協(xié)同采礦方法的發(fā)展及類組歸屬

陳慶發(fā)

（廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西南寧530004）

我國金屬礦產(chǎn)資源賦存的基本特點(diǎn)是大型礦床少，中、小礦床多；單金屬礦少，伴生、多金屬礦多；管理粗放，集約化程度低。且隨著開采強(qiáng)度的增加，易采資源逐步消耗殆盡，一些開采難度大、隱患多、工程目標(biāo)復(fù)雜等難采資源逐漸受到了人們的重視［1］。

對(duì)于這部分資源的開發(fā)利用，亟需一些采礦新理念、新理論予以指導(dǎo)，正如《未來10年中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略：工程科學(xué)》［2］一書指出，“復(fù)雜難動(dòng)用資源開采理論與方法”等是未來影響我國采礦行業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的理論與技術(shù)難點(diǎn)，并將“難動(dòng)用儲(chǔ)量的資源開采理論與方法”列為優(yōu)先資助方向。

“協(xié)同開采”理念，是筆者2009年針對(duì)采空區(qū)隱患資源開采時(shí)提出的［3］，2011年明確了其定義及其技術(shù)體系［4-5］。時(shí)至今日，“協(xié)同開采”理念已被我國礦業(yè)行業(yè)廣泛采用［6-14］。

采礦方法在地下礦山生產(chǎn)中占據(jù)著核心地位。隨著“協(xié)同開采”理念的深入發(fā)展，我國學(xué)者發(fā)明了大量協(xié)同采礦方法，這些采礦方法的提出極大地豐富了我國采礦方法體系。但迄今為止，尚未有學(xué)者對(duì)這類采礦方法進(jìn)行系統(tǒng)歸納與整理，且該類采礦方法在一定程度上仍存在概念不清晰、命名不規(guī)范、技術(shù)特點(diǎn)模糊、類組歸屬混亂等問題，令從業(yè)人員無從掌握，難以廣泛推廣應(yīng)用。

1 協(xié)同采礦方法定義及范疇界定

1.1 協(xié)同采礦方法的定義

采礦方法主要包括“采場(chǎng)結(jié)構(gòu)”和“采場(chǎng)回采工作”兩大方面。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)與采場(chǎng)回采工作是相互聯(lián)系的，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨著回采工作的需要而變化。因此，采場(chǎng)回采工作是決定采礦方法本質(zhì)的主要方面。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)包括采場(chǎng)型式、結(jié)構(gòu)參數(shù)和采準(zhǔn)布置等。采場(chǎng)回采工作包括“地壓控制”與“落礦、礦石運(yùn)搬”兩個(gè)方面，其中地壓控制是主要方面，它決定了采場(chǎng)能否按期生產(chǎn)、落礦和礦石運(yùn)搬能否順利進(jìn)行。

將在采場(chǎng)結(jié)構(gòu)（含采場(chǎng)型式、結(jié)構(gòu)參數(shù)和采準(zhǔn)布置等）或采場(chǎng)回采工作（含地壓控制與落礦、礦石運(yùn)搬）兩大方面具有合作、協(xié)調(diào)與同步等協(xié)同屬性的采礦方法定義為協(xié)同采礦方法。

1.2 協(xié)同采礦方法的范疇界定

傳統(tǒng)采礦方法是一套模式化的流程，建立在高度專業(yè)化分工和類似科層組織的基礎(chǔ)上，描述的是礦塊回采的先后順序；而協(xié)同采礦方法，則更為強(qiáng)調(diào)采礦環(huán)節(jié)間具有的協(xié)調(diào)、合作、同步的協(xié)同屬性以及產(chǎn)生的協(xié)同效果。

因此，協(xié)同采礦方法的范疇界定如下：①協(xié)同采礦方法首先隸屬于采礦方法；②區(qū)別于其他采礦方法，協(xié)同采礦方法更為強(qiáng)調(diào)在采場(chǎng)結(jié)構(gòu)或采場(chǎng)回采工作兩大方面具有的合作、協(xié)調(diào)與同步等協(xié)同屬性，是一類比較特殊的采礦方法；③協(xié)同采礦方法所具有的協(xié)同屬性，通常有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜難采礦體的順利開采或?qū)崿F(xiàn)某種特殊開采目的，比如安全、高效、多目標(biāo)等。

2 協(xié)同采礦方法的發(fā)展

通過對(duì)萬方專利技術(shù)數(shù)據(jù)庫、國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利檢索數(shù)據(jù)庫、國家重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)專利信息服務(wù)平臺(tái)、中國學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫（CNKI）及專業(yè)書籍、教材、手冊(cè)等檢索知悉，通過檢索“名稱”、“摘要”、“正文”內(nèi)含有“協(xié)同”二字或具有協(xié)同屬性的采礦方法，發(fā)現(xiàn)自2009年起至2018年10年來我國采礦學(xué)者一共提出19種協(xié)同采礦方法，如表1所示。

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表1中19種協(xié)同采礦方法，其中陳慶發(fā)提出10項(xiàng)，陳何、雷濤各提出2項(xiàng)，周愛民、鄧紅衛(wèi)、胡建華、李啟月、孫麗軍各提出1項(xiàng)；提出采礦方法的依托單位主要集中于廣西大學(xué)、中南大學(xué)、武漢理工大學(xué)、長沙礦山研究院、北京礦冶研究總院、馬鞍山礦山研究院等高校與科研院所；所提出的采礦方法在數(shù)目上呈現(xiàn)出逐年增多的趨勢(shì)，這些信息說明了“協(xié)同開采”理念正在不斷地受到越來越多的行業(yè)專家學(xué)者的認(rèn)可，體現(xiàn)了我國學(xué)者對(duì)協(xié)同采礦方法開發(fā)與革新的重視。

2009年，陳慶發(fā)在其博士學(xué)位論文《隱患資源開采與采空區(qū)治理協(xié)同研究》中，首次明確提出了“協(xié)同空區(qū)利用的采礦環(huán)境再造分段鑿巖階段礦房采礦法”，將部分中小規(guī)模采空區(qū)作為礦塊的井巷工程、切割工程、自由爆破空間等部分工程結(jié)構(gòu)加以協(xié)同利用（即采空區(qū)協(xié)同利用）。區(qū)別于閉坑后作為核廢料、垃圾儲(chǔ)存空間的利用和地下商場(chǎng)、軍事指揮所等的利用，采空區(qū)協(xié)同利用是資源開采過程中的同步利用，它區(qū)別于傳統(tǒng)的從地壓管理角度劃分的四類獨(dú)立的采空區(qū)處理方法，是采礦工藝調(diào)整過程中的利用，可稱得上具有獨(dú)立意義的第五類采空區(qū)處理方法。

2010年，陳慶發(fā)突破傳統(tǒng)的“嗣后充填”采礦技術(shù)思想的限制，率先提出了“同步充填”采礦技術(shù)理念，首次提出了一種具有代表性意義的“同步充填”采礦方法，即“大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦方法”［15］。新采礦方法與傳統(tǒng)放礦工藝區(qū)別在于大量放礦前設(shè)置了柔性隔離層，這使得放礦過程中散體介質(zhì)（礦石）流動(dòng)受到了來自充填料的非自由表面縱向荷載、柔性隔離層因介質(zhì)流動(dòng)產(chǎn)生的次生橫向荷載以及采場(chǎng)邊界限制條件等多重復(fù)合作用，這與傳統(tǒng)放礦工藝明顯不同，柔性隔離層作用下散體介質(zhì)流動(dòng)規(guī)律突破了傳統(tǒng)放礦理論的描述范圍。基于對(duì)柔性隔離層作用下放礦規(guī)律發(fā)生重大變化的認(rèn)知，申報(bào)的《柔性隔離層作用下散體介質(zhì)流理論研究》項(xiàng)目，在專利授權(quán)后獲得了國家自然科學(xué)基金資助。已開展的研究表明：單漏斗條件下，放礦前期放出體為近似橢球體，后期為陀螺體；多漏斗條件下，放礦前期隔離層界面保持水平并平緩下移，某一深度后隔離層起伏變大。目前，有關(guān)機(jī)理研究正在進(jìn)行中，有望創(chuàng)建一套完整的柔性隔離層下散體介質(zhì)流理論，從而進(jìn)一步推動(dòng)金屬礦床放礦學(xué)理論的新發(fā)展。

2011年，針對(duì)傳統(tǒng)采礦方法一次回采爆破的崩礦量小、作業(yè)循環(huán)多、采場(chǎng)規(guī)模小、采場(chǎng)產(chǎn)能與崩礦效率低等現(xiàn)象，長沙礦山院周愛民提出了一種高效率、大產(chǎn)能的“立體分區(qū)大量崩礦采礦方法”［16］，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模、高效率大量落礦，為厚大礦體或急傾斜中厚礦體實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集中強(qiáng)化采礦提供了一種安全、高效和大產(chǎn)能、低成本的解決方案；同年，針對(duì)階段崩落采礦法和階段空?qǐng)霾傻V法開采厚大礦床時(shí)，頂板管理困難、爆破效果不理想、礦石貧化損失大等問題，北京礦冶研究總院陳何采用布置集束孔的形式改進(jìn)爆破落礦方式，提出了“一種連續(xù)崩落采礦法”［17］，該方法能夠使落礦、出礦、頂板管理等工作協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了大步距高效安全的連續(xù)后退式回采。

2013年，陳慶發(fā)通過分析分段礦房法和垂直深孔分段鑿巖階段礦房法在開采礦巖穩(wěn)固、傾角變換頻繁或因斷層錯(cuò)動(dòng)的傾斜、急傾斜中厚礦體時(shí)所表現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)和不足，提出了一種充分利用分段礦房法和垂直深孔分段鑿巖階段礦房法優(yōu)點(diǎn)、適用于礦巖穩(wěn)固傾角變化頻繁或因斷層錯(cuò)動(dòng)的傾斜急傾斜中厚礦體的“分段鑿巖并段出礦分段礦房采礦法”［18］；同年，針對(duì)頂?shù)装濉⑸舷卤P圍巖破碎不穩(wěn)固的高品位傾斜中厚礦體采用上向或下向分層充填法回采存在的采切工程量大、采礦成本高、工作效率低、難以規(guī)模化開采、礦石損失貧化高、經(jīng)濟(jì)損失大等問題，中南大學(xué)鄧紅衛(wèi)提出一種在構(gòu)筑人工頂板、上下盤圍巖預(yù)先加固與支護(hù)的組合再造結(jié)構(gòu)體下實(shí)現(xiàn)礦體安全、高效、規(guī)模化開采有效結(jié)合的“組合再造結(jié)構(gòu)體中深孔落礦協(xié)同錨索支護(hù)嗣后充填采礦法”［19］；同年，針對(duì)上盤為不穩(wěn)固圍巖或充填體的緩傾斜中厚礦體在回收礦柱時(shí)存在的作業(yè)安全性差問題，中南大學(xué)胡建華提出一種在頂板圍巖不穩(wěn)固條件下礦石回收率高、安全性高的“分條間柱全空?qǐng)鲩_采嗣后充填協(xié)同采礦法”［20］。

2014年，基于對(duì)開采厚大礦體時(shí)分段充填法在回采過程中存在頂板安全性問題的分析，中南大學(xué)李啟月提出了一種“垂直孔與水平孔協(xié)同回采的機(jī)械化分段充填采礦法”［21］，發(fā)揮了分段采礦的高強(qiáng)度、高效率、低成本的特點(diǎn)。

2015年，為解決多層水平或緩傾斜薄至中厚礦體分層回采的技術(shù)難題，陳慶發(fā)提出了一種“采場(chǎng)臺(tái)階布置多分支溜井共貯礦段協(xié)同采礦方法”［22］，它能夠克服多層礦體分采時(shí)，采用常規(guī)溜井帶來的開采不協(xié)調(diào)、采礦管理復(fù)雜等缺點(diǎn)，改善各礦層貯礦段容量、采場(chǎng)出礦與漏斗放礦間協(xié)調(diào)性等，最大限度地減小多層礦體回采過程中的互相影響和互相制約，在生產(chǎn)空間實(shí)現(xiàn)集約高效，最終實(shí)現(xiàn)多層礦體的安全、高效、低成本的協(xié)同開采；同年，北京礦冶研究總院陳何基于對(duì)國內(nèi)外多層緩傾斜薄礦體開采出現(xiàn)的不足，提出了“一種緩傾斜薄礦體采礦方法”［23］，有效提升了采場(chǎng)的生產(chǎn)能力和采切比，提高了開采回收率，降低了礦石貧化率，上覆圍巖均勻沉降，礦層受開采影響小，采礦過程采用機(jī)械條帶式推進(jìn)式采礦，切頂協(xié)同充填與誘導(dǎo)爆破控頂處理空區(qū)。

2016年，針對(duì)常規(guī)采礦方法采空區(qū)災(zāi)害及礦石貧化損失大的問題，引入陳慶發(fā)提出的同步充填技術(shù)思想，雷濤提出了一種“厚大礦體無采空區(qū)同步放礦充填采礦方法”［24］；同年，為安全高效回采傾斜薄礦體，降低礦石損失與貧化，綜合分析房柱式采礦法和爆力采礦法各自優(yōu)點(diǎn)，陳慶發(fā)提出了一種適用于礦體傾角為30～55°、厚度為1～3 m的礦巖穩(wěn)固或中等穩(wěn)固的傾斜薄礦體的“電耙—爆力協(xié)同搬運(yùn)偽傾斜房柱式采礦法”［25］；針對(duì)使用分段崩落法方法易造成礦石損失貧化大、廢石混入率高、回采巷道局扇通風(fēng)困難且易形成污風(fēng)串聯(lián)以及通風(fēng)、上下分段的銜接和生產(chǎn)管理復(fù)雜等缺點(diǎn)，陳慶發(fā)提出了一種“柔性隔離層充當(dāng)假頂?shù)姆侄伪缆鋮f(xié)同采礦方法”［26］；同年，基于同步充填技術(shù)思想，針對(duì)空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ娜秉c(diǎn)，雷濤提出了一種“垂直中深孔兩次放礦同步充填階段采礦法”［27］，該方法簡化了回采單元的結(jié)構(gòu)，開采下一階段時(shí)回收上階段底柱并形成鑿巖硐室實(shí)現(xiàn)回采單元礦石全回收，克服了回采單元采空區(qū)圍巖片落問題，有效地控制采空區(qū)的暴露面積；同年，針對(duì)圍巖穩(wěn)固性較差的礦山，采用傳統(tǒng)空?qǐng)龇〞?huì)留下空區(qū)安全隱患，若增大礦柱尺寸必將增大礦石損失，為此，陳慶發(fā)提出了一種具有協(xié)同開采理念、同步充填優(yōu)點(diǎn)的“底部結(jié)構(gòu)下卡車直接出礦后期放礦充填同步的水平深孔留礦法”［28］，該方法作業(yè)安全性好、生產(chǎn)效率高、礦石回收率高，省略了鏟運(yùn)機(jī)—溜井轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)、卡車直接出礦，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)協(xié)同置換利用，保障了圍巖穩(wěn)定性；同年，針對(duì)回采多層傾斜薄礦體時(shí)全面留礦法生產(chǎn)能力低、回采周期長、對(duì)相鄰礦層礦塊回采影響大、安全系數(shù)低等問題以及沿礦體走向或傾向分段的傳統(tǒng)爆力運(yùn)搬采礦法生產(chǎn)能力低、采切工作量大、脈外工程多等問題，陳慶發(fā)提出將淺孔爆力運(yùn)搬技術(shù)應(yīng)用于多層傾斜薄礦體的開采，從而提出了一種“淺孔鑿巖爆力-電耙協(xié)同運(yùn)搬分段礦房法”［29］，該方法大大減少了脈外工程量，提高了生產(chǎn)能力與運(yùn)搬效率；同年，針對(duì)大型地下礦山使用嗣后充填采礦法開采時(shí)采空區(qū)暴露面積大、安全性差、采切工程量大等問題，引入?yún)f(xié)同理念，孫麗軍提出了“一種地下礦山井下雙采場(chǎng)協(xié)同開采的新方法”［30］，該方法實(shí)現(xiàn)了地下礦山多采場(chǎng)協(xié)同開采，提高了安全性和生產(chǎn)能力，減小采切工程量。

2017年，針對(duì)垂直深孔落礦有底柱分段崩落法回采礦體時(shí)由于使用電耙、溜井出礦存在底部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采準(zhǔn)切割工程量大、出礦效率低等缺點(diǎn)而造成采場(chǎng)落礦和出礦作業(yè)在時(shí)間和礦量上不能很好匹配的現(xiàn)象，基于協(xié)同開采理念、順應(yīng)采礦作業(yè)環(huán)節(jié)簡化與無軌運(yùn)輸是我國地下礦山采礦技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，陳慶發(fā)創(chuàng)新提出了“卡車協(xié)同出礦有底柱分段崩落法”［31］，該方法提高了機(jī)械化程度，保證了落礦和出礦的協(xié)同，簡化了底部結(jié)構(gòu)，減少了礦石轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)環(huán)節(jié)，提升了礦山生產(chǎn)效率；同年，針對(duì)垂直深孔分段鑿巖階段礦房法回采礦體存在采切工程量大、出礦效率低等缺點(diǎn)，陳慶發(fā)創(chuàng)新提出了“卡車協(xié)同出礦分段鑿巖階段礦房法”［32］，新方法減小了采切工程量，提高了機(jī)械化程度，保證了落礦與出礦的協(xié)同，提高了礦山生產(chǎn)效率。

3 協(xié)同采礦方法類組歸屬標(biāo)準(zhǔn)表

協(xié)同采礦方法隸屬于采礦方法范疇，其分類按地壓管理方法與一般采礦方法一致，可將協(xié)同采礦方法分為空?qǐng)龇ā⒊涮罘ā⒈缆浞ㄈ箢悺Ｆ渚唧w方案的類組歸屬，按地壓管理方法將其歸于三大類采礦方法的某一類某一組。將表1統(tǒng)計(jì)的協(xié)同采礦方法填入筆者前期開展的金屬礦床地下開采采礦方法分類修訂表，形成了協(xié)同采礦方法類組歸屬標(biāo)準(zhǔn)表，如表2所示。表2可以作為采礦從業(yè)人員在做采礦方法選擇與研究時(shí)參考使用。

4 結(jié)論

（1）基于對(duì)“協(xié)同開采”理念的理解和采礦方法的認(rèn)知，明確給出了協(xié)同采礦方法的定義、界定了其隸屬范疇。

（2）按采礦方法提出或?qū)＠暾?qǐng)時(shí)間的先后順序排序，梳理了2009～2018年10年來我國協(xié)同采礦方法的發(fā)展過程。

（3）對(duì)現(xiàn)有19種協(xié)同采礦方法典型方案進(jìn)行了類組歸屬，制定了協(xié)同采礦方法類組歸屬標(biāo)準(zhǔn)表，以此作為采礦從業(yè)人員研究和選用參考。

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