基于AHP与加权和法的大型地下铝土矿采矿方法优选——以猫场铝矿为例.pdf

第9卷第1期 2 0 1 9年1月 有色金属工程 Nonferrous Metals Engineering Vol. 9,No. 1 January 2019 doi 10. 3969/ 10. 3969/j. . issn. 2095-1744. 2019. 01. 014. 2095-1744. 2019. 01. 014 基于AHP与加权和法的大型地下铝土矿 采矿方法优选以猫场铝矿为例 唐修， 王卫华 中南大学资源与安全工程学院， 长 沙 410083 摘 要 随着地表铝土资源的逐步减少， 地下铝土资源的高效回采越来越重要， 其中采矿方法的确选是关键。将大型地下 铝土矿 猫场铝矿采矿方法优选视为多目标、 多准则的决策问题， 提出了综合考虑采矿成本等经济指标、 千吨采切比等技 术指标以及通风条件等安全指标的AHP与加权和法， 从初选方案中确选出适合该矿山的较优的采矿方法， 即在用AHP算 出各准则、 子准则权重的基础上， 运用加权求和的原理算出各初选方案的C；值， 最后房柱采矿法以0. 478 8的C,值确选为 优秀方案。现场采场实践表明， 方法高效可行， 能实现猫场铝矿的安全、 高效、 低成本开采， 达到预期设计目标。 关键词 大型地下铝土矿;倾斜矿体;采矿方法；AHP-加权和法 中图分类号TD85 文献标志码A 文章编号2095-1744201901-0083-06 Optimization of Mining for Large-scale Underground Bauxite Mine Based on AHP and Weighted A Case Study of Maochang Aluminum Mine T A N G X i u , W A N G Weihua School of Resource and Safety Engineering,Central South University, Changsha 410083,China Abstract With gradual consumption of surface ground bauxite resources the efficient recovery of underground bauxite resources is getting more and more important. The selection of mining is the key. The optimization of mining for large-scale underground bauxite-Maochang aluminum mine is regarded as multi-objective and multi-criteria decision-making problem. The AHP and weighted sum was put forward comprehensively considering economic indicators such as mining cost, technical indicators such kiloton stripping ratio and ventilation conditions. The better mining suitable for the mine was selected from the primary selection schemes. Based on the AHP, the weights of each criterion and sub-criteria were calculated. The Ci value of each selected primary scheme was calculated using the principle of weighted summation. Finally, the room and pillar was selected as an excellent scheme with a Q value of 0. 478 8. The field practice shows that the is efficient and feasible, and can realize the safe, efficient and low-cost mining and it can achieve the expected design goals. Key words large scale underground bauxite mine； inclined ore body； mining ； AHP-weighted sum 随着越来越多的应用开发， 金属铝由于密度小、 适应性强和可回收等优良性能， 被广泛应用于各个 领域™ 。因此， 铝土资源的高效开发利用也受到越 来越多的关注和重视。综合我国各类铝土矿床的赋 收稿日期2017-09-21 作者简介 唐 修（1993 ） ， 男， 硕士研究生， 主要从事矿业工程及爆破等研究。 基金项目 国家自然科学基金资助项目（41372278 Fund Supported by National Natural Science Foundation of China41372278 引用格式 唐 修 ， 王卫华.基于AHP与加权和法的大型地下铝土矿采矿方法优选 以猫场铝矿为例[J].有色金属工程，2019, 91 83 88. TANG Xiu, WANG Weihua. Optimization of Mining for Large-scale Underground Bauxite Mine Based on AHP and Weighted -----A Case Study of Maochang Aluminum Mine [J]. Nonferrous Metals Engineering, 2019，91 83 88. 84有 色 金 属 工 程第 9 卷 存条件， 在现有储量25. 4 5亿t矿石中， 适合于采 用地下或露天一地下联合开采工艺技术开采的矿量 占总资源储量的76左右[2]， 而目前我国正在开采 的铝土矿中约8 5 为露天开采。随着开采力度的 加大， 适用于露天开采的铝土矿资源越来越少， 资源 开采由地表转入地下已成必然趋势。迄今为止我国 铝土矿采用地下开采的矿山不多， 从规模上讲， 都是 年产量在1 5万t以下的中小型地下矿山。同时， 对 相关开采技术的了解也不深人， 技术水平存在一定 的限制。总体而言， 地下铝土矿尤其是大型地下铝 土矿基本处于试验探索阶段。 在影响地下铝土矿损失贫化因素中， 采矿方法 是最核心的要素之一[s]。国内发展比较缓慢， 基本 停留在房柱法或者全面法上。随着无轨设备的推广 以及越来越重视复垦采场， 近些年来开始采用长臂 式削壁充填法， 垂直分条充填采矿法和分段房柱 法[4]。为了得到合适的采矿方法， 将采矿方法的选 择视为一个涉及多层次、 多因素、 多目标、 多指标等 诸多因素的集合结果因此必须对多种因素和指 标进行综合分析。目前， 国内外有较多的优选方法。 如任红岗等[ 运用的模糊数学， 史秀志等[7]运用的 层 次 分 析 法 ， 谭玉叶等M运 用 的 矩 阵 赋 权 法 ， WANG W Y等[9]运用的BP神经网络法等,这些方 法都有可取性， 但还存在一定的局限性。例如利用 层次分析法构建判断矩阵时存在主观性偏差， 运用 模糊数学优选时定性数值偏多等。鉴于此， 本文综 合考虑经济指标、 技术指标以及安全指标[ 1 ]， 提出 了 AHP与加权和法的耦合评判方案， 建立采矿方 案综合评判体系， 优选出了适合猫场地下铝土矿的 采矿方法， 并进行采场工业试验。 1 采 矿 方 法 优 选 的AHP-加 权 求 和 法 l. .i加权求和法加权求和法 加权和法的原理是对经过预处理的指标， 根据 其间的相对重要性， 对每一个指标j分别乘以一个 确 定 权 数 ， 且 n 1 i 7 1 使重要程度不同的评价指标转变为大致相同， 然后对每一个方案； 计算其属性加权和C, ■值，gp n Ci WjXij 2 ；i 式中c,一 方 案i计算其属性加权和； ％权 数;巧一经预处理后数据。最后， 根据C;值“ 最大最 优” 的原则优选方案。 1 . 2 确定权数的层次分析法（1 . 2 确定权数的层次分析法（AHP 以往加权求和法中权数大多是凭经验主观确 定 ， 从而导致可信度低。因此， 本文采用层次分析法 AHP来确定其权数， 使其更客观、 合理。 首先确定该模型的目标层、 准则（ 因素） 层（ 可根 据问题的复杂程度， 每项准则还可细分为若干子准 则） ， 构建层次分析模型。 采用层次分析法确定准则层中各个因素之间， 以及准则层因素相对于上一层要素的相对重要程 度 ， 构建出判断矩阵。将因素A, . 与A,两两比较， 采 用 表1所示的评判标准， 可得到因素A,对 于 的 相对重要程度A, ；； 。当要素A,与A, 的相对重要程 度在表1两个相邻等级之间时分别取2、 4、 6、 8， 而 因素A, 相对于A,的 相 对 重 要 程 度 为 1/A, 7。 表1 标度含义 Table 1 Scale meaning ScaleMeaning 1A,-and Aj are equally important 3A,-is slightly more important than Ay 5Ai is obvious more important than A； 7Ai is obvious more broadly important than Aj 9Ai is absolutely more important thanA7 求取判断矩阵的特征向量（Wl， ... Wj， ... T， 然 后 计 算 最 大 特 征 值 ， 进而求出一致性 指标CJ值、 一致性比率Ci 值 CI Amait n 3 n 1 式中CI--■致性指标;Amu最大特征值;W 矩阵的阶数； 式中Ci一一致性比率;一随机一致性指标。 因本文均为三阶矩阵， 故取随机一致性指标 尺7 0.58[11]。最后根据CJ 值检验判断矩阵是否 满足一致性要求。当Ci 值超过0. 1时， 认为所构 建的判断矩阵不具备一致性。反之则认为此判断矩 阵合理， 此 时 求 出 的特征向量（ 叫 ， ..叫 ， . 叫 ）T， 即为权重矩阵。 1 . 3 因素原始数据的预处理1 . 3 因素原始数据的预处理 为了清除数据量纲及极差的不一致性， 以便进 行统一比较。在利用式（2计算因素加权和之前， 先 按表2对原始数据中的定性数值进行量化处理。 第 1 期 唐 修 等 基 于AHP与加权和法的大型地下铝土矿采矿方法优选以猫场铝矿为例85 表表2定性数值量化定性数值量化 Table 2 Qualitative numerical quantification Quantitative valueVery lowLowerLowMediumHigherHighVery High Benefit type1234567 Cost type7654321 然后将量化处理后的数据进行分类， 若数值越 大越好， 则为效益型数据， 反之则为成本型数据， 最 后 ， 对效益型数据和成本型数据分别按式（ 5〜（ 7 进行标准化处理。 ._ h lJ J max 式中一方案中各因素的原始数据; J_m ax maX{ J . . } j Xi 1 々 lJ T max 5 6 7 2 工程应用 2 . 1 猫场铝矿地质概况及采矿方案初选2 . 1 猫场铝矿地质概况及采矿方案初选 猫场铝矿是我国目前最大的地下缓倾斜薄矿体 招土矿矿山。矿 体 倾 角8， 真 厚 3.9 m，Al S 8. 7,设计年产量120万t/a。矿床间接顶板为白云 岩 ， 属稳固岩体， 但为含水层； 矿床间接底板为碳酸 盐岩， 整体比较稳固。矿体直接顶、 底板为黏土岩 类 ， 属软质、 块状岩石， 结构不稳定， 直接顶平均厚度 约为1.61 m。 由于铝土矿成矿条件比较复杂， 因此在开采过 程中将会产生“ 三高” 现象， 即 高损失率， 贫化率和 围岩混人率[12]。按国土部对于地下开采铝土矿等8 矿种最低“ 三率” 指标[13]要求， 猫场铝矿地下开采的 回采率应达到7 5 以上。因此提出了三个初选方 案1房柱采矿法；2全面采矿法； 3长壁式崩落采 矿法[14]。 在方案优选时， 考虑了影响采矿方案选择的10 个要素，g卩 采矿成本、 千吨采切比、 采场生产能力、 工艺熟练程度、 对矿体适用性、 通风条件、 贫化率、 损 失率、 作业地点安全性、 爆破对围岩影响程度。通过 文献查阅和现场调研获得了各因素的原始数据， 如 表 3 所示。 表表3影响因素原始数据影响因素原始数据 Table 3 Influencing factors of the original data --Programs Factors ------------- Room-and-pillar mining Overall mining Longwall caving Mining cost/Yuan t_112. 261618. 5 Rate of dilution/ 3.435. 0 Loss ratio/ 19. 661816 Mining capacity/t d_1350290220 Cutting ratio/10-3 m t_111. 49109. 51 Technical proficiencyGoodGoodBad ApplicabilityGoodGoodBetter Working place’s safetyGoodBetterBad Ventilation conditionsBetterMediumGood Impact of blasting on surrounding rocksLessLittleLarger 2 . 2 数据前期处理2 . 2 数据前期处理 2.2. 1指标划分 利用层析分析法的基本原理， 建立了如图1所 示的综合评判指标体系。该模型的目标层为最佳采 矿方案、 准则（ 因素） 层为各项因素指标， 另外， 考虑 到问题的复杂程度， 将每项准则（ 经济指标、 技术指 标、 安全指标） 细分为若干子准则， 将采矿成本Xi， 贫化率X2,损失率X3 划 为 经 济 指 标 ， 将千吨采 切比X4 ， 采场生产能力X5 ， 工艺熟练程度X6， 对矿 体适用性X7 划为技术指标J2 表4。将通风条件 XS， 作业地点安全性X9 ， 爆破对围岩影响程度；ao 划为安全指标1〖15]。 2.2.2准则层对目标层的权重 依据层次分析法的基本原理， 通过查阅大量文 献资料,并与现场工人、 有关专家学者协商， 构造目 标层对应于准则层的判断矩阵为 1 1 3 1 I 1 1 2 1 / 3 1 / 2 1 各指标值见表4。 86有 色 金 属 工 程第 9 卷 图1 综合评判指标体系图 Fig. 1 Comprehensive uation index system 表4指标值 Table 4Index value Mining Economic indexTechnical indexSafety index Economic indexzl113 Technical indexz2112 Safety indexz31/31/21 Total7/35/26 用 和 法 计 算 出 其 权 重 矩 阵w。使 用M atlab计 算 矩 阵 的 最 大 特 征 值 计 算 得 n Va 入„。 3 .0 1 8， 按 照 式 （3 、 （4 计 算 得 （。 0 .00 9 , 令 ，则 叫 / J bij -J1 ， 计 算 结 果 见 表5。 0 〇0 018 C J0. 454 2C3 0. 311 1， 故方案（ 1房柱采矿法 为最优方案。 2.4 采场工业试验2.4 采场工业试验 本次试验方法场所为猫场铝矿9采场下分段。 矿体沿走向长50 m， 沿倾向70 m， 矿体平均真厚度 4. 43 m,倾角8， 工业储量为36 800 t。矿块呈似层 状单斜产出， 总体倾向北西， 倾 角 为 330〜340。 9采场属沉积型铝土矿床， 下分段整体属于硬质岩 石与软质岩石交错的层状结构， 稳定性较差。 采用优选出的方案（ 1房柱采矿法进行开采， 具 体 施 工 过 程 如 图 2 所示。即 从 1150 m平巷到 1 160 m平巷分别打通1 、 2两条采掘上山， 沿走 向布置进路la 6a， 从上到下沿进路进行回采， 再 退采形成点柱。经统计分析， 矿石贫化率为3.2， 矿石损失率为18. 7 ， 生产能力为388 t/d， 采切比 为 246 m3/t， 采矿直接成本为71. 8 元/t,完成了预 期设计目标， 达到了猫场铝矿的生产要求。 图图2房柱采矿法设计与施工对照图房柱采矿法设计与施工对照图 Fig. 2 Design and construction comparison diagram of the room and pillar mining 1 Measured area；2 Roof caving hazard area；3 Access； 4 Supporting area;5 Pillar； 6 2 Slot； 7 1 Slot； 8 Underground chamber；9 Chute； 10 Ventilating shaft 3 结论 把猫场铝矿采矿方法优选视为多目标的决策问 题 ， 提出了综合考虑采矿成本、 贫化率、 损失率等经 济指标， 千吨采切比、 采场生产能力、 工艺熟练程度、 对矿体适用性等技术指标， 通风条件、 作业地点安全 性、 爆破对围岩影响程度等安全指标的AHP与加 权和法， 即通过AHP确定要素权重， 再利用加权求 和法进行排序计算确选出适宜猫场铝矿的较优的采 88有 色 金 属 工 程第 9 卷 矿方法房柱采矿法， 最终通过采场工业试验也表明 用AHP加权和法优选采矿方案是可行的， 此方法 也可推广到类似的工程实际应用当中。 当然， 此方法也存在一些不足， 比如虽然有效的 减少了判断矩阵的构建次数， 但是依旧没有完全杜 绝。此外， 如果采用改进的加权求和法进行排序计 算应该会比采用传统的加权求和法得到更为准确的 结果。 参考文献参考文献 [1] PATRICK R, ATKINS. 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