù)作為一種信息流在系統(tǒng)與外界間交換,此時(shí)的控制參量則是分區(qū)界限,閾值則是通過(guò)對(duì)復(fù)雜礦體形態(tài)、采礦方法實(shí)施條件等的綜合考慮后,結(jié)合其他手段而確定得出的合理分區(qū)界限,在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出各分區(qū)適配開(kāi)采技術(shù),其整個(gè)系統(tǒng)的有序開(kāi)采新結(jié)構(gòu)便得以形成。在協(xié)同開(kāi)采技術(shù)工程實(shí)踐中,只有正確找出了系統(tǒng)序參量并求出其閾值后,開(kāi)采系統(tǒng)的有序化才有條件得以實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 子系統(tǒng)序參量的產(chǎn)生

(1)采礦方法的產(chǎn)生。協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)采礦方法的產(chǎn)生,應(yīng)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(shù)集成模式中的其他參量。即除了在采場(chǎng)結(jié)構(gòu)、采準(zhǔn)、切割、回采等工序協(xié)調(diào)合作的基礎(chǔ)上形成采礦方法外,還應(yīng)充分考慮巖層控制、資源共采技術(shù)、采空區(qū)防護(hù)等其他參量與采礦方法之間的協(xié)調(diào)合作。

(2)某種或某些工程技術(shù)集成模式的產(chǎn)生。為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的開(kāi)采活動(dòng)前置條件,根據(jù)文獻(xiàn)[5]所述的8個(gè)概括性因素,將某種或某些工程技術(shù)集成模式分為八大類(lèi):復(fù)雜礦床地質(zhì)條件處理技術(shù)、復(fù)雜水文地質(zhì)條件處理技術(shù)、復(fù)雜工程地質(zhì)條件處理技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境地質(zhì)條件處理技術(shù)、復(fù)雜其他開(kāi)采技術(shù)條件處理技術(shù)、“三下一上”開(kāi)采條件處理技術(shù)、復(fù)雜既有工程技術(shù)條件處理技術(shù)、其他需要防護(hù)的工程條件處理技術(shù)。這些技術(shù)的產(chǎn)生需考慮其與采礦方法的協(xié)調(diào)、合作或同步。

2.3.3 總序參量的形成

協(xié)同開(kāi)采總序參量是關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式。協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)是多個(gè)子系統(tǒng)序參量同時(shí)存在的系統(tǒng),系統(tǒng)有序化由各子系統(tǒng)序參量相互合作共同控制[35]。各子系統(tǒng)序參量,即采礦方法與某種或某些工程技術(shù)集成模式。它們之間的協(xié)調(diào)、合作或同步,共同形成能實(shí)現(xiàn)有序新結(jié)構(gòu)的總序參量。

為實(shí)現(xiàn)協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)的有序性,子系統(tǒng)序參量及其他參量在時(shí)間、空間及功能上應(yīng)產(chǎn)生耦合協(xié)作關(guān)系,如:在礦氣協(xié)同開(kāi)采技術(shù)模式中,采礦方法與天然氣抽采技術(shù)應(yīng)在各自工藝上進(jìn)行協(xié)調(diào)、合作或同步,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源安全高效開(kāi)采的同時(shí)達(dá)到多種工程目的,取得雙贏或多贏的工程效果。

3 協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的一般開(kāi)發(fā)流程研究

開(kāi)采系統(tǒng)在協(xié)同前為無(wú)序混沌狀態(tài),根據(jù)擬采對(duì)象是否被開(kāi)采過(guò),可將這種無(wú)序狀態(tài)分為兩種:一種為礦體未開(kāi)采情況下的無(wú)序,一種為礦體已被部分開(kāi)采情況下的無(wú)序。相較于礦體未被開(kāi)采情況下的無(wú)序,已被部分開(kāi)采狀態(tài)下的無(wú)序還需考慮現(xiàn)有工程技術(shù)條件與新出現(xiàn)的隱患因素或其他工程目標(biāo)之間的矛盾,但其在總體上仍屬于協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)兩子系統(tǒng)間的矛盾;二者均需通過(guò)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)采系統(tǒng)從無(wú)序混沌狀態(tài)向有序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

基于協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的核心模塊,結(jié)合工程技術(shù)開(kāi)發(fā)一般過(guò)程,形成協(xié)同開(kāi)采技術(shù)一般開(kāi)發(fā)流程,即包括工程目標(biāo)確定、前提條件分析、系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)確定、協(xié)同作用分析、技術(shù)協(xié)同度測(cè)評(píng)等主要步驟。協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的一般開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。

圖2 協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的開(kāi)發(fā)流程Fig.2 Development flow of Synergetic Mining technology

(1)工程目標(biāo)確定。根據(jù)協(xié)同開(kāi)采定義,協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的工程目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)的有序運(yùn)行,體現(xiàn)在3種現(xiàn)象:① 實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)采的同時(shí)和諧處理影響有序開(kāi)采的因素;②實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)采的同時(shí)處理其他工程目的;③ 實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)采的同時(shí)和諧處理影響有序開(kāi)采的因素且同時(shí)處理其他工程目的。

(2)競(jìng)爭(zhēng)與不穩(wěn)定性分析。① 開(kāi)展開(kāi)采活動(dòng)前置條件(基礎(chǔ)性因素)復(fù)雜性分析;② 開(kāi)展復(fù)雜的開(kāi)采活動(dòng)前置條件給系統(tǒng)帶來(lái)的矛盾與沖突分析、現(xiàn)有解決技術(shù)之間的競(jìng)爭(zhēng)矛盾與不穩(wěn)定性綜合分析,初步確定矛盾解決方向。

(3)系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)確定。① 確定系統(tǒng)的子系統(tǒng)、子系統(tǒng)序參量、總序參量、控制參量及其他參量等;②確定上述系統(tǒng)要素之間的關(guān)系,并繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

(4)協(xié)同作用分析。①分析控制參量達(dá)到閾值(求出閾值或閾值范圍);②分析子系統(tǒng)序參量的產(chǎn)生、總序參量的形成。此時(shí)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)模式基本形成。

(5)協(xié)同度測(cè)評(píng)。協(xié)同度是指復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)之間或子系統(tǒng)組成要素之間在發(fā)展演化過(guò)程中彼此和諧一致的程度[36]。協(xié)同度測(cè)評(píng),在協(xié)同開(kāi)采技術(shù)一般開(kāi)發(fā)流程內(nèi)是可選步驟,即根據(jù)需要選擇是否進(jìn)行協(xié)同開(kāi)采技術(shù)模式的測(cè)度評(píng)價(jià)。在協(xié)同開(kāi)采技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,將改進(jìn)后的協(xié)同熵法[37]與實(shí)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(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[38]相結(jié)合進(jìn)行協(xié)同度測(cè)度評(píng)價(jià)。

4 案 例

以文獻(xiàn)[39]所述廣西高峰礦105號(hào)碎裂礦段具體采礦工程為案例,本研究基于協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的一般開(kāi)發(fā)流程,分析碎裂環(huán)境和采空區(qū)雙重隱患下協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

4.1 工程目標(biāo)確定

廣西高峰礦105號(hào)礦體碎裂礦段受民采干擾,形成許多不規(guī)則的采空區(qū)。影響有序開(kāi)采的因素主要有碎裂環(huán)境和賦存的采空區(qū),這兩種因素構(gòu)成了資源回采過(guò)程中的雙重隱患。因此,工程目標(biāo)確定為:和諧處理資源回采過(guò)程中的碎裂環(huán)境和采空區(qū),同時(shí)實(shí)現(xiàn)稟賦資源的安全高效回采。

4.2 競(jìng)爭(zhēng)與不穩(wěn)定性分析

開(kāi)采活動(dòng)前置條件方面,所涉碎裂礦段節(jié)理發(fā)育,碎塊大小約10 cm,未膠結(jié),易脫落;105號(hào)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(guī)則、少量重疊貫通的采空區(qū)。針對(duì)碎裂環(huán)境隱患,基于采礦環(huán)境再造理論開(kāi)發(fā)出采礦環(huán)境再造無(wú)間柱分段分條連續(xù)采礦法;針對(duì)采空區(qū)可能對(duì)有序回采形成的干擾,可將部分采空區(qū)變害為利,作為采場(chǎng)結(jié)構(gòu)的一部分加以利用,如轉(zhuǎn)換為切割槽、拉底空間等。

4.3 系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)確定

協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)的子系統(tǒng)可分為資源開(kāi)采子系統(tǒng)、采空區(qū)協(xié)同利用子系統(tǒng),二者序參量分別是采礦環(huán)境再造無(wú)間柱分段分條連續(xù)采礦法、采空區(qū)協(xié)同利用技術(shù)。系統(tǒng)的總序參量為碎裂環(huán)境和采空區(qū)雙重隱患下的協(xié)同開(kāi)采技術(shù)模式?？刂茀⒘繛椴傻V方法設(shè)計(jì)依據(jù)、采空區(qū)規(guī)模與穩(wěn)定性分析結(jié)果等;其他參量如采切工程布置、采空區(qū)具體轉(zhuǎn)換利用方案等。碎裂環(huán)境和采空區(qū)雙重隱患下的協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 碎裂環(huán)境和采空區(qū)雙重隱患下的協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)Fig.3 Elements and structure of Synergetic Mining system under the double hidden dangers of fragmentation environment and goaf

4.4 協(xié)同作用分析

控制參量達(dá)到閾值的標(biāo)志為:① 找到合適的科學(xué)理論依據(jù)(本研究是指采礦環(huán)境再造相關(guān)理論),對(duì)采礦方法進(jìn)行創(chuàng)新,從而有效控制碎裂環(huán)境的不利影響;②勘測(cè)出采空區(qū)位置、形狀及規(guī)模,計(jì)算出采空區(qū)穩(wěn)定性,據(jù)此形成采空區(qū)協(xié)同利用方案。

子系統(tǒng)序參量的產(chǎn)生:通過(guò)對(duì)采礦環(huán)境再造理論的科學(xué)應(yīng)用,形成采礦環(huán)境再造無(wú)間柱分段分條連續(xù)采礦法;通過(guò)采空區(qū)現(xiàn)狀及穩(wěn)定性分析,將采空區(qū)轉(zhuǎn)化為部分切割槽、拉底空間等進(jìn)行利用。

總序參量的形成:基于采礦環(huán)境再造無(wú)間柱分段分條連續(xù)采礦法、采空區(qū)協(xié)同利用技術(shù),靈活調(diào)整開(kāi)采布局,將采空區(qū)調(diào)整為部分切割槽或拉底空間,綜合形成碎裂環(huán)境和采空區(qū)雙重隱患下的協(xié)同開(kāi)采技術(shù)模式。具體為:將較小、中等規(guī)模采空區(qū)調(diào)整為拉槽、拉底、自由爆破空間的一部分進(jìn)行利用(圖4);對(duì)于中等規(guī)模采空區(qū),由于采空區(qū)上部的塑性區(qū)分布范圍為6～7 m,則可將高度方向稍大的中等規(guī)模采空區(qū)調(diào)整為自由爆破空間加以利用;對(duì)于高度較大的中等規(guī)模采空區(qū),可將其下部調(diào)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(qū)調(diào)整為自由爆破空間進(jìn)行利用。

圖4 碎裂環(huán)境和采空區(qū)雙重隱患下協(xié)同開(kāi)采技術(shù)模式Fig.4 Synergetic Mining technology mode under the double hidden dangers of fragmentation environment and goaf

5 結(jié) 論

(1)分析了協(xié)同學(xué)原理(不穩(wěn)定性原理、協(xié)同效應(yīng)原理、漲落原理、序參量原理、伺服原理、自組織原理)對(duì)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的指導(dǎo)作用。

(2)歸納出了協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的3句核心闡述,即:競(jìng)爭(zhēng)與不穩(wěn)定性是開(kāi)展協(xié)同開(kāi)采技術(shù)開(kāi)發(fā)的前提,系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)是協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的組織載體,協(xié)同作用是維持系統(tǒng)有序運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)力。將“競(jìng)爭(zhēng)與不穩(wěn)定性”“系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)”“協(xié)同作用”視為構(gòu)成協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的三大核心模塊。

(3)形成了以工程目標(biāo)確定、競(jìng)爭(zhēng)與不穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)確定、協(xié)同作用分析、協(xié)同度測(cè)評(píng)等主要步驟的協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的一般開(kāi)發(fā)流程。

(4)結(jié)合廣西高峰礦105號(hào)碎裂礦段具體工程,分析了碎裂環(huán)境和采空區(qū)雙重隱患下協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程,為協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)范例。