小柳沟钨矿安全高效采矿方法设计

陈吉祥 张继维 王瑞鹏

（1.酒钢（集团）天工矿业投资有限公司；2.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司）

地下开采系统是一个复杂性系统。合理选择采矿方法是制约开采成本及矿山经济效益的主要因素。目前采矿方法设计研究的主要方法有数值模拟、模糊数学［1］、相似材料实验等方法。采矿方法既要考虑技术条件并确保安全生产，又要考虑经济合理性。因此，选择采矿方法必须综合考虑多种因素。本次采矿方法优化考虑的因素主要有采切比、贫化率、生产能力、采矿工效、采矿成本、安全程度、损失率、通风条件、作业人员对工艺的掌握程度、劳动强度和对矿体变化的适应程度等。

本研究以小柳沟钨矿为工程设计研究背景，针对厚度大于10 m 矿体，建立采矿方法综合评判指标体系，采用模糊数学方法，综合考虑定性和定量多指标问题，计算初选3 种采矿方法方案的权重和隶属度，确定了最优方案，克服了传统采矿方法选择的综合评判指标较少问题，并考虑现场工人对方法的熟悉程度指标。

1 工程概况

小柳沟钨矿为生产矿山，生产规模为27 万t/a，采用地下开采方式，3 020 m中段以上采用主平硐+溜井开拓系统。3 020 m 中段以上各中段矿石由2 t 电动卡车运至矿石溜井，下放至3 020 m 水平，再由7 t电机车牵引2 m3侧卸式矿车经3 020 m主平硐直接运往选矿厂。井下作业员工、所需材料和机械设备设备通过地表的简易道路到达各中段作业面。矿山开采技术条件如下。

（1）本矿床属于急倾斜薄到厚矿体，厚度大于10 m矿体占40.49%，平均厚度15.5 m，平均倾角76.7°。

（2）本矿床矿岩稳固性属于中等稳固，局部形成整体冒落。

（3）矿床水文地质条件为简单，工程地质条件为中等。

（4）地表允许塌陷。

2 采矿方法初选

设计从以下几个方面对厚度大于10 m 的矿体选取的采矿方法进行技术经济分析比选。

（1）综合可比成本比较结果见表1。

（2）可比费用现值。阶段空场采矿方法现场需新增凿岩机、装药设备投资71.6 万元，分段空场采矿方法（方案二）需新增装药设备1.6 万元。从3种方案的可比现值方面进行比较，分段空场采矿方法现值最少，阶段空场采矿法（方案一）可比现值比浅孔留矿少331.25 万元，分段空场采矿方法可比现值比浅孔留矿采场方法（方案三）少369.97 万元。

（3）工作面通风。方案一通风效果差，凿岩巷道需要增加局扇。方案二通风效果一般；方案三通风效果良好，工作面形成贯穿风流。

（4）生产安全。方案一和方案二人员作业处于凿岩巷道内，安全性高。方案三人员作业处于采场矿岩暴露状态下，安全性差。

（5）机械化程度。方案一机械化程度高，矿块生产能力较大。方案二灵活性强，能较好适应矿体形态变化。方案三机械化程度较低，局部放矿之后，需要在采矿场内部对浮石进行相应处理，并对场地进行修整，对大块矿体开展破碎处理，作业人员劳动强度大。

（6）生产管理。方案一大块率高、凿岩技术要求高，装药、爆破施工复杂。方案二分段工程施工组织复杂、作业周期长。方案三生产工艺简单，容易管理。

从以上方案的优缺点和经济比较可知，矿体厚度大于10 m 的各方案的经济指标虽有一些区别。但是一种采矿方法的选择不仅从经济因素上去判别，还需要从安全性、合理性、采矿强度等因素去加以评判，为准确评价各方案达到最优化的目标，将采用模糊数学方法对以上个方案进行综合评判。

3 基于模糊数学采矿方法优化

3.1 模糊数学理论

在模糊数学中，根据研究对象的不同，隶属函数的确立方法也不同，在矿业工程中，常用线性函数法和二元对比排序法确定隶属函数［2］。

（1）线性函数法。线性函数法是对定量指标模糊概念的一种定量描述方法。用如下公式计算。

式中，γij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。

式（1）应用于采场生产能力、采矿工效2个指标；式（2）应用于采矿损失率、贫化率、采切比3种指标。

（2）二元对比排序法。某些无法用定量描述的指标，如采矿通风条件、安全可靠性等，通常采用二元对比排序法确定其隶属函数。二元对比排序法又可以分成择优比较法、对比平均法、优先关系法和相对比较法等。本次研究采用优先关系法，其原理如下。

设论域U={u1，u2，…，un}，以Cij表示Ui与Uj相比时Ui的优越程度，有Cii=0，表示Ui与Ui相比无优越性可言。

0 ≤Cij≤1 表示Cij在［0，1］上取值，如果Ui比Uj绝对优越则Cij=1，反之Cij=0。

Cij+Cji=1 表 示Ui对Uj的优越性与Uj对Ui的优越性之和为1。

由此可得到模糊矩阵

C可称为模糊优先关系矩阵。模糊优先关系矩阵明确后，再用加权方法，其计算公式为

式中，δ（jj=1，2，…，n）是1组权重，有∑δj=1。

定量指标的隶属度可由式（1）和式（2）求得，定性指标的隶属度可由式（3）和（4）求得。

矿山选取合理的采矿方法既要考虑技术条件并确保安全生产，又要考虑经济合理性［3］。故合理确定采矿方法受多种因素制约，各因素对采矿方法制约程度大小不同，为能准确地显现出各因素的影响程度，需要进行加权处理。本次采矿方法优化考虑的因素为采切比、贫化率、生产能力、采矿工效、采矿成本、安全程度、损失率、通风条件、作业人员对工艺的掌握程度、劳动强度和对矿体变化的适应程度等。

权重对采矿方法优化选择的结果影响程度较大，为了更精确获取权重值，不仅单一采用专家评分法对各影响因素进行合理赋值，而且还利用层次方法计算权重值［4］。将上述的定性指标邀请采矿领域的专家和参考相关资料进行两两比较，根据非常好、比较好、稍微好、稍微差、比较差和非常差6 个不同的级别，分别获取10、8、6、4、2、0 的分数。层次结构见图1。

根据以上建立的判断矩阵，运用模糊数学的方法进行计算，然后对计算结果进行汇总，详见表2。

结合图1对上述计算结果进行处理，计算权重矩阵H=[HA,HB,HC,HD,HE,HF,HG,HH,HI,HJ,HK]=[0.180 5,0.053 2,0.107 0,0.086 8,0.043 6,0.024 0,0.287 7,0.090 5,0.022 7,0.055 5,0.048 6]。

经过对定量及定性指标的综合计算，求得各指标的隶属度，将以上各指标计算结果，按照一定的顺序组合，隶属度矩阵计算结果见表3。

3.2 终选采矿方法

终选采矿方法主要由两部分组成：权重矩阵和隶属度矩阵。在前面两者都已经求出，现将2个矩阵的数据采用模糊综合评判的4 种方法中的加权平均法进行计算。计算结果为A=0.292 7，B=0.285 1，C=0.178 8。

根据模糊数学综合评判原理，以相对选择率最高的采矿方法作为最优采矿方法，通过综合评价和计算，待选采矿方法的选择率由高到低的排序为阶段空场采矿方法、分段空场采矿方法、浅孔留矿采矿方法法，因此阶段空场采矿方法为首选方案［5-7］。

4 阶段空场采矿方法设计

矿块沿走向布置，矿块高50 m（出矿中段高度），矿块宽为矿体厚度，矿块长50 m，间柱宽8 m，顶柱厚度为8 m，分段高度为14 m。每隔100 m（2个矿块）设一通风人行天井，采用平底出矿底部结构［8］。阶段空场采矿工艺示意图见图2。

5 结论

（1）本研究采用技术经济初选、模糊数学方法，合理确定采矿方法最优方案。

（2）本次采矿方法优化设计考虑的因素为采切比、贫化率、生产能力、采矿工效、采矿成本、安全程度、损失率、通风条件、作业人员对工艺的掌握程度、劳动强度和对矿体变化的适应程度等，与现场生产实际较为贴近。

（3）设计研究方案终选的阶段空场采矿方法较矿山现采用的浅孔留矿采矿方法矿块生产能力大、机械化程度高、安全性高。