富水复杂矿床安全高效采矿方案优选

刘发平 陈宪龙

(马钢集团姑山矿业公司)

·采矿工程·

富水复杂矿床安全高效采矿方案优选

刘发平 陈宪龙

(马钢集团姑山矿业公司)

针对白象山铁矿富水复杂矿床特殊的开采技术条件，利用层次分析法从经济、技术和安全等3方面构建了较为全面的采矿方案评价体系；利用模糊数学理论对其收益性指标、消耗性指标和非定量指标进行隶属度矩阵计算，获得初选采矿方案的综合优越度分别为94.8%、85.1%和78.1%，从而确定最优的采矿方法为分段空场嗣后充填法，避免了单因素决策的片面性和主观性，实现了富水复杂矿床的安全、高效开采，为国内其他富水矿山采矿方法优选提供了参考。

富水复杂矿床 采矿方案 层次分析法 模糊数学

白象山铁矿是姑山铁矿区内一个总储量1.5亿t的大型富水矿床，由于地表水系纵横，地下水系复杂，导致现阶段采矿生产效率较低，成本较高，生产管理难度大。针对富水复杂矿床特殊的开采技术条件，优选适宜的大能力采矿方案，最大程度地保障资源的安全、高效回收，已经成为现阶段的重点难题。

采矿方法的选择涉及多个因素和多个指标，需相互结合综合考虑，但是以往选择采矿方案，仅仅直观地评价几个因素，容易受到经验的左右而不能正确反映实际情况[1]。因此，本文首先运用层次分析法(PUZZY)来确立各个评判指标的权重，然后结合模糊数学理论(AHP)，建立综合性评判模型，最终优选出适合白象山铁矿的采矿方法[2]。

1 矿山概况

白象山铁矿位于长江下游一大型铁矿床聚集群中，主矿体赋存在闪长岩与砂页岩接触带的内带，其形态受矿区背斜构造控制，横向呈平缓拱形，矿体倾角为10°～30°，沿走向最大延长达1 780 m，横向最大延伸1 130 m，矿体平均厚度34.41 m，沿走向及倾向均有分枝现象，矿体顶底板界线明显。

第四系含水层和隔水层分布于矿区南和西南的冲积平原及白象山坡脚，厚度一般为20～50 m，由上而下按强弱等级共分5层。矿区矿体及顶板为基岩裂隙含水层，按富水性可分为强、中、弱3类；矿体下盘的闪长岩体为隔水底板。矿体上部连续分布的强含水层是矿坑充水的主要含水层，矿区内断裂构造较发育，而且主要断裂带(包括两侧裂隙发育带)都具有导水作用。

2 大能力采矿方法初步筛选

采矿方法的选择必须建立在对矿体的赋存条件和产状变化规律完全了解的基础上，综合考虑矿体赋存条件、矿石质量、经济效益、技术水平等因素，有针对性地提出可行性采矿方法。

2.1 可供优选的方案

白象山铁矿Ⅰ#矿体1#～9#勘探线西部-470～-390 m中段矿体厚度均大于100 m，倾角为9°～13°；矿体整体赋存状况较好，水文地质条件简单，为总矿量约2 500万t的缓倾斜特厚大矿体。结合矿体的产状和变化规律，借鉴国内外相关缓倾斜厚大矿体的开采经验，确定白象山铁矿西二区特厚大矿体的开采方法可从分段空场嗣后充填法、阶段空场嗣后充填法、VCR嗣后充填法中进行优选[3]。

2.2 可供优选方案的综合评价

采矿方案的综合评价属系统性工程，评价指标体系的科学合理性是影响该评估结果的重要因素，层次分析法确立每一有序层次中各元素相对重要次序的权值。根据白象山铁矿的现场实际情况，以采矿方案综合评价(O)指标体系为对象层[4]，建立了3种采矿方案的综合评价指标体系，其对应指标值见表1。

表1 采矿方法综合评价指标体系

3 采矿方案优选

设计复杂系统的进程时，模糊数学的重大作用是把定性的模糊判断和模糊决策定量化[5]。因此，采矿方案优选过程中，各影响因素的权重通过层次分析法来客观确立，需要模糊决策的非定量问题通过模糊数学理论转变成分析计算优越度的定量数学问题，进而获得最佳的采矿方案。

3.1 确定各权重向量

3.1.1 构造比较标度

依据两两比较的标度和判断原理[6]，采用模糊数学理论，可总结出以下1～9的比较标准，见表2。

表2 比较标准意义

注：2，4，6，8分别表示两相邻判断的中值。

3.1.2 构造比较判断矩阵

根据层次结构模型原理，把上一层各项元素作为相邻下一层元素的基准，并通过两两比较，以此确立判断矩阵。设判断矩阵为D，依据定义有

3.1.3 判断矩阵的检验

通过验证，判断矩阵的一致性指标为0.006<0.10，意味着这个判断矩阵有令人满意的一致性，可以接受该权值[7]。通过计算，得出最终权重矩阵：W=(0.057，0.026，0.229，0.133，0.022，0.022，0.041，0.074，0.041，0.114)。

3.2 模糊综合评判

根据不同的评价指标，模糊综合评价法可分为一级模糊评价和模糊评价，本研究为2级模糊评价方法。

3.2.1 建立因素集X及方案集A

设定评选因素集X={X1，X2，X3，…，Xn}，选择备选方案集A={A1，A2，A3，…，An}。选取Ai(j=1，2，…，n)，可以表示一个m维“向量”形式：Aj={Xj1，Xj2，Xj3，…，Xjm}，Xjm是备选方案Aj在设定因素Xj上的反映。

3.2.2 建立因素集X的诸因素权重集W

采用上述分析法确定因素的权重集W。W=(W1，W2，W3，…，Wm)是指各因素对于拟选定方法而言的重要及影响程度。

3.2.3 隶属矩阵的确定

定量指标隶属度由隶属函数法确定，非定量指标采用相对二元比较法确定。根据定量指标所采用的隶属函数方法确定目标特征值矩阵

式中,i=1，2，…，m；j=1，2，…,n。

定量指标有收益性指标和消耗性指标[8]。将收益性指标和消耗性指标规格化，得出目标相对隶属度矩阵

式中,i=1，2，…，m；j=1，2，…,n。

对于非定量指标，则采用相对二元比较法。设系统有待进行重要性比较的目标因素集：X={X1，X2，X3，…，Xn}，研究目标集X中的目标就“重要性”进行二元对经的定性排序。目标集中的目标与作二元对比，即若Xk比Xl重要，令排序标度ekl=1，elk=0；Pk与Pl同样重要，令ekl=0.5，elk=0.5；Pl比Pk重要，令ekl=0，elk=1(k，l=1，2，…，m)。由此可得出二元比较矩阵E

结合白象山实际情况，据收益性与消耗性定量指标的隶属函数法，对指标体系中的5个定量指标进行计算。经过规格化后的定量指标特征向量矩阵为：

则各采矿方案地压管理难度相对隶属度矩阵:R1=[10.5380.538] .

各采矿方案爆破对采场稳定性影响的相对隶属度矩阵:R2=[110.538] .

各采矿方案的适应性特点的相对隶属度矩阵:R3=[10.6670.667] .

各采矿方案的实施难易度相对隶属度矩阵:R4=[10.4290.667] .

3.3 综合评判

由评价矩阵R(隶属度矩阵)以及因素权重W，得方案集A的综合评价为：

由以上确定的权重向量及指标隶属度矩阵,可得方案集A的综合评判向量为：

B=WR=(0.946 0.851 0.781) .

综上所述，可得方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的综合优越度分别为94.6%、85.1%和78.1%,方案的优劣次序为方案Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ,即白象山铁矿最优采矿方法为分段空场嗣后充填法。

4 结 论

(1)以白象山铁矿富水复杂矿床开采为工程背景，利用层次分析法从经济、技术和安全等3方面构建了较为全面的评价体系，把复杂的采矿方法选择问题有序条理化，计算各指标的权重及相对隶属度。

(2)利用模糊数学理论建立采矿方案优选的模糊综合评判体系，通过对各影响因素集中收益性指标、消耗性指标和非定量指标隶属度矩阵的计算，获得初选方案Ⅰ～Ⅲ的综合优越度分别为94.8%、85.1%和78.1%，从而确定最优采矿方法为分段空场嗣后充填法。

(3)矿山生产实践表明，利用模糊数学理论和层次分析法，优选采矿方法合理可行，解决了富水、复杂矿床安全高效的开采问题，避免了单因素决策的片面性和主观性，为国内其他富水矿山采矿方法优选提供了参考。

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[2] 王新民，秦健春，张钦礼，等.基于AHP-TOPSIS评判模型的姑山驻留矿采矿方法优选[J]．中南大学学报，2013(3):1131-1132．

[3] 吕会元，张 奇．厚大矿体采矿方法探讨[J].现代矿业，2010(5):85-87．

[4] 黄贯虹，方 刚．系统工程方法与应用[M].广州:暨南大学出社，2005．

[5] 韩 峰，盛建龙．模糊数学在采矿方法选择中的应用[J].有色金属，2011(5):75-78．

[6] 谢本贤，陈沅江，史秀志．深部岩体工程围岩质量评价的IRMR法研究[J].中南大学学报，2007(5):987-992．

[7] 王新民，赵 彬，张钦礼．基于层次分析和模糊数学的采矿方法选择[J].中南大学学报，2008(5):875-880．

[8] 曹 帅，宋卫东，朱先洪，等．高海拔地区急倾斜薄矿体采矿方法优选[J].有色金属，2013(2):14-18．

Optimization Selection of the Safe and High-efficient Mining Method of Complex Water-rich Ore Deposit

Liu Faping Chen Xianlong

(Gushan Mining Co., Ltd., Ma Steel Group)

Aiming at the special mining technical conditions of the complex water-rich ore deposit in Baixiangshan iron mine,based on analytic hierarchy process(AHP), the comprehensive evaluation index system is established from the aspects of economy, technology and security. The membership matrix of the profitability index, cost index and non-quantitative index are calculated based on fuzzy mathematics theory. The synthetic superior degrees of the optional mining methods are 94.8%、85.1%和78.1% respectively. Based the above research results, the sublevel open-stop succeed with by filling method is the optimal one. Therefore, the onesidedness and subjectivity of traditional experiential decisions are avoided, the goal of safe and high-efficient mining of the complex water-rich ore deposit is achieved,besides that, the research results in this paper can provide reference for the optimization selection of mining scheme in other complex water-rich ore deposits.

Complex water-rich ore deposit, Mining method, Analytic hierarchy process, Fuzzy mathematics

2015-04-18)

刘发平(1979—)，男，副矿长，工程师，243181 安徽省马鞍山市当涂县太白镇。