朱獲天,王沉*,羅來(lái)和,夏國(guó)進(jìn)

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州紫金礦業(yè)股份有限公司,貴州 貞豐 562200)

采礦方法是地下礦山開(kāi)采最重要的部分.它直接影響礦山生產(chǎn)的許多技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),合理與否關(guān)系礦山企業(yè)的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益.采礦方法的選擇不僅與礦體賦存條件相關(guān),而且與開(kāi)采技術(shù)水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件息息相關(guān).因此,選擇采礦方法時(shí)必須綜合考量眾多因素,優(yōu)選出最適合礦山的采礦方法,以實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效的開(kāi)采目標(biāo).

對(duì)于復(fù)雜礦山開(kāi)采,張見(jiàn)等人提出了二步驟開(kāi)采方法,能有效控制采場(chǎng)穩(wěn)定性[1]；李新成、張勝光等人針對(duì)緩傾斜中厚礦體提出了安全高效開(kāi)采的方案,取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[2,3]；楊寧、杜永亮、陶明、宋霞飛等人以某礦山為研究對(duì)象,運(yùn)用突變優(yōu)選理論、云模型理論或?qū)哟畏治觥⒒鶎?duì)分析統(tǒng)一度、密切值等方法進(jìn)行了采礦方法優(yōu)選[4-9]；譚富生、羅騁等綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)等方面因素對(duì)采礦方法的影響,采用賦權(quán)與TOPSIS組合方法等進(jìn)行了采礦方法的優(yōu)選[10-12]；楊寧、查道歡等分別運(yùn)用AHP-Fuzzy,AHP-UMT結(jié)合的方法以及灰色關(guān)聯(lián)理論進(jìn)行采礦方法優(yōu)選[13-17]；何金成提出了基于FAHP-Entropy耦合定權(quán)法的錫礦采礦方法優(yōu)選模型[18].

本研究根據(jù)簸箕田金礦礦體復(fù)雜賦存條件，運(yùn)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法進(jìn)行采礦方法優(yōu)選,并采用數(shù)值模擬軟件對(duì)礦山穩(wěn)定性進(jìn)行模擬驗(yàn)證.

1 工程概況

簸箕田金礦位于貞豐城北以西約20 km,礦區(qū)公路網(wǎng)發(fā)達(dá).簸箕田金礦主要礦體為埋藏于地表200 m以下的隱伏大型金礦床,金礦體分布標(biāo)高633.0～1 106.0 m,似層狀礦體，含礦層主要為堅(jiān)硬、較堅(jiān)硬的灰?guī)r及粉砂巖;頂?shù)装鍑鷰r為巖質(zhì)軟或較軟的黏土巖、黏土質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)黏土巖及炭質(zhì)巖,局部夾層力學(xué)強(qiáng)度低,摩擦系數(shù)較小,遇水易崩解軟化、泥化,容易形成滑脫面的軟弱夾層,巖體質(zhì)量中等偏差,頂?shù)装宸€(wěn)固性中等或較差.區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育程度高,水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度中等.工程地質(zhì)條件復(fù)雜程度中等.該礦體的開(kāi)采技術(shù)條件為中等復(fù)合問(wèn)題礦床(Ⅱ-4)類(lèi)型.由于簸箕田金礦的頂?shù)装宸€(wěn)固性為中等或較差,若采用空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采,會(huì)引起頂?shù)装宓目迓?具有安全隱患,因此,簸箕田金礦不適合采用空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采.由于埋深在地表200 m以下,若采用崩落法開(kāi)采,會(huì)出現(xiàn)大面積坍塌,引起地表不穩(wěn)定(地表上有村莊),所以簸箕田金礦也不適合采用崩落法開(kāi)采.

根據(jù)簸箕田金礦的地質(zhì)條件和參考相似條件下的礦山開(kāi)采方法,選擇充填法開(kāi)采較合適,分別從上向水平分層充填采礦法、上向進(jìn)路充填采礦法、下向分層充填采礦法中選擇一種采礦方法作為簸箕田金礦的開(kāi)采方法.如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜礦床采礦方法的優(yōu)選是簸箕田金礦面臨的重大技術(shù)難題,難點(diǎn)主要有(1)頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)差,此類(lèi)地質(zhì)條件增加了礦山開(kāi)采難度,要求安全技術(shù)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn);(2)復(fù)雜礦床開(kāi)采條件下,構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用合理的系統(tǒng)分析方法及數(shù)學(xué)方法,確定最優(yōu)的采礦方法,且要求采場(chǎng)均處于穩(wěn)定狀態(tài).

2 層次分析法

層次權(quán)重決策分析法(Analytical Hierarch Process,即AHP)是一種實(shí)用的多準(zhǔn)則、多目標(biāo)決策分析方法.本文采用層次分析法結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法在3種采礦方法(上向水平分層充填采礦法、上向進(jìn)路充填采礦法、下向分層充填采礦法)中優(yōu)選更適合簸箕田金礦的開(kāi)采方法.

層次分析法分為以下步驟:

1)構(gòu)造判斷矩陣

表1 判斷矩陣比較標(biāo)準(zhǔn)

按照層次結(jié)構(gòu)模型,每一層元素都以相鄰的上一層各元素為基準(zhǔn),按上述比較標(biāo)度構(gòu)造判斷矩陣D,按定義有

(1)

2)層次相對(duì)權(quán)重

計(jì)算判斷矩陣每行所有元素的幾何平均值:

(2)

式中:aij為判斷矩陣的元素.

通過(guò)式(3)將其歸一化處理,得到W=(ω1,ω2,…,ωn),即為所求元素的相對(duì)權(quán)重.

(3)

3)一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣的合理性必須通過(guò)一致性檢驗(yàn)才能具有可信度,判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI為

(4)

式中:λmax為判斷矩陣的最大特征值,且

(5)

式中:(DW)i為矩陣DW的第i個(gè)元素,D為判斷矩陣.

根據(jù)判斷矩陣進(jìn)行一致性判斷,由式(6)計(jì)算CR的值.若CR<0.1,認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受,所得出的權(quán)重向量是可信的,否則重新構(gòu)建判斷矩陣,直至通過(guò)一致性檢驗(yàn).

(6)

4)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣,計(jì)算各層要素對(duì)總目標(biāo)的總權(quán)重

隸屬度矩陣R由j個(gè)方法k個(gè)評(píng)價(jià)因素構(gòu)成.對(duì)于判斷矩陣D中越大越優(yōu)的指標(biāo)和越小越優(yōu)的指標(biāo)通過(guò)式(7)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,得到隸屬度矩陣R(評(píng)價(jià)矩陣).

(7)

由評(píng)價(jià)矩陣R以及因素權(quán)重W,可得方案集A的綜合評(píng)價(jià)為

(8)

3 簸箕田金礦采礦方法優(yōu)選

根據(jù)礦山實(shí)地調(diào)研,參考類(lèi)似金礦開(kāi)采條件和有關(guān)采礦方法選擇的影響因素,同時(shí)結(jié)合礦山實(shí)際生產(chǎn)要求,選取7項(xiàng)因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo),分別是采場(chǎng)生產(chǎn)能力、貧化率、損失率、采出品位、采切比、作業(yè)安全程度和通風(fēng)情況,分別用a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7表示,其中采場(chǎng)生產(chǎn)能力、貧化率、損失率、采出品位及采切比是定量指標(biāo),作業(yè)安全程度和通風(fēng)情況是定性指標(biāo).具體情況見(jiàn)表2.

表2 判斷矩陣比較標(biāo)準(zhǔn)采礦方法

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)

由采礦方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成的遞階層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示.

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

采礦方案層(B)與各指標(biāo)層(P)的相對(duì)權(quán)重判斷矩陣如表3所示.

表3 B-P判斷矩陣

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(P1)與該指標(biāo)層各元素(a1～a5)相對(duì)權(quán)重判斷矩陣如表4所示.

表4 P1-a判斷矩陣

3.3 層次相對(duì)權(quán)重及一致性檢驗(yàn)

由式(2)和式(3)可以得到各元素的相對(duì)權(quán)重如表5所示.

表5 P-a組合權(quán)重

由式(5)可得λmax=5.422，把這一結(jié)果代入式(4)中計(jì)算CI,根據(jù)式(6)計(jì)算CR值來(lái)確定權(quán)重向量是否可信.最終計(jì)算得CR=0.094 1<0.1滿(mǎn)足要求,因此可知準(zhǔn)則層所求的權(quán)重系數(shù)是合理的.

3.4 總權(quán)重

將5個(gè)定量指標(biāo)歸一化后得

兩個(gè)定性指標(biāo),由語(yǔ)氣算子和相對(duì)隸屬度關(guān)系,得R6=(0.429 0.667 0.429),R7=(0.538 0.538 0.333).綜上,可得3種采礦方法的隸屬度矩陣:

從而B(niǎo)=WR=(0.657 0.726 0.598).

由此得出3種采礦方法優(yōu)劣順序?yàn)?/p>

1)上向進(jìn)路充填采礦法(0.726)；

2)上向水平分層充填采礦法(0.657)；

3)下向分層充填采礦法(0.598).

4 數(shù)值模擬驗(yàn)證

圖2 礦體初始模型

采用FLAC3D數(shù)值模擬分析采場(chǎng)穩(wěn)定性,根據(jù)礦體賦存條件建立數(shù)值模擬模型,礦體頂?shù)装逡责ね翈r為主,礦體為石灰?guī)r.模型如圖2所示,走向長(zhǎng)度100 m,傾向長(zhǎng)度100 m,礦體傾角15°,采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則模型,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采樣試驗(yàn)獲取的力學(xué)參數(shù),建立模型并限定邊界條件.

4.1 采場(chǎng)失穩(wěn)依據(jù)

采場(chǎng)失穩(wěn)條件為頂?shù)装宄惺艿淖畲笾鲬?yīng)力超過(guò)采場(chǎng)礦巖抗壓強(qiáng)度,根據(jù)文獻(xiàn)[19,20]可知,充填法下采場(chǎng)頂板下沉位移<10 mm,其巖體比較穩(wěn)定;下沉位移10～25 mm,巖體基本保持穩(wěn)定;下沉位移25～40 mm,巖體存在潛在穩(wěn)定問(wèn)題;下沉位移>40 mm,則巖體破壞.

4.2 應(yīng)力場(chǎng)分布對(duì)比分析

以開(kāi)挖后的采場(chǎng)頂板和圍巖為研究對(duì)象,3種采礦方法沿分段方向的最大應(yīng)力分布情況如圖3所示.通過(guò)數(shù)值模擬分析開(kāi)挖后的采場(chǎng)巖體應(yīng)力場(chǎng)分布變化,3種采礦方法的拉應(yīng)力都未達(dá)到頂?shù)装鍘r石的最大抗拉強(qiáng)度和最大抗壓強(qiáng)度,3種采礦方法分段開(kāi)采后都處于穩(wěn)定狀態(tài).上向進(jìn)路充填采礦法最大拉應(yīng)力集中分布在采場(chǎng)中部頂?shù)装迳?采場(chǎng)兩端的最大主應(yīng)力分布較小.最大主應(yīng)力為1.02 MPa,為拉應(yīng)力,集中在分層采場(chǎng)頂?shù)装逯胁?上向進(jìn)路充填采礦法分段采場(chǎng)頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力比上向水平分層充填采礦法和下向分層充填采礦法分層采場(chǎng)頂?shù)装遄畲罄瓚?yīng)力小,最大主應(yīng)力變化比較平穩(wěn),采場(chǎng)相對(duì)更穩(wěn)定.

圖3 3種采礦方法最大應(yīng)力分布云圖

4.3 位移場(chǎng)大小對(duì)比分析

3種采礦方法采場(chǎng)最大位移云圖如圖4所示.上向進(jìn)路充填采礦法采場(chǎng)位移分布在采場(chǎng)中部,中部位移值最大,位移最大值為3.03 mm;上向水平分層充填采礦法采場(chǎng)最大位移分散在整個(gè)分段采場(chǎng)中,中部位移值最大,最大位移值為3.72 mm;下向分層充填采礦法采場(chǎng)最大位移值為4.05 mm,最大位移值在分散采場(chǎng)中部,位移沿分段采場(chǎng)中部向采場(chǎng)兩端分散,位移值逐漸降低.3種采礦方法中,上向進(jìn)路充填采礦法分段采場(chǎng)頂?shù)装遄畲笪灰浦底钚?且采場(chǎng)頂?shù)装逑鄬?duì)穩(wěn)定.

圖4 3種采礦方法采場(chǎng)最大位移云圖

4.4 塑性區(qū)分布對(duì)比分析

3種采礦方法塑性區(qū)分布云圖如圖5所示.上向進(jìn)路充填采礦法塑性區(qū)集中分布在分段采場(chǎng)頂?shù)装逯胁?上向水平分層充填采礦法和下向分層充填采礦法的塑性區(qū)分散分布于分段采場(chǎng)頂?shù)装逯?兩幫均出現(xiàn)了塑性區(qū),上向水平分層充填采礦法采場(chǎng)兩幫的塑性區(qū)最大.3種采礦方法分段采場(chǎng)和兩幫均未出現(xiàn)塑性破壞.

圖5 3種采礦方法塑性區(qū)分布云圖

綜上分析,3種采礦方法的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力都小于采場(chǎng)頂?shù)装鍘r石抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,最大位移量較小,沒(méi)有出現(xiàn)塑性破壞區(qū),3種采礦方法都滿(mǎn)足安全采礦要求.結(jié)合簸箕田金礦采礦方法優(yōu)選發(fā)現(xiàn)上向進(jìn)路充填法相對(duì)其他2種采礦方法,是最經(jīng)濟(jì)的采礦方法.所以,最終的采礦方法選擇上向進(jìn)路充填采礦法.

5 結(jié)論

1)根據(jù)簸箕田金礦地質(zhì)條件、頂?shù)装宸€(wěn)固性等方面進(jìn)行了礦山開(kāi)采方法初選,選出3種采礦方法分別為上向進(jìn)路充填采礦法、上向水平分層充填采礦法、下向分層充填采礦法.

2)基于初選結(jié)果對(duì)3種采礦方法優(yōu)選,結(jié)果表明,上向進(jìn)路充填采礦法相較于其他2種方法采場(chǎng)最大位移更小,沒(méi)有出現(xiàn)塑性區(qū)破壞.最終確定上向進(jìn)路充填采礦法為簸箕田金礦開(kāi)采最優(yōu)方案,為簸箕田金礦開(kāi)采提供了方法,對(duì)類(lèi)似礦山采礦方法優(yōu)選具有指導(dǎo)意義.