陈庆发协同开采理念的理论与技术研究新进展

陈庆发协同开采理念的理论与技术研究新进展

填矿技术在提高采区稳定性、控制地压活动、提高矿产资源回收率、保护地下和地表环境方面发挥着显著作用。在中国金属矿床的地下开采中得到了广泛应用。人类进入21世纪，可持续发展的理念深入人心。矿业在可持续发展理念指引下，正在朝向安全、高效、无废、绿色的方向发生变革，一些新兴的采矿技术理念、概念如雨后春笋般涌现出来，如“绿色开采”、“采矿环境再造”、“协同开采”、“同步充填”、“流态化开采”等。“同步充填”是陈庆发教授继“协同开采”理念1“同时填充”的概念和传统填充方法之间的差异1.1“同步充填”理念的延伸发展2010年，陈庆发教授在“无废开采”、“绿色开采”和“协同开采”等理念的联合指导下，突破传统“嗣后充填”的思想限制提出了“同步充填”理念，并发明了大量放矿同步充填无顶柱留矿采矿方法一般来说，开采概念大于回采，充填工艺可视为回采工艺流程的一部分，同时考虑到“同步充填”是基于“协同开采”理念提出的，因此，也可将“同步充填”视为“协同开采”理念的重要组成部分，或看作是“协同开采”理念的延伸与发展。“同步充填”理念对应的技术模式，使得开采行为与灾害处理行为、环境保护能够实现有机结合，有利于实现矿产资源安全、高效、绿色、和谐开采，可体现出“协同开采”理念所追求的目标。1.2“同时充满”和“伴随着充满”之间的区别“嗣后充填”是回采结束后再用充填料对空区进行充填，具有工艺简单、回采强度大、生产效率高等优点1.3结充填采空区“单层充填”是指在开采缓倾斜薄矿体时，对矿体一次按全厚回采，在回采工作面推进一定距离后，有计划地用水力或胶结充填采空区，以控制顶板崩落；根据回采工作面的不同形式可以分为长壁单层充填法、短壁单层充填法和进路单层充填法“同步充填”与“单层充填”、“跟随充填”的主要区别在于，“同步充填”是在同一空间内可实现充填与出矿完全同步进行，出矿结束空区随即被充满，能够严格控制采空区暴露面积和暴露时间，工序相对简单、效率更高、采矿成本更低。1.4“同步充填”采矿技术研究进展“分层（进路）充填”包括上向或下向分层（进路）充填两种“同步充填”与“分层充填”、“进路充填”的区别在于，“同步充填”是在回采单元内进行大量放矿时才进行充填，其出矿工序与充填工序同步和谐有序进行，形成正向匹配合作，生产效率高。由表1可知：自2010年“同步充填”理念提出以来，我国学者共提出了11种命名为“同步充填”的采矿技术，其中金属矿山4种，煤矿7种。以下分别对金属矿山、煤矿方面的“同步充填”技术进行分析。2.1金属矿场2016年，武汉理工大学雷涛等提出了一种垂直深孔两次放矿同步充填阶段采矿法2.2福昌等人的解释2012年，文志杰等2013年，黄福昌等2014年，石建新等2014年，杨希中等2015年，许家林等2018年，徐友宁等2019年，杨世凡2.3“同步充填”的技术思路截至目前，金属矿山领域共提出的4种同步充填采矿方法均属于同步放矿类采矿技术，其共同特点是：将充填工序前移至采场出矿工序环节同步实施，在大量放矿时利用隔离层将矿石和废石隔开，实现充填与放矿同步，通过减少采空区大面积暴露，有效维护空区或采场的稳定，避免出现围岩大量片落引起矿石贫化、漏斗堵塞等现象；能有效降低因空区充填不及时而引发地压突出、岩层大范围移动、地表沉陷等灾害发生的概率，有利于实现矿体安全高效回采；与传统采矿方法相比在提高矿石回采率、降低损失贫化率、维护采场稳定等方面具有显著优势，充分体现了“同步充填”的技术思路。煤矿领域问世的“同步充填”方法，其基本思路是随着割煤工作面向前推进时同时向后方的采空区进行充填，充填与割煤作业是相对独立的工序，将工作面上的煤炭全部运出后才能进行充填，从出煤结束到完成充填过程，采空区有一定的暴露时间和暴露面积；按照充填与割煤作业面的空间关系，可分为两大类：一类属于充填作业是在割煤工作面向前推进一定的距离才进行充填，本质上类似于金属矿山中的“单层充填”方式；另一类属于充填作业紧跟着割煤工作同步推进方式，本质上类似于金属矿山中的“跟随充填”方式。因此，从采矿工艺协调的角度分析认为，煤矿领域“同步充填”技术与本研究提出的“同步充填”技术在思路上有一定的区别。综合以上分析，本研究将我国已问世涉及“同步充填”的采矿技术按所属具体充填方式范畴进行了初步界定，结果如表2所示。3同时，放矿理论的进步3.1同步充填柔性隔离层设定放矿试验研究自2010年起，陈庆发教授带领团队系统开展了同步充填柔性隔离层下散体介质流理论研究，形成了一套比较完整的放矿理论体系，在一定程度上促进了我国放矿学理论的发展。相关研究的主要结论有：(1）借助于物理和数值试验相结合的手段，全面分析了同步充填柔性隔离层下单漏斗放矿过程散体矿岩颗粒流动规律，发现了放出体由“椭球体”向“陀螺体”演化的现象，形成了“椭球体—陀螺体”放矿新理论(2）通过开展同步充填柔性隔离层下全漏斗放矿试验研究，掌握了放矿过程散体矿岩颗粒流动规律，阐明了不同放矿时期隔离层界面演化规律，即放矿初期隔离层界面近似在同一水平并保持平缓下移，放矿中期界面受模型边壁影响整体呈“凹圆弧”形下移，接近漏斗口时界面呈波浪形下移至放矿结束(3）通过分析非同步放矿陀螺体再现规律，揭示了椭球体向陀螺体转化的必要条件为放矿过程中产生的隔离层横向摩擦效应3.2dyon着书创物的选择2019年，陈庆发教授引入《颗粒物质物理与力学》2020年，陈庆发教授发表了《Quantitativestudyonthecontactforceandforcechaincharacteristicsoforeparticlesystemsduringoredrawingfromasingledrawpointundertheinfluenceofaflexiblebarrier》4“同步充填”采矿技术体系的研究(1）“同步充填”采矿方法实践应用。基于“同步充填“采矿技术理念提出的4种采矿方法的技术优势明显，在现场实践中具有较大的应用潜力。(2）“同步充填”有望成为金属矿山“三下”采矿有效的采矿技术，对于解决其它复杂矿体开采难题也有一定的参考价值。未来各种具有同步充填性质的采矿方法将会被提出和应用，有助于促进原有开采模式与工艺的深刻变革，形成“同步充填”采矿技术体系。(3）“同步充填”理论研究将进一步深化。如开展同步充填材料与围岩相互作用力学关系、不同条件下隔离层材料运动规律及其受力特征、充填材料和隔离层材料性能优化等研究，将进一步完善“同步充填”理论体系，为矿山生产实践提供科学指导。(4）随着充填机械装备的研发（如研发智能化无人化矿废运输设备、出矿与充填数字化调度系统、矿废运输共用循环系统、同步充填监测系统等），将有助于大幅度提高充填效率，实现充填与出矿作业同步。5“同步充填”采矿技术研究进展(1）对“同步充填”技术内涵和实质进行了论述，评述了其与“协同开采”理念之间的关系，并对“同步充填”与传统充填方式的区别进行了探讨。(2）系统回顾了近10a来我国“同步充填”采矿技术研究发展进程，对金属矿山4种同步充填采矿方法的技术特点以及煤炭领域命名为“同步充填”的采矿技术的基本原理进行了讨论；总结了“同步充填”理念在理论研究方面取得的成果，初步形成了一套完整的柔性隔离层下散体介质流理论，推动了金属矿床放矿学理论的发展。(3）从实践应用、技术创新、理论研究、机械装备等角度对“同步充填”发展方向进行了展望，在一定程度上指明了“同步充填”理论及技术的发展方向。2称相当采矿技术通过检索与“同步”、“充填”二词