协同开采理念发展与技术应用现状

2021-02-27李国书李志国黄诗杰宋金凤

武汉工程大学学报 2021年1期

李国书，李志国，黄诗杰，涂旺，李贲，宋金凤

武汉工程大学资源与安全工程学院（兴发矿业学院），国家磷资源开发利用工程技术研究中心，湖北武汉 430074

自20 世纪60 年代Ansoff［1］提出协同理念后，协同理念在项目管理、建筑施工、矿山开采等众多领域得到不同程度的体现与应用。所谓协同，就是在最终目标的驱动下，多部门，多环节相互配合，相互告知，共同完成的一种行为。协同开采最初的基本概念由陈庆发［2］于2011 年正式提出，指目标矿体中存在某些不利于开采的影响因素，或者多种资源同时赋存时，由于传统的开采方法很难有效开采所有资源，所以采取多种工艺结合，降低或消除影响因素带来的不利影响，使地下蕴藏的不同资源均可以被开采，将地下资源进行有效的充分的利用。协同开采的核心要义是实现不同生产工艺，工作组最大程度整合，实现在保障生产安全的前提下的产量绩效最大化，达到1+1>2 的效果。协同开采的工作机理是从宏观角度出发对各个单元进行有序调配，推动多元创新主体从非协同关系走向协同关系，将现有的资源进行最充分的利用。

近年来，越来越多的学者尝试研究并运用协同开采理念指导现场生产，由于在实际应用中面临的矿山环境和技术问题的不同，学者和专家对于协同理念的理解也不尽相同，以致于出现了众多“协同开采”方法，而相应理论框架不够完善，亟待系统梳理相关概念与理论。

鉴于此，我们通过文献检索、工程考查，对协同开采理念与技术进行了归纳和分析，并初步分析了协同开采发展趋势。

1 我国协同开采研究溯源

面对新疆油气田资源储存条件复杂，开采技术难度大的问题，吴月先［3］在2008 年首次提出了将酸化和加压致裂由间接协同转向了直接协同，即先加砂压裂再闭合裂缝酸化，成功提高了油气产量。陈庆发［4］为了解决剩余隐患资源的开采和空闲采空区的问题，于2011 年提出了隐患资源开采与采空区协同治理，初步发展出了协同开采的概念。2014 年，东北大学任凤玉等［5］在煤矿露天转地下协同开采上做出了研究和总结。2018 年，陈庆发［6］发表了《协同采矿方法的发展及类组归属》，查找并归纳了2009-2018 年10 年来提出的协同采矿方法，初步梳理了协同采矿方法的定义和分类。2020 年，陈庆发［7］发表了《“协同开采”内涵析理与发展方向展望》，明确了协同开采相关概念。

早期的协同开采主要是在空间上的协同开采，保障了开采的安全和高效。随着无废开采，绿色开采等要求进一步的提出，促进了协同开采在多种资源并存的矿山上的应用，也为协同开采扩充了新的外延。

随着开采难度的增加，协同开采技术不断探索新的应用，其内涵越来越清晰，外延越来越广泛。

2 协同开采理念梳理与技术分类

通过对文献内容的整理，发现目前现有的协同理念发展主要可归纳为三种：空间协同（space cooperation）、资源协同（resource synergy）和工艺协同（process coordination）。筛选出相应有效文献84 篇：其中空间协同54 篇，资源协同15 篇，工艺协同15 篇。空间协同占总文章数的64%，是协同开采最活跃的应用方向（见图1）。

图1 不同理念所占比例分布图Fig.1 Distribution of proportions of different ideas

2.1 空间协同

空间协同指的是以实现高效生产和安全生产为目的，通过不同空间之间的作业相互告知配合，从而使不同空间的生产活动达到既定生产计划。协同开采目前在不同空间上的发展主要可以归纳为露天与地下协同、不同水平之间协同这种方向。

露天开采通常是许多矿山在早期采用的开采方式，随着开采量的不断增加，露天可以开采的矿物储量逐步减少，地下开采工作量逐步增加。为了实现从露天开采转入地下开采阶段平稳过渡，即露天爆破不会对地下巷道产生影响，地下开采不会影响露天边坡的稳定性，就需要用协同理念来协调这两个阶段的工作。其目的是为了解决过渡期的安全性差和产量低的问题，如：任凤玉［5］提出了协同布置开拓系统，以协同防治生产危害；当面临采空区塌陷威胁露天采场生产安全的问题时，王燕［8］同时采用露天废石充填采空区和地下高强度开采缓解地压的方法实现了露天地下协同开采；针对露天与地下开采空间的制约关系，曹建立［9］通过在露天塌陷坑排放废石，协同充填岩石控制边坡岩移的方向，保障露天采场安全。

当地下开采规模较大且同时存在多个工作面时，不同水平之间协同不仅可以防止多个工作面之间出现干扰，还可以保持产出矿石品位的稳定。为了实现出矿品位稳定，孙会熙等［10］通过不同的分区采用不同的采矿方法协同开采，使得最终出矿品位一致；杨驰等［11］按照配矿需求，建立了露天矿多采区协同共采的优化模型与3DMine 软件相结合，使出矿品位相对稳定。在地下开采时爆破会对深层岩体产生扰动，严重时可影响其他水平工作面围岩的稳定性，为了保障地下生产安全，陈庆发等［12］分析了矿体开采产生的扰动之间的关系，给出了相应的协同步距计算公式。文献［13-20］均报道了协同开采在空间协同上的成功应用。

2.2 资源协同

资源协同指的是为了实现资源的绿色开采、无废开采，使不同资源都能得到有效利用，需要通过设计不同的开采方式和配置不同的设备协同进行开采。在煤与页岩气共存的情况下，为了实现煤炭和协同开采，王宏宇等［21］通过研究发现采空区冒落导致上覆页岩层形成导气裂隙，从而可以进行页岩气抽采。在煤与瓦斯共存的情况下，为了能够安全抽采瓦斯，靳晓华［22］通过上邻近层卸压瓦斯分区富集规律，布置高位钻孔和低位钻孔，分别抽采瓦斯富集区内的瓦斯；在瓦斯突出的煤矿，为了实现安全生产和保护环境，曹俊文［23］将地面煤层气垂直钻井预抽与井下全方位钻孔抽采进行协同。在矿体中包括煤和铝两种资源的情况下，为了实现煤铝共采，李志刚等［24］采用分区错时回采，独立通风的协同开采方式实现了目标。地下开采对地下水资源的利用和污染是一个很严重的问题，李崇茂［25］研究了煤炭开采系统与水生态系统健康度评价与协同关系，提出了通过矿区开采节水和水质监管的方式来改善当地水资源生态，实现了在保障水资源的同时对煤炭资源进行开采。文献［26-31］均报道了协同开采在资源协同方向上的应用案例。

2.3 工艺协同

工艺协同是指为了能够保障开采的安全高效进行，采用多种工艺协同作业进行采矿工作。当前工艺协同在处理隐患资源开采和采空区充填的问题上得到了较多应用。采空区存在大量残矿的情况下，为了残矿的开采并消除采空区的安全隐患，通过资源开采和空区处理协同技术，完成隐患资源的开采和消除采空区安全隐患问题。当同时面对采空区和隐患资源时，为在生产高效和作业安全上取得系统整体最优，陈庆发等［32］对采矿环境改造并实现了存在采空区的情况下进行隐患资源开采；陈庆发等［33］将采空区处理问题纳入采矿方法设计问题中，解决了采空区给地下开采带来的隐患问题。在保留采空区的同时，许多矿产资源也成为隐患资源无法得到开采。在存在大量遗留残矿的采空区内，为了利用空区空间进行地下残矿的开采，胡建华等［34］根据空区的结构效应进行了周围环境安全辨识和充分利用；在存在岩爆倾向下隐患的地下采空区域，为了实现采空区残矿资源开采和存在岩爆风险采空区的处理，张海磊等［35］将资源开采与空区处理技术进行了协同。采空区中还存在许多矿柱，想要对高危险度采空区条件下的矿柱群进行开采，为了实现回采技术在高危矿柱的应用，林卫星等［36］提出回采与空区处理协同、拉槽与回采协同、多矿柱区位协同的三协同开采，可以对矿柱群进行大规模高效率的开采作业。露天采空区安全问题频发，针对露天矿山台阶开采水平下部的空区治理，使露天矿山的采空区在安全的情况下正常进行，李建华等［37］提出了多项一体的采空区协同治理技术方案，协调了采空区治理与露天开采的矛盾。文献［38-41］均报道了协同开采在工艺协同方向上的应用案例。

当前协同开采主要在这三个方向上得到了发展和应用，三者之间关注角度不同，空间协同主要关注在不同空间上的相互协同以确保安全高效的开采，资源协同关注不同资源的协同开采和环境的保护实现绿色开采和无废开采，工艺协同关注不同工艺之间的协同配合解决复杂条件下的矿体开采。三者之间并不是相互对立的，在特殊情况下，需要多种联合协同共采。

3 发展趋势

随着社会的发展，技术的进步，我国的采矿业发展已经由之前的低效高风险模式逐渐转变为安全高效的开采模式，并提出了无废开采和绿色开采的要求。自2012 年以来，为了使采矿业能跟上时代要求，符合国家标准，更多的专家和学者开始探索协同理念在矿山生产中的应用。整理自2007年以来有关协同开采发表文章数可以看出，有关协同开采的文章数量呈明显上升趋势（图2）。

图2 2007-2020 年有关协同开采文章发表篇数Fig.2 Number of articles published on collaborative mining in 2007-2020

统计归纳了协同开采在这三个方向的发展情况（见图3），通过柱状图可以清晰的看出当前空间协同开采研究是主要的方向并且发表篇数呈逐年增多的趋势，资源协同和工艺协同发展迅猛。主要原因是随着开采技术的不断进步，开采深度也越来越深，深井开采也越来越常见，在面对复杂形态矿体开采时多种方法协同开采往往是既安全又高效的。矿业生产在技术不断提高的同时，对环境保护和资源利用也提出了更高的要求，将同类型矿物开采扩展到了不同资源的协同共采，资源协同开采是在这种情况下不断发展。随着地下资源储量的不断减少，地下矿产资源需要更充分的开采，许多在之前废弃的残矿和余矿也考虑如何进行开采，催生出一系列不同工艺的协同开采。在当今计算机技术越来越发达的情况下，数字化矿山和三维绘图技术也越来越成熟，将信息化技术与地下开采设计结合，有望催生出信息技术协同开采。综上所述，协同开采理念随着技术的不断应用，内涵越来越清晰，也外延出了更多的协同开采技术。