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基于集对分析同一度的采矿方法最优选择 宋霞飞, 王志勇 安徽开发矿业有限公司, 安徽 霍邱县 ２ ３ ７ ４ ６ ２ 摘 要 针对某大型铁矿开采技术条件, 研究了针对该矿的采矿方法最优选择。介绍了 ３ 种适合该矿的采矿方法工艺特点, 建立了基于集对分析同一度概念的采矿方法最优选择 模型, 研究选择了最优的采矿方法, 并结合同一度矩阵评价了 ３ 种采矿方法在该矿的适用 性特点。 关键词 采矿方法； 最优选择； 集对分析； 同一度 某大型铁矿主矿体赋存标高－ ３ ３ － ６ ６ ３ｍ , 矿 体沿走向长 ３ １ ６ ２ｍ , 平均斜深 ３ ９ ３ .５ ５ｍ , 平均厚度 为２ ２ .２ ３ ｍ 。倾角为５ ０ ７ ０ 。矿石品位为２ ８ .９ ５ ％。 矿石类型为沉积变质磁铁矿, ｆ 系数为１ ２ １ ６ , 稳固, 顶底板也均为稳固围岩, 矿岩物理力学性质良好。 顶底板富水程度弱, 水文地质条件较好。矿体上覆 第四系厚度达 １ ４ ０ｍ左右, 矿区地表地势平坦微起 伏, 区内沟塘密布, 地表多为农田与村庄。矿体上部 为破碎风化带, 漏水渗水强, 应保护采场顶板不塌 陷。为了提高资源回收率, 不允许留有大量矿柱支 撑采空区顶板。因此只能采用充填或嗣后充填采矿 法进行回采[ １ ]。 １ 采矿方法优选方案 结合该铁矿的实际开采条件, 类比国内外同类 型矿山开采现状[ ２ -３ ], 该矿段适合的采矿方法主要 有 浅孔留矿嗣后充填采矿法、 阶段大直径深孔采矿 嗣后充填法和分段矿房嗣后充填采矿法。 １ .１ 浅孔留矿嗣后充填采矿法 浅孔留矿法对矿岩稳固性好、 急倾斜矿脉的开 采是一种有效的采矿方法, 其具有高效低耗与工艺 简单等优点。浅孔留矿嗣后充填采矿法为先浅孔留 矿采矿, 待矿房回采结束, 存窿矿石放出后, 最后充 填空区。由于该法适应性强, 工艺简单, 在我国金属 矿山广泛应用。 浅孔留矿嗣后充填采矿法一般将矿体按一定尺 寸划分采场, 采场内分矿房矿柱, 并留有顶、 底柱。 该法亦可不留间柱, 将人行天井布置在脉外, 矿房采 用间隔分步骤回采, 将一步骤矿房回采充填完毕后, 再回采二步骤矿房。当矿体厚度小于 １ ０ １ ２ｍ时, 矿房一般沿走向布置； 当矿体厚度大于 １ ２ｍ时, 矿 房一般垂直走向布置。每个采场一般有 ２ 条人行天 井与上中段回风巷连通, 人行天井中开凿采场联络 巷至采场。人行天井主要用于人员、 材料、 设备上 下。 采用自下而上分层回采, 在每一个分层中进行 崩矿、 通风、 局部放矿、 平场及松石处理等作业。分 层高度一般为 ２ ２ .５ｍ , 回采工作面多为梯段布置。 回采凿岩采用上向凿岩或水平凿岩方式, 矿房回采 至顶板后, 进行大量放矿, 然后封闭采场, 构筑滤水 隔墙, 一次充填。 １ .２ 阶段大直径深孔采矿嗣后充填法 阶段大直径深孔采矿将矿体划分为矿房矿柱, 矿房内没有分段平巷, 不在分段平巷内凿岩或出矿, 而把凿岩集中在上中段一个水平进行, 阶段分次爆 破, 同时回采。根据崩矿方式的不同, 国内外阶段大 直径深孔采矿通常采用传统的 Ｖ Ｃ Ｒ法分层爆破和 阶段侧向崩矿两种形式。 Ｖ Ｃ Ｒ嗣后充填法是球状药包垂直后退式采矿 法的简称, 它的主要特点是 采用井下潜孔钻机钻凿 Φ１ ６ ５ｍ ｍ下向深孔； 用球状药包 长径比≤６∶ １ 由 下而上分层爆破； 分层爆破的矿石用铲运机在出矿 水平运出约三分之一, 为下一回采爆破提供补偿空 间； 顶层爆破后, 进行大量出矿, 最后一次充填。 Ｖ Ｃ Ｒ分层爆破具有爆破矿石块度均匀, 爆破对围岩 和两侧矿柱破坏小等优点, 但爆破工艺复杂, 技术要 求高, 爆破后堵孔处理等辅助作业时间长。 阶段侧向崩矿为每个炮孔一次装药爆破完毕, 爆破工艺简单, 但对于深 ４ ０ ６ ０ｍ的炮孔, 每个炮 孔装药量达 ８ ０ ０ １ ２ ０ ０ｋ ｇ , 爆破同段药量难以控制。 Ｉ Ｓ Ｓ Ｎ１ ６ ７ １－２ ９ ０ ０ Ｃ Ｎ４ ３－１ ３ ４ ７ /Ｔ Ｄ 采矿技术 第 １ ４ 卷 第 ３ 期 Ｍ ｉｎ ｉｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌｏ ｇ ｙ , Ｖ ｏ ｌ .１ ４ , Ｎ ｏ .３ ２ ０ １ ４ 年 ５ 月 Ｍ ａ ｙ ２ ０ １ ４ 阶段侧向崩矿主要在侧向自由面的条件下爆破, 每 次爆破炮孔行数少, 爆破块度通常比 Ｖ Ｃ Ｒ分层爆破 要大。此外, 采场帮壁超爆严重, 对两侧矿柱破坏较 大, 从而使矿柱稳定性变差。若采用倒梯段侧向崩 矿, 可降低崩矿高度, 增加一次爆破孔数, 爆破块度 均匀, 同段起爆药量易于控制。因此, 阶段侧向崩矿 爆破常采用 Ｖ Ｃ Ｒ掏槽与倒梯段侧向崩矿联合的爆 破方式。 １ .３ 分段矿房嗣后充填采矿法 分段矿房嗣后充填采矿将矿体划分成矿房矿 柱, 矿房矿柱间隔布置, 当矿体厚度大于２ ５ｍ时, 矿 房长轴垂直于矿体走向布置, 矿体厚度小于 ２ ５ｍ 时, 矿房长轴垂直于矿体走向布置。采切工程主要 有通风天井、 矿石溜井、 出矿巷道、 出矿联络巷道、 分 段凿岩巷道、 凿岩联络道、 切割井、 切割巷和漏斗等。 回采时将阶段划分成凿岩分段和出矿分段, 一般为 多个凿岩分段和一个集中出矿分段。在分段凿岩巷 道内凿上向扇形中深孔, 采场端部切割巷和切割井 联合拉槽, 以此切割槽为自由面逐排爆破中深孔, 上 分段回采进度超前下分段, 向采场另一端退采。出 矿集中在下部出矿分段。整个矿房回采结束后, 一 次充填。 分段矿房嗣后充填采矿法的优点是使用中深孔 凿岩, 铲运机出矿, 装备水平较高, 生产能力较大； 回 采和充填工作互不干扰, 工作效率高； 爆下的矿石对 围岩和充填体有临时支撑作用, 一次充填量大, 生产 工艺简单； 有一个大量出矿阶段, 有利于保证产量均 衡。其缺点是矿石的损失贫化较高。 ２ 采矿方法选择 ２ .１ 集对分析原理 集对分析是我国学者赵克勤于 １ ９ ８ ９年提出的 一种关于确定随机系统同异反定量分析的系统分析 方法 [ ４ ] 。集对是指具有一定联系的 ２ 个集合所组成 的对子。集对分析的思路是 在一定问题背景下, 对 一个集合对子的特性进行分析, 从同异反三个方面 分析问题及其系统, 并认为三者相互依存、 相互联 系、 相互制约, 并在一定条件下可以相互转化。同异 反三者的关系用联系度 μ表示为 μ＝Ｓ Ｎ ＋Ｆ Ｎ ｉ ＋Ｐ Ｎ ｊ １ 式中 Ｎ 集对特性总； Ｓ 集对中两个集合共有特征； Ｐ 集对中两个集合对立特征数； Ｆ 等于 Ｎ－ Ｓ － Ｐ, 为集对中两个集合既不相 同又不对立的特征数； ｉ 差异度系数, ｉ ∈[ － １ , １ ] ； ｊ对立度系数, 一般 ｊ ＝ － １ 。 Ｓ /Ｎ 、 Ｆ /Ｎ 、 Ｐ /Ｎ分别表示集对中两个集合在指 定问题背景下的同一度、 差异度、 对立度的刻画。 ２ .２ 基于集对分析同一度的方案优选方法 [ ５ ￣ ６ ] 在关于方案优选的问题中, 不论采取何种评价 方法, 其主体思想都是综合比较在各种评价指标下 各方案的好的程度。采用集对分析的方法可以解决 此类问题, 而且不需要对所组成的集对做差异性和 对立性分析, 只需要对集对进行同一性分析。设有 Ｄ １, Ｄ２, ⋯, Ｄｍ共 ｍ个方案, 有 α１, α２, ⋯, αｎ共 ｎ个 评价指标, 具体的基于集对分析同一度的方案优选 方法步骤如下 １ 计算指标权重 Ｗ Ｔ。利用层次分析法得出 方案评价的各项指标的权重 [ ７ ] Ｗ＝ ｗ １, ｗ２, ⋯, ｗｎ Ｔ ２ ２ 构造评价矩阵 Ｄ 。利用专家打分法得出各 个方案关于各项指标的分值, 并构造评价矩阵 Ｄ 。 其中 ｄ ｉｊ表示第 ｉ 个方案关于第 ｊ 项指标的分值 Ｄ＝ ｄ １ １ ｄ １ ２ ⋯ｄ １ ｎ ｄ ２ １ ｄ ２ ２ ⋯ｄ ２ ｎ ⋯⋯⋯⋯ ｄ ｍ １ ⋯⋯ｄ ｍ ｎ 「 | | | || 」 | | | || ３ 确定理想方案 Ｄ ０。理想方案 Ｄ０＝ ｄ０ １, ｄ ０ ２, ⋯, ｄ０ ｋ, ⋯, ｄ０ ｎ , 其中 ｄ０ ｋ的取值为各个方案关 于第 ｋ 项指标的最优取值, 因此 Ｄ ０为理论上的最优 方案。 ｄ ０ ｋ＝ ｍ ａ ｘ ｄ ｉ ｋ 第 ｋ 项指标数值越大越优 ｍ ｉ ｎ ｄ ｉｋ 第 ｋ 项指标数值越小越优 { ３ ４ 构造同一度矩阵 Ａ 。将决策矩阵的指标值 ｄ ｉ ｋ分别于理想方案 Ｄ０中相应的指标值 ｄ０ ｋ相比较, 比值记为 ａ ｉｋ。 ａｉ ｋ的意义为计算各方案关于第 ｋ项 指标与最优的即理想方案 Ｄ０中第 ｋ 项指标的贴近 程度。 ａ ｊ ｋ＝ ｄ ｊ ｋ/ｄ０ ｋ 第 ｋ 项指标数值越大越优 ｄ ０ ｋ/ｄｊｋ 第 ｋ 项指标数值越小越优 { ４ Ａ＝ ａ １ １ ａ １ ２ ⋯ａ １ ｎ ａ ２ １ ａ ２ ２ ⋯ａ ２ ｎ ⋯⋯⋯⋯ ａ ｍ １ ⋯⋯ａ ｍ ｎ 「 | | | || 」 | | | || ３１ 宋霞飞, 等 基于集对分析同一度的采矿方法最优选择 ５ 计算各方案与理想方案的带权同一度矩阵 Ｒ , 并进行方案评价。 Ｒ＝ ＡＷ Ｔ ５ Ｒ ＝ ａ １, ａ２, ⋯, ａｎ , 其中 ａｉ表示第 ｉ 个方案与 理想方案的同一度。 ａ ｉ越大, 表示方案越优。 ２ .３ 采矿方法最优选择 浅孔留矿嗣后充填采矿法、 阶段大直径深孔采 矿嗣后充填法和分段矿房嗣后充填采矿法这 ３ 种采 矿方法分别为方案 Ｄ １, Ｄ２和 Ｄ３。根据由矿山领导、 设计人员、 生产管理人员和爆破施工人员等 ９ 名专 家的综合意见, 确定这 ３ 个方案的评价指标为 采矿 工艺复杂程度 ｘ １ 、 对矿体条件适应性 ｘ２ 、 工人 熟练程度 ｘ ３ 、 矿石损失率 ｘ４ 、 矿石贫化率 ｘ ５ 、 采切比 ｘ６ 、 采场生产能力 ｘ７ 、 生产效率 ｘ ８ 、 安全作业条件 ｘ９ 、 采矿设备投资 ｘ１ ０ 、 和大块率 ｘ １ １ , 对于各定性指标的评价采用专家 打分的方式 [ ８ ] , 各方案对于各指标的最后得分值为 ９ 名专家评分的均值。打分采用 １ ０分制, 共 ４级评 语, 对应的评语分值见表 １ 。３个方案的得分表以及 选出的理想方案 Ｄ０见表 ２ 。 表 １ 评语分值 分数级别 ≥８优 ６ ８良 ４ ６中 ４差 根据公式 ４ 计算得出 ３ 个方案中各指标与其对 应理想值的同一度, 并对各评价指标进行两两打分 比较, 通过层次分析法得出各评价指标的权重, 见表 ３ 。 表 ２ 评价方案指标值及理想方案最优值 ｘ １ ｘ ２ ｘ ３ ｘ ４ ｘ ５ ｘ ６ ｘ ７ ｘ ８ ｘ ９ ｘ １ ０ ｘ １ １ Ｄ １ ７ .４ ４８ .２ ２７ .８ ９１ ４ ％８ ％４ .２ ４１ ８ ０３ .６ ７４ .３ ３７ .３ ３８ .１ １ Ｄ ２ ４ .３ ３４ .０ ０５ .２ ２１ ６ ％１ ２ .５ ％３ .１ ０６ ０ ０８ .０ ０７ .６ ７３ .８ ９５ .３ ３ Ｄ ３ ６ .６ ７７ .６ ７７ .５ ６１ ５ .６ ％１ ４ .６ ％５ .２ ４５ ０ ０７ .６ ７７ .１ １６ .３ ３７ .０ ０ Ｄ ０ ７ .４ ４８ .２ ２７ .８ ９１ ４ ％８ ％３ .１ ０６ ０ ０８ .０ ０７ .６ ７７ .３ ３８ .１ １ 表 ３ 各评价指标与对应理想值的同一度及指标权重 ｘ １ ｘ ２ ｘ ３ ｘ ４ ｘ ５ ｘ ６ ｘ ７ ｘ ８ ｘ ９ ｘ １ ０ ｘ １ １ Ｄ １ １１１１１０ .７ ３ １０ .３０ .４ ５ ９０ .５ ６ ５１１ Ｄ ２ ０ .５ ８ ２０ .４ ８ ７０ .６ ６ ２０ .８ ７ ５０ .６ ４１１１１０ .５ ３ １０ .６ ５ ７ Ｄ ３ ０ .８ ９ ７０ .９ ３ ３０ .９ ５ ８０ .８ ９ ７０ .５ ４ ８０ .５ ９ ２０ .８ ３ ３０ .９ ５ ９０ .９ ２ ７０ .８ ６ ４０ .８ ６ ３ ｗ ｉ ０ .０ ８ ２０ .０ ８ ５０ .０ ３ ２０ .０ ９ ４０ .０ ５ ６０ .１ １ ６０ .０ ６ ５０ .１ ２ ３０ .２ ０ ７０ .０ ９ ４０ .０ ４ ６ 根据公式 ５计算得出 Ｒ＝ ０ .７ ６ ６ ７ , ０ .８ １ ９ ５ , ０ , ８ ５ ２ ０ , 各方案与理想方案的同一度 ａ ３＞ａ２＞ａ１, 因此三种方案按优劣排序为 分段矿房嗣后充填采 矿法 Ｄ ３, 阶段大直径深孔采矿嗣后充填法 Ｄ２, 浅孔 留矿嗣后充填采矿法 Ｄ １, 选择分段矿房嗣后充填采 矿法作为该矿山的采矿方法。 由表 ３ 可见, 方案 Ｄ １浅孔留矿嗣后充填采矿法 有多项指标均为最优, 但在权重最重的“ 生产效率 ｘ ８ ” 和“ 安全作业条件 ｘ９ ” 两项指标中与理想值 的同一度太低, 影响了最终与理想方案的同一度, 符 合在采矿方法的选择过程中 “ 安全第一, 兼顾效率” 这一重要的原则； 方案 Ｄ ２阶段大直径深孔采矿嗣后 充填法的各评价指标也充分体现了该法的特点, 安 全性好, 采矿设备投资多, 生产效率高, 但对于人员 和环境的适应性较差, 灵活性稍差；Ｄ ３分段矿房嗣 后充填采矿法虽然没有一项指标作为理想矩阵的最 优指标, 但其在绝大多数指标上均高度贴近于最优 指标 同一度＞ ０ .８ ５ , 综合考虑该方法为最优的采 矿方法。 ３ 结 论 １ 结合同一度矩阵对各种采矿方法进行分 析, 各种采矿方法关于各评价指标的同一度能比较 清楚反映该采矿方法在各指标上的优缺点, 各评价 指标的权重值也反映了其在采矿方法选择过程中的 重要程度, 说明所建的采矿方法选择模型比较符合 实际。 ２ 采矿方法选择受多因素的影响, 是一个较 为复杂的决策过程。借助于集对分析的同一度, 选 取对采矿法选择影响较大的因素作为评价指标, 计算各种采矿法与理想案的贴近程度,学计 算简单, 是一种简单可行的采矿法优选法。 ４１ 采矿技术 ２ ０ １ ４ , １ ４ ３ 参考文献 [ １ ]朱国涛.高浓度结构流全尾砂胶结充填实验研究与应用[ Ｊ ]. 矿业工程,２ ０ １ １ ６ ２ ０ -２ ２ . 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