龍門山礦區(qū)L23礦體采場結構參數的模糊綜合評價優(yōu)化

饒運章，鄭長龍，汪 弘，舒太鏡，金 鑫

(1.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000；2.江西省景德鎮(zhèn)市安全生產監(jiān)督管理局，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

龍門山礦區(qū)L23礦體走向70～250°，傾向NNW，084線以西(II采區(qū))礦體傾角約50°，084線以東(I采區(qū))礦體傾角約35°。礦體賦存在矽卡巖中，整體呈透鏡狀，沿走向具分叉現象，084線以東膨脹。礦體賦存標高-450～-603m，其中-530m平面延伸長度較大約為200m，選用階段礦房嗣后充填法[1]回采。

階段礦房嗣后充填法是一種高效率組合采礦法，具有安全性好、靈活性強、生產能力大、回采強度高等優(yōu)點[2]。但采場結構參數優(yōu)選是一個多因素、多目標模糊綜合評價問題，主要由采準系數、回采效率、采場穩(wěn)定性、采充成本等決定[3]。

采用模糊綜合評價原理，建立最優(yōu)結構參數的層次分析法模型；運用熵值法確定各指標權重，計算歸一化評價值，并進行綜合評判。

1 建立層次分析模型

采場結構參數的層次分析模型包括目標層：最優(yōu)采場寬度(A)；準則層：技術指標(B1)、經濟指標(B2)和安全指標(B3)；指標層：每米炮孔崩礦量(C1),貧化率C2)，回采效率(C3)，充填成本(C4)，最大主應力(C5)，剪應力(C6)，頂板位移(C7)，兩幫位移(C8)，拉伸破壞體積(C9)和剪切破壞體積(C10)，見圖1。

圖1 采場結構參數層次分析模型

2 確定指標參數

為得到安全指標B3的六個指標參數，采用FLAC3D軟件對龍門山礦區(qū)L23礦體采用的階段礦房嗣后充填法進行模擬開挖與充填。利用ANSYS的網格劃分功能對計算區(qū)域進行網格劃分，之后導入FLAC3D計算。計算模型的礦體部分圖2所示，模型的礦體網格大小5m，圍巖網格大小20m，離散后的模型四面體單元數789215個，節(jié)點數132729個。

圖2 計算模型礦體部分

根據龍門山礦區(qū)原巖應力測試結果，采用應力邊界法加載自重應力和構造應力，運用分階段彈塑性求解，計算平衡后得到計算區(qū)域的初始應力場(圖3)。

圖3 初始應力場

I采區(qū)采場垂直走向布置，方案I、II、III采場寬度分別為12m、13m、14m，長度為礦體的水平厚度，采場高度(階段高度)46.5m；II采區(qū)采場沿礦體走向布置，長度為24m，采場間柱8m，寬為礦體水平厚度，采場高度46.5m，上下階段間留6m礦柱。在數值模擬中，三種方案均以“隔一采一”方式上行式回采，嗣后尾砂充填。

為更好的反應開挖及充填后應力、位移、塑性區(qū)等變化特點，三方案選取如圖4位置特征礦房A，該礦房西邊邊幫為圍巖，東邊為膠結充填體，礦房頂部為圍巖，底部為礦石底柱。同時利用FISH語言在礦房設置監(jiān)測點和切片，在模擬結束后分析計算結果。同時，收集礦山每米炮孔崩礦量、充填成本和回采效率等數據，得到方案綜合評價指標體系(表1)。

圖4 特征礦房位置

表1 方案綜合評價指標體系

3 確定權重

根據層次分析法的基本原理，參考相關文獻和其他學者[4-6]對技術、經濟、安全指標權重的取值，構造目標層對應于準則層的模糊互補判斷矩陣(式(1))。

(1)

(2)

(3)

(4)

再由熵值計算公式(5)得到技術指標和安全指標的熵值ei。

i=1，2，…,m;j=1,2,…,n

(5)

eB1=0.998,0.998,0.999，

eB3=0.994,0.983,0.993,0.938,0.999,0.987

各指標的差異性系數計算公式見式(6)。

gi=1-ei

(6)

gB1=0.002,0.002,0.001，

gB3=0.006,0.017,0.007,0.062,0.001,0.013

計算結果表明，兩幫位移指標熵值最小、差異性系數最大，說明該指標對于方案比較所起的作用最大，指標最重要。根據式(7)對差異性系數進行歸一化權重計算。

(7)

ωB1=0.384,0.363,0.253，

ωB3=0.053,0.163,0.066,0.584,0.007,0.127

總排序權重見表2。

4 結構參數優(yōu)化的綜合評價

表2 總排序權重

(8)

由權重向量ω和隸屬度矩陣RC可以得到方案的綜合評判向量，見式(9)。

T=ωRC=0.833，0.965，0.738

(9)

方案I、II、III的優(yōu)越度分別為83.3%、96.5%、73.8%，故最佳方案為方案II，相應最優(yōu)采場寬度13m。

隸屬度矩陣RC顯示，方案III的技術指標最好，但是穩(wěn)定性較差；方案I則存在回采效率較低的問題；方案II雖然回采效率次之，但安全指標最好。

5 結論

1)建立層次分析模型，結合熵值法得到了采場結構影響因素的權重和隸屬度矩陣，通過綜合評判向量得出采場寬度13m(即方案II)為最佳方案。

2)兩幫位移指標在方案優(yōu)選中作用最大，指標最重要。因此，礦房開挖后，為防止片幫現象發(fā)生，應對采場兩幫進行噴混支護。

[1] 于世波,董凱程,蘇逢彬,等.空場嗣后充填法充填體力學作用過程及控制效果分析[J].有色金屬：礦山部分，2013(3)：13-16.

[2] 饒運章,吳紅.東鄉(xiāng)銅礦分段崩落階段礦房嗣后充填組合采礦法試驗研究[J].有色金屬：礦山部分，2004(3)：13-15,35.

[3] 許傳華,任青文.地下工程圍巖穩(wěn)定性的模糊綜合評判法[J].巖石力學與工程學報，2004(11)：1852-1855.

[4] 王新民,秦健春,張欽禮,等.基于AHP-TOPSIS評判模型的姑山駐留礦采礦方法優(yōu)選[J].中南大學學報：自然科學版，2013(3)：1131-1137.

[5] 任紅崗,譚卓英,蔡學峰,等.分段空場嗣后充填法采場結構參數AHP-Fuzzy優(yōu)化[J].北京科技大學學報，2010(11)：1383-1387.

[6] 饒運章,何少博,陳輝,等.基于未確知測度理論的采礦方法優(yōu)選[J].中國礦業(yè),2012，21(S1):337-342.