白 銀 王 星 楊家冕

(1.西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院；2.中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；5.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

·采礦工程·

基于模糊數(shù)學(xué)分析的蒼山鐵礦采礦方法選擇

白 銀1,2王 星3，4，5楊家冕3，4，5

(1.西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院；2.中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；5.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

根據(jù)中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司蒼山鐵礦的礦床賦存地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件及周邊環(huán)境要求，采用經(jīng)驗(yàn)類比法進(jìn)行采礦方法的初步選擇，并對各采礦方法作經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，進(jìn)而采用模糊數(shù)學(xué)分析方法進(jìn)行各采礦方法影響因素的模糊評判，將影響因素進(jìn)行隸屬度和權(quán)重值的量化分析，確定了該礦經(jīng)濟(jì)合理的采礦方法，為其他類似礦山采礦方法的量化選擇提供了參考。

模糊數(shù)學(xué) 采礦方法 優(yōu)化選擇

中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司蒼山鐵礦位于山東省臨沂市蘭陵縣與棗莊市交界處，地理坐標(biāo)東經(jīng)：117°45′22″～117°47′09″，北緯：34°50′59″～34°51′57″。蒼山鐵礦屬典型的鞍山式沉積變質(zhì)型礦床，屬于緩傾斜～傾斜，薄～中厚礦體，厚度一般4～25 m，走向長度近2 km。礦體圍巖主要為磁鐵角閃片巖、黑云母角閃片巖、條帶狀磁鐵云母角閃石英片巖。區(qū)內(nèi)主要分布泰山群山草峪組及震旦系，其次為寒武系及第四系地層。依據(jù)其富水性、滲透性不同，分為第四系孔隙潛水區(qū)、蓋層裂隙(巖溶)水區(qū)和基底裂隙潛水區(qū)。

1 礦床規(guī)模及礦體特征

依據(jù)資源儲(chǔ)量核實(shí)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，礦區(qū)共圈定了3個(gè)礦體，其中Ⅱ#、Ⅲ#礦體規(guī)模較大，Ⅱ#-1礦體為小礦體。礦體賦存于石閆背斜第一含礦帶Ⅱ#及Ⅲ#含礦層中，其形態(tài)、產(chǎn)狀、規(guī)模受其控制。

(1)Ⅱ#礦體特征。Ⅱ#礦體為主礦體，占查明資源量的56%。礦體有29個(gè)勘探鉆孔控制，分布于30～58勘探線、0～-310 m標(biāo)高，長2 592 m，埋深110～230 m。礦體走向290°，無傾伏現(xiàn)象，兩翼傾角10°～35°，礦體最大厚度28.89 m，最小厚度4.22 m，平均厚度12.03 m，厚度變化系數(shù)48.3%，礦體形態(tài)簡單，沿走向自西向東變薄。礦體平均品位32.78%，屬有用組分均勻型礦體。

(2)Ⅲ#礦體地質(zhì)特征。Ⅲ#礦體位于Ⅱ#礦體上盤，兩者間距10～20 m，最大30 m，其相對規(guī)模較小，占礦床查明資源量的39.1%。礦體有24個(gè)鉆孔控制，分布于30～56勘探線、20～-265 m標(biāo)高。礦體走向長2 492 m，埋深90～170 m。走向290°，北翼傾角50°，南翼傾角30°。礦體平均厚度為9.53 m，礦層厚度由東向西變厚，平均品位為31.75%，品位變化系數(shù)14%，屬有用組分均勻型礦體。

2 采礦方法初選

蒼山鐵礦屬于緩傾斜—傾斜礦體，礦山設(shè)計(jì)規(guī)模為200萬t/a，在鑿巖礦石運(yùn)搬和采場頂板管理方面均存在難題。根據(jù)礦床賦存、開采技術(shù)以及礦區(qū)周邊不允許塌陷等條件，借鑒國內(nèi)外類似礦山經(jīng)驗(yàn)[1]，初選上向分層充填法、房柱嗣后充填采礦法和點(diǎn)柱充填采礦法開采。

2.1 上向分層充填采礦法

礦山階段高為50 m，在階段內(nèi)進(jìn)行盤區(qū)劃分，盤區(qū)寬度60 m，長度為礦體厚度，盤區(qū)間礦柱寬度5.5 m，頂柱高度4.5 m。沿走向劃分礦房和礦柱，礦房寬度14 m，礦柱寬度12 m。主要采切工程有運(yùn)輸平巷、分段聯(lián)絡(luò)巷、溜井、人行泄水井、充填回風(fēng)井等。采用鏟運(yùn)機(jī)出礦。

2.2 房柱嗣后充填采礦法

在階段內(nèi)部劃分礦塊，礦塊中再劃分礦房和礦柱，采場長度一般為階段內(nèi)礦體斜長，礦柱寬度12 m，礦房寬度15 m，不留設(shè)頂柱。礦塊內(nèi)分兩步驟回采，一步驟回采礦柱，膠結(jié)充填之后進(jìn)行二步驟礦房回采，采用全尾砂充填。主要采切工程有下盤沿脈運(yùn)輸巷、聯(lián)絡(luò)道、通風(fēng)人行天井等。

2.3 點(diǎn)柱充填采礦法

階段劃分之后，在其內(nèi)部劃分采區(qū)，從采區(qū)一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn)回采，采區(qū)之間留設(shè)連續(xù)性礦柱作為各采區(qū)頂板支撐，在采區(qū)的暴露頂板下進(jìn)行分層回采。采區(qū)沿走向布置，長度200 m，連續(xù)礦柱寬度18 m，頂柱厚度6 m，點(diǎn)柱尺寸3.5 m×3.5 m，分層控頂高度8 m，每次回采分層高度6 m，充填之后預(yù)留2 m作為上分層回采時(shí)的作業(yè)空間。主要的采切工程有采區(qū)斜坡道、聯(lián)絡(luò)道、礦石溜井、人行泄水井和充填回風(fēng)井等。

2.4 采礦經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

各采礦方法的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 各采礦方法的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

3 模糊數(shù)學(xué)分析

根據(jù)表1中的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，采用模糊數(shù)學(xué)的分析方法進(jìn)行各采礦方法的優(yōu)劣評判，進(jìn)而優(yōu)選采礦方法。

3.1 各影響因素的隸屬函數(shù)

采用0～1的數(shù)字反應(yīng)采礦方法中各影響因素對于整個(gè)集合的隸屬程度，對于定量指標(biāo)，采用線性函數(shù)進(jìn)行隸屬度計(jì)算，對于定性指標(biāo)，采用二元對比法進(jìn)行隸屬度計(jì)算。

3.1.1 定量指標(biāo)的線性函數(shù)法[2]

采用線性函數(shù)計(jì)算法計(jì)算采礦方法中定量指標(biāo)的隸屬度:

(1)

或

(2)

式中,γij為第i種采礦方法的第j個(gè)指標(biāo)的隸屬度；fij為第i種采礦方法的第j個(gè)指標(biāo)值；fjmax為各采礦方法j指標(biāo)的最大值。

式(1)用于正指標(biāo)隸屬度的計(jì)算，式(2)用于負(fù)指標(biāo)隸屬度的計(jì)算。

各采礦方法中各因素的定量指標(biāo)隸屬度見表2。

表2 采礦方法中各因素定量指標(biāo)隸屬度

3.1.2 定性指標(biāo)的二元對比法[3]

對于無法量化的指標(biāo)，采用二元對比排序法確定其隸屬函數(shù)。設(shè)定域U={u1，u2，…，un}，以Cij表示Ui與Uj相比時(shí)Ui的優(yōu)越程度，有：Cii=0(表示Ui與Ui相比無優(yōu)越性)；0≤Cij≤1(表示Cij在[0，1]上取值，如果Ui比Uj絕對優(yōu)越,則Cij=1，反之Cij=0);Cij+Cji=1(表示Ui對Uj的優(yōu)越性與Uj對Ui的優(yōu)越性之和為1)。

隸屬度計(jì)算：

(3)

根據(jù)工程實(shí)際及初選采礦方法，定性指標(biāo)主要考慮安全狀況，定量指標(biāo)中考慮的有安全狀況和對礦體的適應(yīng)程度。對這兩個(gè)因素從最差到極好進(jìn)行等級評判，對應(yīng)的打分為0～1，得到打分表之后進(jìn)行定性指標(biāo)的隸屬度計(jì)算。各采礦方法中的定量指標(biāo)和定性指標(biāo)的隸屬度見表3～表6。

表3 安全狀況打分

表4 對礦體適應(yīng)程度打分

表5 各定性指標(biāo)的隸屬度

表6 采礦方法中定量指標(biāo)和定性指標(biāo)隸屬度

3.2 各影響因素的權(quán)重

為了區(qū)分重要因素和次要因素對于采礦方法選擇的影響程度，在模糊評判中，采用對各因素賦予權(quán)重的方法進(jìn)行量化分析。

3.2.1 構(gòu)造各因素的判斷矩陣

構(gòu)造各因素的判斷矩陣為

(4)

各影響因素的判斷矩陣見表7。

表7 各影響因素的判斷矩陣

3.2.2 權(quán)重計(jì)算

(5)

根據(jù)判斷矩陣和權(quán)重計(jì)算方法，得到各因素的權(quán)重值，經(jīng)歸一化處理之后見表8。

表8 各影響因素的權(quán)重值

4 采礦方法終選

根據(jù)以上計(jì)算分析，得到了各因素的隸屬度矩陣和權(quán)重矩陣，隸屬度矩陣記為R，權(quán)重矩陣記為W：

W=[0.11 0.18 0.08 0.17 0.42 0.05] .

根據(jù)模糊評判方法，采礦方法的計(jì)算選擇率為：

A=W?R=[0.371 8 0.295 4 0.490 6] .

將計(jì)算選擇率進(jìn)行歸一化處理，得到了各采礦方法的選擇率，見表9。

綜上所述，點(diǎn)柱充填采礦法的選擇率最高，為本次采礦方法選擇的終選方案。

表9 各采礦方法的歸一化選擇率

5 結(jié) 論

根據(jù)礦床賦存條件和開采技術(shù)條件，初選了上向分層充填法、房柱嗣后充填法和點(diǎn)柱充填法3種采礦方法，將定量指標(biāo)和定性指標(biāo)相結(jié)合，通過建立采礦方法各因素的隸屬度矩陣和權(quán)重矩陣，得出各方案的選擇率，最終選擇點(diǎn)柱充填采礦法。此種定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合的方法，使采礦方法選擇更科學(xué)、合理，為礦山開采提供了指導(dǎo)。

[1] 王素銀，張旭宇.緩傾斜薄礦體采礦方法探討[J].甘肅冶金，2009，29(1)：33-35.

[2] 李劍宇，張開平．運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)選擇金山金礦的采礦方法[J]．江西有色金屬，2001，15(1)：14-16．

[3] 楊相如.基于模糊評判的某礦露天轉(zhuǎn)地下采礦方法優(yōu)選[J].采礦技術(shù)，2012，12(3)：20-21,83.

Mining Method Selection of Cangshan Mine Based on Fuzzy Mathematical Analysis

Bai Yin1,2Wang Xing3，4，5Yang Jiamian3，4，5

(1.School of Management Xi'an University of Architecture and Technology; 2.Sinosteel Shandong Mining Co., Ltd.;3.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.; 4.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines;5.Huawei National Engineering Research Center of High Efficiency Cyclic Utilization of Metal Mineral Resources Co., Ltd.)

According to the ore deposit geological conditions, mining technical conditions and the requirements of the surrounding environment of Cangshan Mine belongs to Sinosteel Shandong Mining Co., Ltd., firslty the experience analogy method is adopted to select the mining method preliminary and the economic and technical analysis of mining methods are carried out; then, the analysis method of fuzzy mathematics is adopted to conduct fuzzy evaluation of influence factors of the mining methods, the influence factors are conducted membership degree analysis and quantitative analysis of weight value so as to determine economic and reasonable mining method, to provide reference for the quantitative selection of mining method in the similar mines.

Fuzzy mathematics, Mining method, Optimization selection

2015-03-23)

白 銀(1972—)，男，主任助理，高級工程師，碩士研究生，277700 山東省臨沂市蘭陵縣。