基于AHP-FUZZY的瓦屋磷矿Ⅳ矿段房柱法出矿方式优选

2022-10-24张卫中王维庆彭亚利康钦容张电吉

金属矿山 2022年9期

张卫中王维庆彭亚利康钦容张电吉

(1.武汉工程大学资源与安全工程学院,湖北武汉 430073;2.湖北兴发化工集团股份有限公司,湖北宜昌 443700)

我国是磷资源储量大国,磷矿资源主要分布在云、贵、川、鄂、湘等省份,湖北宜昌是全国磷矿资源储量五大基地之一[1]。随着经济的快速发展,浅部磷矿资源急剧减少,对深部磷矿资源的需求日益加大。目前磷矿开发主要采用地下开采模式,在磷矿深部开采中为确保资源得到合理开发利用,推动矿山可持续发展,应以矿山安全高效生产为前提,扩大生产规模,降低成本,从而获得最佳的资源效益[2]。在矿山生产中合理的采矿方法具有决定性作用,采矿方法的选择是各采矿要素的合理整合,开采过程中不仅要有良好的作业条件,还应保证矿山能持续稳定地生产。

针对缓倾斜薄—中厚矿体的赋存状态及开采技术条件,常用的采矿方法有房柱法[3]、电耙留矿法[4]、充填法[5]、底盘漏斗法以及爆力搬运方法[6-7]。目前,随着国内采矿业的不断发展,深部开采逐渐向大型化、机械化、智能化发展,部分矿山根据政策导向采用充填法开采也取得了良好的经济效益。随着国内外无轨设备的不断研究与应用,国内矿山房柱法的产能也逐步提升。近年来,由于对中低品位矿石生产需求的日益加大,在地下采矿方法中房柱法所占比重也越发明显,国内占1/10,国外平均达到1/3,美国、法国等发达国家比重更高。

随着技术变革带来的各学科和计算机应用的交叉使用,在矿山开采中,各种理论和软件被应用到了采矿行业,如数字矿山、数值模拟、价值工程、灰色理论、模糊数学等。早在20世纪70年代T.L.Saaty创立的层次分析法是一种权重决策分析方法,该方法运用运筹学理论进行定性和定量分析相结合的思路来确定最优决策方案[8-9]。根据瓦屋磷矿Ⅳ矿段实际地质和开采技术条件,并结合层次分析和模糊数学理论的优点,本研究综合选取5个方面的采矿方法优选影响因素,建立采矿方法评价指标体系,将一个系统方案的各影响因素进行层次化、条理化处理,再依次进行影响因素的两两比较,对各层因素进行权重赋值,最后运用模糊数学理论建立评判矩阵,进而确定出适用于瓦屋磷矿Ⅳ矿段缓倾斜薄—中厚矿体的合理采矿方法。

1 矿体概况及开采技术条件

(1)矿体概况。瓦屋磷矿Ⅳ矿段是瓦屋矿区Ⅰ、Ⅲ矿段往南深部延伸区域,地质构造复杂多变。矿段处于F1断层下盘,该矿段主要矿层(ph13矿层)为沉积型磷矿岩,震旦系上统陡山沱组第二段。瓦屋Ⅳ矿段矿体倾向 SE,倾角17°～25°,平均倾角18°,属缓倾斜矿体,平均厚度5.46 m。本研究试采区矿体厚度为4.7 m左右,深度为+112.17～+1 021.97 m。P2O5品位为18.06%～29.86%,平均品位为22.03%。矿段探矿面积约4.6 km2,资源储量为71 411 kt。

(2)水文地质条件。该矿段属于沉积型磷矿岩,有2/3以上的磷矿层埋藏于当地侵蚀基准线以下。矿段顶板直接和间接进水,含水层中主要为溶蚀裂隙,按照矿床勘探复杂程度划分,该矿段水文地质条件属于中等偏复杂类型。

(3)工程地质条件。矿体顶底板围岩分别为白云岩和含磷泥岩。ph13磷矿层与白云岩顶板致密坚硬、强度高、完整性好、底板较软弱、强度低,工程地质条件属于中等类型。

(4)开采技术条件。瓦屋磷矿Ⅳ矿段属于缓倾斜薄—中厚矿体,围岩稳定性较好,断层、节理与裂隙不发育。由于矿石存在胶结结构,块状矿石易松散,片帮严重;顶板白云岩含有硅质岩,其中方解石遇水易膨胀,顶板容易形成炸顶、脱层现象,冒顶片帮成为开采的不稳定因素。开采技术参数:坚固性系数f矿石为8～10、顶板为15,密度为2.85 t/m3,松散系数为1.86,安息角为 38°。

2 采矿方法初步选择

瓦屋磷矿Ⅳ矿段属于缓倾斜薄—中厚矿体,并处于F1断层下盘,地质结构复杂,其开采难度主要在于[10-11]:①缓倾斜矿体无法通过自重溜矿,放矿困难;②薄矿体无法发挥大型设备优势,不合理的采矿布置会导致采切工程量大,消耗成本高;③ 复杂的地质结构导致顶板管理难度大,冒顶片帮现象严重,需采用预留大量矿柱的方法来控制顶板,矿石损失量大。

缓倾斜薄—中厚矿体常用的几种采矿方法对于瓦屋磷矿适应性不强,具体表现在:该矿的矿体赋存倾角为17°～25°,不适宜采用大规模爆力搬运的采矿方法;底盘漏斗法由于采切工程量过大,无法获得很好的经济效益;由于现阶段矿山还未建设充填系统,充填成本较高,磷矿效益起伏不定,目前充填法尚无法实施;现有的部分伪倾斜开拓系统以及初期试验确定的无轨运输方式,使得电耙留矿法不宜采用。

根据瓦屋磷矿Ⅳ矿段的开采技术条件和矿体特征,以及矿山产能需求,结合矿山生产情况和技术水平,拟采用房柱法采矿,并进行了3次采矿方法优化试验,各方法的主要区别在于出矿方式的优化思路。

(1)方案Ⅰ,电耙采矿方法。矿块沿矿体走向布置,矿块倾向长度为15～80 m,矿房宽度为12 m,中段运输平巷宽度为4.5m,切割上山宽度为3m,矿块周围留4m的连续间柱,断层边缘设置6m宽的保安矿柱。

(2)方案Ⅱ,对角式双巷斜坡道采矿法。矿块沿走向布置,矿房尺寸为14 m×16 m;切割上山宽度为4 m,切割上山间距为14 m;采准平巷宽度为4 m,采准平巷间距为16 m;点柱尺寸为5 m×7 m,点柱间距为9 m;断层边缘保安矿柱宽度为6 m,边界回风巷保安矿柱宽度为15m;中段运输平巷宽度为4m。为了满足扒渣机出矿要求,布置密集的伪倾切割斜坡道降坡,有助于克服电耙采矿存在的不足。

(3)方案Ⅲ,无轨运输、锚网护顶、轮式出矿的房柱法。矿块沿矿体走向布置,矿块走向长度为200 m,矿块倾向长度为190 m,阶段高60 m,矿房宽度为32m,矿房内设6 m×7m规则矿柱,顶柱为6 m,底柱为6 m,设置5 m间柱,断层边缘设置6 m保安矿柱。

各方案在开采过程及开采技术方面主要的优缺点见表1,3种方案的主要技术经济指标见表2。

由表1和表2可知:各方案在开采过程中各有优势和不足,难以确定合理的采矿方法。采矿方法的选择受多种因素影响,特别容易受到人为主观经验的影响。鉴于此,结合层次分析和模糊数学方法可以使各种因素定量化、数字化,便于详细分析各种方案的优越性,进而判断出最为合理的采矿方法。

表1 各方案主要优缺点Table 1 Main advantages and disadvantages of each scheme

表2 各方案主要技术经济分析Table 2 Main technical and economic analysis of each scheme

3 采矿方法模糊综合评判

选择合理的采矿方法对于矿山安全、高效生产具有重要作用,采矿方法的选择是各种采矿因素的合理整合,难以通过人为主观性判断来确定出科学合理的采矿方法。科学合理采矿方法的选择应充分考虑不同层面、不同指标、各种因素的影响[12],故本研究采用层次分析法和模糊数学相结合判断上述电耙采矿方法(方案Ⅰ),对角式双巷斜坡道采矿法(方案Ⅱ),无轨运输、锚网护顶、轮式出矿的房柱法(方案Ⅲ)3种采矿方法的优越性。

3.1 层次分析确定权重

3.1.1 评价体系的层次结构模型

依据上述3种采矿方法试验结果,选取几种合理的指标,通过层次分析和模糊综合评判来得到最优的采矿方法。本研究依据指标选取全面、少量、最主要的原则,确定采用5个准则、9个因素的目标系统(图1)来确定最优采矿方法[13-14]。

图1 采矿方法评价指标体系层次模型Fig.1 Hierarchical model of the evaluation index system of mining method

3.1.2 构建判断矩阵

依据层次分析法原理,结合专家打分,对各因素重要性指标进行量化,采用1～9以及倒数进行标度,建立判断矩阵[15],从而得出如表3所示的O-A判断矩阵。

表3 判断矩阵O-ATable 3 Judgment matrix O-A

3.1.3 判断矩阵权重排序

根据表3判断矩阵O-A,对列向量进行归一化处理,采用方根法求特征向量W和最大特征值γmax,得出各影响因素的权重值[16],公式为

式中,wij为第i行第j列的重要性指标;为判断矩阵O-A每一行元素乘积的n次方根;Wi为第i个因素的特征向量;D为判断矩阵;W为特征向量;n为矩阵阶数;wi为特征向量W的第i个元素。

经上述计算,可得二级判断矩阵O-A各因素的权重值为(0.231、0.247、0.113、0.271、0.138)。

由于评判矩阵容易受人为主观因素影响,产生的误差易识别,为了得出尽可能准确的判断矩阵,需要对判断矩阵的一致性进行检验,SAATY提出的不相容度计算公式为[17]

式中,CI为一致性指标;CR为一致性比率;RI为平均随机一致性指标,根据随机一致性检验表并参考文献[18],当CR＜0.1时,一致性通过。

由判断矩阵O-A得,判断矩阵O-A的最大特征值γmax=5.326,CI=0.081,RI=1.12,CR=0.073,一致性通过。

同理,可得二级评价指标相对于标准层的权重系数为

由此得出各因素的层次总排序见表4。

表4 层次总排序Table 4 Total hierarchical ordering

由表 4 可知:B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9对目标值O的总排序权重为

3.2 构建模糊综合评价矩阵

根据表5所示各方案具体影响因素指标体系中的矿块生产能力、生产成本、采切比、贫化率、损失率5个定量指标,以及顶板安全状况、通风条件、劳动条件以及对矿体适应性4个定性指标确定隶属度矩阵。隶属度矩阵确定方法分别进行如下论述。

表5 各方案的综合评价指标体系Table 5 Comprehensive evaluation index system of each scheme

3.2.1 定量指标隶属度矩阵确定

定量指标可以归类为正指标和负指标,正指标包括矿块生产能力;负指标包括生产成本、采切比、贫化率、损失率。各指标的隶属度可用如下线性公式进行计算:

式中,rijmax为i因素的最大指标值;Zij为i方案j因素的指标值,式(5)和式(6)分别用于正负指标的隶属度计算。

定量指标隶属度矩阵正规化后可得:

3.2.2 定性指标隶属度矩阵确定

对于表5中所列出的4个定性指标(顶板安全状况、通风条件、劳动条件以及对矿体适应性),采用二元对比排序法和专家打分法得到指标的隶属度矩阵。其中,顶板安全状况的二元对比排序见表6。

表6 顶板安全状况二元对比排序Table 6 Binary comparison ranking of roof safety condition

取各行最小值,即顶板安全状况的隶属度为(1,0.33,0.5),同理可得通风条件的隶属度为(0.5,1,1),劳动条件的隶属度为(1,0.66,0.66),对矿体适应性的隶属度为(0.5,0.5,1)。

由此可以得到上述3种采矿方法的模糊综合评价矩阵R为

3.2.3 采矿方法模糊综合评选

根据上文得到的权重向量W和模糊综合矩阵R,利用加权平均模型计算得出的3种方案的评判集为

由此可知上述3种方案的优劣性,方案Ⅲ明显优先于方案Ⅰ和方案Ⅱ,即无轨运输、锚网护顶、轮式出矿的房柱法为该矿最优采矿方法。

4 采矿方法及应用效果

按照采矿方案的优选结果,瓦屋磷矿Ⅳ矿段首选采矿方法确定为无轨运输、锚网护顶、轮式出矿的房柱法。

4.1 采矿方法概述

4.1.1 矿块结构参数

矿块沿矿体走向布置,矿块走向长度为200 m,矿块倾向长度(斜长)190 m,阶段高度60 m,矿房宽度为32 m。矿房内设6 m×7 m方形矿柱,6 m顶底柱,5 m间柱,断层边缘设置6 m保安矿柱。无轨运输、锚网护顶、轮式出矿的房柱法采矿方法原理如图2所示。

图2 房柱采矿法原理(单位:m)Fig.2 Principal of room-pillar mining method

4.1.2 采准切割

采切工程主要包括联络斜坡道、切割平巷、切割上山以及联络平巷。具体采准切割工作流程为:首先在阶段大巷上沿走向每200 m布置一条联络斜坡道(坡度为12%),拉通上阶段大巷,承担运输、行人、通风作用,划分矿块;其次在斜坡道上自上而下,沿矿体倾向与上阶段平巷中对中15 m布置联络平巷,作为主要安全通道,联通相邻采场;在联络斜坡道上自上而下,沿倾向中对中每32 m布置走向的5条切割平巷,在切割平巷上沿走向按每32 m布置3条切割上山,形成矿房。

4.1.3 回采

瓦屋磷矿Ⅳ矿段矿体平均厚度为5.46 m,矿房无法进行单台阶回采,为了控制采场地压,在同一采场内布置6个台阶进行回采工作。回采顺序自上而下,在矿块内向联络斜坡道方向自西向东方向退采。台阶1:在联络平巷以上,预留顶柱;台阶2～5:在各切割平巷以上,预留间柱和点柱;台阶6:最下切割平巷以上,相应预留出间柱、点柱和底柱。

回采矿石时,选用NJP4815PD6型井下自卸式矿用汽车在联络斜坡道与联络平巷贯通口进行装矿,崩下的矿石用CDM835型装载机装入运矿卡车,经斜坡道运至阶段运输平巷,过主平硐运出地表。

4.2 应用效果

现场应用效果表明:无轨运输、锚网护顶、轮式出矿相较于电耙出矿采切工程量得到了有效控制,装载机出矿效率高,CDM835装载机生产能力可达88.2 t/h,无轨运输设备出矿更加灵活,矿块生产能力为579 t/d,轮式出矿较电耙出矿优势明显,基建期短,直接成本为44.58元/t,在吨矿成本降低的情况下,产量明显提升,能够满足矿段年产120万t的设计要求。并且自行设备出矿操作灵活,易于控制矿石损失与贫化,瓦屋Ⅳ矿段地质品位为29.87%,采出平均品位达到28.34%。采用正倾切割布置的房柱法,减少了三角矿柱损失,更有利于地压管理。