基于灰关联分析法的采矿方法优选.pdf

S e rie s No ． 3 9 7 J u l y 2 0 0 9 金 砥 灿 METAL MI NE 总 第3 9 7 期 2 0 0 9 年 第7期 基于灰关联 分析 法的采矿 方 法优 选 木 王新民 谢盛青 赵彬 张钦礼 中南大学 摘要运用灰色关联分析法对新桥硫铁矿提出的3种采矿方法进行优化选择； 将影响采矿方法的因素分为 经济指标、 安全指标、 资源利用率、 技术指标 4大类； 最终得出3种采矿方法的关联度依次为 0 ． 8 6 5 ， 0 ． 7 5 ， 0 ． 7 1 2 ， 因 此选择方法一， 即上向水平分层胶结充填法。矿山实践表明， 灰色关联理论能够较好地进行采矿方法选择， 且得出 了 比较科学的分 析结果 。 关键词 灰 色关联理论灰 色关联度优选采矿方法 Opt i ma l S e l e c t i o n o f t he M i ni ng M e t ho d Ba s e d o n Gr e y Re l at i o n a l M e t h o d Wa n g X i n mi n X i e S h e n g q i n g Z h a o B i n Z h a n g Q i n l i C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y Abs t r a c t Gr e y r e l a t i o n a l a na l y s i s wa s u s e d i n t he o p t i mal s e l e c t i o n o f t h r e e mi n i n g me t h od s p r o p o s e d f o r Xi nq i a o Py r i t e Mi n e ．T h e f a c t o r s i n fl u e n c i n g t h e mi n i n g me t h o d w e r e c l a s s i fi e d i n t o f o u r c a t e g o ri e s e c o n o mi c i n d i c a t o r s ，s a f e t y i n d i c a t o r s，r e s o u r c e u t i l i z a t i o n r a t e a nd t e c hn i c al i n di c a t o r s ．T he r e l a t i o n al de g r e e s o f t h e t h r e e mi n i n g me t h o d s we r e f o u nd t o b e 0 ． 8 6 5，0 ． 7 5 a n d 0． 7 1 2 a n d a s a r e s u l t ，t h e 1 s t me t h o d wa s s e l e c t e d，w h i c h w a s u p wa r d h o riz o n t a l s l i c i n g - c e me n t e d fi l l i n g me t h o d ．T h e mi n e p r a c t i c e s h o w s t h a t g r e y r e l a t i o n al t h e o r y c a n w e l l s e l e c t the mi n i n g me tho d a n d o b t a i n a mo r e s c i e n t i fic a n a l y s i s r e s u h． Ke y wo r d s G r e y r e l a t i o n al t h e o ry ， G r e y r e l a t i o n al d e g r e e， O p t i mu m s e l e c t i o n， Mi n i n g me tho d 采矿方法选择 的影响因素繁多 ， 传统方法往往 只是根据一两个指标就确定最佳方案 ， 具有很大 的 主观性 。特别是矿床开采的技术条件较复杂时 ， 供 选择的采矿方法在技术经济条件差异不是很明显条 件下 ， 传统的选择方法无法实现优选 J 。将灰色关 联分析法应用于采 矿方法优选 中， 只需准备有 限的 技术经济指标 ， 而且能够解决工作量大、 片面性等传 统选择方法的技术 问题 ， 从而得 出全面 的整体 的分 析结果 。 1 灰色关联分析过程 灰色系统理论认为任何随机过程都是在一定幅 值范围、 一定时 区内变化 。通过原始数据 的整理来 寻找数的规律 ， 即叫数 的生成 ， 这是一种就数找数的 现实规律的途径。尽管客观系统表象复杂 ， 数据离 乱 ， 但灰色系统认为 ， 客观系统必然潜藏着某种内在 规律。关键在于要用适 当方式去挖掘它 ， 然后利用 它。作为一个发展变化的灰色系统， 关联度分析事 实上是动态过程发展态势 的量化分析 ， 也是发展态 势的量化 比较分析。关联度是指 2个系统或 2个因 素间关联性大小的量度。它描述 了系统发展过程中 相对变化的情况 ， 如果两者在相对变化上基本一致 ， 则认为两者关联度大 ； 反之， 则关联度小 。其分 析过程如下 1 收集关联数据 包括量化和半量化指标 进 行 白化处理； 2 对 白化处理后 的原始数据做数据变换 ， 其 方法有初值化处理、 均值化处理、 区间值化处理和归 一 化处理 ； 3 求差序列 A m f 、I 0 k 一 k l i 1 ， 2， ⋯ ， k 1 ， 2， ⋯ ； 1 4 求两极最大差与最小差 △ m x x 一9 C i I ， ⋯ l ，， 、 A i mi n m ．i n l o k 一 k l ； 5 对每个指标求关联系数 国家科技支撑计划课题 编号 2 0 0 6 B A B 0 2 A 0 3 。 王新 民 1 9 5 7 一 ， 男 ， 中南大学资 源与安全 工程学 院， 教 授 ， 博士生 导师 ， 4 1 0 0 8 3湖南省长沙市岳麓 山。 王新民等 基于灰关联分析 法的采矿方法优选 2 0 0 9年第 7期 一垒 竺 垒 ． ， 一 r 0． 54 ’ 6 计算每个方案数列 一组指标 的关联度 1 r ∑ 1 2一 ， n ； 4 ’ 1 7 根据关联度的大小排序 ， 其 中关联度最大 方案的指标数列与参考数列最为相似 ， 其方案为最 优方案 ， 即 R ma x l 1 ， 2 ， ⋯， n} ． 5 2 应用 实例 2 ． 1 开采技术条件 安徽省铜陵市新桥硫铁矿是一座以硫为主 ， 伴 生铜 、 金 、 银 、 铁 、 铅 、 锌等多种金属元素 的大型露天 地下联合开采的矿山， 其勘探 8线以东矿体靠近铁 路、 公路、 河流及东部露采边坡 ， 是典型的“ 三下 ” 难 采矿体 ， 含有近 2 0 0 0 k t 品位较高铜硫矿石 ， 在前期 开采中未考虑回收。随着铜、 硫价格不断升高， 该部 分高品质的铜硫矿床的回收， 对提高资源回收率和 矿山经济效益具有重要意义。该部分矿石主要为黄 铁矿、 局部为含铜黄铁矿 ， 多呈致密块状 ， 稳定性好 ； 底板为高骊 山组砂 页岩 ， 稳 固性好 ； 顶板为黄龙灰 岩 、 船山灰岩 ， 无破 碎带 ， 较稳 固。矿体走 向长约 2 1 0 m， 平均倾角为 4 8 。 ， 平均真厚为 2 0 m， 最浅埋深 距地 表仅为 1 2 m。矿 区内铁路专线几乎与矿体 同 走向， 距矿体最近处仅为 4 0 m； 而且大部分矿体直 接出露于露天开采边坡 。必须选择合理 的开采方 式， 以控制地表变形， 提高铁路专线、 公路、 河流及边 坡的安全性。 2 ． 2 采矿方法的提 出及评价 提出了 3种采矿方法 上盘采准 作为待定方 案。 1 上向水平分层胶结充填法 见图 1 。将阶 段矿体沿走向划分为矿房 8 m 和矿柱 8 m 及 问 柱 4 m ， 采场垂直于矿体走 向布置 ， 长度为 2 7 m， 阶段高度为 2 4 m。首先 以水平分层形式回采矿柱 ， 用 1 4江砂胶结充填料或 1 2 6的水泥 、 粉煤灰 、 江 砂胶结充填料充填， 形成人工矿柱 ， 然后在人工矿柱 保护下用同样的回采工艺 回采矿房 ， 用 1 6 ～ 1 8 江砂胶结充填料或 1 2 8的水泥、 粉煤灰、 江砂 胶结充填料充填。 2 上向水平进路沿 矿体走 向布置充填法 见 图 2 。将 阶段 2 4 m 内矿 体沿走 向划分 成矿块 1 0 0 m ， 并分层 3 m ， 在各个分层 内从垂直于矿 体走向布置在矿块中央的分层进路沿矿体走 向两翼 掘进进路采场进行回采。同一分层的进路采场采用 间隔 回采的方式 ， 第 1步采场空区用 1 4江砂胶结 充填料或 1 2 6的水泥、 粉煤灰 、 江砂胶结充填料充 填； 第 2步采场空区用 1 6 ～ 1 8 江砂胶结充填 料或 1 2 8的水泥 、 粉煤灰 、 江砂胶结充填料充填。 回采过程中， 采用光 面爆破崩落矿石 。待整个分层 进路 回采充填结束后 ， 密闭、 充填联络道 ， 统一升层 。 -3I 图 1 上向水平分层胶结充填法 1 一 阶段平巷 ； 2 一斜坡道 ； 3 一分段平巷 ； 、 4 一装矿横巷 ； 5 一 采场联络道 ； 6 一卸矿横巷 7 一溜井 ； 8 一充填 回风井 ； 9 一充填体 _ J I 图 2沿矿体走 向布置 充填法 图例与图 1的同 3 上 向水平进 路垂直矿 体走 向布置充 填法 见图3 。将阶段 2 4 m 沿矿体走向划分成矿块 1 0 0 m长 ， 矿块间留 1 5 2 0 m左 右的矿石间柱。 阶段进行分层 ， 在各分层 内垂直于矿体走 向掘进进 路 回采 ， 在矿块的两翼布设 2条充填回风天井加强 通风效果 。其它方面的特征与方案 2相同。 2 ． 3 灰色关联及结果分析 评价采矿方法优劣的指标很多 ， 如贫化率 、 损失 率、 采切 比、 劳动生产率 、 主要材料 消耗、 采矿成本、 安全程度 、 劳动条件 、 工艺复杂程度 、 机械化程度、 矿 山技术水平、 设备的供应情况等。在采矿方法优选 时 ， 必须加 以综合考虑， 用传统的方法对上述指标进 行分析 比较时 ， 由于指标多 ， 难以考虑全面。为了增 大采矿方法优选的可靠性 ， 减少不必要 的考虑因素， ． 1 1 ． 总第 3 9 7期 金 属 矿 山 2 0 0 9年第7期 本研究借鉴层次分析原理 ， 对 目标进行逐层分解、 使 同层次的元素其含义互不交叉 ， 相邻上 、 下层元素之 间为递推隶属关系 ， 形成如图 4所示的递阶层次结 构 。从而得出综合技术经济指标 ， 如表 1 。 鋈一 ，三 Ⅱ一 Ⅱ 一j 图3 垂直矿体走向布置充填法 图例与图1的同 表 1 各方案的指标 采用 白化函数将表 1中灰数进行 白化 ， 对半量 化指标按 5个灰类进行灰色聚类 ， 采用评分的求法 进行 。 第 1 类 差 评分为 2 ； 第 2类 较差 复杂 评分为 4 ； 第 3类 中等 易评分为 6 ； 第 4类 较好 简单 评分为 8 ； 2 70 1 2 0 2 0． 8 7 2 1 6 1 2 0 2 4 27 0 1 0 0 2 0． 8 7 2o 0 1 0 0 2 O． 8 7 第 5类 好 简单 评分为 l 0 。 通过白化处理后的白化数据如表 2所示。 最新采矿方法 安全 指 标 经济 指 标 技术 指 标 资源 利用 壶 国 图 围 困豳匿 表 2白化数据 5 9． 3 2 1 0 1 0 6] 5 2 5 ． 7 5 1 0 1 0 6 I 5 9 ． 3 2 1 0 4 6 l ’ 5 3 7． 6 9 】 0 8 6 r1． 2 9 3 4． 61 7 2． 0 5 0． 3 5 7 0． 08 6 0． 1 5 9 0． 1 71 0． 1 71 I 1 ． 3 8 5 3 ． 9 5 3 2 ． 1 9 6 0 ． 4 3 9 0 ． 0 9 2 0 ． 4 7 1 0 ． 1 8 3 0 ． 1 8 3 一l 1 ． 5 1 0 4 ． 7 5 2 1 ． 7 6 0 0 ． 3 6 7 0 ． 0 8 8 0 ． 6 6 3 0 ． 1 7 6 0 ． 0 7 0 1． 6 2 8 3． 8 1． 9 0 0 0． 3 9 7 0． 0 9 5 0． 71 6 0．1 9 0 0．1 5 2 1 2 7 7 7 7 ● ● ● ● 5 5 5 5 7 7 8 8 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． L y 页 2 3 第 转 ． ． ， 一 1 ●●●●●●●●J 3 O 6 4 0 l O l 0 0 O 0 总第 3 9 7期 金 属 矿 山 2 0 0 9年第 7期 已回采铁矿石近百万吨， 通过运用光纤传感技术对 已采矿房顶板帷幕层进行连续动态监测 地压、 岩 移、 温度等 ， 未发现有大的沉降变形 ， 现场跟踪观 察无涌水等异常现象。预控顶及预裂爆破措施保障 了出矿安全 ， 预拉切及 中深孔微差逐孔爆破落矿方 式减轻了大爆破对顶板帷幕的破坏 ， 接顶充填体与 其包裹着的间柱相互结合对矿体顶板及上盘围岩实 施有效支撑 ， 从而避免 了帷幕保护层的断裂破坏 ， 较 好地满足了大水矿山倾斜帷幕下的采矿要求 。 参考文献 [ 2] 张省军 ， 唐春安 ， 王在泉 ．矿山注浆堵水帷幕稳定性监测方法 的研究与进展[ J ] ．金属矿山， 2 0 0 8 9 8 4 - 8 6 ． 白聚波， 许柏青， 周辉峰， 等． 矿山帷幕注浆及其效果测试[ J ] ．金属矿山 ， 2 0 0 8 5 8 3 - 8 5 ． 收稿 E l 期2 O O 9 - O 5 - 2 O 上接第 1 2页 第 2步， 求差序列 由式 1 可得 △ 0 1 f 0 ． 0 9 2 ， 0 ． 6 6 4 ， 0 ． 1 4 6， 0 ． 0 8 2 ， 0 ． 0 0 2 ， 0 ． 0 0 2 ， 0 ． 0 0 2 ， 0 ． 0 0 2 ， 0 ． 0 0 2 ， △ o 2 f 0 ． 2 1 7， 0 ． 1 3 5 ， 0 ． 2 9 0 ， 0 ． O 1 ， 0 ． 0 0 2， 0 ． 5 0 4， 0 ． 0 0 5 ， 0 ． 1 0 1 ， 0 ． 0 0 3 ， △ 0 3 ㈨n-- - 0 ． 3 3 5 ， 0 ． 8 1 7 ， 0 ． 1 5 ， 0 ． 0 4 ， 0 ． 0 0 9 ， 0 ． 5 5 7， 0 ． 0 1 9 ， 0 ． 0 1 9 ， 0 ． O 1 1 ； 第 3步 ， 求两极最大差与最小差 △ i mi n m ．i n l 0 一 I ra i n 0 ． 0 0 2 ， 0 ． 0 2 ， 0 ． 0 0 9 0 ． 0 0 2 ， 厂0 8 2 0 0 3 8 3 0 7 41 0 8 3 7 l 0 ． 4 5 6 0 ． 5 8 9 0 ． 3 9 7 1 ． 0 6 5 L 0 ．5 6 2 0 ． 3 41 0 ． 7 48 o ． 9 31 第 5步， 关联度计算 1 0 ． 8 65， 2 0 ． 7 50， 3 0 ． 71 2， 由式 5 得 R 0 ． 8 6 5 。 则方案的优劣次序为方案 1方案 2方案 3 ， 即方案 1 上 向分层水平充填法 的各项指标与最优 指标最为接近， 所以确定方案 1为最优方案 ， 其次是 关联度次之的方案 2 J 。 3 结论 本研究选取对采矿方法 的优选影响较大 的因 素， 从经济角度上选取采充总成本、 采切 比； 从安全 角度上选取采空区最大暴露面积、 通风条件 ； 从资源 利用率选取损失率、 贫化率； 从技术指标上选取采场 生产能力 、 方案灵活度 、 实施难易程度等。多方面考 虑对采矿方法的各种影 响因素 ， 通过使用灰色关联 法进行关联度分析 ， 从而得出最优采矿方法。实践 表明 ， 通过这种数学模型选择 的采矿方法是可行的， 3 2 A ma x m ．a x l 0 一 |j} I ma x 0 ． 6 6 4 ， 0 ． 2 9 0 ， 0 ． 8 1 7 0 ． 8 1 7 ； 第 4步 ， 关联系数计算 结合上述所得 ， 由式 3 得 1 0 ． 8 2 0 ， 0 ． 3 8 3 ， 0 ． 7 4 1 ， 0 ． 8 3 7 ， 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， 2 O ． 4 5 6， 0 ． 5 8 9 ， 0 ． 3 7 9 ， 1 ． 0 6 5 ， 1 ． 1 2 2 ， 0 ． 2 5 4， 1 ． 1 0 0， 0 ． 6 7 1 ， 1 ． 1 1 5 ， 3 0 ． 5 6 2， 0 ． 3 4 1 ， 0 ． 7 4 8 ， 0 ． 9 3 1 ， 1 ， 0 ． 4 3 2 ， 0 ． 6 9 8 ， 0 ． 6 9 8 ， 0 ． 9 9 5 ， 得关联系数矩 阵 1 1 1 1 1 ] 1 ． 1 2 2 0 ． 2 5 4 1 ． 1 0 0 0 ． 6 7 1 1 ． 1 1 5 1 ． 1 0． 43 2 0． 6 9 8 0． 6 9 8 0． 99 5 其综合技术经济指标也优于类似矿山。 谢贤平 ， 杨鹏．采矿方法设计方案 的评价与选择 [ J ] ． 黄金 ， 1 9 9 6， 1 7 6 1 5 1 8 ． 易德生 ， 郭萍． 灰色 理论 与方 法 [ M] ． 北京 工业 出版 社， 1 9 9 2 ． 邓 聚龙． 灰色系统理论教 程[ M] ． 华中理工大学出版社 ， 1 9 9 0 ． 陈 E t 辉 ， 熊 大 民．灰关 联分 析法 在采 矿 方法优 选 中 的应 用 [ J ] ． 云南冶金 ， 2 0 0 2 ， 3 1 4 6 1 4 ． 胡家国 ， 范平 之． 粉煤 灰 细砂 胶结 充填在 新桥硫 铁矿 的应用 [ J ] ． 岳阳师范学院学报 自然科学版 ， 2 0 0 1 ， 1 4 4 4 4 _ 4 7 ． 刘家学．时序多指标决策的灰色关联分析法[ J ] ．运筹与管 理 ， 1 9 9 7 ， 6 3 6 1 0 ． 吕锋， 崔晓辉．多目 标决策灰色关联投影法及其应用[ J ] ． 系统工程理论与实践 ， 2 0 0 1 1 1 0 3 1 0 7 ． Z h a J i mu a o ． G r e y r e l a t i o n a l m a t r i x a n a l y s i s g r e y j u d g e me n t m o d e l [ J ] ． T h e J o u rn a l O f G r e y S y s t e m ， 1 9 9 5 ， 7 4 3 2 3 - 3 3 0 ． 收稿 日期2 0 0 9 - 0 5 1 0 i i 1 J 1 J