基于模糊数学分析的苍山铁矿采矿方法选择.pdf

S e r i a l NO ． 55 5 J u l y ． 2 0 1 5 现代矿业 M0DERN MI NI NG 采 矿 工 程 总 第 5 5 5 期 2 0 1 5 - 7月第 7期 基于模糊数学分析的苍山铁矿采矿方法选择 白 银 王 星 杨 家冕 1 ． 西安建筑科技大学管理学院； 2 ． 中钢集 团山东矿业有限公司； 3 ． 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；4 ． 金属矿山安全与健康国家重点实验室； 5 ． 华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司 摘要根据 中钢集团山东矿业有限公 司苍 山铁矿的矿床赋存地质条件、 开采技术条件及周 边环境要求， 采用经验类比法进行采矿方法的初步选择 ， 并对各采矿方法作经济技 术分析 ， 进而采 用模糊数学分析方法进行各采矿方法影响因素的模糊评判， 将影响因素进行隶属度和权重值的量 化分析， 确定了该矿经济合理的采矿方法， 为其他类似矿山采矿方法的量化选择提供了参考。 关键词模糊数 学采矿方法优化选择 M i n i ng M e t ho d S e l e c t i o n of Ca ng s ha n M i n e Ba s e d o n Fu z z y M a t he m a t i c a l Ana l ys i s B a i Yi n ， Wa n g Xi n g ， ， Ya n g J i a mi a n 。 ， ， 1 ． S c h o o l o f Ma n a g e m e n t X i h n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ； 2 ． S i n o s t e e l S h a n d o n g Mi n i n g Co ．，Lt d．； 3． S i n o s t e e l Ma a n s h a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g Re s e a r c h Co ．， Lt d．；4． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f S a f e t y a n d He a l t h f o r Me t a l Mi n e s 5． Hua we i Na t i o n a l En g i ne e rin g Re s e a r c h Ce n t e r o f Hi g h E f fi c i e n c y C y c l i c U t i l i z a t i o n o f Me t a l Mi n e r a l R e s o u r c e s C o ． ， L t d ． Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e o r e d e p o s i t g e o l o g i c a l c o nd i t i o n s ，mi n i n g t e c h ni c a l c o n d i t i o n s a nd t h e r e q u i r e me n t s o f t h e s u r r o u n d i n g e n v i r o n me n t o f C a n g s h a n Mi n e b e l o n g s t o S i n o s t e e l S h a n d o n g Mi n i n g Co ．，I t d．，f i r s hy t h e e x pe rie n c e a n a l o gy me t h o d i s a d o p t e d t o s e l e c t t he mi n i n g me t h o d pr e l i mi n a ry a n d t he e c o n o mi c a n d t e c h n i c a l a n a l y s i s o f mi n i n g me t h o d s a r e c a r r i e d o u t ；t h e n，t h e a n a l y s i s me t ho d o f f u z z y ma t h e ma t i c s i S a d o pt e d t o c o n d uc t f u z z y e v a l ua t i o n o f i n flu e n c e f a c t o r s o f t h e mi n i n g me t h o d s．t h e i n f l u e n c e f a c t o r s a r e c o n d u c t e d me mb e r s h i p de g r e e a n a l y s i s a n d q u a nt i t a t i v e a n a l y s i s o f we i g h t v a l u e S O a s t o de t e r mi n e e c o n o mi c a n d r e a s o n a b l e mi n i n g me t ho d，t o p r o v i d e r e f e r e n c e for t h e q u a n t i t a t i v e s e l e c t i o n o f mi n i n g me t h o d i n t h e s i mi l a r mi ne s ． Ke y wor ds F u z z y ma t h e ma t i c s，Mi n i n g me t h o d，Op t i mi z a t i o n s e l e c t i o n 中钢集 团山东矿业有限公 司苍山铁矿位于山东 省临沂市兰陵县 与枣庄市 交界处 ， 地理坐标东 经 1 1 7 。 4 5 2 2 ”～1 1 7 。 4 7 0 9 ” ， 北纬 3 4 。 5 0 5 9 ” 一3 4 。 5 1 5 7 。苍山铁矿属典型的鞍山式沉积变质型矿床 ， 属 于缓倾斜 ～倾斜， 薄 一中厚矿体， 厚度一般 4 2 5 m， 走 向长度近 2 k m。矿体围岩主要 为磁铁角闪 片岩 、 黑云母角闪片岩 、 条带状磁铁云母角闪石英片 岩 。区内主要分布泰 山群山草峪组及震旦系 ， 其次 白 银 1 9 7 2 一 ， 男 ， 主 任 助 理 ， 高级 工 程 师 ， 硕 士研 究 生 2 7 7 7 0 0山东省临沂市兰陵县。 为寒武系及第四系地层。依据其富水性、 渗透性不 同， 分为第四系孔 隙潜水 区 、 盖层裂隙 岩溶 水 区 和基底裂隙潜水区。 1 矿床规模及矿体特征 依据资源储量核实的工业标准， 矿区共圈定了 3 个矿体， 其中Ⅱ 、 Ⅲ 矿体规模较大， Ⅱ ． 1 矿体为 小矿体 。矿体赋存于石闫背斜第一含矿带 Ⅱ 及 Ⅲ 含矿层 中， 其形态 、 产状 、 规模受其控制。 1 Ⅱ 矿体特征。 Ⅱ 矿体为主矿体 ， 占查 明资 源量的 5 6 ％。矿体有 2 9个勘探钻孔控制 ， 分 布于 3 O～ 5 8勘探线 、 0～一 3 1 0 m标 高， 长 2 5 9 2 m， 埋深 1 总第5 5 5期 现代矿业 2 0 1 5年 7月第7期 1 1 0～ 2 3 0 m。矿体 走 向 2 9 0 。 ， 无倾伏 现象 ， 两翼倾 角 1 0 。～3 5 。 ， 矿体最大厚度2 8 ． 8 9 m， 最小厚度 4 ． 2 2 m， 平均厚度 1 2 ． 0 3 m， 厚度变化系数 4 8 ． 3 ％ ， 矿体形态简单 ， 沿走 向 自西向东变薄。矿体平均品 位 3 2 ． 7 8 ％ ， 属有用组分均匀型矿体。 2 m 矿体地质特征。Ⅲ 矿体位于 Ⅱ 矿体上 盘， 两者间距 1 0～2 0 m， 最 大 3 0 m， 其 相对规模较 小 ， 占矿床查 明资源量 的 3 9 ． 1 ％。矿体有 2 4个钻 孔控制 ， 分布于 3 O～ 5 6勘探线 、 2 0～一 2 6 5 m标高。 矿体走 向长 2 4 9 2 m， 埋深 9 0～1 7 0 m。走 向 2 9 0 。 ， 北翼倾角 5 0 。 ， 南翼倾 角 3 0 。 。矿体平 均厚度 为 9 ． 5 3 m， 矿 层 厚 度 由东 向西 变 厚 ， 平 均 品 位 为 3 1 ． 7 5 ％ ， 品位变化系数 1 4 ％ ， 属有用组分均匀型矿 体。 2 采矿方法初选 苍山铁矿属于缓倾斜一倾斜矿体， 矿山设计规 模为 2 0 0万 t ／ a ， 在凿岩矿石运搬和采场顶板管理方 面均存在难题。根据矿床赋存 、 开采技术 以及矿区 周边不允 许塌 陷等条件 ， 借 鉴 国内外类 似矿 山经 验【 1 1 ， 初选上 向分层充填 法、 房柱嗣后充 填采矿法 和点柱充填采矿法开采。 2 ． 1 上向分层充填采矿法 矿山阶段高为5 0 m， 在阶段内进行盘区划分， 盘区宽度 6 0 m， 长度为矿体厚度 ， 盘区间矿柱宽度 5 ． 5 m， 顶柱高度 4 ． 5 m。沿走 向划分矿房和矿柱 ， 矿房宽度 1 4 m， 矿柱宽度 1 2 m。主要采切工程有运 输平巷、 分段联络巷 、 溜井 、 人行泄水井、 充填回风井 等。采用铲运机出矿。 2 ． 2 房柱嗣后充填采矿法 在阶段 内部划分矿块 ， 矿块 中再划分矿房和矿 柱 ， 采 场 长度 一般 为 阶段 内矿体 斜长 ， 矿 柱 宽度 1 2 m， 矿房宽度 1 5 m， 不 留设顶柱。矿块 内分两步 骤 回采 ， 一步骤 回采矿柱 ， 胶结充填之后进行二步骤 矿房回采 ， 采用全尾砂充填。主要采切工程有下盘 沿脉运输巷 、 联络道、 通风人行天井等。 2 ． 3 点柱充填采矿法 阶段划分之后， 在其内部划分采区， 从采区一侧 向另一侧推进回采 ， 采区之 间留设连续性矿柱作为 各采区顶板支撑 ， 在采区的暴露顶板下进行分层 回 采。采 区沿走 向布置 ， 长度 2 0 0 m， 连续 矿柱宽 度 一 1 8 m ，顶柱厚度 6 m， 点柱尺寸 3 ． 5 m 3 ． 5 m， 分层 控顶高度 8 m， 每次回采分层高度 6 m， 充填之后预 2 留2 m作为上分层回采时的作业空间。主要的采切 工程有采区斜坡道、 联络道、 矿石溜井 、 人行泄水 井 和充填回风井等 。 2 ． 4采矿经济技术指标 各采矿方法的经济技术指标见表 1 。 表 1 各采矿方法的经济技术指标 采 矿 方 法 采 昌矿 收 率 3 模糊数学分析 根据表 1中的经济技术指标 ， 采用模糊数学的 分析方法进行各采矿方法 的优劣评判 ， 进而优选采 矿方法。 3 ． 1 各影响因素的隶属函数 采用 0～1的数字反应采矿方法中各影 响因素 对于整个集合的隶属程度 ， 对于定量指标 ， 采用线性 函数进行隶属度计算 ， 对于定性指标 ， 采用二元对 比 法进行隶属度计算。 3 ． 1 ． 1 定 量指 标的线 性 函数法 采用线性函数计算法计算采矿方法中定量指标 的隶属度 ， ㈩ 或 f y 1一 ， 2 J j ma x 式中， ， 为第 i 种采矿方法的第 个指标的隶属度； 为第 i 种采矿方法的第 个指标值 ； 厶 为各采矿 方法 指标 的最大值。 式 1 用于正指标隶属度的计算 ， 式 2 用于负 指标隶属度的计算 。 各采矿方法中各因素的定量指标隶属度见表 2。 表 2 采矿方法 中各 因素定量指标隶属度 采 矿方法采场 ／ 生产 t ／ d 昌矿 收 率 白银王星等 基 于模糊数 学分析的苍山铁矿采矿方法选择 2 0 1 5年 7月第 7期 3 ． 1 ． 2 定性指标的二元对比法 对于无 法量化的指标 ， 采用二元对 比排序法确 定其隶属函数。设定域 U{ u ， ， ⋯， u } ， 以 C 表 示 与 相 比时 的优越程度 ， 有 C 0 表示 U 与 U 相 比无优越性 ； 0≤C ≤1 表示 C 在 [ 0 ， 1 ] 上取值 ， 如果 U 比 ， 绝对优越 ， 则 C 1 ， 反之 C ， 0 ； C c 1 表示 U 对 的优越性与 对 的优越性之和为 1 。 隶属度计算 Ru r ／ j 壹 1c 矿 3 根据工程实际及初选采矿方法 ， 定性指标主要 考虑安全状况 ， 定量指标 中考虑的有安全状况和对 矿体的适应程度。对这两个因素从最差到极好进行 等级评判 ， 对应的打分为 0～1 ， 得 到打分表之后进 行定性指标的隶属度计算。各采矿方法 中的定量指 标和定性指标 的隶属度见表 3一表 6 。 表 3安全 状况打分 表 4 对矿体适应程度打分 项 目 上 向分层 房柱嗣后 点柱矿 充填采矿法 充填采矿法 充填采矿法 表 6 采矿方法 中定量指标和定性指标隶属度 生季 力 采 切 比回 收 率 蒺 鑫 o_ 5 4 2 9 0_ 2 3 85 1 ． 0 0 0 0 0． 1 5 9 4 0_ 3 6 0 0【 - 3 o 33 ⋯ 6 2 。0 ． 97 3 4 o s 。。 0． 2 5 3 s ．0 0 0 0 6 4 0． 9 5 4 9 3 3 s 。． s 3 ． 2 各影响因素的权重 为了区分重要 因素和次要因素对于采矿方法选 择的影响程度 ， 在模糊评判 中， 采用对各因素赋予权 重的方法进行量化分析。 3 ． 2 ． 1 构造各因素的判断矩阵 构 造各 因素 的判 断矩 阵为 X 4 式中， 为指标 对指标 x j 的重要程度值 ， 且满 足 1， 1 ， 、 1 ， 2 ， ⋯ ， n c 各影响因素的判断矩阵见表 7 。 表 7 各影响 因素的判断矩阵 3 ． 2 ． 2 权重计算 置 “／ I Zl x , 、 1 ，2 ， ⋯ ． 5 根据判断矩阵和权重计算方法 ， 得到各 因素 的 权重值 ， 经归一化处理之后见表 8 。 表 8 各影响因素的权重值 4 采矿方法终选 根据 以上计算分析 ， 得到 了各 因素的隶属度矩 阵和权重矩 阵， 隶属度矩 阵记为 R， 权重矩 阵记为 W R 0 ． 5 42 9 0 ． 23 8 5 1 ． 00 0 0 0 ．1 5 9 4 0 ．3 6 0 0 0． 3 0 3 3 0 ． 62 8 6 0 ． 00 0 0 0 ． 97 3 4 0 ． 00 0 0 0 ． 33 0 0 0． 25 3 3 1 ． 0 0 0 0 0 ． 56 4 9 0 ． 95 4 9 0 ．3 3 3 3 0 ． 3l O 0 0． 44 3 3 W l 0 ． 1 1 0 ． 1 8 0 ． 0 8 0 ． 1 7 0 ． 4 2 0 ． 0 5 ]． 根据模糊评判方法 ， 采矿方法 的计算选择率为 A W R [ 0 ． 3 7 1 8 0 ． 2 9 5 4 0 ． 4 9 0 6 ]． 将计算选择率进行归一化处理 ， 得到了各采矿 方法的选择率 ， 见表 9 。 综上所述 ， 点柱充填采矿法的选择率最高 ， 为本 次采矿方法选择的终选方案。 下转第 1 3页 3 n n n 李仲 勋王义等 矿 山工程安全评价方法的探讨 2 0 1 5年 7月第7期 3 ． 1 运输上 山危险性评价 根据 已知条件和表 2 ， 当 g 2， L 2， a 2 ， s 2 时， 由表 1分别计算 瓦斯爆 炸危险性评价 函数 F 。 1 2， 煤与瓦斯突出危 险性评 价函数 F 。 。1 2 ， 由表 3可知 ， 上山在接近断层破碎带时 ， 瓦斯爆炸处于极 度危险状态， 煤与瓦斯突出亦处于极度危险状态 ； 当 g1 ， L 2 ， a2 ， S 2时 ， 计算水灾危险性评价 函 数 F w6 ， 由表 3可知， 上山在接近断层破碎带时 ， 水灾处于危险状态； 当L 2 ， a 2 ， S 2时， 计算火 灾危险性评价函数 F 6 ， 由表 3可知 ， 上山在接近 断层破碎带时 ， 火灾处于高度危险状态 ； 当 g 2， L 2， a2时， 分别计算 冒顶危 险性评 价 函数 F 8 ， 片帮危险性评价函数 F 8， 由表 3可知 ， 上 山在 接近断层破碎带时， 冒顶处于高度危险状态 ， 片帮也 处于高度危险状态。 3 ． 2运输上山危险性评价分析 根据上述计算结果 该上 山掘进至断层破 碎带 时 ， 瓦斯爆炸 、 煤与瓦斯 突出、 水灾 、 火灾 、 冒顶处 和 片帮均处于高度危险状态。 从现场反馈的信息来看 ， 该上山掘进至断层破 碎带时 ， 工作面存在瓦斯动力现象， 且工作面局部地 方存在瓦斯积聚 ， 该工作面处于瓦斯爆炸 、 煤与瓦斯 突出、 水害 、 冒顶和片帮等危险中 ， 且最易发生 瓦斯 灾害。为了防止工作面出现 冒顶和片帮事故 ， 采用 了锚索和喷射混泥土等联合支护 ， 为了防止出现水 灾事故 ， 注浆封堵 了工作面裂隙和孔洞。 4 结语 分析 了矿山工程面临的主要灾害 ， 并分别建立 了安全评价函数 ， 确立 了安全评价因子 以及危险性 分级。实践表明 所建立 的安全评价方法 的评价结 果与贵州某矿 5 煤层底板运输上 山的现场 情况一 致 ， 证明了此种安全评价方法的科学性和可靠性 ， 可 为类似地质条件 的巷道施工安全评价提供参考。 参考文献 [ 1 ] 张俊敏． 煤矿安全评价的几个问题探讨[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 o o 3 ， 3 o 5 3 0 - 3 1 ， 4 4． [ 2 ] 刘 栋 ， 钟 永 明． 煤矿安 全评价 问题 [ J ] ． 煤 炭技 术， 2 0 0 7 ， 2 6 6 6 2 ． [ 3 ] 孙猛 ， 吴 宗之 ， 张宏元． 煤矿 重大危 险源辨 识评价 若干 问题 的研究与探讨 [ J ] ． 中国安全科 学学报 ， 2 0 0 3， 1 3 5 3 5 - 3 7 ． [ 4 ] 王 轩 ． 煤 矿 瓦 斯概 率 风 险评 价 方 法研 究 [ J ] ． 中 国煤 炭 ， 2 0 1 1 ， 3 7 1 0 9 6 -9 8 ， 1 0 1 ． [ 5 ] 国家安全 生产监 督管理局． 安全评 价 [ M] ． 北京 煤 炭工 业 出 版 社 。 2 0 0 5． [ 6 ] 姜 学成． 全 国注册安全工程师执 业资格考试教 习全书 [ M] ． 长 沙 湖 南大学 出版社 ， 2 0 0 8 ． 收稿 日期 2 0 1 5 - I 4 ． 1 5 上接第 3页 表 9 各 采矿方法的归一化选择率 5 结论 根据矿床赋存条件和开采技术条件 ， 初选了上 向分层充填法 、 房柱嗣后充填法和点柱充填法 3种 采矿方法 ， 将定量指标和定性指标相结合 ， 通过建立 采矿方法各因素的隶属度矩阵和权重矩 阵， 得 出各 方案的选择率 ， 最终选择点柱充填 采矿法 。此 种定 性分析和定量计算相结合 的方法 ， 使采矿方法选择 更科学 、 合理 ， 为矿 山开采提供了指导 。 参考文献 [ 1 ] 王素银 ， 张旭 宇． 缓倾斜薄矿 体采矿 方法探讨 [ J ] ． 甘肃 台金 ． 2 0 0 9， 2 9 1 3 3 - 3 5 ． [ 2 ] 李剑 宇， 张 开平． 运用模糊数学选择 金山金 矿的采矿 方法[ J ] ． 江西有 色金属 ， 2 0 0 1 ， 1 5 1 1 4 一 l 6 ． [ 3 ] 杨相如． 基 于模糊 评判 的某矿露 天转地下采矿 方法优 选[ J ] ． 采矿技 术， 2 0 1 2， 1 2 3 2 0 - 2 1 ， 8 3 ． 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 3 - 2 3 上接第 6页 组之间形成地下水通道 。 3 梁 山组隔水层属半坚硬岩石 ， 较完整 ， 稳定 性好 。在承受 2 ． 7 3 MP a静水压力下 ， 梁山组 、 摆佐 组的复合式隔水岩体实际岩层厚度大于所需安全隔 水厚 度 2 1 ． 2 6 r n的 34 ． 6倍 ， 因此 开 采 至 1 0 4 0 m标高时， 矿层间接底板梁山组隔水层仍具 有隔水作用 ， 带压开采可行。 参考文献 [ 1 ] 李建 民， 张壮路 ， 张瑞玺． 赵各 庄矿深部 带压 开采评价 [ J ] ． 煤 炭学报， 2 0 0 5 5 8 - 1 1 ． [ 2 ] 张金 才， 刘 天泉． 论 煤层 底板 采动 裂 隙带的 深度 及 分布 特征 [ J ] ． 煤炭 学报 ， 1 9 9 0 2 4 6 - 5 5 ． [ 3 ] 张乐中． 煤矿深部 开采 底板 突水机理 研究 [ D] ． 西安 长 安大 学， 2 0 1 3 ． [ 4 ] 李彩 惠． 带压 开采 防治水技术及研 究方 向[ J ] ． 煤矿开采 ， 2 0 1 0 1 5 7 -5 9 ． [ 5 ] 李本 军， 刘海新 ， 刘晓威． 突水 系数 法在煤矿 深部 开采 中的应 用[ J ] ． 河北工程大学学报 自然科 学版 ， 2 0 1 1 3 6 8 - 7 0 ． 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 3 1 6 1 3