地下矿山采空区处理方法的评价与优选.pdf

墨 豳 地 下矿 山采 空 区处理 方 法的评价与优 选。 刘敦文 古德生 徐国元 中南大学资源与安全工程 学院 长 沙 4 1 0 0 8 3 摘 要 模糊优选法是合理选择复杂条件下的采空区处理方法的重要工具。针对地下金属矿采空区 处理的现状 ，客观地评价了当前几种主要的采空区处理方法；对影响采空区处理方法选取 的决定性因素 和评价指标进行深人分析 ，结合模糊数学理论 ，建立了采空 区处理方法模糊优选模型，并用其指导 了厂 坝铅锌矿的群采空区处理方案决策。实践证明，模糊优选法可根据采空区的特定条件，定量地分析评价 各种拟定处理方法的利弊，并从 中选出最佳处理方法。 关键词 地下矿山 采空区 处理方法模糊优选评价 中图分类号T D8 5 3 ． 3 9 1 文献标识码A 文章编号 1 0 0 44 0 5 1 2 0 0 4 0 80 0 5 20 4 UATI oN AND oP TI M I ZATI oN oF DI S p OS AL M ETHoDS FOR GOB I N UNDERGROUND M I NE Li u Du n we n Gu De s h e n g Xu Gu o y u a n S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ，C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ，C h a n g s h a ‘ Hu a n 4 1 0 0 8 3 Ab s t r a c t Fu z z y o p t i mi z a t i o n me t h o d i s a n i mp o r t a n t t o o l f o r s e l e c t i n g t h e d i s p o s a l me t h o d for g o b ． S o me t y pi c a l me t h od s we r e e v a l u a t e d， t h e c r i t i c a l f a c t o r s a n d e v a l u a t i n g i n d i c a t o r s e ffe c t e d t h e s e l e c t i o n o f d i s p o s a l me t h od for g o b we r e a n a l y z e d b a s e d o n t h e g od d i s p o s a l a c t u a l i t y i n u n d e r g r o u n d me t a l mi n es． A f u z z y o p t i mi z a t i o n mod e l wa s ma d e t o s e l e c t t h e d i s p o s a l me t h o d for g o b c o mb i n e d wi t h t h e f uzz y ma t h e ma t i c s t h e o r y ， a n d a p p l i e d t o Ch a n g b a L e a d - z i n c Mi n e ． Th e r e s u l t s o f a p p l i c a t i o n i n d i c a t e d f u z z y o p t i mi zat i o n me t h od i s u s e f u l t o a n a l y z e a n d e v a l u a t e q u a n t i f i c a t i o n a l l y t h e a d v a n t a g e s a n d d i sad v a n t a g es o f t h e d i s p o s a l me t h od s ，a n d s e l ect t h e o p t i mu m me t h od f r o m t h e m a c c o r d i n g t o t h e i n c i d e n t a l c o n d i t i o n o f t h e g o b ． Ke y wo r d s Un d e r g r o u n d mi n e ，Go b，Di s p o s a l me t h o d，Fuzz y o p t i mi zat i o n ， E v a l u a t i o n 目前，我国大多数矿山均不同程度地存在着一 些未处理 的采空 区。特别是 在西部 一些拥有优质矿 产资源的矿山 如广西南丹大厂矿务局、厂坝铅锌 矿、兰坪铅锌矿、栾川钼矿 、秦岭金矿、会东铅锌 矿等 ，经十余年的民间掠夺式开采 ，已遭到严重 破坏，留下大量的灾害性采空区。这些采空区的长 期存在，严重影响了矿山的安全生产。选择合理的 处理方 法 对采 空 区进行 及 时 处理 ，对 有 效控 制 地 压 ，避免大规模 的地 压活动 ，确保 井下作业安全 和 矿 山的可持续发展 ，具有重 大现实和战略意义 。 对于矿 山地下开采 遗留的采 空 区，处理方法通 常有封闭、崩落、加固和充填四种。但由于各个矿 山的具体条件不同，各个采空区位置、形态特征各 异 ，对每个采空区的处理方法，常常不尽相同。如 何针对采空区的特点和条件 ，综合考虑影响其处理 方法决策的各种因素 ，并应用先进的手段和方法， 从众多方案中确定出在技术 、经济和安全可靠性等 方面总体效果最佳的采空区处理方案 ，是多采空区 矿 山生产 的重要环节 。由于进行采 空区处 理方 案决 策时涉及到许多非确定性因素 ，即模糊的因素 ，如 矿山地质条件、采空区内矿岩稳固性、采空区的位 置、形态、充填情况的大小等 ，因此 ，适宜采用模 糊优选 理论选 取采空 区处理方案 【 1 J 。 1 对几种采空 区处理方法的分析与评价 目前 ，国内外 处理 采空 区的方 法 主要 有封 闭、 崩落、加固和充填四大类。有时采用两类方法联合 处理 ，如采用加固法与充填法联合 、崩落法与充填 法联合等；有时由同一类方法衍生出一系列子类方 法 ，如充填法可分 干石充 填法 、尾砂 充填法 、胶 结充填法等；崩落法可分自然崩落法和强制崩落 法。强制崩落法按爆破方式不同又分为深孔爆破 崩落法和硐室爆破崩落法等。 封闭法采空区处理是在通往采空的区巷道中， 砌筑一定厚度的隔墙 ，使采空区中围岩塌落所产生 基金项 目国家 “ 十五”科技攻关计划基金资助项目 2 0 0 1 B A 6 0 9 A一0 9 5 2 中国矿业 2 0 0 4年第 1 3卷第 8期 维普资讯 的冲击波或 冲击气 浪 ，遇到隔墙时能得到缓 冲。它 主要是密 闭与运输 巷道相 连的矿石溜井 、人行天井 和通往采空区的联络巷等。其优点是施工费用相对 比较低 ，但要求在施工前要做好采空 区资料 的检 查、收集 ，前期工作量比较大。常采取的措施为 ①用矿石、碎石堵塞底部结构如漏斗和溜井等；② 在采空 区和生产 中段相通 区段设 阻波墙 ，阻波墙采 用巷道开 帮 和挑 顶 的废 石 堆筑 而 成 ，长 7～l o re； ③若采空区离地表较近，则开天井窗至地表，地表 用铁丝 网保护 。在红 透山铜 矿和锡铁 山铅 锌矿采用 该方法成功处理 了地 下采空 区【 2 ． 3 】 。 崩 落法是采用爆破崩 落采 空区上 盘围岩 ，使岩 石充满采空区或形成缓冲岩石垫层 ，以改变围岩应 力分布状态 ，达 到有效控制地 压的 目的。其适用的 先决条件是地表允许陷落或岩移，其优点是处理费 用较低，但必须防止其对下部采场生产的影响。对 于离地下采场较近 的采空 区 ，通 常是采 用爆 破崩落 与下部巷道隔绝封闭相结合的处理方法。另外，应 根据采空区的实际情况选用合适的爆破方案，如硐 室爆破 、深孔爆破 等。在紫 金山金矿 和德兴铜矿采 用了硐室大爆破强制崩落法处理采空区，高效、经 济 5 - 6 】 。 充填法是采用充填材料对采空区进行充填处 理，使充填体与围岩共同作用，以改变围岩应力分 布状态 ，达 到有 效 控 制地 压 和 防止 地 表 塌 陷等 目 的。其适用于处理地表绝对不允许大面积塌陷或其 上部有建筑物条件下的采空区。其优点是对相邻矿 体的开采工作影响小 ，能保证采场回采过程中矿石 损失 和最 低贫 化 。其 不 足之 处 ，需 要 大 量 的充 填 料，处理劳动强度大，施工费用比较高。在红透山 铜矿对深部采空区采用充填法处理 ，分别用胶结和 尾砂 充填 一、二期 采 空 区，控 制 地 压，防止 岩 爆【 2 】 。在南京铅锌银矿和平水铜矿采用充填 法处 理采空 区 ，防止地表 沉陷 ，确保 生产 安全【 7 ． 8 】 。 加固法是采用锚索或锚杆对采空区进行局部加 固，这是一种临时措施 ，其通常要与其它方法联合 使用。狮子山铜矿采用加固法与充填法相结合处理 大团山矿床采空区，减缓顶板冒落时造成的冲击 ， 控制 了地 压 J 。 封闭和废石充填联合法，是一种简便而经济的 采空区处理方法，它通过封闭隔离层的隔离与支护 作用 ，既能缓解生产中段的应力集中，提高围岩的 稳固性 ，又能把上部采空区及覆盖松散岩石与生产 中段隔离开来 ，避免在履盖岩石下放矿，从而大大 降低了采矿综合贫化率和损失率。同时，结合人工 混凝土底板浅孔留矿采矿法形成人工混凝土隔离底 柱 ，可大幅度减少矿柱矿量，提高矿石回收率，有 地下矿山采空区处理方法的评价与优选 利 于矿块矿量 的及早 回采 ，并缓解 了矿山三级矿量 的紧张状态。此方法不仅在技术上可行，而且经济 上合理。河台金矿采用封闭法与废石嗣后干式充填 法相结合处理采空区，取得了良好的效果【 4 】 。 2 采空 区处理方案模糊优选模型【 l O 1 2 采空 区处理效果评价 的综合指标 主要 有以下几 个 安全性 安全 系数 、可行 性 现场条件 制 约 、处理费用及工作效率 时间等。采空区处 理效果好坏是一个模糊 的概 念 ，运 用多 目标模糊 优 选理论可以很好地对采空 区处理效果作 出综合评 价 ，且能将其从 优到劣进行 排序 。 优与劣这一对概念有差 别又有共维 这里 的维 是指价值且处于两极 ，具有中介过渡性 ，是客观 存在着 的模糊概念 ，这是优选 的模糊性 ，是事物 在 优与劣识别过程中所呈现的一种客观属性【 1引。 设采空区处理有 个决策 方案满足约束 集形成决策集 D{ d l ， d 2 ， ⋯ ． d } 设采空 区处理有 7 ／个 目标 或 指标 组成 对 决策集 D 的评价 目标集 P{ P l ， P 2 ⋯， P 。 } z 个 目标对 个决策的评价可用 目标特征值 矩 阵 X X 2 1 ●●● ．2 7 ”I 1 l 2 X 2 2 ●●● m2 ．2 7 1 表示 。i 1 ，2 ，⋯，m； 1 ，2，⋯ ， o 根据模糊优选理论 ，对越大越优目标其相对优 属度公式 为 2 z J J 一 J i j 对越小越优目标相对优属度公式 3 式中 r 0 为决策 j 目标 i 的相对优属度； V、 分别为取大、取小 符 ； 为分别表示就决策集 J 1 ，2 ， ⋯ ，n ，对 目标 i 的特征值取大、取小。 还有几种型式的目标相对优属度公式，如对越 大越优 目标 。 】 ’ 对越小越 优 目标 维普资讯 卜 又如 ，另一种越大越优 目标相对优属 度 一 ／V 7 1 ， ≠ 。 R r fJ 8 最大相对优属度 优等决策的相对优属度 g 1或 g g 1 ， g 2 ， ⋯g 。 T 1 ， 1 ， ⋯ ， 1 T 9 最小相对优属度 劣等决策的相对优属度 b f 0或 b b 1 ， b 2 ， ⋯b 。 T 0 ， 0 ， ⋯ ， 0 T 1 0 设决策 j 对优的相对隶属度以 表示，对劣 的相对隶属度以 U 表示，根据模糊集合的余集定 义 ，有 U f _1一U ； 。 设采空区处理决 策中 优 个 目标 的权重不同， 权 向量为 W W 1 ， W 2 ， W 3 ， ⋯， W T ， ∑W 1 1 1 W 为 目标 i的权重 。 决策 _『 可用向量表示为 r s 1 ， 2 ， ⋯r 州 T 1 2 它与优等决策的差异可用广义权距离 厂 一 p √∑[ g f 一 ] 1 3 表示 ，简称距优距离。它与劣等决策的差异可用广 义权距离 厂 ■一 P ／ ∑[ f r ii b i ] 1 4 描述 ，简称 距劣距 离。 P为 距离 参数 ，P1海 明 距离 ，P2欧氏距离 。 在模糊集合论 中隶属度可定义为权重。决策 J 以相对隶属 度 U 隶属 于模糊 概念 “ 优” ，它的距 优 距离为 ，为了完善地表达决策 与优等决策的 距离 ，距优距离 以 作为权重。则有 厂 一 D √ 善 [ g f r d ] 1 5 5 4 称为加权距优距离。类似地，加权距劣距离 如 1 一 p √ [ 一 b i ] 1 6 为了求解决策 _『 相对隶属度 “ 的最优值 ，建 立如下的优化准则决策 _『 的加权距优距离平方与 加权距劣距离平方之总和为最小 ，即 目标 函数为 f F “ ， “ 2 墨 r 咖 ‘I 1 一 [ 暑 r O - b lu i b l 【 卜 [ 墨 ] 盖 J 1 7 求 目标 函数式 1 7 的导数 ，且令导数为零 。 0 a uj 解 得 如将 g f 1 ，b i 0代入模型 1 8 ，得到决策 相对优属 度模型 为 M _ 1 1 9 M 了 L l f ∑ [ W 1 一r ] 孟 1 { 一} } ∑ W P J f l 。 式 1 8 或 1 9 称为采空区处理方案模糊优 选模型。 3 应用实例 厂坝铅锌矿矿床赋存在黑云母石英片岩、黑云 母片岩及石英片岩中，主要分布在两种岩性接触 部。形态比较规整，呈似层状产出，与围岩界线较 清晰。底板围岩，抗压强度较大，裂隙不发育，比 较稳定。局部浸染状矿石地段岩性软，片理发育 ， 抗压强度小 ，不太稳定 。在块状矿石与浸染状矿石 接触部位层间裂隙发育，掘进时需支护。矿体上下 盘围岩由黑云母岩组成，解理裂隙不甚发育，抗压 强度较大，一般比较稳定。该矿的主矿体曾遭群采 破坏 ，目前 是 采用 露 天 井下 联 合 开 采。在 1 2 0 2 m 水平的运输平巷中，采用探地雷达发现一采空区， 其顶部位于露天采场下约 5 0 m，长约 3 4 0 m，宽约 2 2 m，高约 1 8 m，形状不 规则。为 了井 下生产安 全 ，需及时进行处理 。 初步拟定 的采 空 区处理 方法有 干石 充填 法 ， 尾砂充填法，胶结充填法，爆破崩落法 ，锚杆加固 法。由现场采矿技术员、矿领导、材料计划员和高 校科研人员等组成的 9人专家组，对各种方法的安 全性 安全系数 、可行性、费用、需要时间等指 标作出评分和计算。然后，分别去掉一个最高分和 中国矿业 2 0 0 4年第 1 3卷第 8期 维普资讯 最低分，取中间 7 个值平均。其中，安全系数和可 行性 以 1 0分计。最后的评分及计算结果见表 1 。 表 1 各处理方法的评价指标值 由各处理方案评价指标 数据组成 的多 目标系统 的论域为 P { P 1 ，P 2 ，P 3 ，P 4 } { 安全系数，可 行性 ，费用 ，所需 时间} D { d 1 ，d 2 ，d 3 ，d 4 ，d 5 } { 干石充填 法，尾砂充填法 ，胶结充填法 ，爆破法 ，锚杆加固 法 } 其 4个 目标对 5 个决策的评价可用目标特征值 矩阵 r0 ‘ 7 7 8 0 _ 8 3 3 1 ． 0 0 0 0 _ 5 0 0 0 ． 5 5 6 ] y1 0 ． 6 8 8 1 ． 0 0 0 0 ． 8 1 3 0 ． 8 7 5 0 ． 9 3 8 I 一1 0 ． 4 5 3 0 ． 5 9 4 1 ． 0 0 0 0 ． 1 4 1 0 ． 1 7 2 I 【- 0． 6 6 7 0． 8 3 3 1． 0 0 0 0． 4 1 7 0． 6 6 7 ／ 表示 。 用公式 4 与 5 将 目标特征矩阵变换为目 标相对优属度矩阵 『1 7 8 0 _ 8 3 3 1 _ 0 0 0 0 ． 5 0 0 0 _ 5 5 6 ] R 1 0 6 8 8 0 0 0 0 8 3 0 8 7 5 0 9 3 8 I l0 ．3 1 1 0． 2 3 8 0． 1 4 1 1 ． 0 0 0 0． 8 2 0 I l- 0． 6 2 6 0． 5 0 0 0 ． 4 1 7 1 ． 0 0 0 0． 6 2 6 - J 权 向量为 W Wl ，W2 ，W3 ，W4 0 ． 5 0 0 ． 3 0 0 ． 1 0 ． 1 应用模糊优选模型 1 9 ，取距离参数 P 1 的 海明距离，则式 1 9 变为 』 1 1 ∑ 硼 i 1 1 ，2 ，3 ，⋯ ，1 2 ； 1 ，2 ，3 ，4 将有关数据代人上面公式 ，得到 5 个 目标对模糊概 念 “ 优”的相对隶属度向量为 “ 0 ． 6 4 6 0 ，0 ． 7 9 0 3 ，0 ． 7 9 9 7 。0 ． 7 1 2 5 ， 0 ． 7 0 9 0 由此得 5个 目标 即 5个处理方案 的处理效 果好坏程度排序为 3 ， 2 ， 4 ， 5 ， 1 故选用胶结充填法处理。 地下矿山采空区处理方法的评价与优选 采用胶结充填法及时处理 了该采空 区，既安 全 ，又省 时省钱 ，控制 了井下地压作用 ，为露 天转 井下创造 良好 的条件 。 4 结 语 采用基于专家综合评分基础上 的采空 区处理方 案模糊优选方法，简化了传统方法的复杂计算和比 较工作。该方法选取对采空区处理方案影响较大的 几个主要因素 ，作为计算指标，既体现了采空区及 现场生产技术条件，又符合现场管理决策的程序。 在厂坝铅锌矿处理群采空区的实践中，现场管理者 采用该优选法进行决策，合理地采用灵活多样的采 空区处理 方 法 和技术 方 案 ，取 得 了 良好 的处 理效 果。同时，在实践中，优选参数、指标的选取以及 指标权值的分配等等，得到了不断地调整与完善， 使得选取 的参数 、指标等更体现厂坝铅锌矿 的实 际 情况 ，以便选 出的方案更优 。 目前 ，对 于厂坝铅锌 矿 1 号矿体 内查 明的采空区，已作 出了相应的处 理。但对于那些潜伏的不明采空区。在探测与处理 技术上 ，还需进一步进行研究，以确保矿山生产作 业 的安全 。 m u m 参 考文献 [ 1 ] 周福宝，王德明，李正军．矿井通风系统优化评判的模糊优 选分析法 [ J ] ．中国矿业大学学报 自然科学版 ，2 0 0 2 ，3 1 3 2 6 22 6 6 ． [ 2 ] 王志方 ．红透山铜矿的系统空区处理与地压观测 [ J ] ．有色 矿 山 ，1 9 9 6 1 91 2 ． [ 3 ] 李晓峰，韩亚卿．锡铁山铅锌矿采 空区处理探讨 [ J ] ．西部 探矿工 程 ，2 0 0 2 6 5 35 4 ． 【 4 ] 黄琴灿 ．浅谈河台金矿高村矿床采空区处理方法 【 J 】 ．黄金， 2 0 0 0．2 1 7 1 41 6 ． [ 5 ] 刘献华．紫金山金矿采空区处 理技术研究 [ J ] ．有色矿山， 2 0 0 2，3 1 1 2 02 2 ，3 1 ． [ 6 ] 刘跃伟．采用硐室爆破处理德兴铜矿采空区 [ J ] ．工程爆破 ． 1 9 9 8，4 3 5 55 7 ． [ 7 ] 周建宏 ，吴开华．平水铜矿采空区处理 [ J ] ．江西有色金属。 1 9 9 6，1 0 2 58，1 3 ． [ 8 ] 李兆平 ，张弥．南京铅锌银矿地下采空区的治理 [ J ] ．中 国地质灾害与防治学报，1 9 9 9 ．1 0 2 5 8 6 2 ． [ 9 ] 乔春生 ．田治友．大团山矿床采空区处理方法 [ J ] ．中国有 色金属学报．1 9 9 8 ，8 4 7 3 4 7 3 8 ． [ 1 O ] 陈守煜．论相对隶属度 [ J ] ．大 自然探索 ．1 9 9 3 ，1 2 2 252 7． [ 1 1 ] 陈守煜．模糊关系优选决策理论与应用 [ J ] ．华北水利水电 学院学报．1 9 9 3 2 1 6 ． [ 1 2 ] 陈守煜．多 目标系统模糊关系优选决策理论与应用 [ J ] ．华 北水利水电学院学报 ，1 9 9 4 8 6 2 7 1 ． 收稿 日期 2 0 0 3 1 23 0 [ 作者简介] 刘敦文 1 9 7 1 一 男 湖南 祁东人 中南大学副教授博士后 主要从事采矿 与安全技 术岩土工程等方面的研 究 5 5 ． ， ． ． ． - ． 。 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．L 维普资讯