楊詩(shī)夢(mèng)

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

某復(fù)雜難采礦體采礦方法的優(yōu)化

楊詩(shī)夢(mèng)

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

“三下”礦資源開(kāi)采方案難以選擇，充填法解決了礦巖破碎、開(kāi)采技術(shù)條件復(fù)雜的開(kāi)采難題。針對(duì)某礦位于河床下的1#難采礦體，基于多種因素模糊評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，分析了影響因素權(quán)重，構(gòu)建決策模型，從4種初選方案中優(yōu)化選擇出滿足該礦實(shí)際的開(kāi)采方案，即上向進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法。

難采礦體 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 安全因素 模糊判別 開(kāi)采方案優(yōu)化

“三下”礦體一般指賦存于建筑物、路基(公路、鐵路等)、水體底下的礦體，屬于復(fù)雜難采礦體范疇[1]。隨著我國(guó)近地表易采礦產(chǎn)資源的開(kāi)采殆盡和現(xiàn)代采礦技術(shù)的進(jìn)步，“三下”復(fù)雜難采礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用已逐漸成為國(guó)內(nèi)研究的重點(diǎn)。

某鐵礦山1#礦體位于河床之下，屬于典型的“三下”難采礦體。根據(jù)該礦體賦存條件、地形地貌特征、工程和水文地質(zhì)條件、礦產(chǎn)資源開(kāi)采價(jià)值、礦產(chǎn)資源綜合利用及可持續(xù)發(fā)展等因素綜合分析論證可知，充填采礦法不僅能實(shí)現(xiàn)安全高效回采，還能提高礦石回收率，有效緩解地表沉降，解決地表大量固態(tài)尾礦的堆放難題，安全環(huán)保，同時(shí)減少了尾礦庫(kù)筑壩征地等投資成本[2]。由于該礦體形態(tài)復(fù)雜多變，且圍巖性質(zhì)極不穩(wěn)定，在綜合考慮采礦工藝技術(shù)、經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)以及安全等因素條件下，展開(kāi)對(duì)該礦采礦方法的優(yōu)化研究[3]。

1 采礦方法初選

某鐵礦山礦體賦存狀態(tài)如圖1所示。

根據(jù)資料和現(xiàn)場(chǎng)勘查，該礦體地表存在季節(jié)性河流，頂板圍巖裂隙發(fā)育，巖性脆易碎，礦體和底板圍巖較穩(wěn)固，但含泥質(zhì)較多時(shí)易破碎坍塌。綜合分析國(guó)內(nèi)外目前“三下”難采礦石資源回采的研究成果，結(jié)合該礦實(shí)際情況，提出采礦方法的選用原則：①有利于保護(hù)頂板隔水巖層，最大限度減少地表的移動(dòng)變化，有效防止隔水層大面積垮塌、滑移，確保井下安全；②回采過(guò)程中地壓得到較好控制，確?；夭砂踩?；③在滿足工藝要求的前提下，降低采礦成本以及貧化率、損失率等，充分回收鐵礦資源，確保礦山經(jīng)濟(jì)效益[4]。

滿足上述原則1#礦體可采用的充填采礦法有：上向進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法(s1)、上向點(diǎn)柱式分層膠結(jié)充填采礦法(s2)、下向進(jìn)路式分層膠結(jié)充填采礦法(s3)及兩步驟回采嗣后膠結(jié)充填采礦法(s4)。上向進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法礦塊沿走向布置，礦塊長(zhǎng)度60～100 m，階段高度50 m，分段高14.7 m，每個(gè)分段在下盤(pán)脈外沿走向布置分段巷道，上下各分段巷道通過(guò)采區(qū)斜坡道聯(lián)通；上向點(diǎn)柱式分層膠結(jié)充填采礦法沿走向布置開(kāi)采盤(pán)區(qū)，盤(pán)區(qū)長(zhǎng)300 m，寬80 m，階段高度50 m，分段高度14～ 15 m，分層高度2.5～3.5 m，區(qū)段間留設(shè)寬度5 m的連續(xù)間柱；下向進(jìn)路式分層膠結(jié)充填采礦法礦塊沿走向布置，礦塊長(zhǎng)度60 m，階段高度50 m，分段高度10 m，分層回采高度3.0～3.5 m；兩步驟回采嗣后膠結(jié)充填采礦法礦塊垂直礦體走向布置，礦房寬12 m，礦柱寬12 m，礦塊高為階段高度50 m，分段高12～ 13 m。各采礦方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1所示。

圖1 礦體賦存狀態(tài)

表1 各采礦方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2 采礦方法優(yōu)化

2.1 模糊決策模型構(gòu)建

根據(jù)1#礦體賦存狀態(tài)和開(kāi)采技術(shù)條件，考慮該礦山的生產(chǎn)能力和開(kāi)拓現(xiàn)狀，選擇技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和安全兩個(gè)大方面，其中采礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要包括表1中的6個(gè)因素；安全主要涵蓋巖體穩(wěn)定性程度、采場(chǎng)通風(fēng)條件、工人勞動(dòng)強(qiáng)度三項(xiàng)指標(biāo)，如表2所示。

表2 各采礦方法安全因素指標(biāo)

根據(jù)初選采礦方法，模糊決策模型方法集為：

(1)

定義S的“最優(yōu)采礦方法”模糊集為：

(2)

建立采礦方法優(yōu)選因素集V為：

(3)

因素集V上的模糊集W為：

(4)

式中,w為各影響因素在采礦法選擇優(yōu)化中的權(quán)重。

建立模糊評(píng)判矩陣：

R=(rij)9×4,

(5)

式中,rij為第j個(gè)方案的第i個(gè)因素的隸屬度。

由采礦方法集S、選擇因素集V、模糊評(píng)判矩陣R組成三元評(píng)判空間(S，V，R)，建立模糊決策數(shù)學(xué)模型：

B=W·R.

(6)

根據(jù)最大隸屬度原則，計(jì)算各采礦方法的相對(duì)選擇率，相對(duì)選擇率最大者為最優(yōu)方案[5-7]。

2.2 影響因素權(quán)重分析

影響因素集V上各影響因素在采礦方法選取時(shí)其權(quán)重w不盡相同，且存在諸多不確定性，難以進(jìn)行定量分析。根據(jù)影響采礦方法選擇的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和安全因素指標(biāo)建立層次結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，其中采礦方法的選擇O為目標(biāo)層，技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素和安全因素P為準(zhǔn)則層，各具體指標(biāo)A為指標(biāo)層。采用五級(jí)標(biāo)度法將指標(biāo)進(jìn)行二元對(duì)比排序，按其相對(duì)重要性從低到高依次劃分為1，3，5，7，9 5個(gè)等級(jí)，1級(jí)表示兩個(gè)因素一樣重要，9級(jí)表示一個(gè)因素比另一因素絕對(duì)重要。判斷過(guò)程中，因素i與j的比較判斷為hij，因素j與i的比較判斷為hji=1/hij[8]。

表3 P-A判斷矩陣賦值

表4 各層次判斷矩陣對(duì)應(yīng)權(quán)重關(guān)系

經(jīng)計(jì)算得出采礦方法各影響因素的權(quán)重為：wi=(w(P1)V1(A1)，w(P1)V1(A2)…w(P2)V2(A4)…w(P2)V2(A9))=(0.478，0.194，0.078 8，0.092 3，0.064，0.022 3，0.026 5，0.036，0.009).

2.3 模糊評(píng)價(jià)與決策

在開(kāi)采方法選擇的模糊評(píng)價(jià)中，定性指標(biāo)主要為巖體穩(wěn)定性程度、采場(chǎng)通風(fēng)條件、工人勞動(dòng)強(qiáng)度、采礦工藝復(fù)雜程度和機(jī)械化程度等，可由專家按表5進(jìn)行賦值。而定量指標(biāo)主要有礦塊生產(chǎn)能力、礦石貧化率、礦石損失率、采礦成本。對(duì)定量指標(biāo)無(wú)量綱化，采用線性函數(shù)法確定隸屬度[9-10]。

表5 定性指標(biāo)賦值

定量指標(biāo)中的收益性指標(biāo)值越大越好，消耗性指標(biāo)越小越好。確定定量指標(biāo)的隸屬度：

式中,rij為j方案i指標(biāo)的隸屬度；ximin為i指標(biāo)中的最小值；ximax為i指標(biāo)中的最大值；xij為各方案指標(biāo)值。

將定量指標(biāo)和定性指標(biāo)的隸屬度組合起來(lái)，得隸屬度矩陣R：

根據(jù)權(quán)重向量和隸屬度矩陣，可得B=WR=[0.747 3 0.650 5 0.669 4 0.554 8].

以上為采礦方法選擇的模糊綜合評(píng)判，其評(píng)判結(jié)果反映了各采礦方法可選度的大小，根據(jù)最大隸屬度原則，各采礦方法優(yōu)選順序應(yīng)為：s1>s3>s2>s4，即可確定上向進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法s1為該礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件和安全需求的最優(yōu)采礦方法。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)采礦方法初選，甄別出充填采礦法中的上向進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法、上向點(diǎn)柱式分層膠結(jié)充填采礦法、下向進(jìn)路式分層膠結(jié)充填采礦法及兩步驟回采嗣后膠結(jié)充填采礦法為滿足該礦初始條件的采礦方法。

(2)構(gòu)建模糊決策模型，建立層次結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，采用專家賦值法對(duì)主導(dǎo)采礦方法選擇的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和安全因素指標(biāo)進(jìn)行賦值和計(jì)算，通過(guò)歸一化和一致性檢驗(yàn)后，分別得到9個(gè)不同指標(biāo)的權(quán)重，其中礦塊生產(chǎn)能力權(quán)重最大，勞動(dòng)強(qiáng)度權(quán)重最小。

(3)在層次判斷矩陣的基礎(chǔ)上對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行專家分級(jí)賦值，對(duì)定量指標(biāo)無(wú)量綱化，采用線性函數(shù)法確定隸屬度并將兩者合成后求得隸屬度矩陣R,通過(guò)最大隸屬度原則獲得模糊評(píng)判結(jié)果，得出上向進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法為該礦最優(yōu)采礦方法，為該礦體開(kāi)采提供了依據(jù)。

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Optimization Research of Mining Method of Complicated Orebody

Yang Shimeng

(School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing)

The "under-three-objects"mining exploitation is very difficult,and it also difficult to to choose appropriate mining method. The cemented filling method is the most effective one for incompetent orebody under complicated mining conditions. The research results show that,the 1#orebody under the bed can be mined by filling method with security and environmental protection, but the specific scheme is difficult to choose. The weights of the affecting factors are analyzed and the decision model is established based on multi-factors fuzzy evaluation standard,besides that,the final mining scheme is obtained by choosing form the four primary method so as to meet the actual mining situation,that is upward drift cemented filling method.

Complicated mining conditions, Technical economy, Safety elements, Fuzzy diagnosis, Optimization mining scheme

2014-07-14)

楊詩(shī)夢(mèng)(1988—)，女，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。