“协同开采”内涵析理与发展方向展望

2020-02-19陈庆发

金属矿山 2020年5期

陈庆发

（广西大学资源环境与材料学院，广西南宁530004）

无数的历史事实证明，新的理念、概念可以改变人们的思维模式、引领新的发展潮流、开辟新的研究领域、推动技术进步。人类进入21世纪，可持续发展是共同的主题。我国矿业领域，在可持续发展理念指引下，正朝向安全、高效、无废、绿色的方向变革，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”、“协同开采”、“流态化开采”等。这些采矿技术理念、概念的出现，一方面积极地促进着我国采矿业科技的快速进步，另一方面也构成了我国学者对世界采矿工程学科理论的贡献。

正如“任何一种新事物的出现都有一个被人们认识和接受的过程”一样，“协同开采”理念也不例外。在该理念推广与应用过程中，学术界在“协同开采”理念的起源、“协同开采”与“协调开采”之间的本质区别等方面的认识存在一定的争议，部分学者将“协同开采”理解为“参数优化”，部分学者认为“协同开采”应称为“协同采矿”，也有少部分学者倾向于将“协同开采”理念的适用范围限制在金属矿领域。本研究尝试对上述争议问题进行集中回应，对“协同开采”内涵进行析理，在此基础上，对“协同开采”的定义进行修订，并对其发展方向进行展望。

1 “协同开采”理念的提出背景与发展过程

1.1 提出背景

我国是世界矿产资源大国，但非矿业强国。与世界上绝大多数国家相比，我国主要矿产资源储量较为丰富，但人均占有量少，赋存特点复杂，某些重要矿产资源短缺。具体到金属矿产资源，我国的总体形势是：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［1］。

随着开采强度的增加，易采资源已逐步消耗殆尽，一些开采难度大、隐患多、工程目标复杂等难采资源开发逐渐受到了人们的重视。对于这部分复杂难采资源的开发利用，当前亟需一些新理念、新理论、新技术、新工艺、新方法予以指导。

1.2 发展过程

（1）作为固定表述使用。2008年，笔者攻读博士学位期间在“十一五”国家科技支撑计划课题（编号：2006BAB02B04-1-1-2）的资助下，针对广西高峰矿采空区隐患资源开采的技术难题，在周科平教授和古德生院士的指导下，引入“协同”理念，提出了“隐患资源开采与空区处理协同的矿业开发新技术模式”［2］，自此“协同开采”作为固定表述开始出现并在课题组内学术交流时使用。2009年，笔者完成博士学位论文《隐患资源开采与采空区治理协同研究》［3］，此后，“协同开采”作为固定表述逐渐在业界传播。2010年，笔者在“协同开采”等理念指导下提出了“同步充填”技术理念，并发明了“大量放矿同步充填无顶柱留矿采矿方法”［4］。文献检索标明，2008—2010年期间业界并无“协同开采”概念发表。

（2）协同开采定义和技术体系。2011年，笔者与周科平教授、古德生院士合作发表了《协同开采与采空区协同利用》［5］一文，正式给出了“协同开采”的定义；同年，笔者与周科平教授合作出版了《隐患资源开采与空区处理协同技术》［6］一书，但该书未将协同开采的定义编撰进去。随后，2012年笔者与古德生院士、周科平教授等合作发表了《对称协同开采人工矿柱失稳的突变理论分析》［7］一文，尝试构建了对称协同开采模式下顶板与人工矿柱系统失稳的力学模型；2013年，笔者与苏家红教授级高级工程师合作在《中南大学学报》（自然科学版）刊登了《协同开采及其技术体系》［8］一文，进一步阐述了“协同开采”的技术体系。至此，协同开采的定义和技术体系均被提出，标志着“协同开采”理念体系的初步完善。同时，《隐患资源开采与空区处理协同技术》的出版，也标志着我国“协同开采”领域第一项分支技术体系的成型。此后，“协同开采”理念在我国采矿工程学术界、企业界得到了快速传播，并作为专业术语被业内学者、工程技术人员所采用。

（3）协同开采基础理论和技术体系进一步发展完善。2018年，笔者独撰的《协同采矿方法的发展及类组归属》［9］一文在《金属矿山》杂志上发表；同年，笔者独著的协同开采第二部专著《金属矿床地下开采协同采矿方法》［10］在国家科学技术学术著作出版基金资助下在科学出版社出版。该专著首次以独立章节的形式全面介绍了“协同开采”理念，系统性论述了当前我国金属矿领域新问世的协同采矿方法，丰富了我国地下采矿方法技术体系。2019年，笔者与陈青林、秦世康合作出版了协同开采领域内的第三部专著《同步充填柔性隔离层下散体介质流理论》［11］。详细介绍了“同步充填”采矿技术理念和柔性隔离层下矿石流动的一般规律，着重阐述了柔性隔离层与单漏斗条件下放出体由“椭球体”向“陀螺体”演化的新现象，揭示了“椭球体”向“陀螺体”转化的必要条件，形成了“椭球体—陀螺体”放矿新理论（有别于传统的“椭球体”放矿理论）。上述两部专著的出版，标志着“协同开采”基础理论和技术体系研究取得新进展。

2 “协同开采”相关研究进展

据不完全统计，自“协同开采”理念提出以来，我国已有50多家高校及科研院所从事了“协同开采”的相关研究，大量“协同开采”理论与技术研究选题受到国家自然科学基金、国家重点研发计划等国家级项目资助，如：“柔性隔离层下散体介质流理论研究”、“基于相变—蓄热充填体的矿床—地热协同开采基础理论研究”、“含钒页岩多层矿协同开采应力时迁规律与叠跨空区稳定性研究”等项目获得国家自然科学基金资助；“深部金属矿协同开采理论与技术”课题被列入2016年度国家“十三五”重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”等。

截至目前，国内学者在该领域的研究取得了丰硕成果，已公开发表相关研究论文50多篇，授权协同采矿方法专利20 余项，出版学术专著3 部。一些研究成果获得省部级以上科技奖励，如：“多灾源碎裂矿段协同开采及其安全控制技术研究”获得2010年度中国有色金属工业科学技术奖一等奖，“隐患资源协同开采技术”获得2012年度湖南省科技进步奖二等奖，“协同开采与采空区协同利用理论”获得2015年度广西科学技术奖自然科学三等奖，“大新锰矿产状复杂矿体分区协同开采关键技术”获得2019年广西科学技术奖科技进步二等奖。因在“协同开采”领域所做的系列原创工作，笔者获得由中关村绿色矿山产业联盟组织评定的2019年度“全国绿色矿山突出贡献奖”。

3 “协同开采”相关基础词汇内涵辨析

与“协同开采”定义最密切的基础词汇主要有“开采”与“采矿”、“协调”与“协同”两组。

3.1 “开采”与“采矿”

长期以来，采矿业被认为是传统、艰苦和落后行业，专业教材更新速度慢。很多时候，采矿工程专业教学还是使用十几年前甚至数十年前的教材，存在着专业基础词汇内涵不统一的现象。

3.1.1 业内调查情况

在笔者组织的调查中，矿业领域教学、研究、设计及生产等人员就“开采”与“采矿”的概念展开了热烈讨论。高教界普遍认为“采矿”一词使用过于广泛（有时偏学科，有时偏工艺等），但强调采矿是学科的比例偏高，且3 种观点（即分别认为“开采”概念内涵大、“采矿”概念内涵大与二者内涵基本一致）均有；企业界、设计院、研究院等普遍认为“开采”概念内涵大，“开拓”是系统，强调“采矿”是工艺的比例非常高。可见，单纯地讲“采矿”一词，在无相应语境时，具有多层次概念涵义，如学科的、工艺的等，易混淆。总体来说，除去高教界关于“采矿是学科”的观点外，在所有调查结果中持“‘开采’概念内涵大，‘采矿’是工艺”的观点占主流。

3.1.2 文献释义梳理

《现代汉语分类大词典》［12］对“开采”的解释是“挖掘矿物，也指开发地下水等自然资源，如开采金矿、开采油气田”。《中国百科大辞典》［13］对“采矿”的解释是“矿产开采工程的总称，采矿有时仅指金属矿床开采，煤层开采则称采煤”。《中国冶金百科全书》［14］对“采矿”的解释是“自地表和地壳内开采矿产资源的生产活动，一般指金属矿、非金属矿、煤炭等固体矿产的开采，广义的“采矿”还包括石油和天然气的开采”。王青等主编的《采矿学》［15］认为“金属矿床地下开采一般可分为开拓、采准、切割和回采4 个步骤。采矿方法就是矿块的开采方法，包括采准、切割和回采三项工作。因此，矿块中进行的采准、切割与回采工作总称为采矿”。解世俊主编的《金属矿床地下开采》［16］认为“金属矿床地下开采一般可分为开拓、采准、切割和回采4 个步骤。采矿方法就是矿块的开采方法，包括采准、切割和回采三项工作”。杨殿主编的《金属矿床地下开采》［17］认为“矿床采（矿）掘（进）工作的总体称为开采”。张钦礼等主编的《采矿概论》［18］认为“自地表或地壳内开采矿产资源的过程称之为采矿，而有关采矿的技术和科学称之为采矿学。采矿一般指金属或非金属矿床的开采，广义的采矿还包括煤和石油的开采及选矿”。

综合词典、辞典和教材的释义可知，“开采”和“采矿”概念不统一，有时“开采”概念的内涵大，有时“采矿”概念的内涵大，有时二者涵义很接近；与矿床、矿产资源连在一起的，则一般是“开采”一词；一般情况下，“开采”与“采矿”二词不同时出现。

文献［18］在给“采矿”与“采矿学”进行定义时，有“强化采矿、弱化开拓，尽量避免提开采”之意，但在章节安排时仍有开拓工程的章节内容，且未能阐明开拓工程在矿山开采系统内所起的基础作用，让人感觉到定义与章节安排有些不对应。总体来看，文献［15-16］关于“开采”和“采矿”概念内涵的阐述，在业内认可度较高，但“采矿方法”与“采矿”的定义过于接近，且“采矿方法”的定义也较为笼统。

3.1.3 学科与课程关系层次上辨析

采矿工程二级学科的课程体系包括《金属矿床地下开采》、《金属矿床露天开采》等课程。可见，从学科与课程关系层次上，“采矿”的学科内涵高于“开采”。业内也常有专业教材冠以“某某采矿学”名称的，如某金属矿领域的院校编写的专业教材《露天采矿学》，其内容与《金属矿床露天开采》教材内容并无二致。

3.1.4 技术与工艺关系层次上辨析

2020年1 月11 日，油气钻井工程专家苏义脑院士在北京举行的“首届绿色矿山突出贡献奖及绿色矿山青年科学技术奖颁奖大会”的特邀报告中指出：工艺是用一定的工具（设备），按一定方法（软件）去完成的一个过程操作；技术是工艺、工具、方法、软件的统称。

参考上述定义可以认为，“开采”是技术层次上的概念。既然工艺是指一个过程操作（如凿岩工艺、爆破工艺等），且因“采矿”是矿块中进行的采准、切割与回采工作总称（以地下开采为例），那么“采矿”中的每一项工作就是若干工艺（过程操作）组成的，同时由于“采矿方法”包括矿块内采准、切割与回采三项工作，因此，“采矿”内涵涉及工具、工艺、方法等，这样“采矿”也应当是技术层次上的概念。因开拓工程独立于“矿块内采准、切割与回采工作”之外，所以从技术与工艺关系层次上讲，“开采”的概念内涵大于“采矿”，“采矿”的概念内涵介于“开采”与具体工艺之间。

业界同时有“采矿技术”、“采矿工艺”的说法。由前述可知，“采矿”一词概念内涵较宽泛。就“采矿技术”来说，狭义上指矿块内采出矿产资源的工艺、工具、方法的统称。本文前述“采矿技术理念”，其中的“采矿”一词可认为是学科层次上的内涵，其表达的是采矿工程学科内的技术理念。同理，“采矿工艺”也有两种涵义，狭义上指某一具体工艺，广义上包含诸多工艺。

3.1.5 “开采”和“采矿”定义修订

笔者认为，专家和学者们对“开采”和“采矿”概念内涵的理解不一致，其根源可能主要在于对“开拓工程在矿山开采系统内的作用”如何看待的问题。业界绝大多数的专家、学者认为开采（活动）主要包括开拓（工程构建）与采矿（工艺流程），开拓工程的地位不可忽略，这也是目前从业者广泛接受的观点［15-16］。另外有学者认为，由于开拓工程在矿山开采系统起到辅助作用主要是为采矿服务的，其作用可以忽略不计［18］。

笔者认为，当前时代背景下的采矿，仍以凿岩、爆破等为主要手段，因而开拓工程仍然是矿山整个开采系统不可或缺的基础工程，起基础作用，不可忽略。但目前对于“基础作用”很难给出一个具体、统一的数据。鉴于现有文献中“开采”和“采矿”概念内涵关系混乱，笔者通过对从业人员进行大量调研，尝试对二词定义进行修订，即：“开采”（狭义上）是自地表或地壳内采出矿产资源活动的总称，包括开拓工程系统的构建与矿块或采区内的各项工作活动等；广义上的“开采”也涵盖石油、地下水、地热、天然气、可燃冰等自然资源的采出活动。“采矿”（狭义上）是（地下开采时）矿块内采准、切割、回采等各项工作或（露天开采时）采区内穿孔与爆破、采装与运输、排土等各项作业的总称；广义上的“采矿”指采矿工程学科。

3.2 “协调”与“协同”

（1）协调。“协调”被认为与预测、计划、指挥和控制等职能形式一起构成管理五要素［19］，是组织管理中必不可少的基本职能形式之一。通常协调还被理解为一种行为或动作，是指“使（将、把）什么怎么样”，比如美国管理学家 Mary［20］认为“协调是指将处于特定情境中的所有因素相互联系起来”。

（2）协同。“协同（Synergy）”［21］一词最早来源于古希腊，意为“协调合作”。国际上对“协同”进行较早研究的是美国著名战略管理学家安索夫（A.H.Ansoff）和德国斯图加特大学理论物理学家哈肯（H.Hake）。安索夫、哈肯分别从经济管理和从自然科学角度对“协同”进行了研究。安索夫在1965年出版的《公司战略》中首次提出了“协同”的概念，他认为“协同”在经济学中的含义是：企业的整体价值有可能大于各部分价值的总和［22］。他对于“协同”理念的核心阐述为：①“协同”指的是事物与事物之间的一种关系，一种相互之间的和谐与正向配合的关系；②“系统协同”指的是通过某种方法来组织和调控所研究的系统，寻求解决矛盾或冲突的方案，使系统从无序转换到有序，达到协同或和谐的状态；③“系统协同”的目的就是减少系统的负效应，提高系统的整体输出功能和整体效应。哈肯［23］于1971年提出了“协同”的概念，即：系统的各部分之间相互协作，使整个系统形成微观个体层次所不存在的新质的结构与特征。哈肯有关“协同”的思想的主要特征有：①“系统协同”的前提是系统的各部分或者子系统之间要有竞争（矛盾或冲突）；②“协同”首先表现为一种过程，在自组织基础上采取合适的序参量和其他变量，使系统产生从无序状态到有序状态的相变过程；③“协同”根本上表现为一种结果或状态，系统内部各部分之间、各要素之间相互联系所产生的协同效应或整体效应。

4 “协同开采”定义修订

4.1 详版定义修订

《协同开采与采空区协同利用》一文，首次给出了“协同开采”的定义；《金属矿床地下开采协同采矿方法》一书，将协同开采定义中的“某种工程技术措施”改为“某种或某些工程技术措施”，进一步增强了用词的准确性。本研究在前述2 个定义版本的基础上，再次对“协同开采”的定义进行修订，即：“协同开采”是指拟采矿床赋存有其他影响有序开采的因素（如产状、裂隙环境、空区隐患、水灾隐患等）时或者伴随有其他工程目的（如同步开采地下水、地热等自然资源，同时降低某种开采损害的程度、强化围岩的支护等），通过采取某种或某些工程技术措施（包括采矿方法、岩层控制技术、灾害控制技术及其他相关技术等），能够在实现资源开采的同时和谐处理相应因素的不利影响，或者在实现资源开采的同时达到多种工程目的，从而取得双赢或多赢的工程效果。

4.2 简版定义修订

《金属矿床地下开采协同采矿方法》一书将《协同开采与采空区协同利用》一文定义中的“矿山开采期间……”改为“矿山开采全过程”，进一步增强了用词的准确性。本研究在《金属矿床地下开采协同采矿方法》简版定义的基础上，再次进行修订，即：“协同开采”就是矿山开采全过程中资源开采的技术行为与灾害处理的技术行为及其他技术行为之间的协调、合作或同步，并使得矿山开采系统输出较高的协同效应或整体效应。

5 “协同开采”类型划分

“协同开采”的实质是针对赋存有其他影响有序开采的因素或有多种工程目的的拟采矿床，通过研发出某种或某些具有协调、合作或同步的核心技术，实现资源开采过程中两个及以上的异质目的，并确保矿山开采系统产生协同效应或整体效应。因此，“协同开采”是从矿山开采系统的整体出发，具有全局性和系统性。

基于本研究详版定义，可将“协同开采”大致划分为2 种类型：①“拟采矿床赋存有其他影响有序开采的因素”一类，该类型需要通过采取某种或某些工程技术措施，在实现资源开采的同时和谐处理相应因素的不利影响，并能产生双赢或多赢的工程效果；②“拟采矿床伴随有其他工程目的”一类，该类型通过采取某种或某些工程技术措施，在实现资源开采的同时达到多种工程目的，并产生双赢或多赢的工程效果。

6 讨论

6.1 “协同开采”与“协调开采”的区别

“协调开采”由前苏联C.B.库里巴巴1987年提出，关守仁于1990年将该理念引入我国［24］。该理念的实质是根据不同的受护对象，通过合理布设开采工作面，如合理设计工作面之间的相对位置、回采顺序等，让各工作面开采的相互影响能够有利叠加，使叠加后的变形值小于受保护对象的允许变形值，以达到减小开采对受保护对象影响的目的。“协同开采”主要面对拟采矿床赋存有其他影响有序开采的因素（如产状、裂隙环境、空区隐患、水灾隐患等）或有其他工程目的，在实现资源开采的同时，和谐处理相应因素的影响，或达到多种工程目的，强调双赢或多赢的工程效果。二者相比，“协调开采”更多地强调“协调”这一动作（行为），强调实现单一目的；而“协同开采”强调有矛盾或竞争关系前提的两个及以上子系统之间的协调合作，强调采取某种或某些工程技术措施（涉及序参量）产生协同作用，强调达到两个及以上的异质目的，强调系统取得协同效应或整体效应。

6.2 “协同开采”与“参数优化”的区别

“参数优化”描述的是现场参数不优化时现场效果如何，通过参数优化，将优化后的工程实施效果与参数优化前的工程效果进行对比，从而取得比较理想的工程效果的一种做法（或者措施）。“协同开采”是面对既有的开采技术条件，从全局角度开展难度较高的采矿设计与技术开发工作。相比而言，“参数优化”优化的是工艺参数，侧重于细节和局部；而“协同开采”强调从全局的视野、系统的角度去关注与思考技术问题，强调系统取得的协同效应。

6.3 有关“协同开采”与“协同采矿”的思考

部分学者认为“协同开采”理念应称为“协同采矿”。该观点认为：以技术准备为抓手，以开采技术条件为基础，建立方法、工艺、装备和系统的全面协同，从装备、分系统和全矿山全面实现作业链协同。这一观点关联着对“开采”与“采矿”、“协调”与“协同”、“系统协同”等词汇内涵的理解与专业用语习惯，本研究认为：

（1）由前述“开采”与“采矿”词汇内涵辨析可知，与矿产资源关联性较大的一般是“开采”一词。“协同开采”理念提出的初心是解决复杂难采资源的开发利用问题，开发对象是“矿床”、“资源”，故命名为“协同开采”是符合专业用语习惯的。此外，“无废开采”、“绿色开采”、“流态化开采”等诸多采矿技术理念，均以“某某开采”形式进行命名，也可以提供佐证。目前，业内鲜有命名为“某某采矿”的技术理念问世。

（2）“协同采矿”表述无关于采矿在学科层次上的内涵，主要是表达技术层次上的内涵。由“开采”与“采矿”词汇内涵辨析可知，在技术层次上，“开采”的概念内涵大于“采矿”，开拓工程系统仍是矿山开采系统的基础工程，且其在复杂难采矿体内仍有较大的协同空间。因此，“协同采矿”一词内涵是不全面的。

（3）“协同采矿”表述的主要涵义是“通过采取组织与协调工作来提高采矿工艺实施质量”，仍然偏重于“协调”一词的内涵。该观点并未包含“具有竞争关系的子系统”、“协同作用”、“序参量”、“协同效应”等《协同学》［25］相关术语的涵义，“协同”一词的涵义运用较为空泛。

（4）系统协同的实质是有竞争（矛盾和冲突）关系的两个及两个以上子系统之间的协同。“协同采矿”的观点关于“建立方法、工艺、装备和系统的全面协同，从装备、分系统和全矿山全面实现作业链协同”表述中的“方法”、“工艺”、“装备”、“系统”等词汇多为不同系统层次上的用语，相关表述不符合系统协同的内涵。

综上所述，本研究认为相对于“协同采矿”，将“协同开采”定为技术理念名称更为妥当。

6.4 “协同开采”的适用领域

“协同开采”作为一种采矿技术理念，在金属矿领域率先被提出。现阶段，有少部分学者认为该理念仅可适用于金属矿开采领域。尽管该理念目前在金属矿开采领域得到较多的研究与应用，但在煤矿、页岩气、地热、石油等领域也有相关研究成果问世，如王宏宇等［26］对湖南省煤炭和页岩气协同开采进行了研究，刘浪等［27］发明了矿床与地热协同开采方法及系统，李秋等［28］发明了高倾角稠油油藏火驱与烟道气回注重力驱协同开采方法。

本研究认为，从促进资源开发利用角度分析，应秉承学术共享、互通的理念，无需将“协同开采”理念限定金属矿领域；在地下水、煤矿、页岩气、地热、石油等资源开采过程中，只要符合“协同开采”内涵与外延，“协同开采”理念也有一定的应用前景。

7 展望

（1）当前，大量学者及科技人员在“协同开采”技术开发方面取得了一定的研究成果，相关工程实践效果较理想。但在理论方面，仍需要将《协同学》与《采矿学》专业知识相结合，全面、充分、深入地论证“协同开采”的相关概念、术语与原理，形成采矿工程分支学科“协同采矿学”三级学科的基础理论，连同现有的技术与理论研究成果，共同建构出“协同采矿学”新分支学科，将进一步促进我国复杂难采矿体的安全、高效、绿色、和谐开采技术研究与工程实践。

（2）采矿设计历经手工绘图、CAD 绘图、三维数字绘图等代次。随着“协同采矿学”的发展，未来极有可能给采矿设计技术注入新的活力。

（3）“协同开采”将从金属矿开采领域拓展至非金属矿、煤矿、天然气、石油等资源开采领域，进一步促进“协同开采”研究的深入发展。

（4）随着“协同开采”不断研究深入，将会促进不同横向分支技术研究与工程实践，如对于一些危险危害因素突出的矿床、某些因素影响正常开采的矿体、一些多目标属性矿产等的协同开采技术研究与实践势必会取得重要进展。

（5）未来的深井开采、极地开采、海洋采矿，均不同于一般意义上的浅地表开采，均有影响顺利开采的特殊环境与条件，“协同开采”理念及相关技术均大有“用武之地”。

（6）随着人工智能、大数据、物联网、5G等新一代信息技术的快速发展，全球新一轮科技革命与产业变革蓬勃兴起。“协同开采”的相关研究如能与新一代信息技术相结合，将有助于促进“协同采矿学”学科体系的进一步完善。