陳慶發(fā) ，周科平，古德生，蘇家紅

(1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2.廣西大學 資源與冶金學院，廣西 南寧，530004；3.廣西華錫集團股份有限公司，廣西 柳州，545006)

自20世紀80年代以來，我國礦業(yè)開采秩序較為混亂，非法和無規(guī)劃的亂采濫挖給許多礦山留下大量規(guī)模不等的采空區(qū)，致使礦山開采條件惡化、礦柱變形破壞及地表塌陷，給礦山生產(chǎn)和安全帶來嚴重影響[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，近年來在我國廣西、山東和河北等省發(fā)生了數(shù)十起礦山采空區(qū)坍塌重大災害事件[2]，如：2004年5月20日嶧城石膏礦區(qū)發(fā)生采空區(qū)大面積塌陷事故，礦區(qū)塌陷面積達14.47×104m2，總質(zhì)量超過230×104t，冒落的體積約為100×104m3；2005年11月6日邢臺縣尚汪莊石膏礦區(qū)的康立石膏礦、林旺石膏礦和太行石膏礦發(fā)生特別重大坍塌事故，坍塌區(qū)面積為5.3×104m2，塌陷區(qū)中心下沉約8 m。采空區(qū)處理是預防與控制采空區(qū)災害的重要組成部分，從地壓控制的角度，將采空區(qū)處理方法分為崩落法、充填法、支撐法、封閉隔離法和聯(lián)合法 5類[3]。近年來，隨著科學技術的進步，采空區(qū)處理技術取得了一些新進展，李俊平[4]提出了控制爆破局部切割槽放頂技術處理采空區(qū)，千海洪等[5]基于VCR法采用深孔牙輪鉆機利用高臺階崩落法處理復合采空區(qū)，解決了復合采空區(qū)處理難的問題，周科平等[6?7]提出了采用爆破擾動誘發(fā)頂板失穩(wěn)的誘導崩落空區(qū)處理技術，陳友東等[8]提出類框架結構采空區(qū)處理技術。本文作者從礦山工程系統(tǒng)合理布局出發(fā)，廣泛汲取多領域學術營養(yǎng)與多學科優(yōu)化理念，結合巖體力學性質(zhì)分析，從協(xié)調(diào)資源開采的角度提出了“協(xié)同利用”采空區(qū)處理新技術。

1 采空區(qū)協(xié)同利用的提出

1.1 思想起源

(1)“采礦環(huán)境再造”

為了實現(xiàn)復雜條件下軟破礦體的安全高效回采，古德生等[9?10]基于對采礦工程系統(tǒng)復雜性、動態(tài)性和非線性特性的深刻認識，準確把握了采礦科學未來的發(fā)展趨勢，站在礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的高度上，創(chuàng)造性提出了“采礦環(huán)境再造”這一科學命題。其基本內(nèi)涵是“突破傳統(tǒng)的采礦方法設計思想的限制，應用新的理論、方法和技術，營造一個良好的礦巖開采環(huán)境，最終實現(xiàn)礦石資源的高效回采”。

(2)協(xié)同論[11?12]

協(xié)同理念是20世紀60年代由Ansoff教授提出，隨后該理念便一直成為理論界、企業(yè)界、工程界研究很多問題的指導原則。所謂協(xié)同指的是事物與事物之間的一種關系，一種相互之間的和諧與正向配合的關系。系統(tǒng)協(xié)同指的是通過某種方法來組織和調(diào)控所研究的系統(tǒng)，尋求解決矛盾或沖突的方案，使系統(tǒng)從無序轉換到有序，達到協(xié)同或和諧的狀態(tài)。系統(tǒng)協(xié)同的目的就是減少系統(tǒng)的負效應，提高系統(tǒng)的整體輸出功能和整體效應。

(3)“內(nèi)嵌式設計”理念

內(nèi)嵌式設計是為滿足某一功能需要，將某一元件嵌入系統(tǒng)之中而進行的設計。該理念在電信、電子、電氣、網(wǎng)絡、機電等行業(yè)中應用居多，如電視上天氣預報中的內(nèi)嵌式廣告、網(wǎng)頁中的內(nèi)嵌式播放器、耳環(huán)中的內(nèi)嵌式收音機、編程語言中的內(nèi)嵌式函數(shù)等。

(4)巖石力學

傳統(tǒng)的采礦設計采用的是經(jīng)驗類比法，靠“查手冊”來進行開采方案的設計和確定采場結構參數(shù)，以至長期以來，人們習慣地認為采礦只是一門工藝，而不是一門科學。采礦是一門復雜的系統(tǒng)科學工程，巖石力學是使采礦從工藝向科學轉變的一座橋梁[13]。巖體的力學性質(zhì)包括巖體穩(wěn)定性特征、強度特征和變形特征等，且這些性質(zhì)隨著工程尺寸和開挖方向的不同而不斷變化[14]。目前，巖石力學已經(jīng)廣泛應用到了采礦工程中的各個領域，地下開采現(xiàn)代技術與礦山巖石力學相互交叉及滲透已密不可分。

1.2 采空區(qū)協(xié)同利用的提出及意義

采空區(qū)協(xié)同利用是指將現(xiàn)有采空區(qū)直接或通過某種技術手段環(huán)境改造后被納入整個礦山的開采布局之中，作為開采系統(tǒng)中的部分井巷工程、切割工程、自由爆破空間、硐室空間等加以利用，使礦山取得較好的協(xié)同效果和較高的協(xié)同效應。

新方法區(qū)別于“充”、“崩”、“撐”、“封”等常規(guī)采空區(qū)處理方法，如用一個字來表示這種采空區(qū)處理理念，那就是“用”，這種“用”區(qū)別于礦山閉坑后的用，是資源開采過程中的“用”，是從系統(tǒng)的內(nèi)部出發(fā)，積極地、主動地和能動地“用”。

新方法的提出具有以下意義：

(1)突破了從地壓控制角度劃分采空區(qū)處理方法的限制，首次提出“協(xié)同利用”空區(qū)處理新技術模式。

(2)進一步豐富和發(fā)展了采空區(qū)處理技術體系。

2 采空區(qū)協(xié)同利用基本原則與模式

2.1 采空區(qū)協(xié)同利用基本原則

(1)安全第一性

采空區(qū)協(xié)同利用，不能以犧牲工程穩(wěn)定性為代價，在保證工程穩(wěn)定的前提下，變被動為主動，變不利為有利，充分合理地開發(fā)利用采空區(qū)。工程安全性應包含宏觀上工程整體穩(wěn)定性與微觀上的施工安全。

(2)工藝合理性

采空區(qū)利用本質(zhì)是使得采空區(qū)所在空間位置能夠在最大程度上內(nèi)嵌入開采布局中。采空區(qū)利用對采礦方法設計提出了要求，因此，在采礦方法選擇時就應同步考慮到采空區(qū)的協(xié)同利用。

(3)經(jīng)濟節(jié)約性

采空區(qū)協(xié)同利用需要考慮經(jīng)濟性，如果僅考慮工藝方便，而花費代價太高就使利用意義大打折扣。如果能夠直接利用，不進行采空區(qū)物理環(huán)境的改造，此時成本最低。

2.2 采空區(qū)協(xié)同利用基本模式

從利用過程中采空區(qū)所起的作用不同，將采空區(qū)協(xié)同利用分為以下3大類基本模式。

(1)作為開采空間利用

結合選用的采礦工藝，調(diào)整開采布局，將采空區(qū)調(diào)整為開采布局的一部分，充分利用采空區(qū)，節(jié)省工程量，提供施工方便。對于復雜的空區(qū)群，可能有多套調(diào)整利用方案，需進行綜合比較確定最佳方案。

按改造的程度不同，作為開采空間利用模式又可分為4亞類。

① 直接調(diào)整利用

根據(jù)采空區(qū)空間形狀，規(guī)模，方位，將其調(diào)整為開采系統(tǒng)中的部分井巷工程、切割工程、自由爆破空間和硐室空間等直接利用，適用于中小規(guī)模的獨立采空區(qū)。

② 崩落部分圍巖后利用

基于采礦方法的開采布局中如果不能直接將采空區(qū)利用，可以采用崩落部分圍巖后將采空區(qū)調(diào)整為部分井巷工程，切割工程或自由爆破空間利用，適用于中小規(guī)模的獨立采空區(qū)。

③ 部分充填后利用

采礦方法的開采布局中如不能直接將采空區(qū)直接利用，也可以借鑒采礦環(huán)境再造技術，采取先進行部分充填后將其調(diào)整為部分井巷工程，切割工程或自由爆破空間利用，適用于大中型采空區(qū)，圖1所示為部分上向分層充填與條柱式充填表現(xiàn)形式，圖2所示為部分不同表現(xiàn)形式的人工礦柱水平投影圖。

④ 聯(lián)合處理后利用

對于復雜形狀的大中型采空區(qū)或者復雜空區(qū)群體，經(jīng)多種常規(guī)采空區(qū)方法或采礦環(huán)境再造方式處理后再進行利用。

圖1 水平分層充填與條礦柱式充填Fig.1 Upward slice filling and strip-pillar filling mode

圖2 人工礦柱水平投影圖Fig.2 Artificial pillar horizontal projection map

(2)作為轉換空間利用

綠色、無廢開采也是21世紀采礦技術的重要發(fā)展方向[15?16]。將采空區(qū)看作為轉換空間進行利用，是指將廢石、尾礦等礦山固體廢料直接充填至井下采空區(qū)，少廢或無廢排放。采空區(qū)作為轉換空間利用不僅解決了這些廢料的排放堆積問題，而且強化了工程穩(wěn)定性。采空區(qū)周邊資源回采也可與轉換空間的利用協(xié)同進行，系統(tǒng)輸出較高的協(xié)同效應。

(3)作為卸荷空間利用

深部資源的不利開采條件主要表現(xiàn)為“三高一擾動”的特點，即“高地應力、高地溫、高巖溶水壓和強烈的開采擾動”[17]。近年來，深部資源卸壓開采技術取得了較大進展，其卸荷原理是通過合理的回采順序，使開采區(qū)域的適當部位產(chǎn)生局部弱化，以合理調(diào)整圍巖應力分布狀態(tài)，在開挖結構的近表層形成低應力卸荷圈，使應力集中部位向深部轉移，在圍巖深部形成應力集中的自承載圈[18]。

通過調(diào)整開采布局，可將部分現(xiàn)有空區(qū)調(diào)整為卸荷開采中卸荷槽的一部分加以利用。圖3所示為采空區(qū)作為部分卸荷空間的利用模式。

圖3 采空區(qū)作為卸荷空間的利用模式Fig.3 Cavity using mode as a part of unloaded space

3 采空區(qū)協(xié)同利用機制

(1)開采布局可依據(jù)現(xiàn)有采空區(qū)的賦存特征進行適當調(diào)整，采空區(qū)微環(huán)境可通過技術手段再造或改造，因此，采空區(qū)內(nèi)嵌入開采布局中具有客觀可行性。

(2)采空區(qū)協(xié)同利用適宜的采礦方法主要有空場法、空場嗣后充填法，或采礦環(huán)境再造系列采礦法。

(3)工藝調(diào)整過程必須以巖體力學性質(zhì)的計算分析為指導，如：階段(分段)高度的調(diào)整、采礦環(huán)境再造方式的確定、施工順序的決策等。

(4)中小規(guī)模采空區(qū)可直接內(nèi)嵌入礦山開采布局中，作為開采系統(tǒng)中的部分井巷工程、切割工程、自由爆破空間、硐室空間等加以利用。

(5)較大規(guī)模采空區(qū)或復雜空區(qū)首先通過采礦環(huán)境再造的方式，劃大空區(qū)為小空區(qū)或劃連續(xù)空區(qū)為孤立空區(qū)，然后將小空區(qū)或孤立空區(qū)內(nèi)嵌入礦山開采布局中加以利用。

4 應用研究

4.1 工程背景

高峰礦區(qū) 105號礦體為埋藏較深的大型特富礦體，屬于高硫和高鐵的錫石-硫化礦床，價值巨大，礦石中含錫、鋅、鉛和銻等多種金屬，綜合品位在20%上，且含硫和鐵均高達28%以上。礦體位于100號礦體的下部，在?79 m標高與100號礦體相連接，向下延伸至?300 m標高。礦體為南北走向，呈弧形彎曲，沿走向長300 m左右，已揭露的礦體水平厚度為8～40 m。礦體在?114～?145 m之間稱為碎裂礦段，碎塊大小約10 cm，未膠結，易脫落；因其品位高，近年來受民采干擾，形成了多個形態(tài)不一的采空區(qū)。

碎裂礦段礦石品位較高，價值貴重，決定了礦段回采需采取回收率高、貧化率低的采礦方法，同時礦體埋藏較深，礦體碎裂，基本可以排除單純的崩落法和空場法；由于礦石含硫較高，有自燃的可能性，充填法中應排除與留礦法有關的采礦方法；礦體節(jié)理裂隙異常發(fā)育，工作面穩(wěn)定性和堅固性差，如采用常規(guī)的分層充填法[19]，則存在開采安全性差，生產(chǎn)效率低，地質(zhì)災害隱患多等現(xiàn)象；此外，賦存在其中的采空區(qū)也對資源開采提出了更高的要求，如預先充填空區(qū)，則用分層充填法開采中充填體自身存在較大隱患，如不充填，如何能保證對周邊碎裂資源安全回采。綜上所述，對空區(qū)條件下碎裂資源開采問題，迫切需要引入新觀點、新方法、新思維加以解決。

4.2 單空區(qū)協(xié)同利用方案

基于連續(xù)采礦與采礦環(huán)境再造理論和技術，在采空區(qū)信息不全的情況下，陳慶發(fā)等[20]提出了采礦環(huán)境再造分段鑿巖階段礦房采礦法，介紹了單空區(qū)協(xié)同利用方案。

4.3 多空區(qū)協(xié)同利用方案

多空區(qū)條件下的隱患資源開采，如繼續(xù)沿用單空區(qū)采礦方法無法保證礦山安全生產(chǎn)，本著采空區(qū)協(xié)同利用及在最大程度上規(guī)避風險的宗旨，發(fā)明了采礦環(huán)境再造分層分條中深孔落礦采礦法(見圖4)。

圖4 采礦環(huán)境再造分層分條中深孔落礦采礦法Fig.4 Mining environment reconstructing layering and stripping medium-length hole caving mining method

首先將?110～?140 m主體資源劃分為10 m厚度的3個分層。分層內(nèi)按照設計的條柱式連續(xù)采礦方法進行開采，條柱斷面為10 m×10 m，條柱長度按礦體具體條件確定。第1循環(huán)采取整體上隔一采一的方式，然后進行較高配比的水泥砂漿膠結充填(水泥與砂漿質(zhì)量比為1:4)；第2循環(huán)，在已經(jīng)隔一采一嗣后充填的條件下，對第2循環(huán)內(nèi)礦體進行隔一采一然后回采礦房，先進行3 m的高配比膠結充填，然后進行低配比的水泥砂漿充填(水泥與砂漿質(zhì)量比為1:6或1:10)。第1循環(huán)和第2循環(huán)的回采工藝大致相同，拉槽布置在條柱的端部，然后進行后退式回采，出礦從鑿巖道平底結構鏟運機出礦。充填均通過上一分層的外圍平巷進行，經(jīng)出礦進路、充填通風聯(lián)絡道下放充填管路進行。在形成3 m厚度的人工底柱時，要確保人工底柱的整體性和充填質(zhì)量。

限于篇幅，僅介紹4分層采空區(qū)協(xié)同利用方案。

4分層17號和15號空區(qū)在礦段開采前已全部充填。為給周邊礦體回采提供了協(xié)同空間(爆破補償空間)，18號空區(qū)僅充填至?130 m。分層內(nèi)劃分22個條柱，由2條穿脈巷道把4分層礦脈分為A，B和C 3個區(qū)段，如圖5所示。

需要特別說明的是：如將A區(qū)和B區(qū)資源劃為單個條柱式開采，則條柱過長，不利于工程的安全性與產(chǎn)能搭配；如在A和B區(qū)之間留設一斜4～6 m寬的條柱，則上述開采難題迎刃而解。斜條柱礦產(chǎn)資源開采后形成的采空場，不僅解決了A和B資源開采條柱過長與安全性差的問題，與此同時，連同A部分資源開采后部分采場盈余空間也為B部分資源的開采提供了協(xié)同空間(通風與充填巷道)，其自身也可與其他條柱在產(chǎn)能上進行合理搭配。斜條柱設計體現(xiàn)了采空區(qū)協(xié)同利用技術的精髓。

圖5 4分層采空區(qū)協(xié)同利用方案Fig.5 Cavity synergetic utilization scheme in orebody of layer No.4

4.4 應用效果評價

采空區(qū)協(xié)同利用作為一種采空區(qū)處理新方法新機制，從提出歷經(jīng)懷疑、接受、肯定、應用多個階段。截止至目前，廣西高峰礦已應用該技術成功處理了多個采空區(qū)，積累了一些先進經(jīng)驗，已將采空區(qū)協(xié)同利用寫入企業(yè)采空區(qū)處理技術規(guī)程中；同時，依托的“十一五”國家科技支撐計劃課題“高峰礦碎裂礦段安全高效開采綜合技術研究”已順利通過國家科技部專家組驗收。

應用效果表明：新機制不僅成功處理了空區(qū)隱患，實現(xiàn)了空區(qū)隱患資源的安全開采，同時還大大降低了空區(qū)處理成本，甚至零成本；單空區(qū)條件下采用的空場類采礦法能夠靈活調(diào)節(jié)開采布局，充分發(fā)揮采空區(qū)的協(xié)同利用度，輸出最好的協(xié)同效果和協(xié)同效應；復雜多空區(qū)條件下采空區(qū)協(xié)同利用方案仍有較多技術問題需要深入研究，如時空協(xié)同次序優(yōu)化問題。

可預見，采空區(qū)協(xié)同利用、采礦環(huán)境再造、常規(guī)采空區(qū)處理技術等耦合形成的聯(lián)合處理技術對于復雜空區(qū)群災害處理具有廣闊的應用前景。

5 結論

(1)突破常規(guī)采空區(qū)處理方法分類的限制，首次從協(xié)調(diào)資源開采的角度提出了“協(xié)同利用”采空區(qū)處理新技術，對于發(fā)展和完善空區(qū)處理技術體系具有重要的理論意義。

(2)通過確立空區(qū)協(xié)同利用基本原則，將采空區(qū)協(xié)同利用的分為開采空間、轉換空間和卸荷空間3類基本模式，使新技術上升至理論水平和技術可操作階段。

(3)機制研究表明開采布局靈活調(diào)整性是采空區(qū)協(xié)同利用之根本，適宜的采礦方法主要為空場法、空場嗣后充填法或采礦環(huán)境再造系列采礦法；采空區(qū)協(xié)同利用須以工程穩(wěn)定性準確計算分析為依據(jù)。

(4)工程應用效果表明采空區(qū)協(xié)同利用新機制具有多種優(yōu)點，對于我國眾多空區(qū)隱患資源及殘礦資源的安全開采具有重要的指導意義。

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