曾凌方

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

緩傾斜厚大礦體采礦方法優(yōu)化

曾凌方

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

某礦體形態(tài)復(fù)雜、開(kāi)采難度大，初選3種基本的采礦方法，進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析對(duì)比，同時(shí)建立影響采礦方法選擇因素的隸屬度關(guān)系結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用粗糙模糊集理論對(duì)采礦方法進(jìn)行優(yōu)選，得出最優(yōu)、可行的采礦方法為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ā?yīng)用證明粗糙模糊集理論在采礦方法的優(yōu)選中是切實(shí)可行的，對(duì)解決類(lèi)似工程問(wèn)題具有一定的實(shí)際意義。

采礦方法 粗糙模糊集理論 隸屬度 模糊決策

正確的采礦方法有利于提高礦石的回采率、降低貧化率、減少掘進(jìn)工程量、提高生產(chǎn)效率、降低材料消耗量，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，采礦方法的優(yōu)選在礦山企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。礦體賦存條件錯(cuò)綜復(fù)雜，采礦方法選擇過(guò)程中影響因素非常廣泛和模糊。傳統(tǒng)的采礦方法選擇是根據(jù)主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分析得到最佳方案，但難以從環(huán)境、安全、社會(huì)等因素進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)。目前，采礦方法優(yōu)選向數(shù)值化、定量化發(fā)展，其中模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法應(yīng)用較為廣泛，在收集大量類(lèi)似礦山樣本的條件下，合理地確定隸屬度和權(quán)值，將各個(gè)影響因素綜合考慮在系統(tǒng)中，既能達(dá)到明顯的比較效果，又符合人類(lèi)的思維模式[1]。

1 原采礦方法及存在問(wèn)題

某礦為國(guó)內(nèi)大型有色金屬礦山，主要開(kāi)采對(duì)象為急傾斜細(xì)脈帶礦體和緩傾斜91#、92#礦體，至今已開(kāi)采30余a。隨著采礦技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)能力的提高，應(yīng)用的采礦方法隨之變化。目前礦山采用組合式崩落法開(kāi)采，存在主要問(wèn)題是回收率低和貧化率高。分析主要原因?yàn)楸缆浞ú捎秒A段大爆破，爆破效果不佳，導(dǎo)致礦石飛濺，同時(shí)每次崩落跨度為50余m，爆破后的采空區(qū)面積達(dá)4 000 m2以上，導(dǎo)致空區(qū)在短時(shí)間內(nèi)冒落，礦石回收率僅為20%～30%，損失率高達(dá)70%～80%；西南盤(pán)區(qū)礦體為多層礦,形態(tài)變化大,且包含夾石和表外礦，采用崩落法不能有效剔除夾石和表外礦，致使出礦品位僅為Sn 0.2%左右；生產(chǎn)任務(wù)重，常常選擇礦石品位高和厚度大的地段生產(chǎn)，導(dǎo)致無(wú)序開(kāi)采的局面較嚴(yán)重。隨著92#礦體轉(zhuǎn)入深部開(kāi)采，上部存在大量采空區(qū)及大范圍冒落區(qū)，地壓控制問(wèn)題必然更加突出，如何選取適當(dāng)?shù)牟傻V方法和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，有效降低采礦損失率和貧化率，提高出礦品位，安全高效采礦，是目前礦山面臨的重要問(wèn)題。

2 開(kāi)采技術(shù)條件

該礦92#礦體走向西南，傾向西北，向北東方向側(cè)伏，呈南高北低、西高東低展布。目前在405 m以下北段部分的資源總量為981.82萬(wàn)t，儲(chǔ)量級(jí)別為122b，礦體東西走向長(zhǎng)680 m，南北傾向長(zhǎng)830 m，傾角為15°～25°，礦體最小厚度為1 m，最大厚度為71 m，平均厚14.7 m，平均地質(zhì)品位為Sn 0.74%，礦體中含有部分夾石和表外礦。根據(jù)礦區(qū)提供地質(zhì)剖面圖對(duì)礦體的產(chǎn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，92#礦體屬于緩傾斜中厚及厚大礦體。本文采礦方法的研究只針對(duì)92#礦體405 m以下北段部分的緩傾斜厚大礦體。

表1 礦體形態(tài)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 采礦方法選擇

3.1 采礦方法初選

根據(jù)礦山開(kāi)采技術(shù)條件及礦山建設(shè)現(xiàn)狀與裝備水平，同時(shí)參考國(guó)內(nèi)外同類(lèi)礦體開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，可用于92#405 m以下北段礦體的采礦方法有分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法、分段充填采礦法、房柱嗣后充填采礦法、階段大直徑深孔落礦嗣后充填采礦法、上向水平分層充填采礦法[2-3]。

對(duì)于礦區(qū)厚大礦體，為有效控制貧化和損失，提高出礦品位，盡量回收資源，選擇采礦方法時(shí)主要考慮采礦方法對(duì)夾石是否具有篩選、剔除能力。通過(guò)綜合分析，可供選擇的采礦方法有分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法、低分段充填采礦法和上向水平分層充填采礦法。

(1)分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法(方法Ⅰ)。沿礦體傾向方向劃分礦房、礦柱，采場(chǎng)長(zhǎng)軸方向?yàn)榈V體走向，采用分段鑿巖，階段出礦，嗣后充填。因研究區(qū)域地壓環(huán)境復(fù)雜，上部存在未充填采空區(qū)及垮落區(qū)，且為保護(hù)上部已有巷道工程，將盤(pán)區(qū)礦柱南北向布置，采場(chǎng)設(shè)計(jì)寬14 m，長(zhǎng)80～100 m。

(2)低分段充填采礦法(方法Ⅱ)。沿礦體傾向劃分礦房、礦柱，采場(chǎng)長(zhǎng)軸方向?yàn)榈V體走向，不設(shè)底部出礦結(jié)構(gòu)，根據(jù)礦體垂直厚度，采用單分段或分兩段回采，分段充填。礦房及礦柱寬度均為14 m，長(zhǎng)80～100 m，最大分層空頂高度為8～8.5 m。

(3)上向水平分層充填采礦法(方法Ⅲ)。該法與低分段充填法一樣，既可用于中厚礦體的開(kāi)采，也可用于厚大礦體開(kāi)采。根據(jù)礦體厚度劃分礦塊，從下往上逐層回采、充填，崩落礦石采用鏟運(yùn)機(jī)鏟裝，卸入采場(chǎng)溜井。中段高50 m，分段高10 m，分層高3～4 m。當(dāng)?shù)V體厚度大于15 m時(shí)，垂直礦體走向劃分采場(chǎng)，采場(chǎng)寬14 m，長(zhǎng)度為礦體厚度；當(dāng)?shù)V體水平厚度較大時(shí)，實(shí)行分區(qū)回采。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

根據(jù)采礦方法的初選結(jié)果，綜合分析比較各采礦方法的技術(shù)可靠性、開(kāi)采安全性和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估，以確定最優(yōu)采礦方法。3種采礦方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果見(jiàn)表2。可知，分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法為最優(yōu)。

3.3 最優(yōu)方案的確定

3.3.1 重要度計(jì)算

為滿(mǎn)足粗糙集建模方法的假設(shè)條件，即建模數(shù)據(jù)要覆蓋系統(tǒng)輸入空間，必須保證足夠的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)的有效性。將金嶺鐵礦候莊礦區(qū)的充填采礦法、銅山銅礦前山礦體的分段崩落法、Iscaycruz礦的碎石膠結(jié)充填法及別列佐夫卡金礦的房柱法等國(guó)內(nèi)外21個(gè)典型礦山正在使用的采礦方法進(jìn)行貧化率、損失率、生產(chǎn)效率、安全性、環(huán)保、成本6個(gè)指標(biāo)分析和綜合比較，得出影響采礦方法選擇的各因素重要度分別為R=(Rp，Rx，Rs，Ra，Rh，Rc)T=(0.102 1，0.135 1，0.162 2，0.316 2，0.118 2，0.166 2)T。

3.3.2 隸屬度計(jì)算

將初選和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后的采礦方法進(jìn)行粗糙模糊理論優(yōu)選，其評(píng)價(jià)的指標(biāo)有貧化率、損失率、生產(chǎn)效率、安全性、環(huán)保、成本。由于回采方法各指標(biāo)的單位不同，為具有可比性，首先對(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱化處理，將各指標(biāo)值用[0，1]區(qū)間中的數(shù)值表示，這個(gè)數(shù)值稱(chēng)為評(píng)價(jià)因素的隸屬度[4]，采用線(xiàn)性函數(shù)法和二元對(duì)比排序法確定隸屬函數(shù)[5-6]。

(1)線(xiàn)性函數(shù)法是對(duì)模糊概念的一種定量描述方法，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Aij為i種采礦方法j指標(biāo)的隸屬度；fij為i種采礦方法j指標(biāo)值；fjmax為各采礦方法j指標(biāo)的最大值。

表2 采礦方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

(2)對(duì)無(wú)法定量描述的指標(biāo)，往往采用二元對(duì)比排序法確定其隸屬函數(shù)，即是給任意一對(duì)因素(ui，uj)，若ui具有某種特性的程度為fuj(ui)，那么uj具有這種特性的程度為fui(uj)。

(2)

經(jīng)同趨勢(shì)歸一化后得各采礦方法相應(yīng)指標(biāo)的隸屬度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 采礦方法各指標(biāo)隸屬度

由此得出隸屬度矩陣

3.3.3 綜合評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)是在考慮多種因素的影響下對(duì)某事物作出的綜合決策。對(duì)于綜合評(píng)判問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述為

B=AR.

(3)

經(jīng)計(jì)算可得各采礦方法的綜合評(píng)價(jià)向量，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，對(duì)于厚度大于15 m，含夾石、表外礦少的礦體的采礦方法評(píng)價(jià)向量B=(0.957 1，0.9112，0.9101),即各方法優(yōu)先順序?yàn)榉侄慰請(qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法、低分段充填采礦法、上向水平分層充填采礦法。

表4 采礦方法評(píng)價(jià)向量

4 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)92#礦體的開(kāi)采技術(shù)條件、生產(chǎn)現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外類(lèi)似礦山的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，對(duì)可用于92#礦體采礦方法進(jìn)行分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較，同時(shí)運(yùn)用粗糙模糊集理論對(duì)各采礦方法進(jìn)行了綜合評(píng)判。無(wú)論從經(jīng)濟(jì)效益比較，還是運(yùn)用粗糙模糊集理論方法進(jìn)行優(yōu)選，所得結(jié)果均一致，即針對(duì)厚度大于15m，含夾石、表外礦少的緩傾斜厚大礦體，最適合的采礦方法為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。粗糙模糊集理論對(duì)采礦方法優(yōu)選是科學(xué)的、可行的，具有一定的借鑒意義。

[1] 史太祿，任鳳玉，李文增.模糊數(shù)學(xué)在采礦方法優(yōu)選中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2007(1)：35-39.

[2] 王運(yùn)敏.現(xiàn)代采礦手冊(cè)：中冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[3] 《采礦手冊(cè)》編輯委員會(huì).采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)：第4卷[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[4] 劉大兵，周士霖，齊兆軍.基于模糊數(shù)學(xué)采礦方法優(yōu)化研究[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2010，18(6)：42-44.

[5] 曹 帥，宋衛(wèi)東，朱先紅，等.高海拔地區(qū)急傾斜薄礦體采礦方法優(yōu)選[J].金屬礦山，2013(2)：14-17.

[6] 淡永富.模糊數(shù)學(xué)在金礦采礦方法選擇中的應(yīng)用[J].有色金屬設(shè)計(jì)，2003，30(2)：11-16.

Optimization of the Mining Method of Slowly Inclined Large and Thick Orebody

Zeng Lingfang

(Changsha Engineering & Research Institute Ltd.of Nonferrous Metallurgy)

The form of a orebody is complex and the orebody mining is difficult. Three basic mining methods are selected preliminarily to conduct analysis and comparison of comprehensive economic indicators, and the membership relationship structure model that influence the selection factors of mining method is established. So the optimal and feasible mining method is sublevel open stoping afterwards filling method which is selected based on rough fuzzy set theory. The application results show that, the optimization selection of mining method based on rough fuzzy set theory is feasible, and it can provide some reference for dealing with the similar engineering problems.

Mining method, Rough fuzzy set theory, Degree of membership, Fuzzy decision

2014-10-18)

曾凌方(1981—)，男，工程師，碩士，410011 湖南省長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)解放中路199號(hào)。