缓倾斜厚大矿体采矿方法优化

曾凌方

(长沙有色冶金设计研究院有限公司)

缓倾斜厚大矿体采矿方法优化

曾凌方

(长沙有色冶金设计研究院有限公司)

某矿体形态复杂、开采难度大，初选3种基本的采矿方法，进行综合经济指标分析对比，同时建立影响采矿方法选择因素的隶属度关系结构模型，运用粗糙模糊集理论对采矿方法进行优选，得出最优、可行的采矿方法为分段空场嗣后充填法。应用证明粗糙模糊集理论在采矿方法的优选中是切实可行的，对解决类似工程问题具有一定的实际意义。

采矿方法 粗糙模糊集理论 隶属度 模糊决策

正确的采矿方法有利于提高矿石的回采率、降低贫化率、减少掘进工程量、提高生产效率、降低材料消耗量，从而提高企业的经济效益。因此，采矿方法的优选在矿山企业生产过程中起着至关重要的作用。矿体赋存条件错综复杂，采矿方法选择过程中影响因素非常广泛和模糊。传统的采矿方法选择是根据主要经济技术指标对比分析得到最佳方案，但难以从环境、安全、社会等因素进行全面的评价。目前，采矿方法优选向数值化、定量化发展，其中模糊数学的综合评价方法应用较为广泛，在收集大量类似矿山样本的条件下，合理地确定隶属度和权值，将各个影响因素综合考虑在系统中，既能达到明显的比较效果，又符合人类的思维模式[1]。

1 原采矿方法及存在问题

某矿为国内大型有色金属矿山，主要开采对象为急倾斜细脉带矿体和缓倾斜91#、92#矿体，至今已开采30余a。随着采矿技术的进步和生产能力的提高，应用的采矿方法随之变化。目前矿山采用组合式崩落法开采，存在主要问题是回收率低和贫化率高。分析主要原因为崩落法采用阶段大爆破，爆破效果不佳，导致矿石飞溅，同时每次崩落跨度为50余m，爆破后的采空区面积达4 000 m2以上，导致空区在短时间内冒落，矿石回收率仅为20%～30%，损失率高达70%～80%；西南盘区矿体为多层矿,形态变化大,且包含夹石和表外矿，采用崩落法不能有效剔除夹石和表外矿，致使出矿品位仅为Sn 0.2%左右；生产任务重，常常选择矿石品位高和厚度大的地段生产，导致无序开采的局面较严重。随着92#矿体转入深部开采，上部存在大量采空区及大范围冒落区，地压控制问题必然更加突出，如何选取适当的采矿方法和采场结构参数，有效降低采矿损失率和贫化率，提高出矿品位，安全高效采矿，是目前矿山面临的重要问题。

2 开采技术条件

该矿92#矿体走向西南，倾向西北，向北东方向侧伏，呈南高北低、西高东低展布。目前在405 m以下北段部分的资源总量为981.82万t，储量级别为122b，矿体东西走向长680 m，南北倾向长830 m，倾角为15°～25°，矿体最小厚度为1 m，最大厚度为71 m，平均厚14.7 m，平均地质品位为Sn 0.74%，矿体中含有部分夹石和表外矿。根据矿区提供地质剖面图对矿体的产状进行统计分析，结果见表1。结果表明，92#矿体属于缓倾斜中厚及厚大矿体。本文采矿方法的研究只针对92#矿体405 m以下北段部分的缓倾斜厚大矿体。

表1 矿体形态统计结果

3 采矿方法选择

3.1 采矿方法初选

根据矿山开采技术条件及矿山建设现状与装备水平，同时参考国内外同类矿体开采经验，可用于92#405 m以下北段矿体的采矿方法有分段空场嗣后充填采矿法、分段充填采矿法、房柱嗣后充填采矿法、阶段大直径深孔落矿嗣后充填采矿法、上向水平分层充填采矿法[2-3]。

对于矿区厚大矿体，为有效控制贫化和损失，提高出矿品位，尽量回收资源，选择采矿方法时主要考虑采矿方法对夹石是否具有筛选、剔除能力。通过综合分析，可供选择的采矿方法有分段空场嗣后充填采矿法、低分段充填采矿法和上向水平分层充填采矿法。

(1)分段空场嗣后充填采矿法(方法Ⅰ)。沿矿体倾向方向划分矿房、矿柱，采场长轴方向为矿体走向，采用分段凿岩，阶段出矿，嗣后充填。因研究区域地压环境复杂，上部存在未充填采空区及垮落区，且为保护上部已有巷道工程，将盘区矿柱南北向布置，采场设计宽14 m，长80～100 m。

(2)低分段充填采矿法(方法Ⅱ)。沿矿体倾向划分矿房、矿柱，采场长轴方向为矿体走向，不设底部出矿结构，根据矿体垂直厚度，采用单分段或分两段回采，分段充填。矿房及矿柱宽度均为14 m，长80～100 m，最大分层空顶高度为8～8.5 m。

(3)上向水平分层充填采矿法(方法Ⅲ)。该法与低分段充填法一样，既可用于中厚矿体的开采，也可用于厚大矿体开采。根据矿体厚度划分矿块，从下往上逐层回采、充填，崩落矿石采用铲运机铲装，卸入采场溜井。中段高50 m，分段高10 m，分层高3～4 m。当矿体厚度大于15 m时，垂直矿体走向划分采场，采场宽14 m，长度为矿体厚度；当矿体水平厚度较大时，实行分区回采。

3.2 经济效益对比分析

根据采矿方法的初选结果，综合分析比较各采矿方法的技术可靠性、开采安全性和经济效益评估，以确定最优采矿方法。3种采矿方法技术经济比较结果见表2。可知，分段空场嗣后充填采矿法为最优。

3.3 最优方案的确定

3.3.1 重要度计算

为满足粗糙集建模方法的假设条件，即建模数据要覆盖系统输入空间，必须保证足够的数据量和数据的有效性。将金岭铁矿候庄矿区的充填采矿法、铜山铜矿前山矿体的分段崩落法、Iscaycruz矿的碎石胶结充填法及别列佐夫卡金矿的房柱法等国内外21个典型矿山正在使用的采矿方法进行贫化率、损失率、生产效率、安全性、环保、成本6个指标分析和综合比较，得出影响采矿方法选择的各因素重要度分别为R=(Rp，Rx，Rs，Ra，Rh，Rc)T=(0.102 1，0.135 1，0.162 2，0.316 2，0.118 2，0.166 2)T。

3.3.2 隶属度计算

将初选和技术经济比较后的采矿方法进行粗糙模糊理论优选，其评价的指标有贫化率、损失率、生产效率、安全性、环保、成本。由于回采方法各指标的单位不同，为具有可比性，首先对其进行无量纲化处理，将各指标值用[0，1]区间中的数值表示，这个数值称为评价因素的隶属度[4]，采用线性函数法和二元对比排序法确定隶属函数[5-6]。

(1)线性函数法是对模糊概念的一种定量描述方法，计算公式如下：

(1)

式中，Aij为i种采矿方法j指标的隶属度；fij为i种采矿方法j指标值；fjmax为各采矿方法j指标的最大值。

表2 采矿方法技术经济比较

(2)对无法定量描述的指标，往往采用二元对比排序法确定其隶属函数，即是给任意一对因素(ui，uj)，若ui具有某种特性的程度为fuj(ui)，那么uj具有这种特性的程度为fui(uj)。

(2)

经同趋势归一化后得各采矿方法相应指标的隶属度，结果见表3。

表3 采矿方法各指标隶属度

由此得出隶属度矩阵

3.3.3 综合评价

综合评价是在考虑多种因素的影响下对某事物作出的综合决策。对于综合评判问题的数学描述为

B=AR.

(3)

经计算可得各采矿方法的综合评价向量，结果见表4。

由表4可知，对于厚度大于15 m，含夹石、表外矿少的矿体的采矿方法评价向量B=(0.957 1，0.9112，0.9101),即各方法优先顺序为分段空场嗣后充填采矿法、低分段充填采矿法、上向水平分层充填采矿法。

表4 采矿方法评价向量

4 结 语

依据92#矿体的开采技术条件、生产现状及国内外类似矿山的开采经验，对可用于92#矿体采矿方法进行分析和技术经济指标比较，同时运用粗糙模糊集理论对各采矿方法进行了综合评判。无论从经济效益比较，还是运用粗糙模糊集理论方法进行优选，所得结果均一致，即针对厚度大于15m，含夹石、表外矿少的缓倾斜厚大矿体，最适合的采矿方法为分段空场嗣后充填采矿法。粗糙模糊集理论对采矿方法优选是科学的、可行的，具有一定的借鉴意义。

[1] 史太禄，任凤玉，李文增.模糊数学在采矿方法优选中的应用[J].金属矿山，2007(1)：35-39.

[2] 王运敏.现代采矿手册：中册[M].北京：冶金工业出版社，2012.

[3] 《采矿手册》编辑委员会.采矿设计手册：第4卷[M].北京：冶金工业出版社，2006.

[4] 刘大兵，周士霖，齐兆军.基于模糊数学采矿方法优化研究[J].黄金科学技术，2010，18(6)：42-44.

[5] 曹 帅，宋卫东，朱先红，等.高海拔地区急倾斜薄矿体采矿方法优选[J].金属矿山，2013(2)：14-17.

[6] 淡永富.模糊数学在金矿采矿方法选择中的应用[J].有色金属设计，2003，30(2)：11-16.

Optimization of the Mining Method of Slowly Inclined Large and Thick Orebody

Zeng Lingfang

(Changsha Engineering & Research Institute Ltd.of Nonferrous Metallurgy)

The form of a orebody is complex and the orebody mining is difficult. Three basic mining methods are selected preliminarily to conduct analysis and comparison of comprehensive economic indicators, and the membership relationship structure model that influence the selection factors of mining method is established. So the optimal and feasible mining method is sublevel open stoping afterwards filling method which is selected based on rough fuzzy set theory. The application results show that, the optimization selection of mining method based on rough fuzzy set theory is feasible, and it can provide some reference for dealing with the similar engineering problems.

Mining method, Rough fuzzy set theory, Degree of membership, Fuzzy decision

2014-10-18)

曾凌方(1981—)，男，工程师，硕士，410011 湖南省长沙市芙蓉区解放中路199号。