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(kāi)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(kāi)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(kāi)采與采空區(qū)協(xié)同利用》[2]一文,正式給出了“協(xié)同開(kāi)采”的定義。時(shí)至今日,“協(xié)同開(kāi)采”已成為我國(guó)采礦工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)詞匯之一[3-5]。

對(duì)協(xié)同進(jìn)行研究,最早的是美國(guó)著名戰(zhàn)略管理學(xué)家安索夫(A.H.Ansoff)和德國(guó)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(duì)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(duì)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(duì)于工程類(lèi)科學(xué)問(wèn)題的研究更具有指導(dǎo)作用。

隨著協(xié)同開(kāi)采理念的發(fā)展,雖然筆者專(zhuān)門(mén)撰文闡述了協(xié)同開(kāi)采內(nèi)涵[9],但業(yè)內(nèi)對(duì)于協(xié)同開(kāi)采內(nèi)涵的理解尚需深入;并且隨著我國(guó)占比較大的大量復(fù)雜難采礦體開(kāi)采的技術(shù)需求不斷增大,亟需協(xié)同開(kāi)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(kāi)采的科學(xué)內(nèi)涵,厘清協(xié)同開(kāi)采的基礎(chǔ)概念、前置條件、協(xié)同效應(yīng)、自組織過(guò)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(kāi)采中的含義詮釋

協(xié)同學(xué)是一門(mén)描述系統(tǒng)從無(wú)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(wú)序、序參量與控制參量、平衡相變與非平衡相變、競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同等。

1.1 系統(tǒng)與子系統(tǒng)

協(xié)同學(xué)研究的對(duì)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(gè)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(wú)關(guān),受相同原理所支配[12-13]。

協(xié)同開(kāi)采所研究的系統(tǒng),是擬采礦床賦存有其他影響有序開(kāi)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(gè)開(kāi)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(kāi)采子系統(tǒng)、影響有序開(kāi)采因素處理子系統(tǒng)或其他工程目的處理子系統(tǒng),即有兩個(gè)或兩個(gè)以上的子系統(tǒng)構(gòu)成。協(xié)同開(kāi)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(wú)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(shí),稱(chēng)為有序;有結(jié)構(gòu)而無(wú)分布規(guī)律可循時(shí),稱(chēng)為無(wú)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(wú)序結(jié)構(gòu),其中有序結(jié)構(gòu)又可分為空間結(jié)構(gòu)、時(shí)間結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)和時(shí)—空—功能結(jié)構(gòu)[15]。

系統(tǒng)協(xié)同的過(guò)程,體現(xiàn)在系統(tǒng)由無(wú)序到有序或有序到有序的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變中。有序是系統(tǒng)協(xié)同過(guò)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(kāi)采系統(tǒng)的有序,是指其各子系統(tǒng)(資源開(kāi)采子系統(tǒng)、影響有序開(kāi)采因素處理子系統(tǒng)或其他工程目的處理子系統(tǒng))之間通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)、自組織,相互協(xié)調(diào)配合,促使系統(tǒng)由無(wú)序轉(zhuǎn)向有序或由有序轉(zhuǎn)向新的有序。協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)的無(wú)序,對(duì)應(yīng)的是各子系統(tǒng)之間的矛盾無(wú)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(kāi)采,主要體現(xiàn)的是“有順序、有條理”的采礦工藝(作業(yè))過(guò)程。從協(xié)同學(xué)的視角及觀點(diǎn)來(lái)看,傳統(tǒng)礦山開(kāi)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(shí),表現(xiàn)出有序的集體運(yùn)動(dòng)。宏觀上這種有序運(yùn)動(dòng)的形式,稱(chēng)為模式。描寫(xiě)這種模式的宏觀參量,稱(chēng)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(shí)間的進(jìn)程中會(huì)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(lèi)型,是所有子系統(tǒng)對(duì)協(xié)同運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)總和,是子系統(tǒng)介入?yún)f(xié)同運(yùn)動(dòng)程度的集中體現(xiàn)。協(xié)同學(xué)中,一般通過(guò)伺服原理中的絕熱消去法消去“穩(wěn)定?！焙汀翱斐谠プ兞俊?得到序參量方程,求解序參量。

復(fù)雜系統(tǒng)可通過(guò)子系統(tǒng)和序參量?jī)蓚€(gè)層次來(lái)研究,比起研究所有的子系統(tǒng),通過(guò)序參量來(lái)研究系統(tǒng)整體則相對(duì)簡(jiǎn)單[17]。通過(guò)序參量來(lái)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(guò)程,后者主要指系統(tǒng)中有幾個(gè)序參量同時(shí)存在時(shí),各個(gè)序參量之間相互役使、合作起來(lái)共同控制整個(gè)系統(tǒng)有序化的過(guò)程。協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)存在1個(gè)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(kāi)采子系統(tǒng)的序參量為采礦方法;影響有序開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wú)序到有序、有序到新的有序)過(guò)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(shí)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(dòng),從均勢(shì)轉(zhuǎn)變到關(guān)聯(lián)占主導(dǎo)地位,此時(shí)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(dòng),出現(xiàn)了宏觀的結(jié)構(gòu)或類(lèi)型[19]。

協(xié)同開(kāi)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(kāi)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(gè)閾值時(shí),協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)自組織產(chǎn)生相變,最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)有序化的轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)在資源開(kāi)采的同時(shí)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(chēng)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(chēng)為相變。平衡相變?cè)谄胶庀到y(tǒng)中發(fā)生,非平衡相變?cè)谶h(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(gè)與外界沒(méi)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(méi)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(gè)開(kāi)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(shí)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(lái)保證;④系統(tǒng)新態(tài)具有一定的穩(wěn)定性,不會(huì)因?yàn)橥饨鐥l件的微小改變而消失。

發(fā)生在協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)內(nèi)的相變是非平衡相變。協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)從無(wú)序到有序的相變轉(zhuǎn)變過(guò)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(kāi)采系統(tǒng)具有更為豐富和穩(wěn)定的時(shí)空功能結(jié)構(gòu)。

1.5 競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同

1.5.1 競(jìng) 爭(zhēng)

競(jìng)爭(zhēng)是指競(jìng)爭(zhēng)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(zhēng)勝、優(yōu)勝劣汰的行為獲取最終的結(jié)果。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體現(xiàn)[21]。

競(jìng)爭(zhēng)也是協(xié)同學(xué)的核心觀點(diǎn)。競(jìng)爭(zhēng)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(guò)程中的普遍規(guī)律。因?yàn)榇嬖诟?jìng)爭(zhēng)這種內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力,系統(tǒng)才能在競(jìng)爭(zhēng)的前提條件下進(jìn)行協(xié)同。因?yàn)榇嬖诟?jìng)爭(zhēng),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(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)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(kāi)采;另一方面,影響有序開(kāi)采的因素和其他工程目的又約束著礦山安全、高效、有序開(kāi)采。

1.5.2 協(xié) 同

“協(xié)同(Synergy)”一詞最早來(lái)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(dòng)過(guò)程。這個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要體現(xiàn)在當(dāng)控制參量變化時(shí),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(gè)系統(tǒng)形成微觀個(gè)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(shí),子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)和子系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)從均勢(shì)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(dòng),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(guò)程,強(qiáng)調(diào)序參量及微觀組態(tài),即有時(shí)系統(tǒng)中有幾個(gè)序參量同時(shí)存在,每個(gè)序參量都包含著一組微觀組態(tài),每個(gè)微觀組態(tài)都對(duì)應(yīng)著一定的宏觀結(jié)構(gòu),每個(gè)序參量都企圖獨(dú)自主宰系統(tǒng),但彼此因處于均勢(shì)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(kāi)采中的“協(xié)同”也存在著如下兩種含義:

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

(2)從具體過(guò)程來(lái)看,協(xié)同開(kāi)采子系統(tǒng)的序參量(采礦方法、為和諧處理影響有序開(kāi)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(lái)一起控制著協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng),協(xié)同開(kāi)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(guò)程中的變化過(guò)程見(jiàn)圖3。

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

2 協(xié)同開(kāi)采與開(kāi)采活動(dòng)前置條件的關(guān)系分析

“協(xié)同開(kāi)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(kāi)采”指擬采礦床賦存有其他影響有序開(kāi)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(shí)或者伴隨有其他工程目的(如同步開(kāi)采地下水、地?zé)岬茸匀毁Y源,同時(shí)降低某種開(kāi)采損害的程度、強(qiáng)化圍巖的支護(hù)等),通過(guò)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(kāi)采的同時(shí)和諧處理相應(yīng)因素的不利影響,或者在實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)采的同時(shí)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(kāi)采要解決的開(kāi)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(kāi)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(kāi)采活動(dòng)的條件及基礎(chǔ)性因素,筆者在研讀大量專(zhuān)業(yè)資料的基礎(chǔ)上,提出了“開(kāi)采活動(dòng)前置條件”表述,包括了開(kāi)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(kāi)采活動(dòng)前置條件知識(shí)體系Fig.4 Know ledge system of pre-conditions for mining activities

開(kāi)采技術(shù)條件主要為影響開(kāi)采活動(dòng)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(kāi)采技術(shù)條件等[25]。

特殊工程條件主要為影響開(kāi)采活動(dòng)的人為工程條件,包括“三下一上(建筑物下、鐵路公路等線(xiàn)性構(gòu)筑物下、水體下和承壓水體上)”開(kāi)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(kāi)采活動(dòng)前置條件中某一個(gè)或一個(gè)以上基礎(chǔ)性因素的復(fù)雜,將導(dǎo)致礦山無(wú)法按照常規(guī)開(kāi)采順序進(jìn)行或按常規(guī)開(kāi)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(kāi)發(fā)的協(xié)同開(kāi)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(kāi)采順序或者按常規(guī)開(kāi)采順序無(wú)法進(jìn)行下去,可開(kāi)發(fā)出“產(chǎn)狀復(fù)雜礦體分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)”;煤與瓦斯為異質(zhì)共采資源,可開(kāi)發(fā)出煤與瓦斯協(xié)同開(kāi)采技術(shù)。

3 協(xié)同效應(yīng)及其在協(xié)同開(kāi)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(gè)復(fù)雜的、開(kāi)放的系統(tǒng)中,子系統(tǒng)之間發(fā)生協(xié)同作用時(shí)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(dòng)力。系統(tǒng)發(fā)展到臨界狀態(tài)時(shí),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(wú)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(guò)程,即在結(jié)果上強(qiáng)調(diào)高度有序(使整個(gè)系統(tǒng)形成微觀個(gè)體層次所不存在的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和特征),又在過(guò)程中強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)間的一系列動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)與合作、合作與競(jìng)爭(zhēng)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(gè)或兩個(gè)以上的要素集合成為一個(gè)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(dòng)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(kāi)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(lái)看

協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)“通過(guò)各子系統(tǒng)之間相互協(xié)作,最終形成微觀個(gè)體層次所不存在的新質(zhì)的結(jié)構(gòu)與特征”。如協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式能夠同時(shí)開(kāi)采資源、處理影響有序開(kāi)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(gè)子系統(tǒng)中所不單獨(dú)存在的。

3.3.2 從其產(chǎn)生的過(guò)程來(lái)看

首先,基于其子系統(tǒng)之間固有的競(jìng)爭(zhēng)(如資源開(kāi)采與影響有序開(kāi)采因素處理的競(jìng)爭(zhēng),資源開(kāi)采與其他工程目的處理之間的競(jìng)爭(zhēng)),這種競(jìng)爭(zhēng)非人為將兩個(gè)子系統(tǒng)拼湊所產(chǎn)生,而是其固有的、內(nèi)生的。協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中這種內(nèi)生的競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)、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(gè)每個(gè)子系統(tǒng)都不單獨(dú)具有的、全新的協(xié)同開(kāi)采關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式)。協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中子系統(tǒng)序參量之間的競(jìng)爭(zhēng)、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(kāi)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(kāi)采系統(tǒng)與外部環(huán)境時(shí)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(hào)等信息。這是協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的必要手段。

最后,協(xié)同開(kāi)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(kāi)采系統(tǒng)的一部分,運(yùn)用對(duì)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(kāi)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(kāi)采系統(tǒng)的自組織過(guò)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(kāi)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(shí)間的或功能的結(jié)構(gòu)過(guò)程中,沒(méi)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(kāi)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(méi)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(duì)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(huì)學(xué)等社會(huì)科學(xué)中的各種系統(tǒng),其中既有完全沒(méi)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(kāi)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(duì)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(duì)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(duì)自組織的定義“如果系統(tǒng)在獲得空間的、時(shí)間的或功能的結(jié)構(gòu)過(guò)程中,沒(méi)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(shí),“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(shí),人為因素的干預(yù)作為外界干預(yù),但在研究協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)時(shí),人為因素帶來(lái)的能量流、信息流、物質(zhì)流等本身就是協(xié)同開(kāi)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(kāi)采系統(tǒng)在獲得有序結(jié)構(gòu)時(shí)并不是外界強(qiáng)加給系統(tǒng)的,而是在開(kāi)采活動(dòng)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(guò)對(duì)開(kāi)采活動(dòng)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(duì)復(fù)雜系統(tǒng)所遵從的普遍規(guī)律的指導(dǎo)下對(duì)系統(tǒng)的控制參量(人為因素及環(huán)境因素為開(kāi)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(shí)實(shí)現(xiàn)有序開(kāi)采,并在這種自組織的形成過(guò)程中形成序參量,序參量也反過(guò)來(lái)役使控制自組織,最終實(shí)現(xiàn)有序開(kāi)采。綜上所述,協(xié)同學(xué)中的自組織理論在協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中是適用的。

4.3 協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)的自組織過(guò)程

自組織過(guò)程是一個(gè)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(guò)程[35]。當(dāng)一定的條件使得序參量原來(lái)所處的穩(wěn)定平衡位置變成非穩(wěn)定時(shí),在漲落(無(wú)規(guī)力、隨機(jī)力)作用下,序參量由非穩(wěn)定位置過(guò)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(dòng)。協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)中的自組織過(guò)程可進(jìn)行如下分析:

(1)由于開(kāi)采活動(dòng)前置條件中一個(gè)或一個(gè)以上基礎(chǔ)性因素的復(fù)雜性,在協(xié)同開(kāi)采關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式未形成之前或協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)由穩(wěn)定狀態(tài)再次失穩(wěn),導(dǎo)致協(xié)同開(kāi)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(kāi)采系統(tǒng)的控制參量達(dá)到閾值(如通過(guò)在協(xié)同學(xué)所研究的對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)都遵從的普遍規(guī)律的指導(dǎo)下,對(duì)協(xié)同開(kāi)采過(guò)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(wú)規(guī)力,隨機(jī)力)作用下,協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)從非穩(wěn)定位置過(guò)渡到新的穩(wěn)定平衡位置(如能克服開(kāi)采活動(dòng)前置條件復(fù)雜性的協(xié)同開(kāi)采技術(shù)的產(chǎn)生),且在此過(guò)程中形成序參量(如協(xié)同開(kāi)采關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式)。

(4)開(kāi)采系統(tǒng)中其他微觀參量緊隨序參量運(yùn)動(dòng)變化(如協(xié)同采礦方法及相應(yīng)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、采場(chǎng)回采工作隨同協(xié)同開(kāi)采核心技術(shù)模式而運(yùn)動(dòng)變化,以適應(yīng)系統(tǒng)的有序開(kāi)采模式),表現(xiàn)出資源開(kāi)采與復(fù)雜開(kāi)采活動(dòng)前置條件之間矛盾的有序化解,最終實(shí)現(xiàn)在資源開(kāi)采的同時(shí)和諧處理相應(yīng)因素的不利影響或者在實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)采的同時(shí)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(kāi)采系統(tǒng)的自組織活動(dòng)。

5 結(jié) 論

(1)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)或其他工程目的處理子系統(tǒng)中兩個(gè)或兩個(gè)以上的子系統(tǒng)構(gòu)成。協(xié)同開(kāi)采系統(tǒng)的總序參量為協(xié)同開(kāi)采關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式,其子系統(tǒng)對(duì)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(kāi)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(kāi)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(kāi)采活動(dòng)前置條件”表述,分析認(rèn)為開(kāi)采活動(dòng)前置條件中某一個(gè)或一個(gè)以上基礎(chǔ)性因素的復(fù)雜性對(duì)應(yīng)擬開(kāi)發(fā)的協(xié)同開(kāi)采技術(shù)模式。

(3)協(xié)同開(kāi)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(gè)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(guò)程中所表現(xiàn)的“子系統(tǒng)與序參量的競(jìng)爭(zhēng)、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(guò)程”。

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