协同开采技术的核心模块与一般开发流程

2022-10-24陈庆发

金属矿山 2022年9期

陈庆发黄昊

(广西大学资源环境与材料学院,广西南宁 530004)

随着易采资源的消耗殆尽,那些开采难度大、隐患多、工程目标复杂的难采资源逐步受到人们的重视[1]。为满足这部分复杂难采资源的开采需求,“协同开采”理念应时而生[2]。在该理念提出后的10余年内,协同开采理论研究与技术实践取得了长足进步[3-11];与此同时,“协同开采”一词也逐渐成为采矿学者研究的一个热点词汇[12]。如今,“协同开采”作为专业词汇逐渐被业内广为认同。

仅就协同开采技术而言,虽然国内诸多学者做了大量原创性开发工作;但从协同学的角度来看,一些技术还存在着协同内涵欠缺、系统结构不清、开发流程不畅等不足。这些不足不仅影响了当下复杂工程难题的有效解决,而且也使得部分从业人员不能全面认知协同开采技术。从长远来看,也影响了协同开采技术模式的深入发展。

本研究通过分析协同学基本原理对协同开采技术的指导作用,探讨协同开采技术的核心模块与一般开发流程,为从业人员开展协同开采技术开发提供一个范式参考,以期促进协同开采技术模式的规范化、系统化发展。

1 协同学原理对协同开采技术的指导作用分析

协同学指出,各种由不同性质子系统组成的系统,其在通过自组织形成空间、时间或功能结构过程中受到相同原理的支配[13-14]。这些原理主要包括不稳定性原理、协同效应原理、涨落原理、序参量原理、伺服原理和自组织原理。它们对协同开采技术的指导作用本研究将进行阐释。

1.1 不稳定性原理

不稳定性原理是指:随着控制参量的连续变化,系统将经历一系列的不稳定性,导致一系列性质不同的新旧模式的演替,系统结构经历一个由简单到越来越复杂的演化过程,不稳定性对系统的演化具有积极的建设性作用[15]。

协同开采系统拟呈现出新的有序结构,需把握系统中的不稳定性,其不稳定性由复杂的开采活动前置条件与开采活动的竞争产生。因此,在进行协同开采技术开发时,需率先对开采系统中的竞争与不稳定性进行分析。也就是说,这种竞争与不稳定性即为协同开采技术开发的前提条件。

1.2 协同效应原理

系统的协同效应是子系统之间发生协同作用而产生的最终结果。协同效应原理是指:系统的协同效应是在复杂系统中普遍存在的自组织能力、内部作用力下形成的,系统产生协同效应是系统形成有序结构的关键[16-17]。

系统的协同效应的表述,偏向于宏观现象;如从具体过程来看,协同效应则由序参量、控制参量、子系统等诸多系统要素共同产生。在开展具体的协同开采技术开发活动时,需在厘清协同开采系统要素与结构的基础上探讨协同开采系统中子系统之间的协同作用。

1.3 涨落原理

涨落是指子系统的独立运动及其之间可能产生的局部耦合,加上环境条件的随机波动,导致系统宏观量的瞬时值偏离平均值的起伏现象。涨落原理指的是:系统中绝大多数的涨落幅度很小且衰减很快,得不到子系统的响应,可以被忽略;而小部分涨落则能得到大多数子系统的响应,能由局部波及系统,得到放大,成为推动系统进入有序状态的巨涨落,这种巨涨落的过程伴随着序参量的产生[18-20]。

在协同开采系统中,涨落为子系统及环境条件的随机波动导致开采系统出现不稳定振荡的现象。人为因素作为协同开采系统中环境条件的重要组成部分,应尽量创造能引起子系统响应的涨落(即创造能促进子系统协调、合作或同步的涨落),以致巨涨落及序参量产生,进而促进系统有序化的形成。协同开采系统实现有序后,涨落仍然存在,当系统再次面临失稳时,仍可通过利用其原理促使系统产生新的有序。

1.4 序参量原理

序参量原理是指:当系统演化至临界点时,系统内部参量被分为快弛豫参量与慢弛豫参量;其中慢弛豫参量(被称为序参量),因数量少、衰减速度慢,引导并决定着系统状态的变化[21]。

由序参量原理可知,序参量具有如下特征:①序参量是描述复杂系统的宏观行为的宏观参量;②序参量是子系统集体运动的产物,是协同效应的表征和度量;③序参量支配子系统的行为,主宰着系统演化过程。协同学明确指出,比起研究所有的子系统,通过序参量来研究系统整体则更为简单[22]。

协同开采系统中,通过能够指示新结构形成的序参量来研究系统相对简单。应根据序参量特征,研究子系统序参量的产生、总序参量的形成,进而研究系统有序化的推进。

1.5 伺服原理

伺服原理指的是序参量对其他参变量的役使作用[23]。其核心思想是指在系统的演进过程中,其余变量服从于序参量,序参量一旦形成,则对其他参量产生役使作用,此时序参量对系统的影响远大于其他参量。

协同开采系统中,当系统达到临界值时,子系统序参量对系统的有序演进起主导作用,此时可以忽略其他参量对系统的影响。在开发具体的协同开采技术时,需从各子系统序参量的宏观角度出发推进系统的全局有序,而非从其他参量入手进行的系统内微观局部优化。

1.6 自组织原理

自组织原理是指系统在没有外部指令的条件下,内部子系统通过吸收一定的外部能量流、信息流和物质流,在竞争与协同作用中由非平衡态转为相对平衡态,自动形成新的时间、空间或功能有序结构[24]。

自组织原理指出,子系统发生协同作用的前提需要控制参量(能量流、信息流、物质流等)达到阈值。在协同开采技术开发活动中,应在明确控制参量及其阈值的前提下探讨子系统间的协同作用。

2 协同开采技术的核心模块分析及其内涵诠释

综合前述协同学原理对协同开采技术的指导作用分析,可归纳得到协同开采技术的三句核心阐述,即:竞争与不稳定性是开展协同开采技术开发的前提,系统要素与结构是协同开采技术的组织载体,协同作用是维持系统有序运行的驱动力。由此可见,“竞争与不稳定性”“系统要素与结构”“协同作用”构成协同开采技术的三大核心模块。这三大模块在协同开采技术中占据核心地位,是协同开采技术的关键组成部分,是开发协同开采技术不可或缺的基本环节。

2.1 竞争与不稳定性

“竞争与不稳定性”是开发协同开采技术的前提,其中竞争包含着矛盾与冲突,冲突是矛盾的尖锐化和表面化;“不稳定性”由子系统之间的竞争产生。

“竞争与不稳定性”根源于开采活动前置条件中基础性因素的复杂性[5]。开采活动前置条件囊括了影响开采活动的开采技术条件[25-29]及特殊工程条件[30-33],其复杂性如:矿体赋存深度大、地下水丰富、地层构造发育、有害物质含量多、有可共采资源、有建筑群需要保护、有采空区需要防护等。

这些复杂性使得上述子系统之间产生竞争(矛盾与冲突),致使开采系统出现不稳定性,进而引起涨落及序参量的出现。如当矿体赋存深度较大时,资源开采子系统与高地应力控制子系统之间产生竞争(矛盾与冲突),开采系统出现“三高一扰动”、力学特性转化、矿井亟需转型、灾害事故易发[34]等不稳定性,为使开采系统达到稳定有序状态,新的采矿方法及某种或某些工程技术集成模式相继出现。

2.2 系统要素与结构

系统要素与系统结构分别是开采系统产生协同作用的组织者和承载体,弄清协同开采系统的要素及结构是协同开采技术开发的重要一环。从协同学角度看,系统要素主要有子系统、序参量、控制参量、其他参量等;其中子系统是系统内最重要的要素,序参量是系统内最重要的参量。协同开采系统要素与结构如图1所示。

图1 协同开采系统要素与结构Fig.1 Elements and structure of Synergetic Mining system

由图1可知:协同开采系统由资源开采子系统、影响有序开采因素处理子系统或其他工程目标处理子系统组成。常规资源开采子系统主要包括露天开采系统、地下开采系统、露天转地下开采系统。根据开采活动前置条件,影响有序开采因素处理子系统或其他工程目标处理子系统主要包括复杂开采技术条件基础性因素处理系统及复杂特殊工程条件基础性因素处理系统。

总序参量为协同开采关键核心技术集成模式,子系统序参量为采矿方法、某种或某些工程技术集成模式。采矿方法包含的其他参量为露天开采中的“穿爆采运排”工作及地下开采中的采场结构、采准、切割、回采工作。某种或某些工程技术集成模式包含的其他参量主要有岩层控制技术、异质共采技术等。控制参量随外部环境(如材料、设计、施工等)变化并以能量流、信息流、物质流作用于系统,其达到阈值后,子系统序参量共同合作实现系统有序化。

2.3 协同作用

基于前述分析,就协同作用来说,可得到如下论断:①子系统间产生协同作用的前提为控制参量达到阈值;②研究子系统协同作用的着手点是序参量;③序参量产生的关键是尽量制造能引起子系统协调、合作或同步的巨涨落。由此,可将协同开采系统中的协同作用分为以下3项关键内容。

2.3.1 控制参量达到阈值

控制参量达到阈值作为系统产生有序结构的先决条件,在协同开采技术应用中占有至关重要的作用。协同开采系统作为一个开放系统,在不断与外界发生能量、信息、物质交换的过程中实现有序化。控制参量则是对这种能量、信息、物质的综合表达,其阈值则是系统产生新结构的临界点或临界范围。只有正确把握了某种协同开采技术模式的控制参量并求出了其阈值(或者阈值范围),协同开采系统才有可能产生宏观有序的新结构。

不同的协同开采技术模式具有不同的控制参量,比如,在产状复杂矿体分区协同开采技术中,矿体复杂形态与分区技术作为一种信息流在系统与外界间交换,此时的控制参量则是分区界限,阈值则是通过对复杂矿体形态、采矿方法实施条件等的综合考虑后,结合其他手段而确定得出的合理分区界限,在此基础上开发出各分区适配开采技术,其整个系统的有序开采新结构便得以形成。在协同开采技术工程实践中,只有正确找出了系统序参量并求出其阈值后,开采系统的有序化才有条件得以实现。

2.3.2 子系统序参量的产生

(1)采矿方法的产生。协同开采系统采矿方法的产生,应充分考虑其他参量的影响,这些参量既包括采矿方法自身各工艺,又包括如某种或某些工程技术集成模式中的其他参量。即除了在采场结构、采准、切割、回采等工序协调合作的基础上形成采矿方法外,还应充分考虑岩层控制、资源共采技术、采空区防护等其他参量与采矿方法之间的协调合作。

(2)某种或某些工程技术集成模式的产生。为应对复杂的开采活动前置条件,根据文献[5]所述的8个概括性因素,将某种或某些工程技术集成模式分为八大类:复杂矿床地质条件处理技术、复杂水文地质条件处理技术、复杂工程地质条件处理技术、复杂环境地质条件处理技术、复杂其他开采技术条件处理技术、“三下一上”开采条件处理技术、复杂既有工程技术条件处理技术、其他需要防护的工程条件处理技术。这些技术的产生需考虑其与采矿方法的协调、合作或同步。

2.3.3 总序参量的形成

协同开采总序参量是关键核心技术集成模式。协同开采系统是多个子系统序参量同时存在的系统,系统有序化由各子系统序参量相互合作共同控制[35]。各子系统序参量,即采矿方法与某种或某些工程技术集成模式。它们之间的协调、合作或同步,共同形成能实现有序新结构的总序参量。

为实现协同开采系统宏观结构的有序性,子系统序参量及其他参量在时间、空间及功能上应产生耦合协作关系,如:在矿气协同开采技术模式中,采矿方法与天然气抽采技术应在各自工艺上进行协调、合作或同步,进而实现资源安全高效开采的同时达到多种工程目的,取得双赢或多赢的工程效果。

3 协同开采技术的一般开发流程研究

开采系统在协同前为无序混沌状态,根据拟采对象是否被开采过,可将这种无序状态分为两种:一种为矿体未开采情况下的无序,一种为矿体已被部分开采情况下的无序。相较于矿体未被开采情况下的无序,已被部分开采状态下的无序还需考虑现有工程技术条件与新出现的隐患因素或其他工程目标之间的矛盾,但其在总体上仍属于协同开采系统两子系统间的矛盾;二者均需通过协同开采技术的开发与应用来实现开采系统从无序混沌状态向有序状态的转变。

基于协同开采技术的核心模块,结合工程技术开发一般过程,形成协同开采技术一般开发流程,即包括工程目标确定、前提条件分析、系统要素与结构确定、协同作用分析、技术协同度测评等主要步骤。协同开采技术的一般开发流程如图2所示。

图2 协同开采技术的开发流程Fig.2 Development flow of Synergetic Mining technology

(1)工程目标确定。根据协同开采定义,协同开采技术的工程目标为实现协同开采系统的有序运行,体现在3种现象:① 实现资源开采的同时和谐处理影响有序开采的因素;②实现资源开采的同时处理其他工程目的;③ 实现资源开采的同时和谐处理影响有序开采的因素且同时处理其他工程目的。

(2)竞争与不稳定性分析。① 开展开采活动前置条件(基础性因素)复杂性分析;② 开展复杂的开采活动前置条件给系统带来的矛盾与冲突分析、现有解决技术之间的竞争矛盾与不稳定性综合分析,初步确定矛盾解决方向。

(3)系统要素与结构确定。① 确定系统的子系统、子系统序参量、总序参量、控制参量及其他参量等;②确定上述系统要素之间的关系,并绘制系统结构图。

(4)协同作用分析。①分析控制参量达到阈值(求出阈值或阈值范围);②分析子系统序参量的产生、总序参量的形成。此时协同开采技术模式基本形成。

(5)协同度测评。协同度是指复杂系统内部子系统之间或子系统组成要素之间在发展演化过程中彼此和谐一致的程度[36]。协同度测评,在协同开采技术一般开发流程内是可选步骤,即根据需要选择是否进行协同开采技术模式的测度评价。在协同开采技术开发过程中,将改进后的协同熵法[37]与实践所得到的采切比、矿石回采率、贫化率、采矿成本及材料消耗等技术经济指标[38]相结合进行协同度测度评价。

4 案例

以文献[39]所述广西高峰矿105号碎裂矿段具体采矿工程为案例,本研究基于协同开采技术的一般开发流程,分析碎裂环境和采空区双重隐患下协同开采技术的开发过程。

4.1 工程目标确定

广西高峰矿105号矿体碎裂矿段受民采干扰,形成许多不规则的采空区。影响有序开采的因素主要有碎裂环境和赋存的采空区,这两种因素构成了资源回采过程中的双重隐患。因此,工程目标确定为:和谐处理资源回采过程中的碎裂环境和采空区,同时实现禀赋资源的安全高效回采。

4.2 竞争与不稳定性分析

开采活动前置条件方面,所涉碎裂矿段节理发育,碎块大小约10 cm,未胶结,易脱落;105号矿体碎裂矿段受民采干扰,赋存有许多体积大小不一、形状不规则、少量重叠贯通的采空区。针对碎裂环境隐患,基于采矿环境再造理论开发出采矿环境再造无间柱分段分条连续采矿法;针对采空区可能对有序回采形成的干扰,可将部分采空区变害为利,作为采场结构的一部分加以利用,如转换为切割槽、拉底空间等。

4.3 系统要素与结构确定

协同开采系统的子系统可分为资源开采子系统、采空区协同利用子系统,二者序参量分别是采矿环境再造无间柱分段分条连续采矿法、采空区协同利用技术。系统的总序参量为碎裂环境和采空区双重隐患下的协同开采技术模式。控制参量为采矿方法设计依据、采空区规模与稳定性分析结果等;其他参量如采切工程布置、采空区具体转换利用方案等。碎裂环境和采空区双重隐患下的协同开采系统要素与结构如图3所示。

图3 碎裂环境和采空区双重隐患下的协同开采系统要素与结构Fig.3 Elements and structure of Synergetic Mining system under the double hidden dangers of fragmentation environment and goaf

4.4 协同作用分析

控制参量达到阈值的标志为:① 找到合适的科学理论依据(本研究是指采矿环境再造相关理论),对采矿方法进行创新,从而有效控制碎裂环境的不利影响;②勘测出采空区位置、形状及规模,计算出采空区稳定性,据此形成采空区协同利用方案。

子系统序参量的产生:通过对采矿环境再造理论的科学应用,形成采矿环境再造无间柱分段分条连续采矿法;通过采空区现状及稳定性分析,将采空区转化为部分切割槽、拉底空间等进行利用。

总序参量的形成:基于采矿环境再造无间柱分段分条连续采矿法、采空区协同利用技术,灵活调整开采布局,将采空区调整为部分切割槽或拉底空间,综合形成碎裂环境和采空区双重隐患下的协同开采技术模式。具体为:将较小、中等规模采空区调整为拉槽、拉底、自由爆破空间的一部分进行利用(图4);对于中等规模采空区,由于采空区上部的塑性区分布范围为6～7 m,则可将高度方向稍大的中等规模采空区调整为自由爆破空间加以利用;对于高度较大的中等规模采空区,可将其下部调整到新采矿方法的下一阶段,利用周边隆口崩落部分矿体,然后将剩余的上部采空区调整为自由爆破空间进行利用。