盧宏建 南世卿 甘德清 陳 超 張亞賓 高 鋒

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山063009；3.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063007)

·采礦工程·

大型鐵礦山露天轉(zhuǎn)地下開采過渡方案優(yōu)化

盧宏建1,2南世卿3甘德清1,2陳 超1,2張亞賓1,2高 鋒1

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山063009；3.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063007)

合理確定大型鐵礦山露天轉(zhuǎn)地下開采過渡方案是露天轉(zhuǎn)地下開采礦山關(guān)鍵技術(shù)問題之一。以廟溝鐵礦為研究對(duì)象，首先在系統(tǒng)分析露天開采終了階段，境界外礦體空間賦存狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同區(qū)域的礦體開采進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，確定其基建時(shí)間節(jié)點(diǎn)與逐年產(chǎn)能；然后依據(jù)礦山開采現(xiàn)狀與計(jì)劃，結(jié)合掛幫礦體開采及覆蓋層形成方案，分析礦山露天轉(zhuǎn)地下開采過渡期階段的時(shí)空相關(guān)性，提出了4種可行過渡方案；最后以露天轉(zhuǎn)地下平穩(wěn)過渡為目標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，提出方案優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)為投資、資源利用可靠系數(shù)、產(chǎn)能平穩(wěn)系數(shù)和開采安全系數(shù)。采用模糊綜合評(píng)價(jià)理論對(duì)可行方案進(jìn)行優(yōu)化，確定了廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采過渡方案為：北端幫掛幫礦體采用崩落法、西邊幫掛幫礦體采用平硐溜井聯(lián)合開拓和回填形成覆蓋層的過渡方案。

鐵礦山 露天轉(zhuǎn)地下 過渡方案 優(yōu)化 評(píng)價(jià)指標(biāo)

露天開采是金屬礦床開采的重要手段，特別是我國(guó)80%的鐵礦石產(chǎn)量來自于露天開采[1]，經(jīng)過多年的開采，許多大中型露天礦[2-4]陸續(xù)轉(zhuǎn)入地下開采。在露天轉(zhuǎn)地下開采過渡過程中，如何合理確定過渡方案，是做到礦山不減產(chǎn)，順利地由露天轉(zhuǎn)入地下開采的首要工作。露天轉(zhuǎn)地下礦山，在過渡期表現(xiàn)為露天開采減產(chǎn)和地下開采增產(chǎn)，2種開采方式在時(shí)間和空間上存在相關(guān)性[5]，不同礦山的相關(guān)性不同，導(dǎo)致過渡方案也不同。對(duì)于大型鐵礦山，其過渡期的時(shí)空關(guān)系復(fù)雜，可行方案較多，需要對(duì)其進(jìn)行合理優(yōu)化。

目前對(duì)露天轉(zhuǎn)地下過渡方案研究的成功案例較多，但局限于中小型礦山。李楠[6]提出了露天轉(zhuǎn)地下分區(qū)高效開采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小汪溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下產(chǎn)能的大幅度提高；毛鳳海[7]提出了鐵蛋山中型鐵礦山過渡方案；南世卿[8]提出了適合黑山鐵礦條件的露天轉(zhuǎn)地下高效開采技術(shù)方案；甘德清[9]結(jié)合建龍鐵礦實(shí)際情況與穩(wěn)產(chǎn)過渡目標(biāo)，通過多方案對(duì)比，確定了合理的銜接方案。

露天轉(zhuǎn)地下方案優(yōu)化研究主要集中在轉(zhuǎn)入地下后的方案優(yōu)化。王新民[10-11]提出了基于APH-TOPSIS的露天轉(zhuǎn)地下采礦方案優(yōu)選方法，建立露天轉(zhuǎn)地下開采模式綜合評(píng)判模型；盧宏建[12]運(yùn)用模糊評(píng)價(jià)理論對(duì)石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)入地下后的合理生產(chǎn)能力進(jìn)行了確定。過渡期的評(píng)價(jià)指標(biāo)要以平穩(wěn)過渡為目標(biāo)，轉(zhuǎn)入地下后的優(yōu)化成果不能直接借鑒。

鑒于此，以廟溝鐵礦為研究背景，在系統(tǒng)分析露天轉(zhuǎn)地下過渡期開采時(shí)空關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了多種可行過渡方案。以露天轉(zhuǎn)地下平穩(wěn)過渡為目標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，確定了過渡期方案優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)理論對(duì)可行方案進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮礦山實(shí)際情況，給出了露天轉(zhuǎn)地下開采合理過渡方案。

1 露天轉(zhuǎn)地下開采工程概況

廟溝鐵礦始建于1986年，生產(chǎn)規(guī)模22萬t/a，1989年建成投產(chǎn)；1993年進(jìn)行了擴(kuò)建改造，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大為122萬t/a，1994年建成投產(chǎn)；2008—2009年進(jìn)行了選廠技術(shù)改造工程，磨選能力220萬t/a；2010年生產(chǎn)鐵精粉75萬t；2010年進(jìn)行了露天擴(kuò)幫設(shè)計(jì)，開采最低標(biāo)高372 m。生產(chǎn)規(guī)模245萬t/a。2011—2013年礦山實(shí)際年生產(chǎn)能力260萬t左右。礦山截止2013年末，露天開采至444 m水平，露天采場(chǎng)內(nèi)保有礦石量為910萬t。根據(jù)露天開采進(jìn)度計(jì)劃，2017年底露天開采結(jié)束。

露天采場(chǎng)封閉圈標(biāo)高528 m，底部標(biāo)高372 m，露天開采終了邊幫下積壓了一定量掛幫礦體，其中北端幫掛幫礦體分布于1～13線，礦體平均厚度30 m左右，頂部平臺(tái)標(biāo)高516 m，底部標(biāo)高372 m。礦體傾角75°～87°，保有礦石量為457.5萬t；西邊掛幫礦體分布于1～8線西側(cè)，走向長(zhǎng)約600 m，礦體傾角87°，賦存高度468～372 m，三維形態(tài)近似于直角三角形，底部最寬90 m，保有礦石量為253.85萬t；東邊幫與南端幫掛幫礦體為零星小礦體，東邊幫掛幫礦量為37萬t，位于2線～8線；南端幫掛幫礦為31.6萬t，位于8線～10線，如圖1所示。

2011年進(jìn)行了露天轉(zhuǎn)地下開采設(shè)計(jì)，地下采礦開拓工程采用豎井方案，布置1條主井、1條副井、1條輔助斜坡道和2條回風(fēng)豎井。采用無底柱分段崩落法開采，礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)20 m×18 m(分段高度×進(jìn)路間距)，首采分段水平為360 m，最低開采分段水平為0 m，生產(chǎn)規(guī)模300萬t/a。2012年地下基建工程開始，2018年投產(chǎn)，2019年達(dá)產(chǎn)。

圖1 露天開采終了掛幫礦體分布

基于開采現(xiàn)狀，礦山2015—2017年為減產(chǎn)期，要達(dá)到礦山露天轉(zhuǎn)地下不減產(chǎn)的過渡目標(biāo)，合理利用露天開采終了邊幫掛幫礦體是一個(gè)很好的突破口。因此，分析礦山露天后期、掛幫礦體、地下礦體開采的時(shí)空關(guān)系，確定合理的過渡方案是礦山亟待解決的問題。

2 掛幫礦體開采與地下覆蓋層形成方案

2.1 北端幫掛幫礦開采方案

北端7～13線礦體因厚度較小，露天開采經(jīng)濟(jì)不合理，前期未進(jìn)行開采。可應(yīng)用采礦方法有空?qǐng)龇?、崩落法與充填法。過渡期采礦方法應(yīng)滿足安全與投產(chǎn)時(shí)間短的原則，充填法由于需要增加充填站設(shè)施建設(shè)，其投產(chǎn)時(shí)間比空?qǐng)龇ㄅc崩落法長(zhǎng)很多，故可選擇的采礦方法有崩落法和空?qǐng)龇ā?/p>

該區(qū)域礦段距離地表較近，為了縮短基建進(jìn)度，盡快投產(chǎn)，結(jié)合礦山現(xiàn)狀確定采用斜坡道開拓系統(tǒng)。斜坡道硐口布置在504 m標(biāo)高，向下布置斜坡道到360 m標(biāo)高，斜坡道最大坡度12%，每個(gè)分段設(shè)1個(gè)緩坡段，平均坡度10%。各分段均在露天邊坡上與露天采場(chǎng)貫通，作為安全出口并作為回風(fēng)出口與排水出口。各分段新鮮風(fēng)流均從小斜坡道進(jìn)入，從貫通于露天采場(chǎng)的回風(fēng)出口排出。由于通風(fēng)距離較小，通風(fēng)阻力不大，在每個(gè)分段的回風(fēng)平巷各安裝1臺(tái)大功率的副扇，采用無風(fēng)墻通風(fēng)，360 m分段利用西回風(fēng)井進(jìn)行回風(fēng)。

為保證露天開采與北端幫掛幫礦體開采不相互影響，兩者間留設(shè)隔離礦柱，礦柱北部在492 m平臺(tái)以北50 m處，南部為露天北端邊幫，深部留設(shè)到372 m水平，地下采場(chǎng)一側(cè)按70°留設(shè)，隔離礦柱礦量為221.3萬t。

(1)崩落法開采。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與地下采礦方法參數(shù)相同。露天擴(kuò)幫時(shí)將516 m平臺(tái)向北推至11線，516 m標(biāo)高以上礦體全部采完。516～504 m礦體爆破松動(dòng)作為地下開采的礦石墊層，同時(shí)將露天剝離廢石堆至540 m標(biāo)高，作為地下開采的覆蓋層。露天開采和北端幫掛幫礦體崩落法開采結(jié)束后，回收隔離礦柱，按50%回收率計(jì)算，回收礦石量110.65萬t。此方案基建與采掘投資9 241萬元，基建工期為24.5個(gè)月，逐年采出礦石量如表1所示。

表1 過渡期內(nèi)北端幫掛幫礦逐年生產(chǎn)能力

Table 1 Annual production capacity of northern hanging wall ore body during transition period 104t

生產(chǎn)年份崩落法開采產(chǎn)能空?qǐng)龇ㄩ_采產(chǎn)能第1年8.009.18第2年77.1045.90第3年86.6395.90第4年50.0452.20第5年110.60120.70

(2)空?qǐng)龇ㄩ_采。礦體厚度小于6 m時(shí)采用淺孔留礦法開采，大于6 m時(shí)采用階段礦房法。淺孔留礦法采出的礦石量為20萬t，作為機(jī)動(dòng)礦量使用；階段礦房法采出礦石量203.2萬t，用于平衡過渡期產(chǎn)能?？?qǐng)龇ɑ夭山Y(jié)束后，北端礦存留礦柱礦量241.4萬t，露天開采結(jié)束后按50%回收率計(jì)算，回收120.70萬t。此方案開采基建與采掘投資8 326萬元，基建工期為13.7個(gè)月，逐年采出礦石量如表1所示。

2.2 西邊幫掛幫礦開采方案

回采設(shè)計(jì)2種方案：一是采用中深孔與硐室爆破形成礦石覆蓋層在下部放礦過程中進(jìn)行回收；二是采用平硐溜井聯(lián)合開拓方案回采，露天結(jié)束前，隨著開采水平下降，西邊幫礦體揭露后，進(jìn)行回采工作，礦體從斜坡道出礦，露天結(jié)束后，在覆蓋層達(dá)到要求厚度區(qū)域崩落礦柱，從地下系統(tǒng)出礦。采礦方法為低段高平底結(jié)構(gòu)分段礦房法，預(yù)留護(hù)坡礦柱、無底柱、進(jìn)路刷幫后退式回采、裝載機(jī)出礦的中深孔落礦的分段采礦法。

編制平硐溜井聯(lián)合開拓方案基建工程進(jìn)度計(jì)劃，確定基建工期為22個(gè)月，基建與采掘投資2 629萬元。自基建開始第1年掘進(jìn)副產(chǎn)礦石量3.9萬t；第2年掘進(jìn)副產(chǎn)礦石7.5萬t，礦房出礦3.3萬t；第3年出礦49.2萬t。

2.3 東邊幫、南端幫掛幫礦開采方案

東邊幫和南端幫掛幫礦體較分散，規(guī)模小，礦體厚度在20 m以下，同時(shí)向幫內(nèi)延伸不超過25 m采用露天臺(tái)階方法開采，采出的礦石作為機(jī)動(dòng)礦量使用。

2.4 地下覆蓋層形成方案

地下采用無底柱分段崩落法需要形成覆蓋層，依據(jù)規(guī)范，結(jié)合礦山實(shí)際情況，可行覆蓋層形成方案有2種，覆蓋層厚度不少于40 m。

(1)西邊幫掛幫礦體爆破與東側(cè)回填補(bǔ)充組合方案。從南到北分4～5次采用中深孔與硐室爆破組合崩落西邊幫掛幫礦體，每次爆破露天邊幫長(zhǎng)度約200 m。首次爆破在露天開采結(jié)束后立即進(jìn)行，東側(cè)不足40 m區(qū)域進(jìn)行回填補(bǔ)充。工期為9個(gè)月，投資6 449萬元，開始時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2017年1月。

(2)回填形成覆蓋層方案。自南向北進(jìn)行回填工作，投資2 564萬元，回填工期為296 d，開始時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2017年底，不同區(qū)域回填時(shí)間如表2所示。

表2 不同區(qū)域回填時(shí)間安排

3 露天轉(zhuǎn)地下開采時(shí)空關(guān)系分析與過渡方案

3.1 時(shí)空關(guān)系分析

礦山露天轉(zhuǎn)地下開采過渡階段，存在露天生產(chǎn)、掛幫礦體的基建與回采、覆蓋層形成、地下工程基建與首采區(qū)的回采等工作，各工作區(qū)域的在空間和時(shí)間上的銜接相關(guān)性較強(qiáng)。故依據(jù)礦山開采現(xiàn)狀與計(jì)劃，結(jié)合掛幫礦體開采方案及覆蓋層形成方案，構(gòu)建了礦山露天轉(zhuǎn)地下開采過渡期階段的時(shí)空關(guān)系圖(見圖2)。

圖2 露天轉(zhuǎn)地下開采過渡期時(shí)空關(guān)系

①—過渡期北端幫掛幫礦體開采區(qū)域；②—露天開采與北端幫掛幫礦體開采隔離礦柱；③—過渡期露天開采區(qū)域；④—西邊幫掛幫礦體；⑤—深部礦體首采360 m分段；⑥—深部礦體開采340 m分段；⑦—覆蓋層；⑧—隔離礦柱回采時(shí)覆蓋層

依據(jù)礦體賦存條件，結(jié)合礦山露天與地下開采計(jì)劃，將過渡期階段礦體開采區(qū)域分為北端幫掛幫礦體、露天、隔離礦柱、西邊幫礦體、地下5部分，如圖2(a)所示。北端幫掛幫礦體最上水平516 m，按開采計(jì)劃揭露最早，可作為過渡期彌補(bǔ)產(chǎn)能的首采區(qū)域，可與露天開采同時(shí)進(jìn)行。隨著露天開采水平下降，西邊幫礦體揭露后，可進(jìn)行此區(qū)域的開采基建與回采工作。當(dāng)露天開采至最底水平372 m時(shí)，自南向北實(shí)施覆蓋層形成工作，同時(shí)進(jìn)行隔離礦柱的回收與地下首采分層的采切工作，如圖2(b)所示。覆蓋層形成后地下開采工作全面展開，達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)礦山平穩(wěn)過渡。

3.2 過渡方案確定

在對(duì)露天轉(zhuǎn)地下過渡區(qū)域開采設(shè)計(jì)、產(chǎn)能與時(shí)空節(jié)點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山開采現(xiàn)狀，提出了4種可行過渡方案。方案一，北端幫掛幫礦體采用空?qǐng)龇?、西邊幫掛幫礦體采用中深孔與硐室爆破組合崩落掛幫礦形成覆蓋層，同時(shí)采用回填方法對(duì)東側(cè)覆蓋層補(bǔ)充至設(shè)計(jì)厚度。方案二，北端幫掛幫礦體采用崩落法、西邊幫掛幫礦體采用中深孔與硐室爆破組合崩落掛幫礦形成覆蓋層，同時(shí)采用回填方法對(duì)東側(cè)覆蓋層補(bǔ)充至設(shè)計(jì)厚度。方案三，北端幫掛幫礦體采用空?qǐng)龇?、西邊幫掛幫礦體采用平硐溜井聯(lián)合開拓方案、覆蓋層采用回填方案。方案四，北端幫掛幫礦體采用崩落法、西邊幫掛幫礦體采用平硐溜井聯(lián)合開拓方案、覆蓋層采用回填方案。

可行方案的露天后期產(chǎn)能相同，如露天轉(zhuǎn)地下開采工程概況所述；各方案的北端礦掛幫礦體開采的時(shí)間為2014—2018年，崩落法與空?qǐng)龇ㄩ_采的逐年產(chǎn)能變化如表1所示。方案一與方案二中西邊幫掛幫礦體采用中深孔與硐室組合崩落掛幫礦形成覆蓋層后，進(jìn)行360 m水平進(jìn)路掘進(jìn)工程與東側(cè)覆蓋層補(bǔ)充工作，2018年可進(jìn)行采切工程到0線，回采礦石到2線，可采出礦石50萬t，360 m水平采切進(jìn)度安排與礦量分布情況如表3所示。方案三與方案四中采用平硐溜井聯(lián)合開拓回采西幫掛幫礦的時(shí)間為2016—2018年，逐年產(chǎn)能變化如西邊幫掛幫礦開采方案所述，2017年底露天結(jié)束后進(jìn)行覆蓋層回填工作，同時(shí)進(jìn)行采切與回采工作，2018年底可回采礦石到2線，可采出礦石153.3萬t，360 m水平采切進(jìn)度安排與礦量分布情況如表4所示。

表3 方案一與方案二中360 m水平采切進(jìn)度安排與礦量分布

表4 方案三與方案四中360 m水平采切進(jìn)度安排與礦量分布

根據(jù)地下系統(tǒng)基建與采掘進(jìn)度安排，2012年地下基建工程開始，2018年投產(chǎn)，2019年達(dá)產(chǎn)；2016—2018年每年掘進(jìn)副產(chǎn)礦石量10萬t；2019年，掘進(jìn)副產(chǎn)礦石量30萬t，回采礦石量270萬t。

綜上所述，廟溝鐵礦4種露天轉(zhuǎn)地下開采過渡方案的產(chǎn)能變化情況如表5所示。

表5 各方案露天采場(chǎng)與地下采場(chǎng)逐年采出礦量

Table 5 Annual production of open-pit and underground stope in each scheme 104t

年份露天產(chǎn)能方案一方案二方案三方案四掛幫礦體產(chǎn)能方案一方案二方案三方案四地下產(chǎn)能方案一方案二方案三方案四合計(jì)產(chǎn)能方案一方案二方案三方案四20142602602602609.28.09.28.00000269268269268201522022022022045.977.145.977.10000266297266297201621521521521595.986.699.890.510101010320312325315201721521521521552.250.062.960.71010101027727528828820180000120.7111.01701606060163163181171332323201900000.00.00.00.0300300300300300300300300

4 過渡方案優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)

過渡期的評(píng)價(jià)指標(biāo)以平穩(wěn)過渡為目標(biāo)，同時(shí)也需考慮經(jīng)濟(jì)、地質(zhì)資源、開采技術(shù)等因素，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，提出過渡方案優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)為投資、資源利用可靠系數(shù)、產(chǎn)能平穩(wěn)系數(shù)、開采安全系數(shù)4個(gè)因素。

(1) 投資。各方案的地下投資是相同的，設(shè)備和人員可算入地下的投資，僅是提前使用。因此各方案的投資僅考慮基建與采掘投資。

(2) 資源利用可靠系數(shù)。地質(zhì)資源的可利用量直接影響產(chǎn)能，若過渡期可利用的資源量過少，會(huì)造成礦山減產(chǎn)，反之，會(huì)造成資源積壓，因此過渡期可利用的資源儲(chǔ)量是一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。資源利用可靠系數(shù)M是由每年可利用的資源儲(chǔ)量(過渡方案中每年采出礦量)與計(jì)劃產(chǎn)能的比值

M=S/Dj，

(1)

式中，S為可利用的資源儲(chǔ)量；Dj為計(jì)劃的生產(chǎn)規(guī)模。

(3) 產(chǎn)能平穩(wěn)系數(shù)。礦山的產(chǎn)能直接影響到選廠以及公司的計(jì)劃，因此，過渡期時(shí)的平穩(wěn)系數(shù)均是衡量一個(gè)礦山是否平穩(wěn)過渡的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。平穩(wěn)指數(shù)N代表了過渡期間礦山產(chǎn)能波動(dòng)大小

N=(Dg-Dl)/ (Dd-Dl)，

(2)

式中，Dg為過渡期產(chǎn)能，Dl為露天產(chǎn)能，Dd為地下產(chǎn)能。

(4) 開采安全系數(shù)。安全是保障生產(chǎn)的前提，根據(jù)不同采礦方法的安全性引起力學(xué)效應(yīng)對(duì)不同區(qū)域的開采方案進(jìn)行安全系數(shù)確定，空?qǐng)龇ù笥诒缆浞?，回填覆蓋層大于中深孔與硐室爆破組合崩落掛幫礦形成覆蓋層的方法?？?qǐng)龇ㄩ_采方案安全系數(shù)為1.5，崩落法為1.0。中深孔與硐室爆破組合崩落掛幫礦形成覆蓋層，然后采用回填方法對(duì)東側(cè)覆蓋層補(bǔ)充至設(shè)計(jì)厚度的方案安全系數(shù)為1.2，回填方案安全系數(shù)1.5。

根據(jù)礦山過渡期可行方案產(chǎn)能分析知過渡期為2014—2018年，依據(jù)礦山生產(chǎn)計(jì)劃指標(biāo)，確定過渡期計(jì)劃產(chǎn)能與當(dāng)前露天產(chǎn)能相同為280萬t，地下產(chǎn)能為300萬t。各方案的資源利用可靠系數(shù)為過渡期內(nèi)資源利用可靠系數(shù)的平均值。各方案的的平穩(wěn)指數(shù)為過渡期內(nèi)平穩(wěn)指數(shù)的平均值。各方案的開采安全系數(shù)是聘請(qǐng)相關(guān)專家，依據(jù)不同區(qū)域開采方法與覆蓋層形成方式的安全系數(shù)，對(duì)其組合給出權(quán)重并打分計(jì)算后確定。根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法對(duì)過渡期4個(gè)方案的因素指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表6 各方案評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)匯總

5 基于模糊評(píng)價(jià)理論的方案優(yōu)化

5.1 模糊關(guān)系矩陣建立

依據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)理論[13]確定評(píng)價(jià)對(duì)象為4種可行過渡方案X={x1，x2，x3，x4}={方案一，方案二，方案三，方案四}。評(píng)價(jià)指標(biāo)(因素集)U={u1，u2，u3，u4}={投資，資源利用可靠系數(shù)，產(chǎn)能平穩(wěn)系數(shù)，開采安全系數(shù)}。

5.2 模糊關(guān)系矩陣建立

(1) 評(píng)價(jià)等級(jí)建立。根據(jù)確定的因素集，構(gòu)建評(píng)價(jià)等級(jí)集V={好，中，差}，對(duì)其進(jìn)行賦值V= {v1(好)，v2(中)，v3(差)}= {1，2，3}，則可建立評(píng)價(jià)結(jié)果與單值化閾值的關(guān)系，如表7所示。

表7 評(píng)價(jià)等級(jí)

(2)各因素模糊關(guān)系。應(yīng)用折線型隸屬函數(shù)對(duì)總投資、資源利用可靠系數(shù)、產(chǎn)能平穩(wěn)系數(shù)、開采安全系數(shù)4個(gè)因素分別進(jìn)行了計(jì)算，得出各方案的模糊關(guān)系，各元素?cái)?shù)據(jù)如表8所示。

表8 單因素模糊向量匯總

5.3 權(quán)重的確定

利用層次分析法確定評(píng)價(jià)的權(quán)重。邀請(qǐng)礦山有關(guān)權(quán)威專家對(duì)所選評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重要性分級(jí)，總結(jié)專家的分級(jí)結(jié)果和意見，經(jīng)過分析、比較，形成判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)后得到4個(gè)因素的權(quán)重系數(shù)為

A=(0.251，0.305，0.16，0.284).

5.4 模糊綜合評(píng)判的結(jié)果向量

將單因素模糊向量組成的矩陣R和通過層次分析法確定的權(quán)重A，代入公式B=AR，得出各方案的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量，B1= (0.113 6,0.408 6,0.507 3)；B2= (0,0.015 3,0.984 8)；B3=(0.931 8,0.068 2,0)；B4=(0.533 0,0.353 4,0.113 6)。

5.5 單值化模糊向量

將得出的各方案的模糊綜合評(píng)價(jià)向量利用加權(quán)平均的方法進(jìn)行單值化計(jì)算，公式為

(3)

式中，Cn為單值化結(jié)果；bj為B中的第j個(gè)元素；j為B中元素序號(hào)。

各方案綜合評(píng)價(jià)向量進(jìn)行單值化運(yùn)算結(jié)果為C1=2.559 1，C2=2.999 7，C3=1.005 3，C4=1.357 2。

5.6 優(yōu)化結(jié)果分析

分析單值化結(jié)果知：C3與C4接近1，屬于v1(好)級(jí)別；C1與C2接近2，屬于v2(中)級(jí)別，不做考慮對(duì)象。基于優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合礦山實(shí)際情況，方案四北端幫掛幫礦體采用崩落法與地下崩落法開采工藝參數(shù)基本相同，可以提前培訓(xùn)深部礦體開采隊(duì)伍，礦山過渡期開采方案最終確定C4為最優(yōu)方案，即：北端掛幫礦采用崩落法、西幫掛幫礦采用平硐溜井聯(lián)合開拓和回填形成覆蓋層的過渡方案。

6 結(jié) 論

(1)基于礦山開采終了時(shí)期境界外礦體空間賦存狀態(tài)及開采技術(shù)條件，給出了不同區(qū)域礦體的可行開采方案、采礦方法、基建時(shí)間與逐年產(chǎn)能。

(2)依據(jù)礦山開采現(xiàn)狀與計(jì)劃，結(jié)合掛幫礦體開采及覆蓋層形成方案，分析了礦山露天轉(zhuǎn)地下開采過渡期階段的時(shí)空關(guān)系，提出了4種可行過渡方案。

(3)以露天轉(zhuǎn)地下平穩(wěn)過渡為目標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，提出了過渡期方案優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)為投資、資源利用可靠系數(shù)、產(chǎn)能平穩(wěn)系數(shù)、開采安全系數(shù)等4個(gè)影響因素。

(4)基于模糊綜合評(píng)價(jià)理論對(duì)提出的多方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)計(jì)算，確定北端掛幫礦體采用崩落法、西幫掛幫礦體采用平硐溜井聯(lián)合開拓和回填形成覆蓋層的過渡方案為最優(yōu)方案。

(5)研究結(jié)果能為廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采過渡方案的選擇提供可靠的技術(shù)支撐，研究思路與優(yōu)化方法對(duì)類似礦山有很好的借鑒意義。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Optimization of Transitional Scheme from Open-pit to Underground Mining for Large-scale Iron Mine

Lu Hongjian1,2Nan Shiqin3Gan Deqing1,2Chen Chao1,2Zhang Yabin1,2Gao Feng1

(1.College of Mining Engineering，Hebei United University，Tangshan，063009，China；2.Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province，Tangshan 063009，China；3.Hebei Iron and Steel Group Mining Co.，Ltd，Tangshan 063007，China)

It is one of the key technical problems for mines that transit from open-pit to underground mining to confirm transitional scheme from open-pit to underground mining rationally.Taking Miaogou iron mine as the research object，based on the systematically analysis of the stage of the end of open-pit mining and the occurrence of ore body which is outside the boundary，the infrastructure time and annual production capacity are firstly determined after designing the mining scheme of different districts.Then，on the basis of the exploitation status quo and plan，combing with the formation plan of covering layer and mining schemes of hanging wall ore body，four transition schemes were put forward by analyzing the time-space relationship of transitional period.Finally，in order to achieve a smooth transition，such indexes as investment，resource utilization coefficient，smooth capacity coefficient and mining safety coefficient are regarded as the evaluation index of scheme optimization combined with existing norms and standards.Fuzzy comprehensive evaluation theory is used to optimize the feasible schemes，and the transitional scheme determined finally is that the northern hanging wall ore body will be mined by caving method，and the western hanging wall ore body will be recovered by combination of footrill and chute，and then backfill to form the covering layer.

Iron mine，Transition from open pit to underground，Transitional scheme，Optimization，Evaluation index

2014-09-07

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：E2013209328)，河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(編號(hào)：ZD2014037)。

盧宏建(1980—)，男，博士，副教授。

TD803/804

A

1001-1250(2014)-11-001-06