基于层次分析法的鑫汇金矿深部采矿方法优选及应用

李官兵　李正灿　于向波　耿爱朋

摘要：为保证矿山安全高效开采，结合鑫汇金矿深部矿体开采技术条件，初步拟定了矿柱预加固上向水平分层充填采矿法、上向进路充填采矿法和下向进路充填采矿法3种方案。运用层次分析法，结合模糊综合评判的理论，构造多因素判断矩阵，综合安全、经济、资源和效率等各方面的考虑，为每个备选方案进行了打分。最终优选出矿柱预加固上向水平分层充填采矿法为最佳的采矿方法。经实际应用，提高了采场生产能力，而且大大提高了安全生产保障。该结果符合工程实际，该方法可为类似矿山采矿方法优选提供参考借鉴。

关键词：深部开采；充填采矿法；模糊数学；层次分析法；模糊综合评判

中图分类号：TD853.34文章编号：1001-1277（2023）07-0090-06

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20230714

引 言

采矿方法的选择是矿山生产的基础工程，深深影响着安全生产的进行和矿山的经济效益［1-4］。采矿方法的选择是一个系统工程，不仅要考虑矿体赋存条件，而且采矿技术水平及社会经济条件也不可忽视。因此，要综合考虑各个方面的因素，将采矿方法进行不断优化，才能安全高效且经济地实现采矿生产目标［5-6］。

山东黄金矿业（鑫汇）有限公司（下称“鑫汇金矿”）深部矿岩揭露情况整体较为稳固，但局部区域存在断层和大构造带，上盘接触带位置矿化严重，岩石强度较低，部分采场顶板围岩十分破碎。随着生产的深入，地压增大，矿岩更加破碎、节理裂隙发育、巷道和采场围岩的变形和流变更严重，使得采矿条件进一步恶化。现采用的上向充填采矿法在部分采场充填接顶率低，空顶面积较大，安全系数低，亟须进行采矿方法的优化。

本文充分考虑鑫汇金矿深部矿体的赋存条件，采用层次分析法，并结合模糊数学理论，对采矿方法进行优化，以实现矿山安全高效开采。

1 采矿方法初选

鑫汇金矿-670 m中段矿体的开采技术条件为：①矿体倾角较缓，为25°～35°。②矿体沿走向连续长度在100 m以上，连续性好。③金金属品位分布差异较大，与上盘围岩分界较清晰，且品位较高，与下盘围岩分界不明显，品位较低，靠取样分析确定矿体边界。④矿体和下盘围岩岩性较好，中等稳固；部分上盘直接围岩为含碳质页岩，岩性较软，稳固性较差；与碳质页岩相邻的上盘间接围岩，稳固性中等以上。

综上所述，鑫汇金矿-670 m中段矿体埋深700 m左右，地表不容许塌陷，因此，选择采用充填采矿法和空场嗣后充填采矿法开采较为合适，但考虑到后者的采高较高、跨度较大，安全性较差，与该中段矿体的开采技术条件不符。所以，初步拟定以下3种采矿方案开采此段矿体：

①方案Ⅰ，矿柱预加固上向水平分层充填采矿法；②方案Ⅱ，上向进路充填采矿法；

③方案Ⅲ，下向进路充填采矿法。

1.1 矿柱预加固上向水平分层充填采矿法

1）采场结构参数：50 m中段，12 m分段，矿体水平厚度为矿块长，矿体宽30～40 m，高与分段高度一致，沿走向布置采场，采场包括矿房和矿柱，矿房宽为5 m，矿柱宽为5 m，分层高为4 m。由于-620 m中段1分层未施工人工假底，故各采场开采至-623 m水平，留7 m高顶柱。分段间的联系由采区斜坡道承担，服务范围一般150 m以上。采矿方法及工程布置见图1。

2）采准工程。采准工程包括辅助斜坡道、采场联络巷、分段运输巷，工程规格为2.8 m×2.8 m的1/3三心拱；充填回风天井，工程规格为1.5 m×1.5 m；溜井，工程规格为φ2 m。

3）回采顺序。根据矿体厚度及形态，划分为矿块，总体回采顺序由中部到两翼，由下到上；矿块内采场回采顺序为隔一采一，先回采矿柱-670 m分段二分层，回采高度4 m，采场回采完毕后，施工5～8排长锚索，进行接顶充填；再按分层由下至上回采矿房，充填控顶距为1 m，循环进行压顶回采和充填作业，直至分段内各分层矿房回采完毕，进行接顶充填；最后循环进行压顶回采和充填回采矿柱。

4）凿岩爆破。采用DWE1-24（Z9）单臂凿岩台车进行回采作业，压顶回采炮孔的装药结构为反向柱状连续不耦合装药，炮孔长为3 m。

5）出矿运输。采场内矿石经XYWJD-1型电动铲运机运送到溜井，由中段运输系统运矿至风井，由罐笼提升至地表。

6）采场支护。采场中矿石铲出后，进行锚杆支护作业，按各采场稳定性分级对应的支护网度进行支护。

采用YGZ-90凿岩机向上倾斜45°钻孔，施工长锚索，钻孔直径50 mm，孔距为2 m，排距为2 m，1次支护1个分段高度的矿体，选用φ22 mm的無纵筋螺纹钢作为锚索杆体代替常规的钢绞线，采用水灰比为0.4的水泥浆进行注浆，其28 d黏结强度为3.05 MPa。

7）采场充填。充填管路从-620 m中段巷经充填回风天井、分段运输巷和联络巷引入采场；矿房和矿柱均采用胶结充填，矿房底部2.5 m充填配比为1∶10，上部0.5 m充填配比为1∶4，施工长锚索分层的矿柱充填与矿房相同；矿柱底部2.5 m充填配比为1∶30，上部0.5 m充填配比为1∶4。

8）主要技术经济指标。单采场全断面压顶需凿岩台车驾驶员1人，0.5班；装药爆破需装药工1人，0.125班；爆破通风需1人，0.125班；出矿铲运机需驾驶员1人，0.6班；采场支护8根锚杆需钻工1人，扶钻工1人，0.1班；共1.45班，3班/d可循环作业2次，每次凿岩深度3 m，进尺2.8 m以上。该方案的主要技术经济指标见表1。

1.2 上向进路充填采矿法

1）采场结构参数。与方案Ⅰ一致。矿房宽为5 m，矿柱宽为5 m，进路开采高度为3 m。由于-620 m中段1分层未施工人工假底，各采场开采至-621 m水平，留5 m高顶柱。分段间的联系由采区斜坡道承担，服务范围一般150 m以上。采矿方法及工程布置见图2。

2）采准工程。较方案Ⅰ多了脉内沿巷，工程规格为2.8 m×2.8 m的1/3三心拱；充填回风天井，工程规格为1.5 m×1.5 m；溜井，工程规格为φ2 m。

3）回采顺序。同上一方案，采场先掘进断面2.5 m×3.0 m的1/3三心拱，再从上盘向下盘两侧劈帮退采，各分层先采矿房再采矿柱，采完此分层并充填完毕后转入上一分层回采。

4）凿岩爆破。采用7655气腿式凿岩机进行凿岩作业，装药结构为反向柱状连续不耦合装药。

5）出矿运输。采场内矿石经XYWJD-1型电动铲运机运送到溜井，由中段运输系统运矿至风井，由罐笼提升至地表。

6）采场支护。采场中矿石铲出后，进行锚杆支护作业，按各采场稳定性分级对应的支护网度进行支护。

7）采场充填。充填管路从-620 m中段巷经充填回风天井、分段运输巷和联络巷引入采场；全部采用胶结充填，矿房与矿柱充填配比分别为1∶6和1∶10。

8）主要技术经济指标。单采场掌子面掘进（或劈帮）凿岩需钻工1人，扶钻工1人，0.8班；装药爆破需装药工1人，0.125班；爆破通风需1人，0.125班；出矿铲运机需驾驶员1人，0.3班；采场支护4根锚杆需钻工1人，扶钻工1人，0.05班;平均为1.4班，3班/d可循环作业2次。按一次掘进一次劈帮计算单采场生产能力，每次掘进凿岩深度2 m，进尺1.8 m以上（劈帮时，两帮可回采5 m），本方案的主要技术经济指标见表2。

1.3 下向进路充填采矿法

1）采场结构参数。与方案Ⅰ一致，矿房宽为5 m，矿柱宽为5 m，进路开采高度为3 m，不预留顶柱。分段间的联系由采区斜坡道承担，服务范围一般150 m以上。采矿方法及工程布置见图3。

2）采准工程。与方案Ⅰ一致，工程规格为2.8 m×2.8 m的1/3三心拱；充填回风天井，工程规格为1.5 m×1.5 m；溜井，工程规格为φ2 m。

3）回采顺序。同上一方案，采场先掘进断面2.5 m×3.0 m的1/3三心拱，再从上盘向下盘两侧劈帮退采，各分层先回采矿房，再回采矿柱，该分层采场全部回采并铺筋充填完毕后，转入下一分层回采。

4）凿岩爆破。采用7655气腿式凿岩机进行凿岩作业，装药结构为反向柱状连续不耦合装药。

5）出矿运输。采场内矿石经XYWJD-1型电动铲运机运送至溜井，由中段运输系统运矿至风井，由罐笼提升至地表。

6）采场支护。顶板为矿石和围岩时，按顶板稳定性分级对应的支护网度进行支护；顶板为人工假底时，如无必要不需支护。

7）采场充填。充填管路从-620 m中段巷经充填回风天井、分段运输巷和联络巷引入采场；充填前在采场底部进行铺筋，矿房和矿柱均采用胶结充填，打底充填配比为1∶4，厚度1.5 m，养护16 h以上，再采用配比为1∶8的料浆充填采场上部1.5 m。

8）主要技术经济指标。单采场掌子面掘进（或劈帮）凿岩需钻工1人，扶钻工1人，0.8班；装药爆破需装药工1人，0.125班；爆破通风需1人，0.125班；出矿铲运机需驾驶员1人，0.3班；采场支护4根锚杆需钻工1人，扶钻工1人，0.05班；平均为1.4班，3班/d 可循环作业2次。按一次掘进一次劈帮计算单采场生产能力，每次掘进深度2 m，进尺1.8 m以上（劈帮时，两帮可回采5 m），本方案的主要技术经济指标见表3。

1.4 采矿方案技术比较

将上述方案总体进行比较评价，结果见表4。

从各方案的技术经济指标及优缺点可以看出，按安全原则的优劣排序为：方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ；按高效、低成本和工艺简单原则的优劣排序为：方案Ⅰ＞方案Ⅱ＞方案Ⅲ；按低贫损原则的优劣排序为：方案Ⅱ=方案Ⅲ＞方案Ⅰ；其中，方案Ⅲ因人工假底充填工艺复杂和采矿直接成本较高而稍显劣势，但各方案的差距不是特别大，无法简单取舍某一方案。

2 采矿方案模糊综合评判

为了筛选出最合理的采矿方法，需要进行多方面的考虑，系统进行分析，而这些因素有很多是不定量的，对采矿方法的优越性影响程度不同，且很模糊，因此需要采用模糊数学的理论与方法，分别评判各项指标［7-8］。层次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）适用于采矿方法选择这类决策指标复杂交错、难以定量描述的系统性决策问题［9］，结合鑫汇金矿的具体情况，得到各层次和影响因素间的相互关系，结果见图4。

在层次分析法中，T．L．Saaty采用表4所示的方法对判断矩阵进行标度。

聘請从事矿山生产、技术和经营管理方面的研究设计与生产单位的相关采矿专家，对表4中所列指标，从安全、生产、技术、经营管理等方面着手［10-11］，对每个因素与其他因素的重要性进行比较并打分，得出判断矩阵（1）～（5）。

经计算：矩阵A的权重值为（1.97，1.73，0.39，0.76），归一化以后为（0.41，0.35，0.08，0.16）。

同理，可得矩阵B1～B4各因素的权重值，归一化后可得：c1=（0.87，0.13），c2=（0.44，0.06，0.08，0.15，0.27），c3=（0.83，0.17），c4=（0.83，0.17）。各分指标（C1～C8）对总目标A的权重分配值计算结果见表5。

由表5可知，权重W=（0.36，0.05，0.15，0.02，0.09，0.07，0.23，0.03）。参考鑫汇金矿和山东黄金集团有限公司类似矿山，选取对C1～C8（主要影响因素）中的定量指标，由专家对其中的定性指标进行评价，得到的主要因素指标见表6。

对于上述定量指标，隶属度（rij）可以采用线性函数模型求出［12］。对于越大越优指标，按式（10）计算；对越小越优指标，按式（11）计算。

式中：fjmax为因素j指标的最大值；fij为方案i因素j的指标值。

对其余定性指标，采用专家评价进行赋值，各指标的分值见表7。

由此得评价模糊矩阵，运用加权平均模型对各方案进行评价。经计算：方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ的特征值分别为0.606，0531和0.545，结合最大隶属度原则，方案Ⅰ最优、方案Ⅲ次之、方案Ⅱ最差。

优选出的矿柱预加固上向水平分层充填采矿法已在鑫汇金矿-670 m分段2分层矿体及-655 m分段1～4分层矿体进行了工业试验。工业试验及推广应用共采出矿石9万t，平均出矿品位为2.89 g/t，选矿回收率92 %，金精粉品位70 g/t，金精粉产量3 418.46 t，取得了显著的经济效益。经预加固，安全生产保障大大提高，有效保证了工人和设备的安全，获得了良好的社会效益。

3 结 论

1）结合层次分析法和模糊数学选择采矿方法，采用层次分析法，确定了各个因素的权重，克服了由于多个因子导致的加权不能合理分配的问题；利用模糊数学相关原理，使其决策的可靠性和精确度得到了显著的改善。2）

根據鑫汇金矿地质条件、顶底板稳固性等方面初选出3种采矿方法：矿柱预加固上向水平分层充填采矿法、上向进路充填采矿法、下向进路充填采矿法。

3）综合各方面比较结果，方案Ⅰ是高效、低成本、工艺简单的方案，同时按模糊综合评判的优劣排序为：方案Ⅰ＞方案Ⅲ＞方案Ⅱ。综合考虑，最佳采矿方案为方案Ⅰ，即矿柱预加固上向水平分层充填采矿法。

［参 考 文 献］

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Optimization and application of deep mining methods for Xinhui Gold Mine based on analytic hierarchy process

Li Guanbing，Li Zhengcan，Yu Xiangbo，Geng Aipeng

（Shandong Gold Mining （Xinhui） Co.，Ltd.）

Abstract：To ensure the safe and efficient mining of the Xinhui Gold Mine，based on the mines technical mining conditions for the deep ore bodies，3 initial plans were proposed：mining with pre-reinforced pillar and upward horizontal slicing filling，upward approach filling mining，and downward approach filling mining.The analytic hierarchy process was used，and combined with the theory of fuzzy comprehensive evaluation，a multi-factor decision matrix was constructed to comprehensively consider aspects such as safety，economy，resources，and efficiency，and to score each alternative plan.Finally，the mining method of the pre-reinforced pillar and upward horizontal slicing filling was selected as the best.Through practical application，the production capacity of the stope has been improved，and production safety has been greatly enhanced.The result is consistent with engineering reality，and this method can provide a reference for the optimization of mining method selection in similar mines.

Keywords：deep mining;filling mining method;fuzzy mathematics;analytic hierarchy process;fuzzy comprehensive evaluation

收稿日期：2023-01-11； 修回日期：2023-03-08

基金项目：国家自然科学基金面上项目（51974043）

作者简介：李官兵（1973—），男，工程师，从事金属矿山生产管理及采矿工程技术研究工作；E-mail：liguanbing986@163.com