协同采矿方法的发展及类组归属.pdf
S e r i e s No . 5 0 8 0c t o b e r 2 01 8 金 属 矿 山 ME TAL MI NE 总 第 5 0 8 期 2 0 1 8 年 第 1 O 期 采 矿 工 程 协 同采矿方 法的发展及类组归属 陈庆发 广西大学资源环境与材料学院, 广西 南宁 5 3 0 0 0 4 摘要随着“ 协同开采” 理念的深入发展, 我国学者发明了大量的协同采矿方法, 但迄今为止尚未有学者对 这类采矿方法进行系统归纳与整理。基于对“ 协同开采” 理念的理解 , 将在采场结构或采场回采工作两大方面具有 合作 、 协调与同步等协同属性的采矿方法定义为协同采矿方法; 按采矿方法提出或专利申请时间的先后顺序排序, 梳理了2 0 0 9 ~ 2 0 1 8 年 1 0 年来我国提出的协同采矿方法 ; 并结合笔者前期采矿方法分类修订研究工作 , 探讨了现有 1 9 种协同采矿方法典型方案的类组归属问题 , 制定了协同采矿方法类组归属标准表。研究成果有助于激励我国学者 开发出更多的协同采矿方法, 有助于进一步推进“ 协同开采” 理念在我国矿业行业的推广应用。 关键词协同采矿方法 发展历程 类组归属 定义 范畴 中图分类号T D 8 0 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 - 1 2 5 0 2 0 1 8 一 1 0 0 0 1 0 6 DoI 1 O . 1 9 6 1 4 / i . c n k i . j s k s . 2 01 8 1 0 0 0 1 De v e l o p me n t a n d Cl a s s i fic a t i o n o f Co l l a b o r a tiv e M i n i n g M e t h o d s C h e n Q i n g f a C o l l e g e o fR e s o u r c e s , E n v i r o n m e n t a n d Ma t e r i a l s , G u a n g x i c 而 e , N a n n i n g 5 3 0 0 0 4 , C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e d e v e l o p me n t o f t h e“ c o l l a b o r a t i v e mi n i n g ”c o n c e p t ,ma n y s y n e r g i s t i c mi n i n g me t h o d s h a v e b e e n i n v e n t e d b y Ch i n e s e s c h o l a r s ,w i t h o u t a n y s y s t e ma t i c a l s u mma r i z a t i o n o r c o l l a t i o n y e t . Ba s e d o n t h e u n d e r s t a n d i n g o f t h e“ c o l - l a b o r a t i v e mi n i n g”c o n c e p t , t h e mi n i n g me t h o d wi t h c o o p e r a t i v e , c o o r d i n a t e d a n d s y n c h r o n o u s a t t r i b u t e s i n s t o p e s t r u c t u r e o r s t o p e mi n i n g i s d e fi n e d a s t h e c o l l a b o r a t i v e mi n i n g me t h o d . T h e c o l l a b o r a t i v e mi n i n g me t h o d s i n Ch i n a i n t h e p a s t 1 0 y e a r s 2 0 0 9 2 01 8 w e r e r e v i e we d a c c o r d i n gt o t h e s o r t i n gt i me o f t h e mi n i n g me t h o d s o r p a t e n t s a p p l i c a t i o n . Co mb i n e d wi t h t h e p r e v i o u s c l a s s i f i c a t i o n a n d r e v i s i o n r e s e a r c h o f mi n i n g me t h o d s , t h e c l a s s i fi c a t i o n o f 1 9 t y p i c a l c o l l a b o r a t i v e mi n i n g me t h o d s w a s d i s c u s s e d,a n d a c l a s s i f i c a t i o n s t a n d a rd f o r c o l l a b o r a t i v e mi n i n g me t h o d s wa s f o r mu l a t e d . T h e r e s e a r c h r e s u l t s c a n h e l p s c h o l a r s d e v e l o p mo r e c o l l a b o r a t i v e mi n i n g me t h o d s . a n d p r o mo t e t h e a p p l i c a t i o n o f ” c o l l a b o r a t i v e mi n i n g ”c o n c e p t i n C h i n a S mi n i n g i n d u s t r y . Ke y wo r d s C o l l a b o r a t i v e mi n i n g me t h o d s , De v e l o p me n t ,C l a s s i fic a t i o n, De fi n i t i o n,C a t e g o ry 我国金属矿产资源赋存的基本特点是大型矿床 少 , 中、 小矿床多; 单金属矿少 , 伴生、 多金属矿多; 管 理粗放, 集约化程度低。且随着开采强度的增加, 易 采资源逐步消耗殆尽 , 一些开采难度大、 隐患多、 工 程 目标复杂等难采资源逐渐受到了人们的重视 。 对 于这部分资源 的开发利用 , 亟需一些采 矿新 理念 、 新理论 予以指导 , 正 如 未来 1 0 年 中国学科发 展 战略 工程科学 ] 一书指 出 , “ 复杂难 动用 资源开 采 理论 与方法 ” 等是未来影 响我国采矿行业 长远发 展 的理论与技术难点 , 并将 “ 难动用储量的资源开采 理论与方法” 列为优先资助方向。 “ 协 同开采 ” 理念 , 是笔者 2 0 0 9 年针对采空 区隐 患资源开采时提出的臼 , 2 0 1 1 年明确了其定义及其技 术体 系 ] 。时至今 日, “ 协同开采 ” 理念已被我 国矿 业行业广泛采用 。 采矿方 法在地下矿 山生产 中 占据着核心地位 。 随着 “ 协 同开采 ” 理念 的深入发展 , 我 国学者发 明了 大量协 同采 矿方法 , 这些采矿方法 的提 出极大地丰 富了我 国采矿方法体系 。但迄今为止 , 尚未有学者 对这类 采矿方法进行系统归纳与整理 , 且该类采矿 方法在一定程度上仍存在概念不清晰、 命名不规范、 技术特点模糊 、 类组归属混乱等问题, 令从业人员无 收稿 日期 2 0 1 8 0 8 1 6 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 编号 5 1 4 6 4 0 0 5 , 广西 自然科学基金面上项 目 编号 2 0 1 7 J J A1 5 0 6 2 4 。 作者简 介陈庆发 1 9 7 9 一 , 男 , 教授 , 博士 。 总第 5 0 8 期 金 羁 母 2 0 1 8 年第 1 O 期 从掌握 , 难 以广泛推广应用 。 1 协 同采矿方法定义及范畴界定 1 . 1 协同采矿方法的定义 采矿方 法主要 包括“ 采场结构” 和“ 采场 回采工 作 ” 两大方面 。采场结构 与采场 回采工 作是相互联 系的, 采场结构随着 回采工作 的需要而变化 。因此 , 采场 回采工作是决定采矿方法本质 的主要方面。采 场结构包括采 场型式 、 结构参数 和采 准布置等 。采 场 回采工作包括 “ 地压控制 ” 与“ 落矿 、 矿石运搬 ” 两 个方面 , 其 中地压控制是主要方面 , 它决定 了采场能 否按期生产、 落矿和矿石运搬能否顺利进行 。 将在采场结构 含采场型式、 结构参数和采准布 置等 或采场 回采工作 含地压控制与落矿 、 矿石运 搬 两大方面具有合作 、 协调与同步等协 同属性 的采 矿方法定义为协 同采矿方法。 1 . 2 协同采矿方法的范畴界定 传 统采矿方法是一套模式 化的流程 , 建立在高 度专业化 分工和类 似科 层组织 的基础上 , 描述 的是 矿块 回采的先后顺 序 ; 而协同采矿方法 , 则更为强调 采矿环节间具有的协调 、 合作 、 同步的协同属性以及 产生的协同效果。 因此, 协同采矿方法的范畴界定如下 ①协同采 矿方法首先隶属 于采矿方 法 ; ② 区别 于其他采矿方 法 , 协 同采 矿方法更为强调在采场结 构或采场 回采 工作两大方面具有 的合作 、 协调与 同步等协 同属性 , 是一类 比较特殊 的采矿方 法 ; ③ 协 同采矿方法所具 有 的协 同属性 , 通常有助 于实现复杂难采矿体 的顺 利开采或实现某种特殊开采 目的 , 比如安 全 、 高效 、 多 目标等。 2 协 同采矿方法的发展 通过对万方专利技术数据库 、 国家知识产权局 专利检索数据库、 国家重点产业专利信息服务平台、 中国学术期刊全文数据库 C N K I 及专业 书籍 、 教材 、 手册等检索知悉 , 通过检 索“ 名称 ” 、 “ 摘要 ” 、 “ 正文” 内含有“ 协 同” 二字或具有协 同属性 的采矿方法 , 发 现 自2 0 0 9 年起至 2 0 1 8 年 1 O 年来我 国采矿学 者一共 提出 1 9 种协同采矿方法 , 如表 1 所示 。 表 1 2 0 0 9 2 0 1 8 年期 间我 国学者提 出的协 同采矿 法统 计 Ta bl e 1 St at i s t i c s o f Co l l abo r a t i v e mi ni ng me t hods pr opo s e d by Chi ne s e s c ho l a r s be t we e n 2 0 09 a nd 201 8 表 1 中 l 9种协 同采矿方法 , 其 中陈庆发提 出 1 0 项 , 陈何 、 雷涛各提出2 项, 周爱民、 邓红卫、 胡建华 、 李启月 、 孙丽军各提 出 1 项 ; 提 出采矿方法 的依托单 位主要集 中于广西大学 、 中南 大学 、 武汉 理工 大学 、 长沙矿 山研究 院、 北京矿冶研究 总院、 马鞍山矿山研 究 院等高校与科研院所 ; 所提 出的采矿方法在数 目 上呈现出逐年增多的趋势 , 这些信息说明了“ 协同开 采” 理念正在不断地受到越来越多的行业专家学者 的认可 , 体现 了我 国学者对 协 同采矿方法开发 与革 新的重视。 2 0 0 9 年 , 陈庆发在其博士学位论文 隐患资源开 采与采空 区治理协 同研究 中 , 首次 明确提 出 了“ 协 陈庆发 协 同采矿方法的发展及类组归属 2 0 1 8 年第 1 0 期 同空区利用 的采矿环境再造分段凿岩阶段矿房采矿 法 ” , 将部分 中小规模采空 区作为矿块 的井巷工程 、 切割工程 、 自由爆破空间等部分工程结构加 以协 同 利用 即采空区协同利用 。区别于闭坑后作为核废 料、 垃圾储存空间的利用和地下商场、 军事指挥所等 的利用 , 采空 区协 同利用是资源开采过程 中的同步 利用 , 它区别于传统的从地压管理角度划分的四类 独立 的采空 区处理方法 , 是采矿工艺调整过程 中的 利用 , 可称 得上具有独立 意义的第 五类 采空 区处理 方法 。 2 0 1 0 年, 陈庆发突破传统的“ 嗣后充填” 采矿技 术思想的限制 , 率先 提出了“ 同步充填 ” 采矿技术理 念, 首次提出了一种具有代表性意义的“ 同步充填” 采矿方法 , 即“ 大量放矿同步充填无顶柱 留矿采矿方 法” n 。新采矿方法与传统放矿工艺区别在于大量 放矿前设置了柔性隔离层, 这使得放矿过程中散体 介质 矿石 流动受到 了来 自充填料 的非 自由表面纵 向荷载、 柔性隔离层因介质流动产生的次生横向荷 载以及采场边界限制条件等多重复合作用, 这与传 统放 矿工艺明显不同 , 柔性 隔离层作用 下散体介 质 流动规律突破了传统放矿理论的描述范围。基于对 柔性隔离层作用下放矿规律发生重大变化的认知 , 申报的 柔性隔离层作用下散体介质流理论研究 项 目, 在专利授 权后获得 了国家 自然科学 基金资 助 。 已开展的研究表明 单漏斗条件下, 放矿前期放出体 为近似椭球体 , 后期为陀螺体; 多漏斗条件下, 放矿 前期隔离层界面保持水平并平缓下移 , 某一深度后 隔离层起伏变大。 目前 , 有关机理研究正在进行 中, 有望创建一套完整的柔性隔离层下散体介质流理 论 , 从而进一步推动金属矿床放矿学理论的新发展 。 2 0 1 1 年 , 针对传统采矿方法一次回采爆破的崩 矿量小、 作业循环多、 采场规模小 、 采场产能与崩矿 效率低等现象 , 长沙矿山院周爱民提出了一种高效 率、 大产能的“ 立体分区大量崩矿采矿方法” n , 实现 了大规模、 高效率大量落矿, 为厚大矿体或急倾斜中 厚矿体实现大规模集中强化采矿提供了一种安全、 高 效和大产能 、 低成本的解决方案 ; 同年 , 针对阶段崩落 采矿法和阶段空场采矿法开采厚大矿床时 , 顶板管理 困难 、 爆破效果不理想 、 矿石贫化损失大等问题 , 北京 矿冶研究总院陈何采用布置集束孔的形式改进爆破 落矿方式 , 提出了“ 一种连续崩落采矿法” , 该方法 能够使落矿 、 出矿 、 顶板 管理等工作协调统一 , 实现 了大步距高效安全的连续后退式 回采 。 2 0 1 3 年 , 陈庆发通 过分析分段矿房法和垂直深 孔分段凿岩阶段矿房法在开采矿岩稳固、 倾角变换 频繁或 因断层错动 的倾斜 、 急倾斜 中厚矿体 时所表 现 出的优点和不足 , 提 出了一种充分利用分段矿房 法和垂直深孑 L 分段凿岩 阶段矿房法优点 、 适用于矿 岩稳固倾角变化频繁或因断层错动的倾斜急倾斜中 厚矿体的“ 分段凿岩并段 出矿分段矿房采矿法” n 副 ; 同年, 针对顶底板、 上下盘围岩破碎不稳固的高品位 倾斜中厚矿体采用上向或下向分层充填法回采存在 的采切工程量大、 采矿成本高、 工作效率低、 难以规 模化开采 、 矿石损失 贫化 高 、 经济损失大 等问题 , 中 南大学邓红卫提出一种在构筑人工顶板 、 上下盘围 岩预先加固与支护的组合再造结构体下实现矿体安 全、 高效、 规模化开采有效结合的“ 组合再造结构体 中深孑 L 落矿协同锚索支护嗣后充填采矿法” n ; 同 年, 针对上盘为不稳固围岩或充填体的缓倾斜中厚 矿体在回收矿柱时存在的作业安全性差问题 , 中南 大学胡建华提出一种在顶板围岩不稳固条件下矿石 回收率高、 安全性高的“ 分条间柱全空场开采嗣后充 填协 同采矿法” _ 2 。 2 0 1 4年 , 基 于对开采厚 大矿体时分段充填法在 回采 过程 中存在顶板安全性 问题 的分析 , 中南大学 李启月提出了一种“ 垂直孔与水平孔协同回采的机 械化分段 充填采 矿法 ” , 发 挥 了分段 采矿 的高强 度、 高效率、 低成本的特点。 2 0 1 5 年 , 为解决多层水平 或缓倾斜 薄至 中厚矿 体分层 回采的技术难题 , 陈庆发提 出了一种“ 采场台 阶布置多分支溜井共贮矿段协同采矿方法” 乜 , 它能 够克服多层矿体分采时, 采用常规溜井带来的开采 不协调 、 采矿管理复杂等缺点 , 改善各矿层贮矿段容 量 、 采场 出矿与漏斗放矿间协调性等 , 最大限度地减 小多层矿体 回采过程中的互相影响和互相制约, 在 生产空间实现集约高效 , 最终实现多层矿体的安全 、 高效 、 低成本 的协 同开采 ; 同年 , 北京矿冶研究 总院 陈何基于对国内外多层缓倾斜薄矿体开采出现的不 足 , 提 出了“ 一种缓倾斜薄矿体采矿方法” , 有效提 升了采场的生产能力和采切比, 提高了开采回收率, 降低了矿石贫化率 , 上覆围岩均匀沉降, 矿层受开采 影响小 , 采矿过程采用机械条带式推进式采矿 , 切顶 协同充填与诱导爆破控顶处理空区。 2 0 1 6 年 , 针对常规采矿方法采空 区灾害及 矿石 贫化损失大 的问题 , 引人 陈庆发 提出的同步充填技 术思想 , 雷涛提出了一种“ 厚大矿体无采空区同步放 矿充填采矿方法” ; 同年, 为安全高效 回采倾斜薄 矿体, 降低矿石损失与贫化 , 综合分析房柱式采矿法 和爆力采矿法各 自优点 , 陈庆发提出了一种适用于 矿体倾角 为 3 0~5 5。 、 厚度 为 1 ~3 m的矿岩稳 固或 总第5 0 8 期 金 属 矿 山 2 0 1 8 年第 1 0 期 中等稳固的倾斜薄矿体的“ 电耙一爆力协同搬运伪 倾斜房柱式采矿法” [2 ; 针对使用分段崩落法方法易 造成矿石损失贫化大 、 废石混入率高 、 回采巷道局扇 通风困难且易形成污风 串联 以及通风 、 上下分段 的 衔接和生产管理复杂等缺点, 陈庆发提出了一种“ 柔 性隔离层充当假顶的分段崩落协同采矿方法” ; 同 年 , 基于同步充填技术思想 , 针对空场嗣后充填法 的 缺点, 雷涛提出了一种“ 垂直中深孔两次放矿同步充 填阶段采矿法 ” , 该方法 简化 了回采单元 的结构 , 开采下一 阶段 时回收上阶段底柱并形成凿岩硐室实 现回采单元矿石全回收 , 克服了回采单元采空区围 岩片落问题, 有效地控制采空区的暴露面积; 同年, 针对围岩稳固性较差的矿山, 采用传统空场法会留 下空区安全隐患 , 若增大矿柱尺寸必将增大矿石损 失 , 为此 , 陈庆发提出了一种具 有协同开采理念 、 同 步充填优点 的“ 底部结构下卡车直接 出矿后期放 矿 充填同步的水平深孔 留矿法” , 该方法作业安全性 好 、 生产效率高 、 矿石 回收率高 , 省 略了铲运机一 溜 井转运 环节 、 卡车直接出矿 , 实现采空区协 同置换利 用 , 保障了围岩稳定性 ; 同年 , 针对 回采多层倾斜薄 矿体时全面留矿法生产能力低 、 回采周期长 、 对相邻 矿层矿块 回采影 响大 、 安全 系数低等 问题 以及 沿矿 体走向或倾向分段的传统爆力运搬采矿法生产能力 低 、 采切工作量大 、 脉外工程多等问题, 陈庆发提出 将浅 孔爆 力运搬 技术应 用于 多层倾斜 薄矿体 的开 采 , 从而提 出了一种 “ 浅孔凿岩爆力一 电耙协 同运搬 分段矿房法 ” , 该方法大大减少 了脉外工程量 , 提 高 了生产能力与运搬效率 ; 同年 , 针对大型地下矿 山 使用 嗣后 充填采矿法开采时采空 区暴露 面积大 、 安 全性差 、 采切工程量大等 问题 , 引入协 同理念 , 孙丽 军提出了“ 一种地下矿山井下双采场协 同开采 的新 方法 ” 口 , 该方法实现 了地下矿 山多采场协 同开采 , 提高了安全性和生产能力 , 减小采切工程量 。 2 0 1 7 年, 针对垂直深孔落矿有底柱分段崩落法 回采 矿体 时 由于使用 电耙 、 溜井 出矿存在底部结构 复杂 、 采 准切割工程量大 、 出矿效率低等缺点而造成 采场落矿和出矿作业在时间和矿量上不能很好匹配 的现象 , 基 于协 同开采理念 、 顺应采矿作业环节简化 与无轨运 输是我 国地下矿 山采矿技术发展 的趋势 , 陈庆发创新提出了“ 卡车协同出矿有底柱分段崩落 法” l 3 , 该方法提高 了机械化程度 , 保证 了落矿 和出 矿的协同, 简化了底部结构, 减少了矿石转运作业环 节, 提升了矿山生产效率; 同年, 针对垂直深孔分段 凿岩阶段矿房法回采矿体存在采切工程量大、 出矿 效率低等缺点, 陈庆发创新提出了“ 卡车协同出矿分 段凿岩 阶段矿房法 ” 口 , 新方法减小 了采切工程 量 , 提高了机械化程度 , 保证了落矿与出矿的协同, 提高 了矿山生产效率 。 3协同采矿方法类组归属标准表 协 同采 矿方法隶属于采矿方法 范畴 , 其分类按 地压管理方法 与一般采 矿方法一致 , 可将协 同采矿 方法分为空场法、 充填法、 崩落法三大类。其具体方 案 的类组 归属 , 按地压管 理方法将其归于三大类采 矿方法 的某一类某一组 。将表 1 统计 的协 同采矿方 法填人 笔者前期开展的金属矿床地下开采采矿方法 分类修订 表 , 形成 了协 同采矿方法类组归属标准表 , 如表 2 所示 。表 2 可 以作 为采矿从业人员在做采 矿 方法选择与研究 时参考使用。 4结论 1 基于对 “ 协 同开 采” 理念的理解和采 矿方法 的认知 , 明确给 出了协 同采矿方法 的定义 、 界定 了其 隶属范畴。 2 按采矿 方法提 出或专利 申请时 间的先后顺 序排序 , 梳理 了 2 0 0 9 ~ 2 0 1 8 年 1 0 年 来我 国协 同采矿 方法 的发展过程 。 3 对现有 l 9 种协 同采矿方法典型方案进行 了 类组 归属 , 制定 了协同采矿方法类组归属标准表 , 以 此作为采矿从业人员研究和选用参考。 参考文献 [ 1 ] 袁颖 , 毛晓冬 . 矿 产 资源 的综合 开发利用 及矿 山环境 的保 护 [ J ] . 矿物学报 , 2 0 1 5, 2 7 S 1 8 3 3 . 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