劉恩彥，劉福春，熊有為，雷顯權(quán)

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

0 引言

鋁土礦是我國戰(zhàn)略性保障資源，其地位舉足輕重，但我國優(yōu)質(zhì)鋁土礦資源極少，現(xiàn)階段占有率不到3%，居于全球末端[1]。因此鋁土礦的開發(fā)具有很廣闊的市場前景，同時(shí)國內(nèi)的鋁土礦開采基本也由露天轉(zhuǎn)為地下，但地下鋁土礦的開采仍面臨許多難題，采礦領(lǐng)域的學(xué)者做了相關(guān)研究，但總體上仍屬于起步階段。

羅淦華等[2]采用分析歸納法梳理國內(nèi)外鋁土礦地下開采過程中面臨的難題以及相對應(yīng)的解決措施，運(yùn)用辯證法總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并初步提出鋁土礦開采理論；賀鋒堅(jiān)等[3]以有限差分法為理論基礎(chǔ)，結(jié)合采礦過程的時(shí)序因素，分析鋁土礦開采過程中的穩(wěn)定性問題，獲得主要工藝參數(shù)，并成功應(yīng)用于工業(yè)試驗(yàn)。煤鋁共生是鋁土礦開采的典型難題之一，王春等[4]分析其礦體產(chǎn)狀，以煤鋁力學(xué)性質(zhì)的差異性為切入點(diǎn)，提出了分層誘導(dǎo)協(xié)同開采底盤漏斗出礦采礦法。采礦方法的選擇過程中，影響因素多，同時(shí)有定性指標(biāo)和定量指標(biāo)，難以直觀地做出評價(jià)，任衛(wèi)東等[5]以模糊數(shù)學(xué)理論解決上述難題，得出液壓支護(hù)采礦法更適用于現(xiàn)場的工程地質(zhì)環(huán)境，并成功應(yīng)用于工業(yè)試驗(yàn)；孔超[6]、林衛(wèi)星[7]和劉正輝[8]等分析開采效率低下的原因，并通過理論計(jì)算、工程類別及仿真模擬的研究手段，調(diào)整了回采工序，并針對性地提出采礦方法的局部優(yōu)化方案，得到成功的應(yīng)用；黃丹等[9]為實(shí)現(xiàn)巖層位移的有效控制，以理論模型結(jié)合有限元仿真的方法，研發(fā)協(xié)同充填覆巖控制技術(shù)，確保了采場地壓安全管理。

鋁土礦采礦方法的選擇不僅與礦體賦存條件相關(guān)，而且與開采技術(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)必須考量眾多因素，將其納入同一緯度綜合評判。本文以貴州瓦廠坪鋁土礦作為工程背景，運(yùn)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合的方法進(jìn)行采礦方法優(yōu)選。

1 采礦方法初選

貴州瓦廠坪鋁土礦礦層直接頂?shù)装鍨殇X土質(zhì)泥巖，偶而頂板為含炭硅質(zhì)巖，底板為綠泥石巖，不穩(wěn)固；礦層間接頂板為片狀含炭硅質(zhì)巖、炭質(zhì)頁巖，或含鋁石頁巖，厚十幾厘米至1～2 m，穩(wěn)固性差；間接底板為含鋁石頁巖或綠泥石泥巖、鐵綠石巖。間接底板之下是黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r或韓家店組的紫紅色砂質(zhì)泥巖。

根據(jù)瓦廠坪礦的開采技術(shù)條件，采用工程類比法，初步選定的采礦方法有：普通房柱法（方案Ⅰ）、機(jī)械化房柱法（方案Ⅱ）、單體液壓支柱護(hù)頂壁式崩落法（方案Ⅲ）和綜合機(jī)械化連續(xù)采礦法（方案Ⅳ）。

采礦方法的選擇主要考慮經(jīng)濟(jì)C1、安全C2、技術(shù)C3三大維度，其中頂板穩(wěn)定性C21和井下作業(yè)人數(shù)C22是影響安全生產(chǎn)的重大因素，其次基建投資C11和綜合生產(chǎn)成本C12是主要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而技術(shù)指標(biāo)相對較多，包含采場生產(chǎn)能力C31、方案靈活適應(yīng)性C32、礦石損失率C33、礦石貧化率C34、采切比C35、通風(fēng)條件C36、實(shí)施難易程度C37和智能化程度C38，總計(jì)評價(jià)指標(biāo)12個(gè)。指標(biāo)參數(shù)通過調(diào)查研究和專家討論獲得，方案綜合評價(jià)指標(biāo)體系見表1。

表1 方案綜合評價(jià)指標(biāo)

2 鋁土礦采礦方法優(yōu)選

2.1 構(gòu)建層次模型

鋁土礦采礦方法層次模型由指標(biāo)層（O）、準(zhǔn)則層（C）、方案層（P）組成（見圖1），以層次分析法確定影響因素的隸屬度，將定性因素和定量因素納入同一體系內(nèi)進(jìn)行排序，最終獲得相同層次影響因素的相對重要性。

圖1 層次分析結(jié)構(gòu)

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)判斷矩陣比較標(biāo)準(zhǔn)[10]，對以上選取的 12個(gè)影響工程布置的指標(biāo)因素進(jìn)行整體對比，并以此為依據(jù)，構(gòu)建出判斷矩陣D。

采礦方案與經(jīng)濟(jì)、安全、技術(shù)指標(biāo)的相對權(quán)重判斷矩陣見表2。

表2 判斷矩陣

2.3 層次相對權(quán)重及一致性檢驗(yàn)

計(jì)算判斷矩陣每行所有元素的幾何平均值：

式中，aij為判斷矩陣的元素。

通過式（3）將其歸一化處理，得到W=（w1，w2，…，wn），即為所求元素的相對權(quán)重（見表3）。

表3 組合權(quán)重

判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI為：

式中，λmax為判斷矩陣的最大特征值。

應(yīng)用公式（5）進(jìn)行判斷矩陣一致性檢驗(yàn)：

式中，RI是隨機(jī)平均一致性的指標(biāo)[10]。

判斷矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果見表 4，最終計(jì)算得CR＜0.1，滿足要求，因此可知準(zhǔn)則層所求的權(quán)重系數(shù)是合理的。

表4 一致性檢驗(yàn)

2.4 模糊數(shù)學(xué)綜合評判

（1）隸屬度矩陣。

定量指標(biāo)根據(jù)式（6）進(jìn)行確定，最終得到相對隸屬度矩陣R定量：

將其歸一化得：

根據(jù)二元比較法及定量標(biāo)度和語氣算子[10]可得定性指標(biāo)隸屬度矩陣R′：

綜合以上則可得綜合隸屬度矩陣：

（2）綜合評判。由隸屬度矩陣R和因素向量W計(jì)算可得方案集A的綜合性評判向量：

最終得到鋁土礦采礦方法方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ、方案Ⅳ的優(yōu)選度分別為 13.44%、19.5%、31.5%、47.25%。根據(jù)最大隸屬度原則，B值越大則優(yōu)選度越高，即方案Ⅳ＞方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ，故綜合機(jī)械化連續(xù)采礦法為最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

（1）通過層次分析法，明確地下鋁土礦開采的 12個(gè)主要因素的權(quán)重，其中影響較大的是頂板穩(wěn)定性、井下作業(yè)人數(shù)和采礦生產(chǎn)成本，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。

（2）應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)對影響因素進(jìn)行量化分析，避免主觀因素干擾，獲得4個(gè)地下鋁土礦采礦方案的優(yōu)選度分別為13.44%、19.5%、31.5%、47.25%，故最優(yōu)方案為綜合機(jī)械化連續(xù)采礦法，同時(shí)也為同類型礦山采礦方法的選擇提供參考。