协同开采及其技术体系

陈庆发 ，苏家红

(1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；2.广西大学 资源与冶金学院，广西 南宁，530004；3.广西华锡集团股份有限公司，广西 柳州，545006)

由于矿产资源的有限性与不可再生性，矿产资源必须进行高效节约型开采，以提高资源的利用率，保障人类社会的可持续发展[1]；同时。矿产资源的开采会对地球环境造成不同程度的破坏，影响人类的生存环境，甚至对人类生命造成伤害[2]。为此，矿业工作者近年提出了无废开采、协调开采、绿色开采和采矿环境再造等多种采矿与环境关系协调的理念[3-5]。这些理念的实质，都是把采矿与环境看成不同的系统，利用系统工程的理论与方法，协调与优化彼此的关系，以创造良好的社会效益与经济效益。本文作者对现有采矿与环境关系协调理念进行梳理分析，在此基础上引入协同理念，提出 “协同开采”新命题，开展其技术体系及工程应用研究。

1 现有采矿与环境关系协调理念

在可持续发展理念的指引下，近年来发展的采矿与环境关系协调理念主要有无废开采、协调开采、绿色开采和采矿环境再造等4种，分述如下：

(1) 无废开采。无废开采是在1984年塔什干无废工艺国际会议上被系统论述，其涵义就是最大限度地减少废料的产出、排放，提高资源综合利用率，减轻或杜绝矿产资源开发的负面影响的工艺技术[6-7]。

(2) 协调开采。协调开采是根据不同的受护对象，通过合理布设开采工作面，如合理设计工作面之间的相对位置让各工作面开采的相互影响能够有利叠加，使叠加后的变形值小于受护对象的允许变形值，以达到减小开采对受护对象影响的目的[8]。

(3) 绿色开采。绿色开采理念是由我国钱鸣高院士2003年提出[9]。其涵义是立足于煤炭开采的源头，通过采煤方法、岩层控制及相关技术、研究试验平台等的研究和建设，改变传统采煤工艺造成的生态与环境问题，实现煤炭资源的环保、高效、高回收率和安全开采。

(4) 采矿环境再造。“采矿环境再造”命题是由我国古德生院士2006年提出[4,10]。其基本内涵是“突破传统的采矿方法设计思想的限制，应用新的理论、方法和技术，营造一个良好的矿岩开采环境，最终实现矿石资源的高效回采”。

2 协同开采

2.1 协同理念

协同理念自20世纪60年代由Ansoff提出后，一直成为理论界、企业界、工程界研究很多问题的指导原则[11-12]。所谓协同指的是事物与事物之间的一种关系，一种相互之间的和谐与正向配合的关系。系统协同指的是通过某种方法来组织和调控所研究的系统，寻求解决矛盾或冲突的方案，使系统从无序转换到有序，达到协同或和谐的状态。系统协同的目的就是减少系统的负效应，提高系统的整体输出功能和整体效应。

2.2 协同开采的基本概念

协同开采是指拟采矿床赋存有其他影响有序开采的隐患因素(如空区隐患、水灾隐患、火灾隐患等)时或者伴随着其他工程目的(如降低某种开采损害的程度、强化围岩的支护等)，通过采取某种工程技术措施(包括采矿方法、岩层控制技术、灾害控制技术及其他相关技术等)，能够在实现资源开采的同时，和谐处理隐患因素的负面影响，或同时达到多种工程目的，从而收到双赢或多赢的工程效果，最终促进禀赋资源的安全、高效、绿色、和谐开采。

简之，协同开采就是矿山开采期间资源开采行为与灾害处理行为及其他技术行为的合作、协调与同步，使得矿山开采系统输出较高的协同效应。

2.3 协同开采提出的意义

(1) 改变了人们常规先治理隐患后进行资源开采或逐个实现多种工程目的的观念，而观念的转变，对于科学技术的进步同样有着重大与深远的影响。

(2) 为具有不同隐患或具有特殊复杂工程目的资源和谐有序开发指明一条科学可行的发展之路。

(3) 进一步丰富与发展了固体矿床开采理论，有利于促进采矿工艺技术的变革与创新，有利于促进采矿工艺走向科学。

3 几种采矿理念的关系辨析

3.1 几种理念的区别与联系

协同开采与前述几种采矿与环境关系协调理念具有一定的区别与联系，但各理念均具有自身特点。“协同开采”强调的隐患资源的和谐、有序开采问题或具有多种工程目的的资源开采问题，因此，协同开采往往是一种综合性或耦合性的集成技术。“无废开采”重点强调的是采矿工艺实施过程中最大限度地做到无废、少废；“协调开采”重点是合理设计工作面时空顺序，减少受护对象的损害；“绿色开采”重点是从源头上通过采煤方法、岩层控制及相关技术，减少煤炭开采对环境的破坏；“采矿环境再造”强调的是为复杂难采、软破矿体营造一个良好的矿岩开采环境。

“无废开采”与“绿色开采”都有减少对环境的破坏的目的，差别在于“无废开采”注重提高资源利用率，“绿色开采”注重提高资源回采率。

“无废开采”、“绿色开采”和“协调开采”是减少对环境的后期破坏，“协同开采”强调的是已经在某种程度上破坏的环境下如何进行资源的和谐开采，但也包含有减少对环境的后期破坏的涵义。“采矿环境再造”强调的是对原生或次生不良环境进行人工再造，为采矿行为提供安全空间。

3.2 “协同开采”理念的可耦合性分析

“协同开采”理念具有较大的耦合性，可与其他理念耦合形成新的理念，从而为我国各种复杂条件下的矿产资源的安全高效开采提供更高更宽的指导，如与“无废开采”耦合可形成“无废协同开采”理念、与“绿色开采”耦合可形成“绿色协同开采”理念、与“采矿环境再造”耦合可形成“协同再造”理念。

如本文作者基于“无废协同开采”理念，借鉴充填采矿法技术优势对浅孔留矿法进行二次创新，将嗣后充填提前至大量放矿的同时进行充填，提出了“大量放矿同步充填无底柱留矿采矿方法”国家发明专利技术[13]。该方法的实质是大量放矿前预先在留矿堆表面铺设隔离层，采取措施使充填料与矿石同步均匀下沉，不仅防止了围岩大量片落混入矿石、控制了矿石贫化率和损失率、提高了矿石回收率；而且更为重要的是限制了岩层移动、控制了地表沉陷事故的发生。

4 协同开采技术体系的构建

4.1 构建方法

分析固体矿床赋存的隐患因素和伴随工程目的，形成协同开采总目标。按照实现总目标的时间先后顺序，将协同开采划分为3个时期，即协同前期、协同中期和协同后期。各个时期研究的任务侧重点不同，对应的技术需求不同。将不同时期的技术集成，构成协同开采的技术体系。

4.2 协同开采技术体系

根据前述方法，构建出一般意义上的固体矿床的协同开采技术体系，如图1所示。

协同前期工作的重心在于分析矿床赋存的工程地质条件、开采技术条件、隐患因素禀赋特点及其他工程目的，切实弄清影响矿床开采的主要影响因素，及各影响因素作用规律及作用程度的序列分析。

协同中期主要目标是做出协同开采方案设计，为此，需要研究隐患因素作用下或肩负不同工程目的的矿床开采新方法、岩层控制技术、潜在灾害控制技术、采矿环境再造技术及其它相关技术，在此基础上，基于协同理念、方案优化设计的原则与技术，耦合前述各技术，开展协同开采方案的优化设计工作。

图1 协同开采技术体系Fig.1 Synergetic mining technology system

协同后期执行协同开采设计方案，开展施工工作，实施拟采矿床的协同开采，开采过程中及闭坑后及时开展技术实施效果的评价工作，及时总结技术经验，完善相关技术。

不同隐患因素作用下或者具有多种工程目的的资源协同开采技术体系，可能由于其客观情况的不同，其具体技术的表现形式略有差异，可根据其具体特点开展针对性的研究。待弄清其技术体系后，遵循一般研发思路，开展协同开采技术开发并实施新技术，实现工程总目标。

5 应用实例

5.1 工程概况

广西高峰矿105号矿体在-79 m标高以下，是一个世界罕见的锡石—硫化物多金属特富矿体，锡、锌、铅和锑4种主要金属综合平均品位在22%左右，含银155.45 g/t，但含硫28%左右。105号矿体1号矿段属于碎裂结构矿体，碎块大小一般为10 cm，未胶结，易脱落。由于受民采干扰，1号矿段内赋存有关联关系的采空区共13个，图2所示为利用3DMine软件构建的矿体与空区分布的实体模型。

5.2 开采技术条件分析

图2 1号矿段矿体与空区分布实体模型Fig.2 Solid model of orebody and cavities in ore section No.1

碎裂矿段矿石品位较高，价值贵重，决定了矿段回采需采取回收率高、贫化率低的采矿方法，同时矿体埋藏较深，矿体碎裂，基本可以排除单纯的崩落法和空场法；由于矿石含硫高，有自燃的可能性，应排除与留矿法有关的采矿方法；矿体节理裂隙异常发育，工作面稳定性和坚固性差，排除常规的分层充填法[14]。赋存在其中的采空区也对碎裂资源开采提出了更高的要求。因此，必须突破常规对采矿方法的局限，寻求新思想、新思维开展采矿方法的创新设计。

5.3 协同开采设计

5.3.1 采矿方法设计

多空区条件下的隐患资源开采必须最大限度上保障安全，在协同开采理念的指导下，周科平[15]发明了采矿环境再造分层分条中深孔落矿采矿法，如图 3所示。

首先将-110～-140 m主体资源划分为3个10 m厚的分层。分层内按照设计的采矿方法进行开采，条柱断面为10 m×10 m，条柱长度按矿体具体条件确定。第1循环采取整体上隔一采一的方式，然后进行较高配比的水泥砂浆胶结充填(水泥与砂浆质量配比为1∶4)；第2循环，在已经隔一采一嗣后充填的条件下，对第2循环内矿体进行隔一采一然后回采矿房，先进行3 m的高配比胶结充填，然后进行低配比的水泥砂浆充填。第1循环和第2循环的回采工艺大致相同，拉槽布置在条柱的端部，然后进行后退式回采，出矿从凿岩道平底结构铲运机出矿。充填均通过上一分层的外围平巷进行，经出矿进路、充填通风联络道下放充填管路进行。

5.3.2 协同开采方案设计

这里仅介绍4分层矿体的协同开采方案设计。该分层矿体右侧围岩区域矿方规定不允许布置任何工程。为给1号碎裂矿段开采提供一个安全空间，4分层矿体的17号和15号空区在矿段开采前已全部充填，18号空区仅充填至-130 m。分层内划分22个条柱，由2条穿脉巷道把4分层矿体分为A，B和C 3个区段，如图4所示。

图3 采矿环境再造分层分条中深孔落矿采矿法Fig.3 Mining environment reconstructing layering and stripping medium-length hole caving mining method

图4 4分层矿体协同开采方案Fig.4 Synergetic mining scheme of layer No.4

设计过程中如将A区和B区资源划为单个条柱式开采，则条柱过长，不利于工程的安全性与产能搭配；如在A和B区之间留设一斜4～6 m宽的条柱，则上述开采难题迎刃而解。斜条柱矿产资源开采后形成的采空场，不仅解决了A和B资源开采条柱过长与安全性差的问题，与此同时，连同A部分资源开采后部分采场盈余空间也为 B部分资源的开采提供了协同空间(通风与充填巷道)，其自身也可与其他条柱在产能上进行合理搭配。

斜条柱布设是本层协同开采设计的亮点，集中体现了协同开采技术的精髓。

6 结论

(1) 提出了协同开采理念，明确定义了协同开采概念，构建了协同开采的技术体系，探讨了协同开采理念与现有采矿与环境关系协调理念的区别与联系及可耦合性。

(2) 工程中需要结合具体情况进行综合性分析，多学科多层次地开展协同开采方案优化设计，其中采矿方法创新设计是核心。

(3) 协同开采作为一种新的采矿技术模式为复杂难采矿体或具有特殊工程目的矿床开采指明了一条科新发展方向。

[1]黄建明.我国有色金属矿业的形势与对策建议[J].世界有色金属, 1999, 14(2)∶ 17-19.HUANG Jianming.Situation and countermeasures of nonferrous metal mining in China[J].World Nonferrous Metals, 1999, 14(2)∶17-19.

[2]桂祥友, 马云东.矿山开采的环境负效应与综合治理措施[J].工业安全与环保, 2004, 30 (6)∶ 26-28.GUI Xiangyou, MA Yundong.Negative effects of mining and comprehensive measures[J].Industrial Safety and Environmental Protection, 2004, 30(6)∶ 26-28.

[3]Azapagic A.Developing a frame work for sustainable development indicators for the mining and minerals industry[J].Journal of Cleaner Production, 2004, 12(12)∶ 639-662.

[4]古德生, 李夕兵.现代金属矿床开采科学技术[M].北京∶冶金工业出版社, 2006∶ 66-86.GU Desheng, LI Xibing.Modern mining science and technology for metal mineral resources[M].Beijing∶ Metallurgical Industry Press, 2006∶ 66-86.

[5]周爱民.国内金属矿山地下采矿技术进展[J].中国金属通报,2010, 17(27)∶ 17-19.ZHOU Aimin.Progress of under mining technology in metal mine in China[J].China Metal Bulletin, 2010, 17(27)∶ 17-19.

[6]黄志伟.无废开采评价理论的研究[D].长沙∶ 中南大学资源与安全工程学院, 2003∶ 16-17.HUANG Zhiwei.The research for the theory of wasteless mining appraise[D].Changsha∶ Central South University.School of Resources and Safety Engineering, 2003∶ 16-17.

[7]古德生.地下金属矿采矿科学技术的发展趋势[J].黄金, 2004,25(1)∶ 18-22.GU Desheng.The development tendency of mining science and technology of underground metal mine[J].Gold, 2004, 25(1)∶18-22.

[8]邹友峰, 邓喀中, 马伟民.矿山开采沉陷工程[M].徐州∶ 中国矿业大学出版社, 2003∶ 196.ZOU Youfeng, DENG Kazhong, MA Weimin.Mining subsidence engineering[M].Xuzhou∶ China University of Mining and Technology Press, 2003∶ 196.

[9]钱鸣高.绿色开采的概念与技术体系[J].煤炭科技, 2003,24(4)∶ 1-3.QIAN Minggao.Technology system and green mining concept[J].Coal Science and Technology Magazine, 2003, 24(4)∶1-3.

[10]周科平, 高峰, 古德生.采矿环境再造与矿业发展新思路[J].中国矿业, 2007, 16(4)∶ 34-36.ZHOU Keping, GAO Feng, GU Desheng.Mining environment regenerating and new thoughts on the development of mining industry[J].China Mining Magazine, 2007, 16(4)∶ 34-36.

[11]Haken H.Synergetics∶ From pattern formation to pattern analysis and pattern recognition[J].International Journal of Bifurcation and Chaos, 1994, 4(5)∶ 1069-1083.

[12]Daffershofer A, Haken H.Synergetic computers for pattern recognition∶ A new approach to recognition of deformed patterns[J].Pattern Recognition, 1994, 27(12)∶ 1697-1705.

[13]陈庆发, 吴仲雄.大量放矿同步充填无顶柱留矿采矿方法∶中国, 201010181971.2[P].2010-10-20.CHEN Qingfa, WU Zhongxiong.Large ore drawing non-top-pillar synchronous filling shrinkage method∶ China,201010181971.2[P].2010-10-20.

[14]黄应盟.广西高峰矿业公司深部矿体采矿方法的改进[J].矿业研究与开发, 2002, 22(3)∶ 12-14.HUAND Yingmeng.A modification on the mining method for the deep orebody in Guangxi Gaofeng mining Ltd[J].Mining Research and Development, 2002, 22(3)∶ 12-14.

[15]周科平.采矿环境再造分层分条中深孔落矿采矿法∶ 中国,201010221547.6[P].2010-07-08.ZHOU Keping.Mining environment reconstructing layering and stripping medium-length hole caving mining method∶ China,201010221547.6[P].2010-07-08.