有色金属矿集区协同采矿理论与实践①

2020-11-18周科平邰艳芝

矿冶工程 2020年5期

周科平，邰艳芝，潘征，韦军

（1.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083； 2.河池五吉有限责任公司，广西河池547000）

在社会经济发展中，矿业占据着举足轻重的地位。矿产资源为人们生活提供了基本物质与能源保障，是人类社会发展的重要基础。人类所耗费的自然资源中，矿产资源占80%以上，地球上每人每年要耗费3 t矿产资源［1］。采矿工程是一个多系统协同、非线性、复杂的系统工程，涉及资源、社会、环境、经济、技术、装备、工序、人员、安全等诸多因素，不同因素之间相互协调、相互配合、相互制约，形成大小不同、属性不一的子系统，采矿作业就是以矿石资源开采为共同目标，各子系统按照一定的方式相互作用、协调配合、相辅相成的过程。在这个复杂开放的系统工程中，各子系统或子系统组成因素相互作用，形成矿石开采整体运行机制，采矿效率就是各子系统或子系统组成因素之间协同度的表征。采矿科学技术和装备工艺的进步带来了采矿效率的提高，却忽略了对矿产资源开采过程中系统间协同效应研究。然而，采矿工程本身就是各系统及其因素之间协同作用的过程，因此，研究采矿工程中的协同效应有利于采矿效率的进一步提高，对采矿行业的进步大有裨益。

1 协同采矿理论的发展及意义

协同效应是指复杂开放系统中大量子系统之间和谐正向配合和相互作用而产生的整体效应。纵然协同效应一直贯穿于采矿工程始终，却一直没有引起人们的重视，直到20 世纪60 年代Ansoff 教授首次提出了协同理论［2］。 2006 年，在协同理论的基础上，文献［3］综合审视了21 世纪之前国内矿业无序低效开发的态势，深思了资源开采对环境的负效应，面向21 世纪矿业提出了“采矿环境再造”这一学术思想，突破传统采矿思想约束，通过一定技术手段，改造矿体赋存地质环境，改善矿床开采技术条件，达到安全高效绿色开采的目的，开发了采矿环境再造技术体系。 2009 年，陈庆发基于采矿环境再造思想提出了“协同采矿”这一科学命题［4］。此后，不断有学者完善协同采矿理论体系并指导采矿生产实践［5-11］。此外，在露天转地下采矿工程方面，协同采矿理论与技术得到了大量应用［12-15］。时至今日，协同采矿理论不断深入发展，开发了大量协同采矿关键技术，极大地丰富了我国采矿工程理论体系。

我国矿产资源的主要特点是大、中型矿床少，小型矿床多，贫矿多，富矿少，分布极不均衡，形成了不少以“多、小、散”矿群为特征的矿集区，如云南个旧矿集区、广西大厂矿集区、河池五吉矿集区、内蒙古正镶白旗矿集区。整体较差的天然禀赋给矿产资源开发利用过程中的采、选、冶等带来了一系列困难，“大矿小勘”“小矿小开”的粗放型开采模式直接导致了我国资源综合利用率低，矿山生产效率低，安全事故频发，资源浪费严重，环境问题突出。经过数十年的强化开采，多数矿山资源几近枯竭，新增储量青黄不接，严重制约着我国矿业的可持续发展之路。因此，研究探索矿集区资源高效协同采矿模式，开发矿产资源集约化开采关键技术，实现矿集区矿产资源规模化、集约化、安全、高效开采，是保障我国矿产资源供应的必由之路。

2 有色金属矿集区协同采矿理论

2.1 矿集区五律协同采矿理论

“五律”是指自然规律、环境规律、技术规律、经济规律和社会规律，文献［16］认为五律不仅具有独立性，还存在着复杂的相互作用，共同制约着人类的生存和发展。当五类规律的作用目标一致时，它们会同向作用，协同发力，更高效地实现目标，这种状态称为五律协同。

对于矿业而言，采矿工程是一个相当复杂的大系统，矿集区五律协同采矿是指协调整合矿集区内自然、环境、技术、经济和社会等因素的内在联系和矛盾，形成时间上、空间上和层次上的有序结构，以安全绿色经济高效为目标，同向协力开采矿产资源。

1）自然规律。矿集区内自然资源禀赋是进行矿石开采的基本条件和物质基础，影响矿产资源开发的主要因素有地形、地貌、地质条件、储量、数量、位置、赋存状态、岩石质量、温度、气候、水土状况等。虽然，随着科学技术的进步，人们改造自然条件的能力大大提高，但自然规律依然是影响矿产资源开发的关键因素之一。

2）环境规律。绿水青山就是金山银山，矿石开采不能以牺牲环境为代价，采矿活动对矿集区的自然生态、景观风貌、环境承载力提出了挑战，人与环境的和谐是矿业发展的必然要求。

3）技术规律。技术源于人们对自然规律的认知，在很大程度上决定了矿集区资源开采效率，是实现目标的重要保障。技术规律涵盖开采技术、支护技术、充填技术、爆破技术、环境再造技术、运输技术、选矿技术、监控监测技术等方面，技术与自然、环境、经济、社会的联合作用对高效开采至关重要。

4）经济规律。经济规律是推动、制约和平衡采矿活动的最根本因素，也是技术进步的最主要动力。经济与自然、环境、技术、社会存在密不可分的联系，是矿集区资源开发的出发点和最终目标。

5）社会规律。矿集区覆盖面积大，涉及人员多，涉及方面广，必然对该区域社会规律造成一定的影响。矿集区产业变革、周边人员就业、地区协调发展、区域经济水平、城市社会影响等都与资源开发有着密不可分的联系。

五类规律不仅遵守着各自的作用，彼此间也相互作用：自然是矿集区协同采矿的物质基础，经济是矿集区协同采矿的动力牵引，社会是矿集区协同采矿的组织力量，技术是矿集区协同采矿的支撑体系，环境是矿集区协同采矿的约束条件。因此，五律协同是矿集区集约安全高效开采的必要条件和最终归宿。

2.2 矿集区多尺度协同采矿理论

采矿系统是一个由大量子系统组成的复合系统［17］，通过子系统间的协同作用，形成具有矿石开采功能的自组织结构，从而在宏观尺度上呈现出有序状态，这正是协同学研究的内容。采矿系统的复杂性在于它的系统结构涉及宏观尺度、中观尺度和微观尺度等多尺度主体系统，且每个主体系统都嵌套了多个次级子系统、三级子系统，彼此间呈现出非线性特征。采矿系统也不是一个孤立的封闭系统，它根植于外部环境系统之中，对外部系统的政策、技术、经济、装备、信息等参量的掺入做出自组织性回应，平衡系统，实现内外协同。

矿集区多尺度协同采矿（见图1）就是将矿集区矿产资源的开发作为一个统一体，在不同尺度上关注不同子系统以及彼此间的关系流，使得各子系统协同运作，达到矿产资源集约、安全、高效、绿色、经济的开采目的。

图1 矿集区多尺度协同采矿示意图

在宏观尺度上，关注点在于矿集区内的资源、经济、社会、环境、人口等子系统，协同的内涵在于规划整体布局，摆脱各子系统相对独立运作的状态，形成整体联动效应。

在中观尺度上，关注点在于矿山主要生产系统，协同的内涵在于实现开采系统输出较高的协同效应，形成高协同度的开采辅助系统网络。

在微观尺度上，关注点在于采场的生产技术条件，协同的内涵在于合理调配各工序，达到安全高效回采的目的。

不同成矿作用下矿集区的资源禀赋不尽相同，不同尺度上的关注点和协同的内涵可能略有差异，但矿集区协同采矿的尺度效应是客观存在的。各尺度之间不是相对独立的，而是高度协同的。宏观是中观和微观的蓝图，中观和微观是宏观设计的基础，不同尺度间的物质流、能量流和信息流的相互渗透、相互交叉和相互反馈，使整个采矿系统始终处于动态平衡的有序状态。

2.3 矿集区时空协同采矿理论

要实现矿集区“多、小、散”矿体集约高效协同采矿，就必须将区域内矿产资源作为一个整体谋划，这是协同采矿的基础和前提。矿集区协同采矿不是一蹴而就的，它需要找寻一个合适的时机，过早或过晚都会增加经济成本，它是一个各子系统与组成因素之间时空协同作业过程。

在时间上，矿集区时空协同是资源配置在时间顺序、时间间隔上的合理分配，其目的是在时间上实现各因素之间和谐的、正向的最优化配合。围岩支护时空协同示意图见图2。由图2 可知，围岩支护的最佳时机是在协同点位置，早于协同点支护，围岩自身承载力相对较小，支护结构承受的荷载较大；晚于协同点支护，围岩产生较大变形，自身承载力降低，同样需要较大支护力；只有在协同点支护才能最大限度的发挥围岩的自身承载力，支护结构承担围岩本身无法平衡的那部分围岩应力，从而使支护荷载最小化，工程量更加经济合理。

图2 围岩支护时空协同示意图

在空间上，矿集区时空协同是采矿系统工程中各种空间的组织、利用、处理模式，是在各个时期空间布局上的优化利用，其目的是在安全的前提下，实现各个时期开采空间处理和利用的利益最大化。留矿法是典型的时空协同采矿方法，每次落矿后部分放矿，暂留矿石为矿房继续开采提供了工作平台，同时对围岩起到了一定的支撑作用。在采空区协同利用方面，划大采空区为小采空区或划连续采空区为孤立采空区，将中、小规模采空区直接内嵌入矿山开采布局中，作为开采系统中的部分井巷工程、切割工程、自由爆破空间、硐室空间等加以协同利用，从工艺协调的角度处理和利用采空区。

3 工程实践

3.1 工程背景

云南个旧是以锡为主的超大型多金属矿集区，是举世闻名的世界锡都，具有2 000 余年的开采历史，但管理秩序混乱，民营企业多，乱采滥挖现象严重。 1998年，矿区内乡镇、民营矿山有340 户，经过4 年大力整顿，矿集区内仍涵盖228 个矿点，900 多个矿体，14 个选厂，国营、民企矿企26 家，其中16 家没有规划矿界，无证开采，资源争抢严重，开采方式粗放，矿山规模小，技术水平低，开采效率低，经济效益差，安全隐患多，资源浪费和环境污染严重。个旧矿集区2004 年被国务院列为首批严重危机矿山之一。

3.2 个旧矿集区协同采矿模式

分析个旧矿集区资源开采方式，存在的主要问题有：①区域内开拓系统复杂，提升运输设备陈旧，运行效率低，缺乏多功能综合性的立体空间系统。 ②通风系统线路长、风机多、能耗大，大范围开采适应性差。③水资源的时间分布不均衡，年内年际间变化大，雨季洪涝，旱季缺水。 ④生产辅助系统设备老化，布局不合理，能耗高。 ⑤生产量、选厂、尾矿库等资源配置能力不匹配。 ⑥采矿方法与装备条件落后，矿产资源集约化开采程度低。 ⑦可持续发展水平低，矿产资源勘探和复杂难采矿体开发存在技术瓶颈。

解决个旧矿集区的严峻形势，必须实施以资源为重点的行业整顿，从矿集区全局出发，集聚资源，集约开采。因此，基于有色金属矿集区协同采矿理论，结合个旧矿集区客观条件，提出“区域矿山”开采新模式，建设集约化的现代化矿山。图3 为云南个旧矿集区区域矿山模式图。

3.2.1 区域矿山五律协同采矿设计

根据五律协同采矿理论，区域矿山内自然资源丰富，个旧矿集区面积约1 580 km2，成矿条件较好的约500 km2，具有较好的找矿前景。个旧矿集区以南北向断裂为界分为东西两个矿区，西矿区仅有牛屎坡、朱箐坡等数10 个中小型锡、铅矿床，主要资源产于东矿区。东矿区面积600 km2，涵盖马拉格、松树脚、高松、老厂和卡房5 大矿田，资源储量占世界锡储量的1／10，占中国的1／3。在环境方面，全面建设了废石不出坑的充填系统建设，保护了生产环境，实现了人与环境的和谐发展。区域矿山开发了一系列“多、小、散”矿群的集约化开采关键技术，带来了巨大的经济效益，培养和造就了一批矿业及相关行业的专业技术和管理人才，为云南个旧的社会发展和科技强省做出了贡献。

图3 个旧区域矿山模式图

3.2.2 区域矿山多尺度协同采矿设计

区域矿山协同采矿在不同尺度上进行了再设计。在宏观层次上，从矿集区角度出发谋划区域矿山顶层设计，将区域矿山划分为三大平台，整合生产辅助系统网络和矿山数量，扩大选厂服务效能，选厂数量由14个缩减到3 个，矿山数量由26 个整合到3 个。在中观层次上，对多重约束条件下大区域空间资源配置及工程布局进行优化，整合设计开拓系统、运输系统、通风系统、供排水系统、供电系统和压气系统，形成1 个中央盲竖井、4 个生产斜坡道、5 个通风竖井区域矿山开拓系统框架，使三大片区即相互独立又相互联系。此外，建立分区共享、远程控制的集约生产系统，实现井上井下无线通讯、水电站无人值守、风机远程自动控制、环境监测及人员定位。在微观层次上，针对某一矿体或采场，开发适应性强、开采效率高、生产能力强的采矿方案。图4 为区域矿山多尺度协同采矿系统架构。

3.2.3 区域矿山时空协同采矿设计

以集约安全高效开采为目标建设区域矿山，在时空协同采矿理论的指导下，构建了区域矿山时空协同采矿整体架构如图5 所示。在时间上规划未来10 年的现代化矿山的总体架构、集约开采大系统构建和各阶段目标，提炼现有技术和工艺流程，进行优化、重组、改进和集成，设计高技术性协同采矿解决方案。在空间上将矿集区资源整合，规划建设“三平、五竖、三区、三厂、三分矿”整体架构，统筹规划区域矿山提升、运输、通风、排水、动力供应、充填、安全避险等系统，科学利用各矿山空间位置优势，使整个区域矿山形成一个有机整体。

“三平”：区域矿山1 800、1 600、1 360 三大平台。1 800 平台位于区域矿山的上部，沟通衔接老厂分公司、大屯锡矿、卡房分公司和采选分公司，沟通中部和南部两个选厂，覆盖范围广，是开拓运输的重要平台；1 600 平台为盲中段平台，是区域矿山集立体勘查、系统建设和生产基地三大功能的中部平台；1 360 平台以开拓排水与主运输为主要功能的下部基础性平台。

“五竖”：区域矿山相互连通、功能互补、沟通三大平台的5 个辅助竖井，分别为中部中央竖井、北部大屯锡矿大马芦竖井、东部老厂分公司竹叶山竖井、南部卡房竖井和西部采选分公司西凹竖井。

“三区”：按照通风、压气、排水、供风、供电5 个辅助系统的服务范围，将区域矿山分为北区、中区和南区三个服务区。

“三厂”：在区域矿山建设3 个选厂，即北部的大屯选厂扩建，处理能力由4 600 t／d 提升到11 000 t／d；中部新建羊坝底选厂，处理能力4 000 t／d；扩建南部的卡房选厂，生产能力由1 800 t／d 提升到6 000 t／d。

“三分矿”：整合区域矿山矿产资源，将原来的多个小矿山整合为大屯锡矿、老厂分公司和卡房分公司3个分矿。

图4 区域矿山多尺度协同采矿系统架构

3.3 区域矿山模式应用成效

区域矿山模式的应用取得了显著成效。矿集区采矿工效提高2.1～3.0 倍、采场生产能力提高2.7～4.0 倍；破解了大区域井下窄轨长距离大运量的快速运输难题，运输能力从6 300 t／d 提高到11 000 t／d；淘汰低效高耗设备2 900 台套；固废资源化提高43.7%；废水利用率提高49.4%，年均增加水资源利用量480 万立方米。 11 年间，新增金属总量244 万吨，盘活低品位矿1 600 万吨，延长矿山服务年限24 年，新增产值66.53 亿元，利润29.32 亿元。云锡从国家首批资源危机矿山转变为锡资源保有量世界第一、锡产销量连续10 年稳居世界第一的龙头企业。

区域矿山协同采矿模式整合了矿集区的矿产资源，实施采选产能合理配置，淘汰落后产能，简约生产辅助系统，显著提高了产业集中度，实现了中小矿山规模化开发利用。区域矿山模式为我国众多矿集区内相对分散的中、小型矿体的开采创造了一种集约化开采的新模式，开拓了中小型矿山的可持续发展之路。

图5 区域矿山时空协同采矿整体架构

4 讨论

1）采矿工程绝不是单一学科理论和知识的运用，而是一项复杂的综合实践过程，它具有很大包容性和与时俱进的创新性，它在不同时代具有不同科学内涵。这是一个学科交叉、不同层次交叉的采矿新时代。新时代背景下对采矿的整体要求不断提高，仅仅依靠传统采矿科学的单一思维很难带来采矿技术的革新，因此，采矿工程与其他学科、理论体系的交叉研究必定是未来采矿的重要课题。

2）采矿工程并不是单纯科学理论的简单堆砌和剪贴拼凑，也不是相关技术的直接应用，而是资源、经济、环境、技术、社会等诸多要素的集成、优化和协同，这也是本文提出五律协同采矿理论的原因。有色金属矿集区协同采矿理论是一个复杂的理论体系，其根本目的是指导采矿实现资源效益、经济效益、环境效益、技术效益和社会效益的最大化。当然，本文提出的五律协同采矿理论、多尺度协同采矿理论和时空协同采矿理论还需要进一步细化和完善。

3）小矿小开的粗放型开发模式必定限制了采矿技术的发展和装备工艺的进步，其应对自然灾害和经济风险的能力有限，韧性不足。把一定区域内矿产资源集聚起来协同采矿，将大大增加采矿效率和资源开发的可持续性。

4）矿山生产模式不断更新，采矿业向规模化、集约化、协同化方向发展，开始迈入智能化新阶段。智能采矿背景下，矿集区协同采矿必定迈上新征程。