王 騰鄂玉強

（1.中鋼石家莊工程設(shè)計研究院有限公司；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司；3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室）

傾斜中厚礦體是國內(nèi)外公認(rèn)的難采礦體，國內(nèi)多數(shù)礦山采用無底柱分段崩落法回采，其次為分段空場法和上向水平分層充填法。但隨著對環(huán)境保護的要求逐漸提高，崩落法已逐漸被空場法或充填法取代。

針對傾斜中厚礦體的開采，張秀鳳［1］采用物理實驗的手段，對無底柱分段崩落法開采中厚傾斜礦體時礦石散體的流動規(guī)律進行了研究；陶干強等［2］采用新型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)將覆巖與爆破礦石隔離，開展了斜壁導(dǎo)流放礦正交物理模擬實驗；譚寶會等［3］針對無底柱分段崩落法礦石貧損大的問題，提出了垂直分區(qū)與組合放礦方案，并開展了物理模型放礦實驗。國內(nèi)外對傾斜中厚礦體的開采研究更多集中在礦石流動規(guī)律、降低貧化損失2 個方面，而對采礦方法優(yōu)選方面研究較少。

目前，在采礦方法優(yōu)選中應(yīng)用較多的決策理論有層次分析法、灰色理論［4］、模糊數(shù)學(xué)［5］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［6］、突變理論［7］、粗糙集理論［8］、逼近理想解的排序法［9］、未確知測度理論［10］等。層次分析法（AHP）和模糊數(shù)學(xué)（FUZZY）相結(jié)合的綜合評價方法不受限于個人的實踐經(jīng)驗，可以綜合考慮采礦技術(shù)、經(jīng)濟、安全等多層次、多因素對方案的影響，避免因主觀隨意性和片面性而影響決策。因此，本研究采用AHP-FUZZY 方法對初選方案進行綜合評價，并針對最優(yōu)采礦方法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、工程布置、回采工藝開展工業(yè)試驗，從而指導(dǎo)礦山生產(chǎn)。

1 采礦方法初選

某礦山礦體產(chǎn)在巖體底板內(nèi)接觸帶，分布于礦段西部，向東逐漸尖滅，向西可延長數(shù)百米，礦體厚度為8～10 m，呈似層狀。礦體走向近東西，向南傾斜，傾角為30°～45°，屬于傾斜中厚礦體。礦石品位較低，為22.5%～35.1%，屬于單鐵礦石。

礦體頂板主要為正長斑巖，底板為矽卡巖、大理巖。正長斑巖多呈灰色、肉紅色，塊狀構(gòu)造，巖石較堅硬、性脆。正長斑巖f=6～14，矽卡巖f=8～15。礦體頂、底板巖層較穩(wěn)定，斷層、破碎帶規(guī)模小，密集程度低，對礦體影響不大；工程地質(zhì)條件較好，除角巖構(gòu)造破碎帶外，一般無需支護。

根據(jù)礦體的開采技術(shù)條件可知，礦體埋藏較深，圍巖不允許崩落，因此不能選用崩落法開采，只能考慮采用空場法或充填法。參考國內(nèi)礦山對傾斜中厚礦體開采經(jīng)驗，初選了4 種采礦方法：分段空場嗣后充填法（方案Ⅰ）、分段充填法（方案Ⅱ）、上向水平分層充填法（方案Ⅲ）、底盤漏斗分段空場嗣后充填法（方案Ⅳ）。

2 采礦方法AHP-FUZZY綜合評價

2.1 評價模型

采礦方法綜合評價需科學(xué)、全面地選擇指標(biāo)，確保評價結(jié)果的可靠。本研究根據(jù)初選采礦方法的特點，從技術(shù)、經(jīng)濟和安全3 個方面選取10 個因素作為評價指標(biāo)，即采礦成本（C1）、礦石損失率（C2）、礦石貧化率（C3）、礦塊生產(chǎn)能力（C4）、采切比（C5）、方案靈活適應(yīng)性（C6）、實施難易程度（C7）、作業(yè)環(huán)境（C8）、通風(fēng)條件（C9）和勞動強度（C10）。將具有同類屬性及意義的指標(biāo)分別歸集在以下3 個準(zhǔn)則中：經(jīng)濟指標(biāo)（B1）、技術(shù)指標(biāo)（B2）和安全指標(biāo)（B3），并利用AHP 基本原理，形成層次結(jié)構(gòu)評價模型（圖1），各采礦方法主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表1。

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2.2 評價指標(biāo)權(quán)重計算

層次分析法（AHP）是對定性問題進行定量分析的一種多準(zhǔn)則決策方法。建立綜合評價模型后，通過對因素兩兩比較的方法構(gòu)造判斷矩陣，一般采用1～9及其倒數(shù)作為比較標(biāo)度［11］。

通過查閱相關(guān)文獻、分析礦山技術(shù)資料、請教具有實踐經(jīng)驗的專家后，運用AHP 基本原理，構(gòu)造目標(biāo)層對應(yīng)于準(zhǔn)則層的判斷矩陣D1：

采用MATLAB 求出最大特征值λmax=3.00 和對應(yīng)的歸一化特征向量W1=（0.400，0.400，0.200）。

為了避免個人主觀判斷使矩陣偏離一致性而影響決策結(jié)果，需對判斷矩陣進行一致性檢驗，其公式為

其中，

式中，CR為一致性檢驗指標(biāo)比率；CI為一致性檢驗指標(biāo)；RI為平均隨機一致性指標(biāo)（表2）；n為判斷矩陣階數(shù)。

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當(dāng)CR＜0.1 時，判斷矩陣具有較滿意的一致性，特征向量W1即為權(quán)重向量；否則，應(yīng)當(dāng)重新構(gòu)造判斷矩陣。

根據(jù)式（1）和式（2）計算得CI=0，RI=0.58，CR=0＜0.1，故判斷矩陣D1具有滿意的一致性。因此目標(biāo)層對應(yīng)于準(zhǔn)則層的權(quán)重向量W1=（0.400，0.400，0.200）。

同理，按照上述方法構(gòu)造準(zhǔn)則層對應(yīng)于指標(biāo)層的判斷矩陣，如下：

求解判斷矩陣D2、D3、D4的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量W2、W3、W4，并進行一致性檢驗，從而可得層次單排序結(jié)果，見表3。

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對所計算的層次單排序權(quán)重進行總排序，可得層次總排序權(quán)重，見表4。

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求解總排序權(quán)重時，各判斷矩陣的非一致性會累積起來，故需對層次總排序再進行一致性檢驗。計算得出的總排序一致性指標(biāo)為CI=0.053，RI=0.708，CR=0.076＜0.1，滿足一致性要求。因此，總排序權(quán)重向 量W=（0.160，0.160，0.080，0.158，0.111，0.065，0.065，0.099，0.062，0.039）。

2.3 方案集和因素集確定

根據(jù)4個初選的采礦方法，確定方案集：V={方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ、方案Ⅳ}。因素集由10 個因素構(gòu)成，即U={C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10}。其中，C1，C2，C3，C4，C5屬于定量指標(biāo)，C6，C7，C8，C9，C10屬于定性指標(biāo)。

2.4 隸屬度矩陣確定

根據(jù)表1中定量指標(biāo)建立特征值矩陣為

定量指標(biāo)的隸屬度通過隸屬度函數(shù)確定。收益性指標(biāo)隸屬度為rij=yij/max(yij)；消耗性指標(biāo)隸屬度為rij= min(yij)/yij。

定量指標(biāo)中采礦成本、損失率、貧化率、采切比屬于消耗性指標(biāo)；礦塊生產(chǎn)能力屬于收益性指標(biāo)。因此，可以確定定量指標(biāo)的隸屬度矩陣為

對于定性指標(biāo)的隸屬度，采用二元對比法確定。根據(jù)各采礦方法的工藝特點，通過對各方案之間的定性指標(biāo)作二元對比，從而確定二元比較矩陣。因此，根據(jù)二元對比法可以確定方案靈活適應(yīng)性二元比較矩陣為

將矩陣E1按行分別相加，按照語氣算子與定量標(biāo)度相對隸屬度關(guān)系（表5）進行編序（矩陣右側(cè)），得出相應(yīng)的隸屬度矩陣為R6=（0.818，0.333，0.538）.

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同理，實施難易程度、作業(yè)環(huán)境、通風(fēng)條件、勞動強度對應(yīng)的二元比較矩陣分別為

根據(jù)求“方案靈活適應(yīng)性”隸屬度矩陣的方法，可以求得實施難易程度、作業(yè)環(huán)境、通風(fēng)條件、勞動強度對應(yīng)的隸屬度矩陣分別為R7=（1，0.333，0.818，0.538），R8=（0.333，0.667，0.667，1），R9=（0.333，1，0.538，0.818），R10=（1，0.333，0.818，0.538）.

綜上，可確定隸屬度矩陣為

2.5 模糊綜合評價

由以上確定的權(quán)重向量和指標(biāo)隸屬度矩陣可得方案集V的綜合評價向量為

綜上可得各方案的優(yōu)越度:方案Ⅰ為76.5%；方案Ⅱ為74.3%；方案Ⅲ為72.2%；方案Ⅳ為70.6%。則方案的優(yōu)劣次序：方案Ⅰ＞方案Ⅱ＞方案Ⅲ＞方案Ⅳ，方案Ⅰ優(yōu)越度最大，因此，選取分段空場嗣后充填法作為礦山的試驗方法。

3 采礦方法工業(yè)試驗

3.1 試驗礦塊概況

試驗礦塊選擇在440 m 中段9～11 線，礦塊長度為50 m。礦體的上盤為正長斑巖，下盤為矽卡巖和大理巖，圍巖完整性較好，屬中等穩(wěn)固—穩(wěn)固巖體。礦體真厚度為8.3 m，傾角為37°。礦塊地質(zhì)儲量為5.02萬t，F(xiàn)e地質(zhì)品位為32.5%。

3.2 礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)

礦塊沿礦體走向布置，礦塊長50 m，間柱寬8 m，頂柱厚5 m，不留底柱。中段高40 m，分段高11～12 m。采用V 型受礦塹溝，鏟運機出礦。分段空場嗣后充填法采礦方法見圖2。

3.3 采準(zhǔn)切割工程

采用脈外下盤斜坡道采準(zhǔn)系統(tǒng)。采準(zhǔn)工程有采準(zhǔn)斜坡道、脈外溜井、分段平巷、聯(lián)絡(luò)道、裝礦進路等。切割工程主要有切割天井和切割橫巷等。

3.4 回采工藝

采用分段鑿巖、分段出礦、嗣后充填工藝。首先以切割天井和切割槽為自由面，爆破形成切割槽，然后以切割槽為自由面爆破正排炮孔。分段之間自上而下逐個回采、出礦，全部分段回采完后，進行嗣后充填。

（1）鑿巖。采用YGZ90 型鑿巖機，在分段鑿巖平巷內(nèi)鉆鑿上向扇形中深孔，排距為1.3～1.5 m，孔底距為2.0～2.5 m，孔深小于15 m，孔徑為60 mm，邊孔角為45°。

（2）爆破。礦房內(nèi)炮孔施工完后，再進行爆破作業(yè)。采用BQF-100 型裝藥器裝填多孔粒狀銨油炸藥，孔口炮泥填塞。采用導(dǎo)爆索+導(dǎo)爆管復(fù)式起爆，孔底安置2發(fā)毫秒微差導(dǎo)爆管雷管，其腳線分別與孔外2 根主導(dǎo)爆索連接，主導(dǎo)爆索由2 發(fā)導(dǎo)爆管雷管起爆。

（3）出礦。采用CY-2 型鏟運機，鏟運機經(jīng)各分段裝礦進路、分段平巷將崩落礦石運往溜井，溜至沿脈運輸平巷。

（4）通風(fēng)。新鮮風(fēng)流經(jīng)斜坡道、分段平巷、裝礦進路進入工作面。清洗工作面的污風(fēng)經(jīng)切割天井回至上中段回風(fēng)平巷。

3.5 采空區(qū)充填

礦房回采完后，在裝礦進路等通往采空區(qū)的巷道口架設(shè)充填擋墻。擋墻采用鋼筋混凝土建設(shè)，擋墻內(nèi)設(shè)置濾水設(shè)施。充填擋墻養(yǎng)護3～5 d 后，對采空區(qū)進行充填。

采空區(qū)采用尾砂膠結(jié)充填工藝，充填管路由頂柱內(nèi)的切割天井下放到采空區(qū)。底部充填10 m 高、強度大于5 MPa（28 d）的高強度充填體，以便回收頂柱；其余為充填強度大于0.1 MPa（28 d）的低強度充填體。

3.6 試驗礦塊技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

通過試驗礦塊生產(chǎn)情況可知（表6），分段空場嗣后充填法生產(chǎn)能力大、采礦和充填成本低，同時提高了礦山的機械化程度，降低了勞動強度?？傮w來說，該方法采礦試驗取得了較好的效果，可為礦山生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

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4 結(jié) 論

（1）根據(jù)礦山開采技術(shù)條件和礦體產(chǎn)狀，初選了4種采礦方法，并從技術(shù)、經(jīng)濟和安全3個方面選取了影響采礦方法的10 個評價指標(biāo)，運用AHP-FUZZY綜合評判了4個初選方案的綜合優(yōu)越度，從而確定了最優(yōu)的采礦方法為分段空場嗣后充填法。

（2）根據(jù)分段空場嗣后充填法的礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)、采準(zhǔn)切割工程布置、回采工藝等開展了工業(yè)試驗，表明該采礦方法適用于本礦山傾斜中厚礦體的開采，具有生產(chǎn)能力大、機械化程度高、采礦和充填成本低的優(yōu)點，實現(xiàn)了安全、高效、低成本開采。