基于层次分析和模糊数学的采矿方法优选.pdf

ISSN 1671-2900 采矿技术 第 20 卷 第 5 期 2020 年 9 月 CN 43-1347/TD Mining Technology，Vol.20，No.5 Sep. 2020 基于层次分析和模糊数学的采矿方法优选 陈春生 赣南地质调查大队， 江西 赣州市 341000 摘 要某铁矿矿体产状平缓，矿岩软弱破碎，自建矿以来一直使用无底柱分段崩落法， 该采矿方法在生产过程中存在矿石损失贫化大、支护强度大、采矿成本高等问题，已不 适应矿山生产要求。本文综合利用层次分析法和模糊数学进行采矿方法优选，根据最大 隶属原则，排定各采矿方案的优劣次序，推荐采用下向进路充填与大直径深孔嗣后充填 联合采矿法。现场试验结果证明该采矿方案在开采安全性、适应性、成本和效率方面 的优势较为突出，具有良好的推广价值。 关键词层次分析;模糊数学;下向进路充填法;大直径深孔嗣后充填法 0 引 言 矿区位于莱芜断陷盆地内，在地貌上处于山前 平原地带，矿区附近地面标高为 190～200 m。该地 区属暖温带大陆性气候，极端最高温度 39.2℃，极 端最低温度−21.8℃。年平均降水量为 766.9 mm， 多集中在 6～9 月。历年最大降水量为 1404.9 mm （1964 年） ，历年最小降水量为 490.9 mm，日最大 降水量为 168.9 mm（1975 年 9 月 1 日） 。年平均风 速 3.0 m/s， 全年主导风向为东北， 地震烈度为 7 度。 矿床顶底板围岩及层间夹石的岩性种类较多， 岩性变化复杂，稳定性情况分级多为Ⅳ～Ⅴ级，稳 定性差不稳定。矿体走向北西近水平，倾向 270～320，倾角 10～40。Ⅰ矿床主矿体围岩顶板 为奥陶系大理岩或古近系砾岩，底板为闪长玢岩或 大理岩；零星矿体围岩顶板为闪长玢岩或蛇纹石化 大理岩，底板为蛇纹石化大理岩或矽卡岩及闪长玢 岩；砾岩矿体围岩顶板为古近系砾岩，底板多为大 理岩和主矿体磁铁矿。Ⅱ矿床Ⅰ、Ⅳ矿体围岩顶板为 石炭系板岩或古近系砾岩，底板为闪长玢岩或大理 岩； Ⅱ、 Ⅴ矿体围岩顶板多为闪长玢岩或蛇纹石化大 理岩，底板为蛇纹石化大理岩或矽卡岩；Ⅲ、Ⅳ矿 体围岩顶板为大理岩或蛇纹石大理岩，底板多为矽 卡岩、闪长岩等。除大理岩、闪长岩及蚀变闪长岩 等正常情况下稳定性较好外，其它围岩稳定性较 差，在一定条件下容易发生失稳变形，造成一定 危害。 矿区地应力较大，且矿岩软弱破碎，自建矿以 来一直采用无底柱分段崩落法开采，接近矿体附近 时巷道多变形或坍塌，不经支护几乎无法生产，且 生产过程中存在矿石损失贫化大、支护强度大、采 矿成本高等问题。若继续沿用该采矿方法，随着开 采深度的进一步加大，地压显现将更为严重，损失 贫化指标将更难控制，地表塌陷范围也将进一步扩 大。根据矿山实际情况，以“安全、高效、经济、 环保”为原则，开展采矿方法方案研究是矿山开采 时的重要工作[1-12]。 1 采矿方法选择 为了切实解决矿山所面临的难题和满足实际 生产需求，同时考虑技术经济方面的因素，针对矿 山倾斜、缓倾斜厚大破碎矿体的实际情况，可知进 路充填法是开采此类型矿体的总体方向，采场可沿 走向或垂直走向布置，同时需要对矿块尺寸参数进 行深入研究，据此提出了 2 个技术上可行的采矿方 案[1] 方案Ⅰ下向进路充填采矿法； 方案Ⅱ下向进路充填与大直径深孔嗣后充填 联合采矿法。 1.1 下向进路充填采矿法 本采矿方法如图 1 所示。 1.1.1 采场布置与采场结构参数 在矿体水平厚度小于 30 m 时，进路方向沿矿 体走向布置，当矿体厚度大于 30 m 时，进路方向 采 矿 技 术 2020,205 6 图 1 下向进路充填采矿法 沿矿体走向方向和垂直矿体走向方向均可。在水平 面上将矿体划分为盘区开采。当进路垂直矿体走向 时，盘区沿矿体走向长 65 m，此时若矿体水平厚度 大于 80 m，则沿矿体厚度方向划分为 2 个盘区。若 进路方向沿矿体走向布置， 则盘区沿矿体走向长 65 m。 上分层进路和相邻下分层进路可垂直交叉布置， 若不垂直交叉时，上下分层进路错开半个进路宽度 位置。 在高度上将矿体划分为分段，从中段水平开 始，往上第一分段高度为 20 m，再往上的分段高度 为 15 m（目前矿山中段高度 50 m） 。分层进路高度 5 m，进路宽度 5 m。 1.1.2 采准切割工程 在各分段水平掘进分段平巷，分段平巷之间用 斜坡道连接。从分段平巷开始，沿矿体走向每隔 65 m 掘 1 条分层联络道通达采场，每盘区每分层掘 1 条联络道，上下分层联络道在平面上错开一段距离 （约 10 m） 。从联络道开始沿矿体走向在矿体下盘 底板布置脉内沿脉平巷。当进路方向沿矿体走向 时，分层联络道进入分层水平后再水平掘进，直至 穿透矿体，该水平巷作为本分层联络平巷兼措施巷。 从沿脉平巷每隔一段距离布置回采进路。在矿 体下盘脉外布置溜矿井和溜井联络道和其他采切 工程。 1.1.3 回采工艺 一回采自上而下分层进路回采，从分层沿脉巷 开始，每隔一段距离进行进路回采，相邻进路之间 隔采一。盘区内共分 4 期进路，分别为Ⅰ期、Ⅱ期、 Ⅲ期和Ⅳ期进路。Ⅰ期进路回采完成后，回采Ⅱ期进 路， 同时进行Ⅰ期进路的充填工作， 同理回采和充填 Ⅲ期和Ⅳ期进路。 进路回采断面 5 m5 m，首层回采断面 3.5 m 3.5 m，采用 BoomerK41.DCS 凿岩台车凿岩，孔深 3.0～3.5 m，钻头直径 Φ40 mm，铲运机出矿。 1.1.4 采场充填 Ⅰ期进路回采完成后，在进行Ⅱ期进路回采的同 时， 进行Ⅰ期进路的充填工作。 采用全尾砂胶结充填。 充填前将待充进路进行平场工作，然后在进路底板 上铺设钢筋金属网，并做好充填挡墙。再进行充填 工作。从专用通风充填井引充填管充填，充填管经 过充填天井至沿脉平巷、进入待充进路，充填管架 设于进路的最高处，也可在充填体内预埋充填管。 要求充填体强度大于 3 MPa，进路底部 3 m 高范围 内的充填体强度必须大于 3 MPa，进路上部 2 m 高 范围内强度必须大于 2 MPa。为了保证充填接顶， 进路回采时保持 3～5的坡度，且充填引管水和洗 管水不进入充填区。 陈春生基于层次分析和模糊数学的采矿方法优选 7 1.1.5 采场通风 在每个中段之间布置专用通风天井，在中段两 翼各布 1 条通风充填天井，该天井与各分段平巷、 脉内沿脉平巷贯通。主风流从一翼通风井上升至分 段平巷和沿脉平巷，再从另一翼天井上升至上中 段。回采进路采用局扇通风。每次回采爆破后，必 须用局扇通风 30 min 以上， 待污风完全排尽后方可 进入工作面进行下一工序的作业。 1.2 下向进路充填与大直径深孔嗣后充填联合采 矿法 本采矿方法如图 2 所示。 1.2.1 采场布置与采场结构参数 当矿体倾角小于 30时，采场长度方向最好沿 矿体走向方向。延续原下向进路充填法的区域划分 图 2 下向进路充填与大直径深孔嗣后充填联合采矿法 概念，仍将矿体划分为盘区[2]。 第一、 二步骤采区宽 12～15 m。 盘区宽度 72～ 90 m，即每 3 个第一步骤采区和 3 个第二步骤采区 合为一个盘区。采区长度控制在 50～60 m 为宜。 分层进路高度 5 m，进路宽度 4～5 m。 1.2.2 采准切割工程 在各分段水平掘进分段平巷，分段平巷之间用 斜坡道连接。从分段平巷开始，沿矿体走向每隔 72～90 m 掘 1 条分层联络道通达采场， 每盘区每分 层掘 1 条联络道，上下分层联络道在平面上错开一 段距离（约 10 m） 。对于第一步骤采区，从沿脉平 巷每隔一段距离布置回采进路。对于第二步骤采 区， 在中段水平布置堑沟底部结构， 包括出矿平巷、 出矿联络巷、集矿堑沟巷等。第二步骤采区顶部布 置深孔凿岩巷（硐室） 。在矿体下盘脉外布置溜矿 井、溜井联络道和其他采切工程。 1.2.3 回采工艺 本采矿方案分二步骤回采与充填，第一步骤用 下向进路充填法回采与充填，其工艺类似于单一下 向进路充填法（方案Ⅰ） 。 在第一步骤回采和充填时为第二步骤回采和 充填创造条件，包括第二步骤采场的顶部、底部、 侧部、端部甚至底部都要形成高强度胶结充填体。 第二步骤采场的顶部和侧部的充填体还要用长锚 索锚固连接于上部围岩中。 二 步 骤 回 采 时 ， 在 采 场 顶 部 凿 岩 巷 用 SimbaE7C钻机或T100钻机或其他深孔钻机钻凿下 向平行深孔，孔网参数采用类比法或通过系列爆破 漏斗法确定。 因矿体极不稳固，切割槽用 VCR 法形成，或 用天井钻机掘切割天井，再用切割天井爆破形成切 割槽、或用爆破成井法形成切割井，再形成切割 槽。落下矿石在采场底部堑沟底部结构出矿，铲运 机出矿。 1.2.4 采场充填 一步骤采场充填与方案Ⅰ类似。 第二步骤采场回 采 矿 技 术 2020,205 8 采完成后，进行嗣后全尾砂胶结充填。要求充填体 强度为 1 MPa，当采场下部仍为矿体，需要再布置 采场时， 则采场底部 8 m 高的范围内用 3 MPa 的充 填体强度充填。 充填前，将采场底部和中部进入待充采空区的 所有出入口用挡墙封堵。在采场顶部引充填管充 填。为了充填挡墙的安全，首次充填高度不得高于 底部巷道高度的三分之二，待充填体初凝后进行第 二次充填，本次充填高度为底部巷道顶板以上 1 m 的高度位置。在中部分段凿岩巷位置采用同样的充 填方法。 1.2.5 采场通风 第一步骤采场通风类似于方案Ⅰ。 第二步骤采场顶部通风 风流从上盘 （或下盘） 脉外沿脉巷， 通过联络巷进入工作面， 再从下盘 （或 上盘）脉外沿脉巷回风。 第二步骤采场底部通风 风流从上盘 （或下盘） 脉外沿脉巷，通过出矿穿脉巷，再从下盘（或上盘） 脉外沿脉巷回风。 回采落矿时也可采用的通风路线中段沿脉巷 →出矿穿→出矿联络道→炮孔（或空区）→凿岩巷 →上中段沿脉巷。必要时采用局扇加强通风。 2 采矿方法方案模糊综合优选 为避免单因素定性分析和简单的技术经济指 标比较在采矿方法方案决策中的局限性，采用了能 将定性指标和定量指标统一起来的、可以进行多因 素综合定量比较分析的方法模糊综合评判对各 采矿方法方案进行了对比分析， 以寻求安全、 高效、 合理、经济的开采工艺方法。 2.1 模糊综合评判法 由于影响采矿方法最终开采效果的因素众多， 且采矿活动对人员和周围环境的影响也是多方面 的，单由某一因素的优劣来确定一个采矿方法是不 充分的。为此，需综合各因素来选择采矿方法[3-5]。 模糊评判优选的主要步骤如下。 （1）确定采矿方法选择的比较因素和指标。 影响采矿方法选择的因素很多，主要按照劳动生产 率、经济、资源利用率、安全、合理程度等几类进 行选择，如生产能力、采矿成本、千吨采切比、 损失率、贫化率、安全状况、通风条件、劳动强度、 工艺复杂程度、对矿体适应性等。 （2）确定各因素的权重值。以上各因素对采 矿方法选择的重要程度是不相同的，并且因各矿条 件不同也有所差异，所以需根据矿山具体条件确定 各因素的权重值。为减少专家评议法的主观影响， 在此采用层次分析法确定权重值。 分析第一步首先是根据各因素的隶属关系建 立层次结构模型，该模型结构如图 3 所示。 图 3 采矿方案选择层次结构模型 在每一分层对各因素采用表 1 所示的 1～9 标 度方法两两比较，进行重要性评价，得出模糊判断 矩阵。 表 1 判断矩阵标度及其含义 标度 含义 1 两因素相比，同样重要 3 两因素相比，一因素比另一因素稍微重要 5 两因素相比，一因素比另一因素明显重要 7 两因素相比，一因素比另一因素强烈重要 9 两因素相比，一因素比另一因素极端重要 2，4，6，8上述两相邻判断值的中间值 倒数 因素 i 与因素 j 比为 Cij，因素 j 与因素 i 比为 Cji1/Cij 在开始多目标模糊优选之前，需对各因素的指 标进行无量纲化，以使各因素具有可比性。对定量 指标，rij由式（1）确定 max min 0.1 0.1 jij j ij ijj j ff f d r ff f d −⎧ ⎪ ⎪ ⎨ − ⎪ ⎪ ⎩ ， 为负指标 ， 为正指标 （1） 式中，fjmaxj 因素指标的最大值；fjminj 因素指标 的最小值；d级差，dfjmax−fjmin/1−0.1；fiji 方案 j 因素的指标值。 （3）定性指标赋值。对定性指标采用等级评 定法，按九级赋值标准（见图 4）给出评定值。 陈春生基于层次分析和模糊数学的采矿方法优选 9 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 最差很差差较差中较好好很好最好 图 4 九级赋值值标准 2.2 采矿方法方案模糊决策法优选 根据采矿方法方案模糊综合评判步骤和原理， 结合生产实际情况，确定了矿山软弱破碎矿体适宜 采矿方法方案的主要因素指标评定值，具体取值如 表 2 所示。 表 2 采矿方法方案主要因素指标 序号 指标 方案Ⅰ 方案Ⅱ 1 采场生产能力/t∙d−1 700 900 2 采矿成本（包含充填）/元∙t−1 120 108 3 千吨采切比/标准 m∙kt−1 1.48 3.04 4 损失率/ 5 10 5 贫化率/ 5 10 6 安全状况 好 较好 7 通风条件 中 较好 8 劳动强度 较好 较好 9 工艺复杂程度 较好 较好 10 对矿体适应性 好 较好 采矿方案模糊决策优选矩阵 R 为 方案Ⅰ 方案Ⅱ 0.70 1.00 0.70 1.00 0.80 0.51 1.00 0.75 1.00 0.76 0.70 0.62 0.50 0.61 0.60 0.66 0.60 0.58 R 0.70 0.65 运用加权平均模型对这两个采矿方案进行评 价，计算结果为 AW∙R0.721,0.741 根据最大隶属原则，排定各采矿方案的优劣次 序。上述两种采矿方法方案从优到劣的次序依次 是方案Ⅱ＞方案Ⅰ，即对于该矿山软弱破碎矿体最 为适宜的采矿方案为方案Ⅱ下向进路充填与深 孔嗣后充填联合采矿法[6]。 3 结 论 上述两个采矿方法方案在开采安全性、适应 性、成本和效率方面等方面各有优缺点，技术经济 指标存在一定差异，从单因素定性分析和简单的技 术经济指标比较来确定最适合矿山软弱破碎矿体 的开采方案比较困难。 为避免单因素定性分析和简单的技术经济指 标比较在采矿方法方案决策中的局限性，采用模糊 综合评判法进行对比分析，从评判结果来看方案 Ⅱ＞方案Ⅰ，即对于矿山软弱破碎矿体最为适宜采用 方案Ⅱ下向进路充填与深孔嗣后充填联合采 矿法。 参考文献 [1] 于润沧,等.采矿工程师手册[M].北京冶金工业出版社,2009. 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