某复杂难采矿体采矿方法的优化

杨诗梦

(北京科技大学土木与环境工程学院)

某复杂难采矿体采矿方法的优化

杨诗梦

(北京科技大学土木与环境工程学院)

“三下”矿资源开采方案难以选择，充填法解决了矿岩破碎、开采技术条件复杂的开采难题。针对某矿位于河床下的1#难采矿体，基于多种因素模糊评判标准，分析了影响因素权重，构建决策模型，从4种初选方案中优化选择出满足该矿实际的开采方案，即上向进路式胶结充填采矿法。

难采矿体 技术经济指标 安全因素 模糊判别 开采方案优化

“三下”矿体一般指赋存于建筑物、路基(公路、铁路等)、水体底下的矿体，属于复杂难采矿体范畴[1]。随着我国近地表易采矿产资源的开采殆尽和现代采矿技术的进步，“三下”复杂难采矿产资源的开发利用已逐渐成为国内研究的重点。

某铁矿山1#矿体位于河床之下，属于典型的“三下”难采矿体。根据该矿体赋存条件、地形地貌特征、工程和水文地质条件、矿产资源开采价值、矿产资源综合利用及可持续发展等因素综合分析论证可知，充填采矿法不仅能实现安全高效回采，还能提高矿石回收率，有效缓解地表沉降，解决地表大量固态尾矿的堆放难题，安全环保，同时减少了尾矿库筑坝征地等投资成本[2]。由于该矿体形态复杂多变，且围岩性质极不稳定，在综合考虑采矿工艺技术、经济成本指标以及安全等因素条件下，展开对该矿采矿方法的优化研究[3]。

1 采矿方法初选

某铁矿山矿体赋存状态如图1所示。

根据资料和现场勘查，该矿体地表存在季节性河流，顶板围岩裂隙发育，岩性脆易碎，矿体和底板围岩较稳固，但含泥质较多时易破碎坍塌。综合分析国内外目前“三下”难采矿石资源回采的研究成果，结合该矿实际情况，提出采矿方法的选用原则：①有利于保护顶板隔水岩层，最大限度减少地表的移动变化，有效防止隔水层大面积垮塌、滑移，确保井下安全；②回采过程中地压得到较好控制，确保回采安全；③在满足工艺要求的前提下，降低采矿成本以及贫化率、损失率等，充分回收铁矿资源，确保矿山经济效益[4]。

满足上述原则1#矿体可采用的充填采矿法有：上向进路式胶结充填采矿法(s1)、上向点柱式分层胶结充填采矿法(s2)、下向进路式分层胶结充填采矿法(s3)及两步骤回采嗣后胶结充填采矿法(s4)。上向进路式胶结充填采矿法矿块沿走向布置，矿块长度60～100 m，阶段高度50 m，分段高14.7 m，每个分段在下盘脉外沿走向布置分段巷道，上下各分段巷道通过采区斜坡道联通；上向点柱式分层胶结充填采矿法沿走向布置开采盘区，盘区长300 m，宽80 m，阶段高度50 m，分段高度14～ 15 m，分层高度2.5～3.5 m，区段间留设宽度5 m的连续间柱；下向进路式分层胶结充填采矿法矿块沿走向布置，矿块长度60 m，阶段高度50 m，分段高度10 m，分层回采高度3.0～3.5 m；两步骤回采嗣后胶结充填采矿法矿块垂直矿体走向布置，矿房宽12 m，矿柱宽12 m，矿块高为阶段高度50 m，分段高12～ 13 m。各采矿方法技术经济指标如表1所示。

图1 矿体赋存状态

表1 各采矿方法技术经济指标

2 采矿方法优化

2.1 模糊决策模型构建

根据1#矿体赋存状态和开采技术条件，考虑该矿山的生产能力和开拓现状，选择技术经济指标和安全两个大方面，其中采矿技术经济指标主要包括表1中的6个因素；安全主要涵盖岩体稳定性程度、采场通风条件、工人劳动强度三项指标，如表2所示。

表2 各采矿方法安全因素指标

根据初选采矿方法，模糊决策模型方法集为：

(1)

定义S的“最优采矿方法”模糊集为：

(2)

建立采矿方法优选因素集V为：

(3)

因素集V上的模糊集W为：

(4)

式中,w为各影响因素在采矿法选择优化中的权重。

建立模糊评判矩阵：

R=(rij)9×4,

(5)

式中,rij为第j个方案的第i个因素的隶属度。

由采矿方法集S、选择因素集V、模糊评判矩阵R组成三元评判空间(S，V，R)，建立模糊决策数学模型：

B=W·R.

(6)

根据最大隶属度原则，计算各采矿方法的相对选择率，相对选择率最大者为最优方案[5-7]。

2.2 影响因素权重分析

影响因素集V上各影响因素在采矿方法选取时其权重w不尽相同，且存在诸多不确定性，难以进行定量分析。根据影响采矿方法选择的技术经济指标和安全因素指标建立层次结构关系模型，其中采矿方法的选择O为目标层，技术经济因素和安全因素P为准则层，各具体指标A为指标层。采用五级标度法将指标进行二元对比排序，按其相对重要性从低到高依次划分为1，3，5，7，9 5个等级，1级表示两个因素一样重要，9级表示一个因素比另一因素绝对重要。判断过程中，因素i与j的比较判断为hij，因素j与i的比较判断为hji=1/hij[8]。

表3 P-A判断矩阵赋值

表4 各层次判断矩阵对应权重关系

经计算得出采矿方法各影响因素的权重为：wi=(w(P1)V1(A1)，w(P1)V1(A2)…w(P2)V2(A4)…w(P2)V2(A9))=(0.478，0.194，0.078 8，0.092 3，0.064，0.022 3，0.026 5，0.036，0.009).

2.3 模糊评价与决策

在开采方法选择的模糊评价中，定性指标主要为岩体稳定性程度、采场通风条件、工人劳动强度、采矿工艺复杂程度和机械化程度等，可由专家按表5进行赋值。而定量指标主要有矿块生产能力、矿石贫化率、矿石损失率、采矿成本。对定量指标无量纲化，采用线性函数法确定隶属度[9-10]。

表5 定性指标赋值

定量指标中的收益性指标值越大越好，消耗性指标越小越好。确定定量指标的隶属度：

式中,rij为j方案i指标的隶属度；ximin为i指标中的最小值；ximax为i指标中的最大值；xij为各方案指标值。

将定量指标和定性指标的隶属度组合起来，得隶属度矩阵R：

根据权重向量和隶属度矩阵，可得B=WR=[0.747 3 0.650 5 0.669 4 0.554 8].

以上为采矿方法选择的模糊综合评判，其评判结果反映了各采矿方法可选度的大小，根据最大隶属度原则，各采矿方法优选顺序应为：s1>s3>s2>s4，即可确定上向进路式胶结充填采矿法s1为该矿技术经济条件和安全需求的最优采矿方法。

3 结 论

(1)通过采矿方法初选，甄别出充填采矿法中的上向进路式胶结充填采矿法、上向点柱式分层胶结充填采矿法、下向进路式分层胶结充填采矿法及两步骤回采嗣后胶结充填采矿法为满足该矿初始条件的采矿方法。

(2)构建模糊决策模型，建立层次结构关系模型，采用专家赋值法对主导采矿方法选择的技术经济指标和安全因素指标进行赋值和计算，通过归一化和一致性检验后，分别得到9个不同指标的权重，其中矿块生产能力权重最大，劳动强度权重最小。

(3)在层次判断矩阵的基础上对定性指标进行专家分级赋值，对定量指标无量纲化，采用线性函数法确定隶属度并将两者合成后求得隶属度矩阵R,通过最大隶属度原则获得模糊评判结果，得出上向进路式胶结充填采矿法为该矿最优采矿方法，为该矿体开采提供了依据。

[1] 姚金蕊，李夕兵，周子龙.“三下”矿体开采研究[J].地下空间与工程学报，2005,28(4):1073-1074.

[2] 徐 飞，何治良，褚洪涛，等.上向进路充填法在“三下”矿体开采中的应用[J].有色金属:矿山部分，2013,65(8):24-26.

[3] 蔡嗣经，王洪江.现代充填理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2012.

[4] 孙光华.矿山充填法开采地表变形滞后性规律研究[D].北京：北京科技大学，2013.

[5] 范利华，璩世杰，尚留勇,等.基于模糊识别的岩体可爆性分级[J].矿业快报，2007(2),15-16.

[6] 李安贵，张志宏，孟 艳,等.模糊数学及其应用[M].北京：冶金工业出版社，2009.

[7] 畅文生，黄晓乃，伍衡山,等.模糊数学在采矿方法优化选择中的应用[J].长沙大学学报，2002,16(4):55-57.

[8] 李夕兵，刘志祥.高阶段尾砂胶结充填体力学研究与博弈树配比优化[J].安全与环境学报,2004,8(4):87-90.

[9] 孙光华，赵铁成.破碎带内难采矿体采矿方法优化研究[J].化工矿物与加工，2014(5):31-32.

[10] 滕永清,朱志彬,刘成平.太平矿业采矿方法优化研究[J].有色金属:矿山部分，2009,61(3):13-15.

Optimization Research of Mining Method of Complicated Orebody

Yang Shimeng

(School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing)

The "under-three-objects"mining exploitation is very difficult,and it also difficult to to choose appropriate mining method. The cemented filling method is the most effective one for incompetent orebody under complicated mining conditions. The research results show that,the 1#orebody under the bed can be mined by filling method with security and environmental protection, but the specific scheme is difficult to choose. The weights of the affecting factors are analyzed and the decision model is established based on multi-factors fuzzy evaluation standard,besides that,the final mining scheme is obtained by choosing form the four primary method so as to meet the actual mining situation,that is upward drift cemented filling method.

Complicated mining conditions, Technical economy, Safety elements, Fuzzy diagnosis, Optimization mining scheme

2014-07-14)

杨诗梦(1988—)，女，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。