袁麥囤 張欽禮 萬(wàn)孝衡

(1.衡陽(yáng)遠(yuǎn)景鎢業(yè)有限責(zé)任公司；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

·采礦工程·

基于灰色關(guān)聯(lián)理論的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

袁麥囤1張欽禮2萬(wàn)孝衡2

(1.衡陽(yáng)遠(yuǎn)景鎢業(yè)有限責(zé)任公司；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

為了研究川口鎢礦的采場(chǎng)安全性并確定合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用MIDAS數(shù)值模擬方法，得出了不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的頂板應(yīng)力和位移，從安全角度初步確定了較優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用灰色關(guān)聯(lián)理論，全面考慮影響采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全三類因素，建立了4種備選方案，計(jì)算出各采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)方案基于評(píng)判指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度，分別為0.821，0.842，0.865，0.817，從而確定最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，即頂柱厚3 m，礦房跨度為15 m，礦柱跨度為8 m。實(shí)踐證明，運(yùn)用數(shù)值模擬和灰色關(guān)聯(lián)理論優(yōu)選采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法是科學(xué)可行的。

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù) 數(shù)值模擬 灰色關(guān)聯(lián)理論

地下礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)中，合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是礦山高效、安全生產(chǎn)的保證[1]。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇不僅與安全性有關(guān)，也與采場(chǎng)生產(chǎn)能力、損失率和貧化率等多種因素有關(guān)[2]。針對(duì)川口鎢礦特定的礦巖物理力學(xué)性質(zhì)，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件分析采場(chǎng)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下頂板和充填體的應(yīng)力和位移特征，初步確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)理論將影響采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的各因素定量化組成各方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]，綜合評(píng)判后選出最優(yōu)方案作為礦山生產(chǎn)指標(biāo)。

1 礦山概述

川口鎢礦位于湖南省衡南縣，生產(chǎn)能力為40萬(wàn)t/a。礦體以石英細(xì)脈帶型和石英大脈型為主，主要為白鎢礦和黑鎢礦，礦體呈層狀產(chǎn)出，賦存于花崗巖體外接觸帶楊林坳組砂巖及板溪群板巖中。

正在開(kāi)采的礦房位于楊林坳礦區(qū)，主要礦體是1-5#礦體，開(kāi)采范圍為+290～+370 m。礦體傾角為36°左右，東西走向，礦巖基本穩(wěn)固。礦體平均厚25 m，品位變化極大。采用上向水平分層充填采礦法沿走向開(kāi)采傾斜厚礦體，礦塊主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：階段高40 m，礦塊長(zhǎng)25 m，真厚為15 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況了解，礦塊損失貧化大，出礦能力不足，回采周期長(zhǎng)，存在采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇不合理的情況。

2 模型建立及結(jié)果分析

根據(jù)川口鎢礦礦巖物理力學(xué)參數(shù)(表1)，采用MADIS軟件模擬各設(shè)計(jì)模型下采場(chǎng)應(yīng)力和位移。

表1 川口鎢礦礦巖物理力學(xué)參數(shù)

2.1 模型建立

根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，開(kāi)挖后應(yīng)力變化的影響范圍為所開(kāi)挖范圍的3～5倍[4]，本文采用的模型尺寸為采場(chǎng)高度和寬度的5倍。模型上表面邊界施加重力方向應(yīng)力約束，其他各邊界施加位移約束，模型只在重力方向產(chǎn)生位移，建立的采場(chǎng)網(wǎng)格劃分模型見(jiàn)圖1。

圖1 采場(chǎng)網(wǎng)格劃分模型

為研究采場(chǎng)礦房、礦柱跨度及頂柱厚度對(duì)采場(chǎng)頂板和充填礦柱穩(wěn)定性的影響，本次模擬將上述3個(gè)因素作正交組合試驗(yàn)[5]，模擬采場(chǎng)礦房跨度為10，15，20 m，礦柱跨度為8，10，12 m，頂柱厚度為3，4，5 m。三因素三水平正交試驗(yàn)共9個(gè)模型,見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)

2.2 模擬結(jié)果分析

定義安全系數(shù)為礦巖抗拉強(qiáng)度與頂板最大拉應(yīng)力之比，9個(gè)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)模型模擬結(jié)果見(jiàn)表3。從采場(chǎng)頂板最大拉應(yīng)力、頂板位移、充填礦柱最大壓應(yīng)力3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，各采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)模型重力方向位移差別不大，一般為1 cm左右，頂柱厚度對(duì)于采場(chǎng)沉降影響不大。從采場(chǎng)穩(wěn)定性考慮，安全系數(shù)越大，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)越合理，A1、A4、A8模型有較大的安全系數(shù)，可以得出合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)：頂柱厚3，4 m，礦房跨度為10，15 m，礦柱跨度為8，10 m。

表3 各方案模型模擬結(jié)果

3 初選參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)優(yōu)選

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇不僅與采場(chǎng)安全性有關(guān)，也與采場(chǎng)生產(chǎn)能力、損失率和貧化率等多因素有關(guān)。對(duì)于模擬初選的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立備選方案和評(píng)判指標(biāo)體系，用灰色關(guān)聯(lián)理論評(píng)判模型評(píng)價(jià)除安全性以外的其他影響因素。

3.1 備選方案和評(píng)判指標(biāo)體系

根據(jù)初選數(shù)值模擬分析結(jié)果，對(duì)3個(gè)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)正交得出備選方案，見(jiàn)表4。從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全3個(gè)方面考慮建立各備選方案主要評(píng)判指標(biāo)體系，見(jiàn)表5。

表4 備選方案

表5 各方案的評(píng)判指標(biāo)體系

3.2 灰色關(guān)聯(lián)理論的綜合評(píng)判

灰色關(guān)聯(lián)理論綜合評(píng)判包括3個(gè)因素：評(píng)判矩陣A，指標(biāo)權(quán)重向量ω和灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣ζ?；疑P(guān)聯(lián)理論評(píng)判的基本原理是以灰色關(guān)聯(lián)理論為理論基礎(chǔ)，以灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)作為轉(zhuǎn)換手段，將指標(biāo)集的加權(quán)矩陣轉(zhuǎn)換為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣，計(jì)算各方案與正理想解的灰色關(guān)聯(lián)度，以灰色關(guān)聯(lián)度作為方案優(yōu)劣性的評(píng)判依據(jù)，從而完成灰色關(guān)聯(lián)理論評(píng)判的構(gòu)建[6]。

3.2.1 指標(biāo)權(quán)重向量

運(yùn)用熵值法計(jì)算8個(gè)指標(biāo)的權(quán)重向量ω[7]，并歸一化后得ω=(0.385 7,0.000 7,0.064 6,0.258 5,0.141 0,0.011 3,0.085 5,0.052 6)。

3.2.2 評(píng)判矩陣

設(shè)有m個(gè)評(píng)判對(duì)象，n個(gè)評(píng)判指標(biāo)，評(píng)判指標(biāo)記為aij(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)，即aij為第i個(gè)方案中第j個(gè)評(píng)判指標(biāo)。將指標(biāo)分類為效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)，分類的原則是效益型指標(biāo)(簡(jiǎn)稱為效益)數(shù)值越大，評(píng)判目標(biāo)越理想；成本型指標(biāo)(簡(jiǎn)稱為成本)數(shù)值越小，評(píng)判目標(biāo)越理想。依據(jù)上述原則，則建立評(píng)判矩陣A：

選取各評(píng)判指標(biāo)的最理想值，效益型指標(biāo)選取最大值，成本型指標(biāo)選取最小值，構(gòu)造參考數(shù)列a0={a0k|k=1,2,…,n}，其中a0k為每個(gè)指標(biāo)的最理想值，由此構(gòu)成實(shí)際不存在的理想方案，將理想方案的參考數(shù)列a0添加到評(píng)判矩陣?yán)铮玫皆鰪V的評(píng)判矩陣B:

3.2.3 評(píng)判矩陣歸一化

由于各評(píng)判指標(biāo)的量綱不同，為消除不同指標(biāo)、不同量綱對(duì)評(píng)判的影響，方便指標(biāo)間的比較，需對(duì)不同類型的評(píng)判指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理[8]。

對(duì)于效益型指標(biāo)，采用如下公式：

(1)

對(duì)于成本型指標(biāo)，采用如下公式：

(2)

按照式(1)、式(2)對(duì)相應(yīng)類型指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，得到無(wú)量綱的歸一化評(píng)判矩陣：

3.2.4 歸一化評(píng)判矩陣指標(biāo)權(quán)重分配

對(duì)歸一化決策矩陣C加權(quán)，即

dij=ωicij，

(3)

得到如下矩陣：

3.2.5 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

(4)

式中，ρ為分辨系數(shù)，用于減弱最大絕對(duì)差過(guò)大而失真的影響，取值范圍為0～1，取0.5[10]。

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)實(shí)際上是將備選方案與理想方案兩兩比較得到的結(jié)果，按照式(4)所得到的關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為

3.2.6 灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度表示方案指標(biāo)數(shù)列與參考數(shù)列的近似程度，也表示了備選方案與理想方案之間的距離，將各方案與理想方案的灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序，灰色關(guān)聯(lián)度越大，表示方案越優(yōu)。

每個(gè)方案指標(biāo)數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)度為

(5)

由式(5)可得各方案指標(biāo)數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)度r01=0.821,r02=0.842,r03=0.865,r04=0.817，排序?yàn)閞03>r02>r01>r04，即優(yōu)選方案為方案三,頂柱厚3 m，礦房跨度為15 m，礦柱跨度為8 m。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)利用MIDAS數(shù)值模擬軟件，模擬分析了川口鎢礦在不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的頂板應(yīng)力和位移特征，由安全系數(shù)指標(biāo)選擇了保證采場(chǎng)穩(wěn)定的參數(shù)，并通過(guò)正交試驗(yàn)得出4種備選方案。

(2)運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論綜合分析影響各備選方案的因素，建立評(píng)判指標(biāo)矩陣，計(jì)算指標(biāo)權(quán)重向量，由灰色關(guān)聯(lián)度作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，得出方案三為最優(yōu)方案，即頂柱厚3 m，礦房跨度為15 m，礦柱跨度為8 m，為礦山生產(chǎn)提供了有利指導(dǎo)。

(3)將數(shù)值模擬和灰色關(guān)聯(lián)評(píng)判理論相結(jié)合，從數(shù)值模擬考慮采場(chǎng)安全性到分析影響采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素，避免了單一因素決策的片面性，使采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇更合理、更科學(xué)。

(4)通過(guò)礦山的生產(chǎn)實(shí)踐表明，通過(guò)數(shù)值模擬和灰色關(guān)聯(lián)評(píng)判確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法是可行的，為礦山安全、經(jīng)濟(jì)、高效生產(chǎn)提供了依據(jù)，為采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選提供了一種新的研究方法。

[1] 董 蕾.采動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及可靠度分析[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2010.

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2014年度中國(guó)金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)揭曉

2014年度中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)日前揭曉，共有222項(xiàng)科技成果被授予該獎(jiǎng)項(xiàng)。其中，金川集團(tuán)的“超高濃度冶煉煙氣制酸過(guò)程分流轉(zhuǎn)化及清潔生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”等13項(xiàng)科技成果獲獎(jiǎng)。

據(jù)了解，中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)是經(jīng)國(guó)家科學(xué)技術(shù)部批準(zhǔn)的首批全國(guó)性社會(huì)力量設(shè)立的科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。獎(jiǎng)勵(lì)面向全國(guó)有色金屬行業(yè)，涵蓋有色金屬行業(yè)加工、材料、裝備與自動(dòng)化、環(huán)保等專業(yè)領(lǐng)域，旨在表彰和獎(jiǎng)勵(lì)在中國(guó)有色金屬工業(yè)科技進(jìn)步工作中做出突出貢獻(xiàn)的單位和個(gè)人，以鼓勵(lì)我國(guó)有色金屬工業(yè)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新和科技進(jìn)步，在業(yè)內(nèi)具有較高的影響力和良好的聲譽(yù)。

Optimization Selection of the Stope Structural Parameters Based on Grey Correlation Theory

Yuan Maitun1Zhang Qinli2Wan Xiaoheng2

(1.Hengyang Yuanjing Tungsten Co., Ltd.;2.School of Resources and Safety Engineering,Central South University)

In order to analyze the stope safety and determine the reasonable stope structural parameters in Chuankou tungsten mine, the MIDAS numerical simulation method is taken so as to obtain the values of stress and displacement of roof of different stope structural parameters, and the optimal stope structural parameters are determined preliminary from the security point of view. Based on grey correlation theory, the four alternatives schemes are established by considering the factors of economic, technical and safety that influence the stope structural parameters. The grey correlation degrees of stope structural parameters schemes based on evaluation indicators are calculated,they are 0.821，0.842，0.865，0.817. So the optimal stope structural parameters are determined,the needle thick is 3 m, the chamber span is 15 m, the pillar span is 8 m. The research results show that, the optimization selection of stope structural parameters based on numerical simulation and grey correlation theory is scientific and feasible.

Stope structural parameters, Numerical simulation, Grey correlation theory

2014-12-01)

袁麥囤(1965—)，男，副總工程師，部長(zhǎng)，工程師，421166 湖南省衡陽(yáng)市衡南縣川口辦事處。