陳吉祥 張繼維 王瑞鵬

（1.酒鋼（集團）天工礦業(yè)投資有限公司；2.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計研究總院有限公司）

地下開采系統(tǒng)是一個復(fù)雜性系統(tǒng)。合理選擇采礦方法是制約開采成本及礦山經(jīng)濟效益的主要因素。目前采礦方法設(shè)計研究的主要方法有數(shù)值模擬、模糊數(shù)學(xué)［1］、相似材料實驗等方法。采礦方法既要考慮技術(shù)條件并確保安全生產(chǎn)，又要考慮經(jīng)濟合理性。因此，選擇采礦方法必須綜合考慮多種因素。本次采礦方法優(yōu)化考慮的因素主要有采切比、貧化率、生產(chǎn)能力、采礦工效、采礦成本、安全程度、損失率、通風(fēng)條件、作業(yè)人員對工藝的掌握程度、勞動強度和對礦體變化的適應(yīng)程度等。

本研究以小柳溝鎢礦為工程設(shè)計研究背景，針對厚度大于10 m 礦體，建立采礦方法綜合評判指標體系，采用模糊數(shù)學(xué)方法，綜合考慮定性和定量多指標問題，計算初選3 種采礦方法方案的權(quán)重和隸屬度，確定了最優(yōu)方案，克服了傳統(tǒng)采礦方法選擇的綜合評判指標較少問題，并考慮現(xiàn)場工人對方法的熟悉程度指標。

1 工程概況

小柳溝鎢礦為生產(chǎn)礦山，生產(chǎn)規(guī)模為27 萬t/a，采用地下開采方式，3 020 m中段以上采用主平硐+溜井開拓系統(tǒng)。3 020 m 中段以上各中段礦石由2 t 電動卡車運至礦石溜井，下放至3 020 m 水平，再由7 t電機車牽引2 m3側(cè)卸式礦車經(jīng)3 020 m主平硐直接運往選礦廠。井下作業(yè)員工、所需材料和機械設(shè)備設(shè)備通過地表的簡易道路到達各中段作業(yè)面。礦山開采技術(shù)條件如下。

（1）本礦床屬于急傾斜薄到厚礦體，厚度大于10 m礦體占40.49%，平均厚度15.5 m，平均傾角76.7°。

（2）本礦床礦巖穩(wěn)固性屬于中等穩(wěn)固，局部形成整體冒落。

（3）礦床水文地質(zhì)條件為簡單，工程地質(zhì)條件為中等。

（4）地表允許塌陷。

2 采礦方法初選

設(shè)計從以下幾個方面對厚度大于10 m 的礦體選取的采礦方法進行技術(shù)經(jīng)濟分析比選。

（1）綜合可比成本比較結(jié)果見表1。

（2）可比費用現(xiàn)值。階段空場采礦方法現(xiàn)場需新增鑿巖機、裝藥設(shè)備投資71.6 萬元，分段空場采礦方法（方案二）需新增裝藥設(shè)備1.6 萬元。從3種方案的可比現(xiàn)值方面進行比較，分段空場采礦方法現(xiàn)值最少，階段空場采礦法（方案一）可比現(xiàn)值比淺孔留礦少331.25 萬元，分段空場采礦方法可比現(xiàn)值比淺孔留礦采場方法（方案三）少369.97 萬元。

（3）工作面通風(fēng)。方案一通風(fēng)效果差，鑿巖巷道需要增加局扇。方案二通風(fēng)效果一般；方案三通風(fēng)效果良好，工作面形成貫穿風(fēng)流。

（4）生產(chǎn)安全。方案一和方案二人員作業(yè)處于鑿巖巷道內(nèi)，安全性高。方案三人員作業(yè)處于采場礦巖暴露狀態(tài)下，安全性差。

（5）機械化程度。方案一機械化程度高，礦塊生產(chǎn)能力較大。方案二靈活性強，能較好適應(yīng)礦體形態(tài)變化。方案三機械化程度較低，局部放礦之后，需要在采礦場內(nèi)部對浮石進行相應(yīng)處理，并對場地進行修整，對大塊礦體開展破碎處理，作業(yè)人員勞動強度大。

（6）生產(chǎn)管理。方案一大塊率高、鑿巖技術(shù)要求高，裝藥、爆破施工復(fù)雜。方案二分段工程施工組織復(fù)雜、作業(yè)周期長。方案三生產(chǎn)工藝簡單，容易管理。

從以上方案的優(yōu)缺點和經(jīng)濟比較可知，礦體厚度大于10 m 的各方案的經(jīng)濟指標雖有一些區(qū)別。但是一種采礦方法的選擇不僅從經(jīng)濟因素上去判別，還需要從安全性、合理性、采礦強度等因素去加以評判，為準確評價各方案達到最優(yōu)化的目標，將采用模糊數(shù)學(xué)方法對以上個方案進行綜合評判。

3 基于模糊數(shù)學(xué)采礦方法優(yōu)化

3.1 模糊數(shù)學(xué)理論

在模糊數(shù)學(xué)中，根據(jù)研究對象的不同，隸屬函數(shù)的確立方法也不同，在礦業(yè)工程中，常用線性函數(shù)法和二元對比排序法確定隸屬函數(shù)［2］。

（1）線性函數(shù)法。線性函數(shù)法是對定量指標模糊概念的一種定量描述方法。用如下公式計算。

式中，γij為i種采礦方法j指標的隸屬度；fij為i種采礦方法j指標值；fjmax為各采礦方法j指標的最大值。

式（1）應(yīng)用于采場生產(chǎn)能力、采礦工效2個指標；式（2）應(yīng)用于采礦損失率、貧化率、采切比3種指標。

（2）二元對比排序法。某些無法用定量描述的指標，如采礦通風(fēng)條件、安全可靠性等，通常采用二元對比排序法確定其隸屬函數(shù)。二元對比排序法又可以分成擇優(yōu)比較法、對比平均法、優(yōu)先關(guān)系法和相對比較法等。本次研究采用優(yōu)先關(guān)系法，其原理如下。

設(shè)論域U={u1，u2，…，un}，以Cij表示Ui與Uj相比時Ui的優(yōu)越程度，有Cii=0，表示Ui與Ui相比無優(yōu)越性可言。

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。

由此可得到模糊矩陣

C可稱為模糊優(yōu)先關(guān)系矩陣。模糊優(yōu)先關(guān)系矩陣明確后，再用加權(quán)方法，其計算公式為

式中，δ（jj=1，2，…，n）是1組權(quán)重，有∑δj=1。

定量指標的隸屬度可由式（1）和式（2）求得，定性指標的隸屬度可由式（3）和（4）求得。

礦山選取合理的采礦方法既要考慮技術(shù)條件并確保安全生產(chǎn)，又要考慮經(jīng)濟合理性［3］。故合理確定采礦方法受多種因素制約，各因素對采礦方法制約程度大小不同，為能準確地顯現(xiàn)出各因素的影響程度，需要進行加權(quán)處理。本次采礦方法優(yōu)化考慮的因素為采切比、貧化率、生產(chǎn)能力、采礦工效、采礦成本、安全程度、損失率、通風(fēng)條件、作業(yè)人員對工藝的掌握程度、勞動強度和對礦體變化的適應(yīng)程度等。

權(quán)重對采礦方法優(yōu)化選擇的結(jié)果影響程度較大，為了更精確獲取權(quán)重值，不僅單一采用專家評分法對各影響因素進行合理賦值，而且還利用層次方法計算權(quán)重值［4］。將上述的定性指標邀請采礦領(lǐng)域的專家和參考相關(guān)資料進行兩兩比較，根據(jù)非常好、比較好、稍微好、稍微差、比較差和非常差6 個不同的級別，分別獲取10、8、6、4、2、0 的分數(shù)。層次結(jié)構(gòu)見圖1。

根據(jù)以上建立的判斷矩陣，運用模糊數(shù)學(xué)的方法進行計算，然后對計算結(jié)果進行匯總，詳見表2。

結(jié)合圖1對上述計算結(jié)果進行處理，計算權(quán)重矩陣H=[HA,HB,HC,HD,HE,HF,HG,HH,HI,HJ,HK]=[0.180 5,0.053 2,0.107 0,0.086 8,0.043 6,0.024 0,0.287 7,0.090 5,0.022 7,0.055 5,0.048 6]。

經(jīng)過對定量及定性指標的綜合計算，求得各指標的隸屬度，將以上各指標計算結(jié)果，按照一定的順序組合，隸屬度矩陣計算結(jié)果見表3。

3.2 終選采礦方法

終選采礦方法主要由兩部分組成：權(quán)重矩陣和隸屬度矩陣。在前面兩者都已經(jīng)求出，現(xiàn)將2個矩陣的數(shù)據(jù)采用模糊綜合評判的4 種方法中的加權(quán)平均法進行計算。計算結(jié)果為A=0.292 7，B=0.285 1，C=0.178 8。

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)綜合評判原理，以相對選擇率最高的采礦方法作為最優(yōu)采礦方法，通過綜合評價和計算，待選采礦方法的選擇率由高到低的排序為階段空場采礦方法、分段空場采礦方法、淺孔留礦采礦方法法，因此階段空場采礦方法為首選方案［5-7］。

4 階段空場采礦方法設(shè)計

礦塊沿走向布置，礦塊高50 m（出礦中段高度），礦塊寬為礦體厚度，礦塊長50 m，間柱寬8 m，頂柱厚度為8 m，分段高度為14 m。每隔100 m（2個礦塊）設(shè)一通風(fēng)人行天井，采用平底出礦底部結(jié)構(gòu)［8］。階段空場采礦工藝示意圖見圖2。

5 結(jié)論

（1）本研究采用技術(shù)經(jīng)濟初選、模糊數(shù)學(xué)方法，合理確定采礦方法最優(yōu)方案。

（2）本次采礦方法優(yōu)化設(shè)計考慮的因素為采切比、貧化率、生產(chǎn)能力、采礦工效、采礦成本、安全程度、損失率、通風(fēng)條件、作業(yè)人員對工藝的掌握程度、勞動強度和對礦體變化的適應(yīng)程度等，與現(xiàn)場生產(chǎn)實際較為貼近。

（3）設(shè)計研究方案終選的階段空場采礦方法較礦山現(xiàn)采用的淺孔留礦采礦方法礦塊生產(chǎn)能力大、機械化程度高、安全性高。