基于模糊数学优选采矿方法的研究.pdf

Se r i a l No． 5 2 0 Au g u s t ．2 01 2 现代矿业 M0RDEN MI NI NG 基于模糊数学优选采矿 方法的研究 陈海远 汪 亮 李全京 1 ．莱钢集团莱芜矿业有限公司； 2 ．中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司； 3 ．金属矿山安全与健康国家重点实验室； 4 ．中钢集团山东富全矿业有限公司 总 第5 2 0期 2 0 1 2 年 8月第 8期 摘要针对李官集铁矿的实际情况 ， 运用模糊数学优选采矿 方法原理和层 次分析法， 将采矿 过程 中的各种模糊或主观 因素转化为数 学形式 ， 量化分析各方案的评价指标 ， 使经验决策上升到定 量化 、 科学化的决策水平 ， 最后选择 了点柱式分层充填法， 并通过首采矿段试验取得 了非常好 的效 果 ， 进一步验证 了模糊数学原理优选采矿方法的先进性和科学性。 关键词模糊数学采矿方法点柱式分层充填法 采矿方法对提 高矿石产量 、 降低矿石损失率和 贫化率 、 提高劳动生产率、 降低成本及矿山的安全生 产等有重大影响 ， 采矿方法 的合理与否对矿山的效 益至关重要 ， 甚至关系到矿 山的生存 与发展 。李 官 集铁矿为低 品位铁矿 ， 经济价值相对较低 ， 同时矿山 位于平原地区， 地表为村落和 田地 ， 不允许 塌落 ， 开 采过程中需要进行 保护 ， 加 大 了矿 山的开采难度 。 为了矿山长远 的经济效益和社会利益 ， 非常有必要 进行采矿方法选择的研究。 1 矿 区概况 李官集铁矿位于山东省汶上县郭仓乡北部 的李 官集地区， 矿区及周边均为冲积平原地貌 ， 地面标高 4 O～ 5 0 m， 区域内 自北 向南依次分布有大清河、 小清河 、 小汶河等水系。李官集铁矿为新建矿 山， 设 计 生 产 能 力 1 0 0万 t ／ a ， 采 用 竖 井 开拓 ， 划 分 为 一 3 2 0 、 一 2 2 0和 一1 2 0 m 3个 中段 ， 其 中 一3 2 0 m中 段为生产中段 ， 一2 2 0 m 中段为辅助中段 ，一1 2 0 m 中段为回风中段 ， 矿 山目前基建工作 已经基本完成 ， 进入试生产阶段。 李官集矿 区呈平行状分布有 l 4层矿。其 中 1 矿层规模最大 ， 连续性好 ， 控制走 向长 l 3 6 5 r n ， 见矿 孔最大厚度为 1 0 0 m左右。矿体呈层状 、 似层状 ， 走 向 1 5 2 。 ， 倾 向南西 ， 倾 角为 7 5 。 左 右 ， 受 F ， 断层影 响， 断层附近矿 层倾角变 陡， 达 8 O 。～8 5 。 。矿层整 体厚度较稳定 ， 含夹石。矿石为贫铁矿 ， 可熔铁平均 品位在 2 5 ％左右。 2开采地质条件 矿段 内矿体围岩岩性简单 ， 其底板为构造破碎 陈海远 1 9 7 3 一 ， 男 ， 矿长 ， 工 程师 ， 2 7 1 1 0 0山东省莱 芜市鲁 中 西大 街 7 1号 。 带 ， 岩性为碎裂状黑云变粒岩 ， 破碎带走 向与矿体走 向基本一致 ， 构成矿体的直 接底板 。矿体顶板主要 为条带状含铁角闪石英岩 ， 局部为黑云变粒岩 ， 顶板 岩石的完整性和强度均优于底板岩石。 矿区及周边地区均为冲积平原地貌 ， 地势平坦 ， 北高南低 ， 地面标高 4 5 m左右。第 四系岩性 以亚 黏土类为主， 其次为砂层 、 亚砂土 、 粉土等 ， 其 中砂层 富水性均强 ， 为矿 区的主要 含水层 。泰山群变质岩 系由变粒岩 、 片麻 岩、 片岩 、 石英岩类组成 ， 含裂隙 水 ， 为弱含水层 。 矿床中既无有害气体 、 地热， 也无能引起 自燃或 污染的其他物质。矿区地下水不含有毒、 有害元素， 环境地质条件较好。 3采矿方法选择 3 ． 1 采矿方法选择原理 根据矿山的规划 ， 结合现有 的工程布置情况 ， 参 考借鉴 国内外类似矿山的成 功经验 ， 初选几种 比较 适合的采矿方法 ， 然后采用模糊综合评 判选择采矿 方法的原理 ， 最终确定一种采矿方法 ， 并根据矿山的 实际情况 ， 结合所选 的采矿方法确定具 体方案及合 理的采场结构参数 。在选 择采矿方法 的过程 中， 涉 及到大量的计算 ， 根据模糊数学原理 ， 运用针对采矿 方法选择的 V B开发计算程序进行计算。 模糊综合评判选择采矿方法主要是构造隶属度 矩阵和权重矩阵。隶属度矩阵构造对决策结果至关 重要 ， 隶属度矩阵的数据来源为初选采 矿方法 的经 济指标 ， 因此要对初选采矿方法进行经济指标推测 ， 对于定量指标用线性函数 法确定 ， 对 于定性指标用 二元对 比排序法确定 。权重矩阵的确定带有一定的 随机性 ， 这种随机性 是不可避免 的， 为 了降低 随机 65 总第 5 2 0期 现代矿业 2 0 1 2年 8月第 8期 性 ， 采用层次法确定权重矩 阵， 从而使结果 更为合 理。技术路线见图 1 。 开采技术条件 和矿山现状 图 1技 术路 线 3 ． 2 采矿方法初选 根据其开采技术条件及矿 山现状 ， 参考 国内外 类似矿山 ， 对于小矿体以初步设计推荐 的浅孔 留矿 嗣后充填法为优； 对于 主矿体可选 的采矿方法有 V C R嗣后充填法 、 分段空场 嗣后充填法 、 上 向水平 分层充填法 、 点柱式分层充填法。 3 ． 3采矿方 法终 选 3 ． 3 ． 1 权重 矩阵 采矿方法选择除了适应矿床地质赋存条件确保 生产安全以外 ， 应尽可能提高经济效益和社会效益。 因此选择采矿方法必须考虑很多指标 和因素 ， 而这 些指标和因素的影响程度有大有小 ， 为了能准确地 表现出其影响程度 ， 必须为其加权。在此考虑 的因 素有负指标 采矿成本 A 、 采切比 B 、 损失率 C 和贫化率 D ； 正指标 生产 能力 E 和 采矿工效 F ； 定性指标 安全程度 G 、 通风条件 H 、 工人 对方法的熟悉程度 ， 、 劳动强度 J 和对矿体变化 的适应程度 K 等。 权重合理与否对选择结果有很大影响， 为了使权 重更为合理， 除了请专家对其上各 因素进行赋值外， 还采用层次分析法确定权重。层次结构见图 2 。 图 2 层次结构 根据专家打分表和层次结构 图建立判断矩阵， 运用程序进行计算 ， 得到各判断矩阵结果 ， 见表 1 。 表 1 判断矩 阵计算结果汇总 根据表 1中结果 ， 结合图 2进行整理 ， 得到最终 的权重矩 阵 W w ， w ， w ， w。 ， w ， w ， w wI I ， wI ， ， WK 0 ． 1 1 9 0 ， 0 ． 0 7 3 6 ， 0 ． 1 1 5 6 ， 0． 0 9 4 2，0 ． 0 58 2，0 ． 0 4 0 4，0． 2 0 7 3，0． 0 8 3 2， 0 ． 0 5 3 7 ， 0 ． 0 8 2 7 ， 0 ． 0 7 2 1 。 3 ． 3 ． 2 隶属度矩阵 对于采矿成本 、 采切比、 损失率 、 贫化率 、 生产能 力及采矿工效这些定量指标 ， 其隶属度的计算可按 线性函数法求出。生产能力 、 采矿工效是越大越优 的指标 ， 属正指标 ； 采矿成本 、 采切比 、 损失率和贫化 率是越小越优的指标 ， 属负指标。本次采矿方法研 究的待选采矿方法为 V C R嗣后充填法 、 分段空场嗣 后充填法 、 上向水平分层充填法和点柱式分层充填 法 ， 为书写方便 ， 将 以上 4种采矿方 法分别 以方法 1 、 方法 2、 方法 3和方法 4替代 ， 待选采矿方法定量 指标汇总见表 2 ， 将表 中数据输入计算程序后得 到 其隶属度， 见表 3 。 表 2 待选 采矿 方法定量指标 汇总 表 3 定量指标隶属度 采矿成本采切比损失 率贫化率生产能力 采矿工效 ／ 元／ t ／ m ／ k t ／ ％ ／ ％ ／ 1／ d ／ t ／ 班 至于安全程度 、 通风条件 、 熟悉程度 、 劳动强度 及适应程度等定性指标 ， 目前尚无法对其定量 ， 必须 先对其赋 以模糊定量值 ， 为了克服赋值的片面性及 随意性 ， 请 l 0位有经验的专家针对每一种采矿方法 陈海远 汪 亮等 基于模糊数 学优选采矿方法的研究 2 0 1 2年 8月第 8期 按照非常好 、 比较好 、 稍微好 、 稍微差 、 比较差和非常 差 6个级别分别得 1 0 、 8、 6 、 4、 2 、 0 ， 两两 比较进行 打 分 ， 然后采用二元对 比排 序法 中的优先关系法确定 其隶属度。根据专家打分表 ， 采用程序进行计算 ， 结 果 见 表 4 。 表 4 定性指标隶属度 方法 安全程度通风条件熟 悉程度劳动强度适应程度 经过对正指标 、 负指标及定性指标 的计算 ， 求得 各指标 的隶属度 ， 将其按照顺序组合 ， 得到隶属度矩 阵 ， 见表 5 。 3 ． 3 ． 3采矿方法确定 根据 已经得 到的权重矩 阵和隶属度矩阵 ， 采用 模糊综合评判 4种方法 中的加权平均法进行程序计 算 ， 得到结果见图 3 。 根据模糊数学综合评判原理 ， 以相对选择率最 高的采矿方法做为最优采 矿方法 ， 通过综合评价和 计算 ， 待选采矿方法的选择率 由高到低的排序为 点 柱式分层充填法 、 分段空场嗣后充填法 、 上向分层充 填法和 V C R嗣后充填法 ， 因此点柱式分层充填法为 首选方案。 表 5隶属 度矩阵 图 3模糊 综合评判计算结果 4 首采矿段试验 4 ． 1 试验矿段确定 根据李官集铁矿的开拓现状 和矿体特征 ， 将试 验矿段选在平面范围为 一2线 ～一4 A线 ， 垂深范围 为 ⋯ 3 2 0 2 2 0 m水平的矿体， 该区域距离石门较 近 ， 便于试验的尽早实施 ， 对于整个矿山具有较强的 代表性 ， 最主要的是在该 区域进行采矿方法试验不 影响矿山的投产和今后 的生产计划。 4 ． 2采矿工艺 4 ． 2 ． 1 采场参数 根据试验矿段的矿体条件， 采场沿走向布置， 将 其划分为 4个采场 ， 采场 间保 留 1 0 m问柱 ， 1 和 2 采场矿体厚度相对较小 ， 采 场长度为 9 0 m； 3 和 4 采场矿体 比较厚大， 采场长度为 6 0 m。点柱尺寸为 5 m 5 m， 间距 为 1 5 m 1 5 m。 4 ． 2 ． 2 采切工程布置 在矿体 的上盘布置分段沿脉巷道 ， 分段高度为 1 5 m， 在一分段的上下盘布置沿脉切割巷 ， 切割巷 由 切割横巷连通 ， 分段沿脉巷道与上盘切 割巷道 由出 矿联络道连通 ， 回采上面分层时进行挑顶 ， 挑顶废石 充填 至采场 ； 根据 一3 2 0 m穿脉的位置布置脉 内脉 外 2条溜井 ， 脉外 为掘进溜井 ， 脉 内为顺路溜井 ， 每 个采场布置 4条脉 内充填井 ， 直径为 2 m， 2条介于 四分段 一分段 ， 负责一 、 二 、 三分段的充填 ； 2条介 于 四分段 一一 2 2 0 m， 负责四、 五 、 六分段的充填 。 4 ． 2 ． 3凿岩爆破 采用凿岩台车凿岩， 同时配合使用 Y T ． 2 7凿岩 机。钻凿水平浅孔 ， 排距为 1 ． 0 m， 间距为 0 ． 9 m， 孔 径为 4 3～4 5 m m； 采用导爆 管雷管 ， 起爆器起爆 ， 硝 铵粒状炸药爆破 ， 人工装药。 4 ． 2 ． 4通风 排 险 新鲜风流 由材料设备斜井进入分段巷道 ， 再 由 分段巷道经出矿联络巷道进入采场 ， 污风经充填天 井至 回风巷道 ， 然后进入南段 回风井至 一1 2 0 m 回 风 中段 ， 最后 由北回风井排至地表 。 通风结束后进行撬毛排险， 排除顶帮浮石 ， 在遇 到不稳 固地段时采用锚杆进行加固。在支护同时对 爆落矿堆进行洒水除尘。 4 ． 2 ． 5出 矿 每个分段分 3～ 4次进行凿岩落矿 ， 每次崩落 的 矿石出一部分 ， 剩余 的作为下分层凿岩平台， 整个分 段 落矿 结 束后 再采 用3 m 电动 铲 下 转 第7 0 页 6 7 总第5 2 0期 现代矿业 2 0 1 2年 8月第 8期 合张庄铁矿坚硬基岩层的爆破方法。 设计使用 T 2 2 0水胶炸药 ， 其 主要技术参数为 ①直径 4 5 mm， 炸药密度 1 ． 2～1 ． 3 g ／ e m ， 每卷药重 1 ． 0 k g ， 药卷长 4 0 0 m m， 用于掏槽眼和辅助眼； ②直 径 3 5 m m， 每卷药重 0 ． 6 k g ， 药卷长 5 0 0 m m， 用于周 边眼。为了满足中深孔的起爆 ， 选用 6 m长脚线， 段 别分别为 1 、 3 、 5 、 7 、 9、 1 1 、 1 3的半秒延期导爆管雷管 一段采用毫秒延期导爆管雷管 。采用 大直径深 孔光面、 光底、 锅底 、 弱冲、 减震爆破。采用 二阶直 、 斜眼掏槽 ， 反向连续装药。相关爆破参数见表 3 。 表 3 坚硬岩石爆破参数 图2为北风井原始炮眼布置方案 ， 炮眼深 4 3 0 0 m m， 有效进尺 2 5 5 0 i n to左右 ， 进尺率仅为 5 9 ． 3 ％。 在不改变装 药量 的前提下 ， 在每 4个炮 眼中间打 1 个空炮眼 图 2中虚线 圆孑 L ， 空炮眼不装炸药 ， 为 周 围4个炮眼提供 1个 自由面， 结果有效进尺达到 了 3 9 5 0 m m， 有效进尺率为 9 1 ． 9 ％ ， 大大提高了整 体施工进度 ， 井筒进尺速度提高 2 7 ％左右。 5 结 语 1 通过短段掘砌混合作业方式的对 比 ， 为竖 p 一 一 图 2北风 井炮 眼布 置 井井筒施工作业方式 的选择提供 了一种简单而有效 的分析思路。 2 提 出的机械化配套基本原则及张庄铁矿施 工设备选择标准对各种竖井井筒施工设备的选择具 有重要的参考意义 。 3 坚硬岩石的爆破和钙质黏土的穿越关键技 术对各种矿山的竖井井筒快速施工均具有重要 的指 导意 义。 参考文献 [ 1 ] 代艳青 ， 谷雅楠 ， 连 文 学， 等立井 井筒快速掘进 技 术[ J ] 中 州煤炭 ， 2 0 1 2 2 4 3 45 ． [ 2 ] 李士栋 ， 朱学军．深 立井安全 快速施 工技 术探 讨 [ J J ．中国矿 业 ， 2 0 1 0 9 9 8 1 0 1 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 5 2 8 上接第 6 7页 运机进行 大规模 出矿， 矿石 由铲运 机卸入就近溜井 内， 在 一3 2 0 m 中段穿脉巷道 内采 用震动放矿机装入矿车运至主溜井。 4 ． 2 ． 6 充填 每个分段出矿结束后 ， 将分段联络道封闭 ， 进行 充填作业 ， 每次充填保 留 1～1 ． 5 n l 的空间， 作 为下 一 个分段 回采 的补偿空间。充填完成后 7 d左右 ， 进入下分段回采工作 。 4 ． 3 效果分析 目前部分试验采场 已经 回采超过 2个分段 高 度 ， 根据矿山初步统计 ， 回采率约为 8 1 ． 5 ％ ， 贫化率 仅为 5 ％ ， 与初步设计采矿方法 相 比回采率大 大提 高 ， 贫化率 的降低提高了选矿入矿品位 ， 降低了选矿 7 0 成本 ， 此外矿山的采矿成本和充填成本也 有大幅度 的下降 ， 达到了采矿方法实验 的预期效果。矿山 目 前准备在北矿段进行采切工作 ， 将此方法在全矿进 行推广。 5 结 语 通过运用模糊数学原理和层次分析法 ， 实现了 李官集铁矿采矿方法 的优化选择 ， 并通过首采矿段 试验 ， 取得了良好 的效果 ， 理论 与实践相结合 ， 为点 柱式分层充填法在全矿推广应用提供 了直接依据 ， 同时也证明了模糊数学原理优选采矿方法的科学性 和先进性 ， 为今后其他矿山提供了有利参考。 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 5 ． 2 8