协同采矿方法的发展及类组归属

陈庆发

（广西大学资源环境与材料学院，广西南宁530004）

我国金属矿产资源赋存的基本特点是大型矿床少，中、小矿床多；单金属矿少，伴生、多金属矿多；管理粗放，集约化程度低。且随着开采强度的增加，易采资源逐步消耗殆尽，一些开采难度大、隐患多、工程目标复杂等难采资源逐渐受到了人们的重视［1］。

对于这部分资源的开发利用，亟需一些采矿新理念、新理论予以指导，正如《未来10年中国学科发展战略：工程科学》［2］一书指出，“复杂难动用资源开采理论与方法”等是未来影响我国采矿行业长远发展的理论与技术难点，并将“难动用储量的资源开采理论与方法”列为优先资助方向。

“协同开采”理念，是笔者2009年针对采空区隐患资源开采时提出的［3］，2011年明确了其定义及其技术体系［4-5］。时至今日，“协同开采”理念已被我国矿业行业广泛采用［6-14］。

采矿方法在地下矿山生产中占据着核心地位。随着“协同开采”理念的深入发展，我国学者发明了大量协同采矿方法，这些采矿方法的提出极大地丰富了我国采矿方法体系。但迄今为止，尚未有学者对这类采矿方法进行系统归纳与整理，且该类采矿方法在一定程度上仍存在概念不清晰、命名不规范、技术特点模糊、类组归属混乱等问题，令从业人员无从掌握，难以广泛推广应用。

1 协同采矿方法定义及范畴界定

1.1 协同采矿方法的定义

采矿方法主要包括“采场结构”和“采场回采工作”两大方面。采场结构与采场回采工作是相互联系的，采场结构随着回采工作的需要而变化。因此，采场回采工作是决定采矿方法本质的主要方面。采场结构包括采场型式、结构参数和采准布置等。采场回采工作包括“地压控制”与“落矿、矿石运搬”两个方面，其中地压控制是主要方面，它决定了采场能否按期生产、落矿和矿石运搬能否顺利进行。

将在采场结构（含采场型式、结构参数和采准布置等）或采场回采工作（含地压控制与落矿、矿石运搬）两大方面具有合作、协调与同步等协同属性的采矿方法定义为协同采矿方法。

1.2 协同采矿方法的范畴界定

传统采矿方法是一套模式化的流程，建立在高度专业化分工和类似科层组织的基础上，描述的是矿块回采的先后顺序；而协同采矿方法，则更为强调采矿环节间具有的协调、合作、同步的协同属性以及产生的协同效果。

因此，协同采矿方法的范畴界定如下：①协同采矿方法首先隶属于采矿方法；②区别于其他采矿方法，协同采矿方法更为强调在采场结构或采场回采工作两大方面具有的合作、协调与同步等协同属性，是一类比较特殊的采矿方法；③协同采矿方法所具有的协同属性，通常有助于实现复杂难采矿体的顺利开采或实现某种特殊开采目的，比如安全、高效、多目标等。

2 协同采矿方法的发展

通过对万方专利技术数据库、国家知识产权局专利检索数据库、国家重点产业专利信息服务平台、中国学术期刊全文数据库（CNKI）及专业书籍、教材、手册等检索知悉，通过检索“名称”、“摘要”、“正文”内含有“协同”二字或具有协同属性的采矿方法，发现自2009年起至2018年10年来我国采矿学者一共提出19种协同采矿方法，如表1所示。

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表1中19种协同采矿方法，其中陈庆发提出10项，陈何、雷涛各提出2项，周爱民、邓红卫、胡建华、李启月、孙丽军各提出1项；提出采矿方法的依托单位主要集中于广西大学、中南大学、武汉理工大学、长沙矿山研究院、北京矿冶研究总院、马鞍山矿山研究院等高校与科研院所；所提出的采矿方法在数目上呈现出逐年增多的趋势，这些信息说明了“协同开采”理念正在不断地受到越来越多的行业专家学者的认可，体现了我国学者对协同采矿方法开发与革新的重视。

2009年，陈庆发在其博士学位论文《隐患资源开采与采空区治理协同研究》中，首次明确提出了“协同空区利用的采矿环境再造分段凿岩阶段矿房采矿法”，将部分中小规模采空区作为矿块的井巷工程、切割工程、自由爆破空间等部分工程结构加以协同利用（即采空区协同利用）。区别于闭坑后作为核废料、垃圾储存空间的利用和地下商场、军事指挥所等的利用，采空区协同利用是资源开采过程中的同步利用，它区别于传统的从地压管理角度划分的四类独立的采空区处理方法，是采矿工艺调整过程中的利用，可称得上具有独立意义的第五类采空区处理方法。

2010年，陈庆发突破传统的“嗣后充填”采矿技术思想的限制，率先提出了“同步充填”采矿技术理念，首次提出了一种具有代表性意义的“同步充填”采矿方法，即“大量放矿同步充填无顶柱留矿采矿方法”［15］。新采矿方法与传统放矿工艺区别在于大量放矿前设置了柔性隔离层，这使得放矿过程中散体介质（矿石）流动受到了来自充填料的非自由表面纵向荷载、柔性隔离层因介质流动产生的次生横向荷载以及采场边界限制条件等多重复合作用，这与传统放矿工艺明显不同，柔性隔离层作用下散体介质流动规律突破了传统放矿理论的描述范围。基于对柔性隔离层作用下放矿规律发生重大变化的认知，申报的《柔性隔离层作用下散体介质流理论研究》项目，在专利授权后获得了国家自然科学基金资助。已开展的研究表明：单漏斗条件下，放矿前期放出体为近似椭球体，后期为陀螺体；多漏斗条件下，放矿前期隔离层界面保持水平并平缓下移，某一深度后隔离层起伏变大。目前，有关机理研究正在进行中，有望创建一套完整的柔性隔离层下散体介质流理论，从而进一步推动金属矿床放矿学理论的新发展。

2011年，针对传统采矿方法一次回采爆破的崩矿量小、作业循环多、采场规模小、采场产能与崩矿效率低等现象，长沙矿山院周爱民提出了一种高效率、大产能的“立体分区大量崩矿采矿方法”［16］，实现了大规模、高效率大量落矿，为厚大矿体或急倾斜中厚矿体实现大规模集中强化采矿提供了一种安全、高效和大产能、低成本的解决方案；同年，针对阶段崩落采矿法和阶段空场采矿法开采厚大矿床时，顶板管理困难、爆破效果不理想、矿石贫化损失大等问题，北京矿冶研究总院陈何采用布置集束孔的形式改进爆破落矿方式，提出了“一种连续崩落采矿法”［17］，该方法能够使落矿、出矿、顶板管理等工作协调统一，实现了大步距高效安全的连续后退式回采。

2013年，陈庆发通过分析分段矿房法和垂直深孔分段凿岩阶段矿房法在开采矿岩稳固、倾角变换频繁或因断层错动的倾斜、急倾斜中厚矿体时所表现出的优点和不足，提出了一种充分利用分段矿房法和垂直深孔分段凿岩阶段矿房法优点、适用于矿岩稳固倾角变化频繁或因断层错动的倾斜急倾斜中厚矿体的“分段凿岩并段出矿分段矿房采矿法”［18］；同年，针对顶底板、上下盘围岩破碎不稳固的高品位倾斜中厚矿体采用上向或下向分层充填法回采存在的采切工程量大、采矿成本高、工作效率低、难以规模化开采、矿石损失贫化高、经济损失大等问题，中南大学邓红卫提出一种在构筑人工顶板、上下盘围岩预先加固与支护的组合再造结构体下实现矿体安全、高效、规模化开采有效结合的“组合再造结构体中深孔落矿协同锚索支护嗣后充填采矿法”［19］；同年，针对上盘为不稳固围岩或充填体的缓倾斜中厚矿体在回收矿柱时存在的作业安全性差问题，中南大学胡建华提出一种在顶板围岩不稳固条件下矿石回收率高、安全性高的“分条间柱全空场开采嗣后充填协同采矿法”［20］。

2014年，基于对开采厚大矿体时分段充填法在回采过程中存在顶板安全性问题的分析，中南大学李启月提出了一种“垂直孔与水平孔协同回采的机械化分段充填采矿法”［21］，发挥了分段采矿的高强度、高效率、低成本的特点。

2015年，为解决多层水平或缓倾斜薄至中厚矿体分层回采的技术难题，陈庆发提出了一种“采场台阶布置多分支溜井共贮矿段协同采矿方法”［22］，它能够克服多层矿体分采时，采用常规溜井带来的开采不协调、采矿管理复杂等缺点，改善各矿层贮矿段容量、采场出矿与漏斗放矿间协调性等，最大限度地减小多层矿体回采过程中的互相影响和互相制约，在生产空间实现集约高效，最终实现多层矿体的安全、高效、低成本的协同开采；同年，北京矿冶研究总院陈何基于对国内外多层缓倾斜薄矿体开采出现的不足，提出了“一种缓倾斜薄矿体采矿方法”［23］，有效提升了采场的生产能力和采切比，提高了开采回收率，降低了矿石贫化率，上覆围岩均匀沉降，矿层受开采影响小，采矿过程采用机械条带式推进式采矿，切顶协同充填与诱导爆破控顶处理空区。

2016年，针对常规采矿方法采空区灾害及矿石贫化损失大的问题，引入陈庆发提出的同步充填技术思想，雷涛提出了一种“厚大矿体无采空区同步放矿充填采矿方法”［24］；同年，为安全高效回采倾斜薄矿体，降低矿石损失与贫化，综合分析房柱式采矿法和爆力采矿法各自优点，陈庆发提出了一种适用于矿体倾角为30～55°、厚度为1～3 m的矿岩稳固或中等稳固的倾斜薄矿体的“电耙—爆力协同搬运伪倾斜房柱式采矿法”［25］；针对使用分段崩落法方法易造成矿石损失贫化大、废石混入率高、回采巷道局扇通风困难且易形成污风串联以及通风、上下分段的衔接和生产管理复杂等缺点，陈庆发提出了一种“柔性隔离层充当假顶的分段崩落协同采矿方法”［26］；同年，基于同步充填技术思想，针对空场嗣后充填法的缺点，雷涛提出了一种“垂直中深孔两次放矿同步充填阶段采矿法”［27］，该方法简化了回采单元的结构，开采下一阶段时回收上阶段底柱并形成凿岩硐室实现回采单元矿石全回收，克服了回采单元采空区围岩片落问题，有效地控制采空区的暴露面积；同年，针对围岩稳固性较差的矿山，采用传统空场法会留下空区安全隐患，若增大矿柱尺寸必将增大矿石损失，为此，陈庆发提出了一种具有协同开采理念、同步充填优点的“底部结构下卡车直接出矿后期放矿充填同步的水平深孔留矿法”［28］，该方法作业安全性好、生产效率高、矿石回收率高，省略了铲运机—溜井转运环节、卡车直接出矿，实现采空区协同置换利用，保障了围岩稳定性；同年，针对回采多层倾斜薄矿体时全面留矿法生产能力低、回采周期长、对相邻矿层矿块回采影响大、安全系数低等问题以及沿矿体走向或倾向分段的传统爆力运搬采矿法生产能力低、采切工作量大、脉外工程多等问题，陈庆发提出将浅孔爆力运搬技术应用于多层倾斜薄矿体的开采，从而提出了一种“浅孔凿岩爆力-电耙协同运搬分段矿房法”［29］，该方法大大减少了脉外工程量，提高了生产能力与运搬效率；同年，针对大型地下矿山使用嗣后充填采矿法开采时采空区暴露面积大、安全性差、采切工程量大等问题，引入协同理念，孙丽军提出了“一种地下矿山井下双采场协同开采的新方法”［30］，该方法实现了地下矿山多采场协同开采，提高了安全性和生产能力，减小采切工程量。

2017年，针对垂直深孔落矿有底柱分段崩落法回采矿体时由于使用电耙、溜井出矿存在底部结构复杂、采准切割工程量大、出矿效率低等缺点而造成采场落矿和出矿作业在时间和矿量上不能很好匹配的现象，基于协同开采理念、顺应采矿作业环节简化与无轨运输是我国地下矿山采矿技术发展的趋势，陈庆发创新提出了“卡车协同出矿有底柱分段崩落法”［31］，该方法提高了机械化程度，保证了落矿和出矿的协同，简化了底部结构，减少了矿石转运作业环节，提升了矿山生产效率；同年，针对垂直深孔分段凿岩阶段矿房法回采矿体存在采切工程量大、出矿效率低等缺点，陈庆发创新提出了“卡车协同出矿分段凿岩阶段矿房法”［32］，新方法减小了采切工程量，提高了机械化程度，保证了落矿与出矿的协同，提高了矿山生产效率。

3 协同采矿方法类组归属标准表

协同采矿方法隶属于采矿方法范畴，其分类按地压管理方法与一般采矿方法一致，可将协同采矿方法分为空场法、充填法、崩落法三大类。其具体方案的类组归属，按地压管理方法将其归于三大类采矿方法的某一类某一组。将表1统计的协同采矿方法填入笔者前期开展的金属矿床地下开采采矿方法分类修订表，形成了协同采矿方法类组归属标准表，如表2所示。表2可以作为采矿从业人员在做采矿方法选择与研究时参考使用。

4 结论

（1）基于对“协同开采”理念的理解和采矿方法的认知，明确给出了协同采矿方法的定义、界定了其隶属范畴。

（2）按采矿方法提出或专利申请时间的先后顺序排序，梳理了2009～2018年10年来我国协同采矿方法的发展过程。

（3）对现有19种协同采矿方法典型方案进行了类组归属，制定了协同采矿方法类组归属标准表，以此作为采矿从业人员研究和选用参考。

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