陳慶發(fā)協(xié)同開采理念的理論與技術(shù)研究新進(jìn)展

陳慶發(fā)協(xié)同開采理念的理論與技術(shù)研究新進(jìn)展

填礦技術(shù)在提高采區(qū)穩(wěn)定性、控制地壓活動、提高礦產(chǎn)資源回收率、保護(hù)地下和地表環(huán)境方面發(fā)揮著顯著作用。在中國金屬礦床的地下開采中得到了廣泛應(yīng)用。人類進(jìn)入21世紀(jì)，可持續(xù)發(fā)展的理念深入人心。礦業(yè)在可持續(xù)發(fā)展理念指引下，正在朝向安全、高效、無廢、綠色的方向發(fā)生變革，一些新興的采礦技術(shù)理念、概念如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，如“綠色開采”、“采礦環(huán)境再造”、“協(xié)同開采”、“同步充填”、“流態(tài)化開采”等。“同步充填”是陳慶發(fā)教授繼“協(xié)同開采”理念1“同時填充”的概念和傳統(tǒng)填充方法之間的差異1.1“同步充填”理念的延伸發(fā)展2010年，陳慶發(fā)教授在“無廢開采”、“綠色開采”和“協(xié)同開采”等理念的聯(lián)合指導(dǎo)下，突破傳統(tǒng)“嗣后充填”的思想限制提出了“同步充填”理念，并發(fā)明了大量放礦同步充填無頂柱留礦采礦方法一般來說，開采概念大于回采，充填工藝可視為回采工藝流程的一部分，同時考慮到“同步充填”是基于“協(xié)同開采”理念提出的，因此，也可將“同步充填”視為“協(xié)同開采”理念的重要組成部分，或看作是“協(xié)同開采”理念的延伸與發(fā)展?！巴匠涮睢崩砟顚?yīng)的技術(shù)模式，使得開采行為與災(zāi)害處理行為、環(huán)境保護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)結(jié)合，有利于實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源安全、高效、綠色、和諧開采，可體現(xiàn)出“協(xié)同開采”理念所追求的目標(biāo)。1.2“同時充滿”和“伴隨著充滿”之間的區(qū)別“嗣后充填”是回采結(jié)束后再用充填料對空區(qū)進(jìn)行充填，具有工藝簡單、回采強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)1.3結(jié)充填采空區(qū)“單層充填”是指在開采緩傾斜薄礦體時，對礦體一次按全厚回采，在回采工作面推進(jìn)一定距離后，有計劃地用水力或膠結(jié)充填采空區(qū)，以控制頂板崩落；根據(jù)回采工作面的不同形式可以分為長壁單層充填法、短壁單層充填法和進(jìn)路單層充填法“同步充填”與“單層充填”、“跟隨充填”的主要區(qū)別在于，“同步充填”是在同一空間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)充填與出礦完全同步進(jìn)行，出礦結(jié)束空區(qū)隨即被充滿，能夠嚴(yán)格控制采空區(qū)暴露面積和暴露時間，工序相對簡單、效率更高、采礦成本更低。1.4“同步充填”采礦技術(shù)研究進(jìn)展“分層（進(jìn)路）充填”包括上向或下向分層（進(jìn)路）充填兩種“同步充填”與“分層充填”、“進(jìn)路充填”的區(qū)別在于，“同步充填”是在回采單元內(nèi)進(jìn)行大量放礦時才進(jìn)行充填，其出礦工序與充填工序同步和諧有序進(jìn)行，形成正向匹配合作，生產(chǎn)效率高。由表1可知：自2010年“同步充填”理念提出以來，我國學(xué)者共提出了11種命名為“同步充填”的采礦技術(shù)，其中金屬礦山4種，煤礦7種。以下分別對金屬礦山、煤礦方面的“同步充填”技術(shù)進(jìn)行分析。2.1金屬礦場2016年，武漢理工大學(xué)雷濤等提出了一種垂直深孔兩次放礦同步充填階段采礦法2.2福昌等人的解釋2012年，文志杰等2013年，黃福昌等2014年，石建新等2014年，楊希中等2015年，許家林等2018年，徐友寧等2019年，楊世凡2.3“同步充填”的技術(shù)思路截至目前，金屬礦山領(lǐng)域共提出的4種同步充填采礦方法均屬于同步放礦類采礦技術(shù)，其共同特點(diǎn)是：將充填工序前移至采場出礦工序環(huán)節(jié)同步實(shí)施，在大量放礦時利用隔離層將礦石和廢石隔開，實(shí)現(xiàn)充填與放礦同步，通過減少采空區(qū)大面積暴露，有效維護(hù)空區(qū)或采場的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)圍巖大量片落引起礦石貧化、漏斗堵塞等現(xiàn)象；能有效降低因空區(qū)充填不及時而引發(fā)地壓突出、巖層大范圍移動、地表沉陷等災(zāi)害發(fā)生的概率，有利于實(shí)現(xiàn)礦體安全高效回采；與傳統(tǒng)采礦方法相比在提高礦石回采率、降低損失貧化率、維護(hù)采場穩(wěn)定等方面具有顯著優(yōu)勢，充分體現(xiàn)了“同步充填”的技術(shù)思路。煤礦領(lǐng)域問世的“同步充填”方法，其基本思路是隨著割煤工作面向前推進(jìn)時同時向后方的采空區(qū)進(jìn)行充填，充填與割煤作業(yè)是相對獨(dú)立的工序，將工作面上的煤炭全部運(yùn)出后才能進(jìn)行充填，從出煤結(jié)束到完成充填過程，采空區(qū)有一定的暴露時間和暴露面積；按照充填與割煤作業(yè)面的空間關(guān)系，可分為兩大類：一類屬于充填作業(yè)是在割煤工作面向前推進(jìn)一定的距離才進(jìn)行充填，本質(zhì)上類似于金屬礦山中的“單層充填”方式；另一類屬于充填作業(yè)緊跟著割煤工作同步推進(jìn)方式，本質(zhì)上類似于金屬礦山中的“跟隨充填”方式。因此，從采礦工藝協(xié)調(diào)的角度分析認(rèn)為，煤礦領(lǐng)域“同步充填”技術(shù)與本研究提出的“同步充填”技術(shù)在思路上有一定的區(qū)別。綜合以上分析，本研究將我國已問世涉及“同步充填”的采礦技術(shù)按所屬具體充填方式范疇進(jìn)行了初步界定，結(jié)果如表2所示。3同時，放礦理論的進(jìn)步3.1同步充填柔性隔離層設(shè)定放礦試驗研究自2010年起，陳慶發(fā)教授帶領(lǐng)團(tuán)隊系統(tǒng)開展了同步充填柔性隔離層下散體介質(zhì)流理論研究，形成了一套比較完整的放礦理論體系，在一定程度上促進(jìn)了我國放礦學(xué)理論的發(fā)展。相關(guān)研究的主要結(jié)論有：(1）借助于物理和數(shù)值試驗相結(jié)合的手段，全面分析了同步充填柔性隔離層下單漏斗放礦過程散體礦巖顆粒流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了放出體由“橢球體”向“陀螺體”演化的現(xiàn)象，形成了“橢球體—陀螺體”放礦新理論(2）通過開展同步充填柔性隔離層下全漏斗放礦試驗研究，掌握了放礦過程散體礦巖顆粒流動規(guī)律，闡明了不同放礦時期隔離層界面演化規(guī)律，即放礦初期隔離層界面近似在同一水平并保持平緩下移，放礦中期界面受模型邊壁影響整體呈“凹圓弧”形下移，接近漏斗口時界面呈波浪形下移至放礦結(jié)束(3）通過分析非同步放礦陀螺體再現(xiàn)規(guī)律，揭示了橢球體向陀螺體轉(zhuǎn)化的必要條件為放礦過程中產(chǎn)生的隔離層橫向摩擦效應(yīng)3.2dyon著書創(chuàng)物的選擇2019年，陳慶發(fā)教授引入《顆粒物質(zhì)物理與力學(xué)》2020年，陳慶發(fā)教授發(fā)表了《Quantitativestudyonthecontactforceandforcechaincharacteristicsoforeparticlesystemsduringoredrawingfromasingledrawpointundertheinfluenceofaflexiblebarrier》4“同步充填”采礦技術(shù)體系的研究(1）“同步充填”采礦方法實(shí)踐應(yīng)用。基于“同步充填“采礦技術(shù)理念提出的4種采礦方法的技術(shù)優(yōu)勢明顯，在現(xiàn)場實(shí)踐中具有較大的應(yīng)用潛力。(2）“同步充填”有望成為金屬礦山“三下”采礦有效的采礦技術(shù)，對于解決其它復(fù)雜礦體開采難題也有一定的參考價值。未來各種具有同步充填性質(zhì)的采礦方法將會被提出和應(yīng)用，有助于促進(jìn)原有開采模式與工藝的深刻變革，形成“同步充填”采礦技術(shù)體系。(3）“同步充填”理論研究將進(jìn)一步深化。如開展同步充填材料與圍巖相互作用力學(xué)關(guān)系、不同條件下隔離層材料運(yùn)動規(guī)律及其受力特征、充填材料和隔離層材料性能優(yōu)化等研究，將進(jìn)一步完善“同步充填”理論體系，為礦山生產(chǎn)實(shí)踐提供科學(xué)指導(dǎo)。(4）隨著充填機(jī)械裝備的研發(fā)（如研發(fā)智能化無人化礦廢運(yùn)輸設(shè)備、出礦與充填數(shù)字化調(diào)度系統(tǒng)、礦廢運(yùn)輸共用循環(huán)系統(tǒng)、同步充填監(jiān)測系統(tǒng)等），將有助于大幅度提高充填效率，實(shí)現(xiàn)充填與出礦作業(yè)同步。5“同步充填”采礦技術(shù)研究進(jìn)展(1）對“同步充填”技術(shù)內(nèi)涵和實(shí)質(zhì)進(jìn)行了論述，評述了其與“協(xié)同開采”理念之間的關(guān)系，并對“同步充填”與傳統(tǒng)充填方式的區(qū)別進(jìn)行了探討。(2）系統(tǒng)回顧了近10a來我國“同步充填”采礦技術(shù)研究發(fā)展進(jìn)程，對金屬礦山4種同步充填采礦方法的技術(shù)特點(diǎn)以及煤炭領(lǐng)域命名為“同步充填”的采礦技術(shù)的基本原理進(jìn)行了討論；總結(jié)了“同步充填”理念在理論研究方面取得的成果，初步形成了一套完整的柔性隔離層下散體介質(zhì)流理論，推動了金屬礦床放礦學(xué)理論的發(fā)展。(3）從實(shí)踐應(yīng)用、技術(shù)創(chuàng)新、理論研究、機(jī)械裝備等角度對“同步充填”發(fā)展方向進(jìn)行了展望，在一定程度上指明了“同步充填”理論及技術(shù)的發(fā)展方向。2稱相當(dāng)采礦技術(shù)通過檢索與“同步”、“充填”二詞