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]。為滿足這部分復(fù)雜難采資源的開采需求,“協(xié)同開采”理念應(yīng)時而生[2]。在該理念提出后的10余年內(nèi),協(xié)同開采理論研究與技術(shù)實踐取得了長足進(jìn)步[3-11];與此同時,“協(xié)同開采”一詞也逐漸成為采礦學(xué)者研究的一個熱點詞匯[12]。如今,“協(xié)同開采”作為專業(yè)詞匯逐漸被業(yè)內(nèi)廣為認(rèn)同。

僅就協(xié)同開采技術(shù)而言,雖然國內(nèi)諸多學(xué)者做了大量原創(chuàng)性開發(fā)工作;但從協(xié)同學(xué)的角度來看,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)同開采技術(shù)。從長遠(yuǎn)來看,也影響了協(xié)同開采技術(shù)模式的深入發(fā)展。

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

1 協(xié)同學(xué)原理對協(xié)同開采技術(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),其在通過自組織形成空間、時間或功能結(jié)構(gòu)過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。它們對協(xié)同開采技術(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)歷一個由簡單到越來越復(fù)雜的演化過程,不穩(wěn)定性對系統(tǒng)的演化具有積極的建設(shè)性作用[15]。

協(xié)同開采系統(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)雜的開采活動前置條件與開采活動的競爭產(chǎn)生。因此,在進(jìn)行協(xié)同開采技術(shù)開發(fā)時,需率先對開采系統(tǒng)中的競爭與不穩(wěn)定性進(jìn)行分析。也就是說,這種競爭與不穩(wěn)定性即為協(xié)同開采技術(shù)開發(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;如從具體過程來看,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。在開展具體的協(xié)同開采技術(shù)開發(fā)活動時,需在厘清協(xié)同開采系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上探討協(xié)同開采系統(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)的獨立運動及其之間可能產(chǎn)生的局部耦合,加上環(huán)境條件的隨機(jī)波動,導(dǎo)致系統(tǒng)宏觀量的瞬時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,成為推動系統(tǒng)進(jìn)入有序狀態(tài)的巨漲落,這種巨漲落的過程伴隨著序參量的產(chǎn)生[18-20]。

在協(xié)同開采系統(tǒng)中,漲落為子系統(tǒng)及環(huán)境條件的隨機(jī)波動導(dǎo)致開采系統(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)同開采系統(tǒng)實現(xiàn)有序后,漲落仍然存在,當(dāng)系統(tǒng)再次面臨失穩(wěn)時,仍可通過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)演化至臨界點時,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)集體運動的產(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)演化過程。協(xié)同學(xué)明確指出,比起研究所有的子系統(tǒng),通過序參量來研究系統(tǒng)整體則更為簡單[22]。

協(xié)同開采系統(tǒng)中,通過能夠指示新結(jié)構(gòu)形成的序參量來研究系統(tǒng)相對簡單。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)過程中,其余變量服從于序參量,序參量一旦形成,則對其他參量產(chǎn)生役使作用,此時序參量對系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)大于其他參量。

協(xié)同開采系統(tǒng)中,當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到臨界值時,子系統(tǒng)序參量對系統(tǒng)的有序演進(jìn)起主導(dǎo)作用,此時可以忽略其他參量對系統(tǒng)的影響。在開發(fā)具體的協(xié)同開采技術(shù)時,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)微觀局部優(yōu)化。

1.6 自組織原理

自組織原理是指系統(tǒng)在沒有外部指令的條件下,內(nèi)部子系統(tǒng)通過吸收一定的外部能量流、信息流和物質(zhì)流,在競爭與協(xié)同作用中由非平衡態(tài)轉(zhuǎn)為相對平衡態(tài),自動形成新的時間、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)同開采技術(shù)開發(fā)活動中,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)原理對協(xié)同開采技術(shù)的指導(dǎo)作用分析,可歸納得到協(xié)同開采技術(shù)的三句核心闡述,即:競爭與不穩(wěn)定性是開展協(xié)同開采技術(shù)開發(fā)的前提,系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)是協(xié)同開采技術(shù)的組織載體,協(xié)同作用是維持系統(tǒng)有序運行的驅(qū)動力。由此可見,“競爭與不穩(wěn)定性”“系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)”“協(xié)同作用”構(gòu)成協(xié)同開采技術(shù)的三大核心模塊。這三大模塊在協(xié)同開采技術(shù)中占據(jù)核心地位,是協(xié)同開采技術(shù)的關(guān)鍵組成部分,是開發(fā)協(xié)同開采技術(shù)不可或缺的基本環(huán)節(jié)。

2.1 競爭與不穩(wěn)定性

“競爭與不穩(wěn)定性”是開發(fā)協(xié)同開采技術(shù)的前提,其中競爭包含著矛盾與沖突,沖突是矛盾的尖銳化和表面化;“不穩(wěn)定性”由子系統(tǒng)之間的競爭產(chǎn)生。

“競爭與不穩(wěn)定性”根源于開采活動前置條件中基礎(chǔ)性因素的復(fù)雜性[5]。開采活動前置條件囊括了影響開采活動的開采技術(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)生競爭(矛盾與沖突),致使開采系統(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,資源開采子系統(tǒng)與高地應(yīng)力控制子系統(tǒng)之間產(chǎn)生競爭(矛盾與沖突),開采系統(tǒng)出現(xiàn)“三高一擾動”、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)同開采系統(tǒng)的要素及結(jié)構(gòu)是協(xié)同開采技術(shù)開發(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)同開采系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 協(xié)同開采系統(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)或其他工程目標(biāo)處理子系統(tǒng)組成。常規(guī)資源開采子系統(tǒng)主要包括露天開采系統(tǒng)、地下開采系統(tǒng)、露天轉(zhuǎn)地下開采系統(tǒng)。根據(jù)開采活動前置條件,影響有序開采因素處理子系統(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采中的“穿爆采運排”工作及地下開采中的采場結(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?？刂茀⒘侩S外部環(huán)境(如材料、設(shè)計、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)同作用來說,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)同開采系統(tǒng)中的協(xié)同作用分為以下3項關(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)同開采技術(shù)應(yīng)用中占有至關(guān)重要的作用。協(xié)同開采系統(tǒng)作為一個開放系統(tǒng),在不斷與外界發(fā)生能量、信息、物質(zhì)交換的過程中實現(xiàn)有序化?？刂茀⒘縿t是對這種能量、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)的臨界點或臨界范圍。只有正確把握了某種協(xié)同開采技術(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,此時的控制參量則是分區(qū)界限,閾值則是通過對復(fù)雜礦體形態(tài)、采礦方法實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)上開發(fā)出各分區(qū)適配開采技術(shù),其整個系統(tǒng)的有序開采新結(jié)構(gòu)便得以形成。在協(xié)同開采技術(shù)工程實踐中,只有正確找出了系統(tǒng)序參量并求出其閾值后,開采系統(tǒng)的有序化才有條件得以實現(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)對復(fù)雜的開采活動前置條件,根據(jù)文獻(xiàn)[5]所述的8個概括性因素,將某種或某些工程技術(shù)集成模式分為八大類: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)雜其他開采技術(shù)條件處理技術(shù)、“三下一上”開采條件處理技術(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)同開采總序參量是關(guān)鍵核心技術(shù)集成模式。協(xié)同開采系統(tǒng)是多個子系統(tǒng)序參量同時存在的系統(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,共同形成能實現(xiàn)有序新結(jié)構(gòu)的總序參量。

為實現(xiàn)協(xié)同開采系統(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)而實現(xiàn)資源安全高效開采的同時達(dá)到多種工程目的,取得雙贏或多贏的工程效果。

3 協(xié)同開采技術(shù)的一般開發(fā)流程研究

開采系統(tǒng)在協(xié)同前為無序混沌狀態(tài),根據(jù)擬采對象是否被開采過,可將這種無序狀態(tài)分為兩種:一種為礦體未開采情況下的無序,一種為礦體已被部分開采情況下的無序。相較于礦體未被開采情況下的無序,已被部分開采狀態(tài)下的無序還需考慮現(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)同開采系統(tǒng)兩子系統(tǒng)間的矛盾;二者均需通過協(xié)同開采技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用來實現(xiàn)開采系統(tǒng)從無序混沌狀態(tài)向有序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

基于協(xié)同開采技術(shù)的核心模塊,結(jié)合工程技術(shù)開發(fā)一般過程,形成協(xié)同開采技術(shù)一般開發(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)同度測評等主要步驟。協(xié)同開采技術(shù)的一般開發(fā)流程如圖2所示。

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

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

(2)競爭與不穩(wěn)定性分析。① 開展開采活動前置條件(基礎(chǔ)性因素)復(fù)雜性分析;② 開展復(fù)雜的開采活動前置條件給系統(tǒng)帶來的矛盾與沖突分析、現(xiàn)有解決技術(shù)之間的競爭矛盾與不穩(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。此時協(xié)同開采技術(shù)模式基本形成。

(5)協(xié)同度測評。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)展演化過程中彼此和諧一致的程度[36]。協(xié)同度測評,在協(xié)同開采技術(shù)一般開發(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)同開采技術(shù)模式的測度評價。在協(xié)同開采技術(shù)開發(fā)過程中,將改進(jìn)后的協(xié)同熵法[37]與實踐所得到的采切比、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)同度測度評價。

4 案 例

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

4.1 工程目標(biāo)確定

廣西高峰礦105號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程中的碎裂環(huán)境和采空區(qū),同時實現(xiàn)稟賦資源的安全高效回采。

4.2 競爭與不穩(wěn)定性分析

開采活動前置條件方面,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)。針對碎裂環(huán)境隱患,基于采礦環(huán)境再造理論開發(fā)出采礦環(huán)境再造無間柱分段分條連續(xù)采礦法;針對采空區(qū)可能對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)同開采系統(tǒng)的子系統(tǒng)可分為資源開采子系統(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)同開采技術(shù)模式?？刂茀⒘繛椴傻V方法設(shè)計依據(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勘測出采空區(qū)位置、形狀及規(guī)模,計算出采空區(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:通過對采礦環(huán)境再造理論的科學(xué)應(yīng)用,形成采礦環(huán)境再造無間柱分段分條連續(xù)采礦法;通過采空區(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)對協(xié)同開采技術(shù)的指導(dǎo)作用。

(2)歸納出了協(xié)同開采技術(shù)的3句核心闡述,即:競爭與不穩(wěn)定性是開展協(xié)同開采技術(shù)開發(fā)的前提,系統(tǒng)要素與結(jié)構(gòu)是協(xié)同開采技術(shù)的組織載體,協(xié)同作用是維持系統(tǒng)有序運行的驅(qū)動力。將“競爭與不穩(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)同開采技術(shù)的三大核心模塊。

(3)形成了以工程目標(biāo)確定、競爭與不穩(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)同度測評等主要步驟的協(xié)同開采技術(shù)的一般開發(fā)流程。

(4)結(jié)合廣西高峰礦105號碎裂礦段具體工程,分析了碎裂環(huán)境和采空區(qū)雙重隱患下協(xié)同開采技術(shù)的開發(fā)過程,為協(xié)同開采技術(shù)的開發(fā)提供了一個范例。