類綜合指數(shù)法在采礦方法選擇中的應(yīng)用

周升平 王貽明 吳愛祥 艾純明

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

金屬礦山開采由于礦床賦存多樣性、開采條件不確定性以及各因素關(guān)系的復(fù)雜性，直接導(dǎo)致了采礦方法的難以抉擇。采礦方法作為礦山系統(tǒng)重要的組成要素，其選擇的合理性直接影響礦山的可持續(xù)發(fā)展。在采礦方法的選擇過程中，必須將理論知識(shí)同工程實(shí)踐相結(jié)合。目前，采礦方法綜合選擇主要有灰色聚類法、模糊數(shù)學(xué)綜合評判法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及層次分析法等?；疑垲惙ㄓ械刃甭驶疑垲悺⒐苍c(diǎn)灰色聚類方法，灰色聚類方法對權(quán)重選取的要求比較高，權(quán)重的處理過程如果不同的話，可能出現(xiàn)與結(jié)果相反的結(jié)論［1-2］;模糊數(shù)學(xué)綜合評判法采用傳統(tǒng)的隸屬函數(shù)和隸屬度來計(jì)算，其定義過于絕對化，而且其計(jì)算過程繁瑣，實(shí)用性不強(qiáng)［3-4］;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的中間層及單元數(shù)選取存在無理論指導(dǎo)性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和記憶具有不穩(wěn)定性缺陷，而且BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)太多增加了數(shù)據(jù)處理的難度［5-6］;層次分析法中判斷矩陣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量大，判斷矩陣難以獲得精確特征值和特征向量，往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的多重性［7］。

與這些方法不同的是，類綜合指數(shù)法是對一組相同或不同指標(biāo)值通過統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，使不同計(jì)量單位、性質(zhì)的指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化，最終轉(zhuǎn)化成多目標(biāo)決策分析方法，準(zhǔn)確地評價(jià)出項(xiàng)目要求的綜合水平［8］。該方法具有結(jié)構(gòu)合理、計(jì)算簡便、易于推廣和應(yīng)用等特點(diǎn)。就采礦方法而言，其各技術(shù)、經(jīng)濟(jì)以及采礦地壓控制程度等指標(biāo)都屬于不同計(jì)量單位、性質(zhì)的指標(biāo)，把綜合指數(shù)法運(yùn)用于采礦方法選擇過程，選出最優(yōu)采礦方法，對礦山開采具有良好的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。以內(nèi)蒙古某銅礦Ⅰ號(hào)礦床銅礦體為例，利用上述理論來優(yōu)選采礦方法。

1 礦床開采技術(shù)條件

Ⅰ號(hào)礦床賦存于下盤黑云母石英片巖與上盤二云母石英片巖之間。礦體形態(tài)為層狀、似層狀和透鏡狀，傾角為60°～80°，礦體厚度1～65.5 m。礦石大部分屬于穩(wěn)固類型，局部有不穩(wěn)固礦石，上盤圍巖，硅化現(xiàn)象比較穩(wěn)固，未硅化地段比較松軟，極不穩(wěn)固。下盤圍巖，硅化段巖較為堅(jiān)硬穩(wěn)固，沒有硅化的巖石則強(qiáng)度低，穩(wěn)固性差。礦(巖)硬度系數(shù):礦石f=10～15，上下盤圍巖f=6～10。礦巖松散系數(shù):礦石為1.54，巖石為1.50。通過工程揭露的銅礦體上、下盤都有不同程度的破碎帶，局部礦段節(jié)理裂隙非常發(fā)育。礦體的主要地質(zhì)特征如表1。

表1 Ⅰ號(hào)礦體賦存特征Table 1 Occurrence characteristics of No.1 orebody

Ⅰ號(hào)礦床銅礦體連續(xù)性好，品位變化系數(shù)很小。礦石為黃銅礦，致密堅(jiān)硬。礦體品位變化均勻，平均品位1.35%。礦體內(nèi)部礦物共生組合比較簡單，主要金屬礦物有黃銅礦、磁黃鐵礦和少量黃鐵礦。礦體內(nèi)普遍存在分枝復(fù)合現(xiàn)象，偶有尖滅再現(xiàn)現(xiàn)象。生產(chǎn)實(shí)踐表明黃銅礦及其他含硫礦石的氧化速度較快，同時(shí)放出熱量。

2 采礦方法初選

根據(jù)礦床的地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件以及國家經(jīng)濟(jì)政策的要求，初選出一套適合礦山開采的采礦方法。由于Ⅰ號(hào)礦床銅礦體和圍巖穩(wěn)固，礦體屬急傾斜厚礦體，地表也允許崩落，與分段崩落法和階段礦房法適用條件基本一致［9］。針對Ⅰ號(hào)礦床銅礦體不同賦存條件，考察了有底柱分段崩落法、無底柱分段崩落法和階段礦房法3種采礦方法。

2.1 有底柱分段崩落法

為了減少整個(gè)礦房的采切工作、優(yōu)化礦房參數(shù)，形成連續(xù)回采作業(yè)空間，采用擠壓爆破的垂直深孔落礦方式對礦房進(jìn)行開采。該方法適應(yīng)范圍廣、靈活性強(qiáng)，采礦方法見圖1。

圖1 有底柱分段崩落法Fig.1 Pillar sublevel caving method

(1)礦塊構(gòu)成要素。階段高度取60 m，分段高為15 m，分段底柱高6 m，礦塊尺寸常以電耙道為單元進(jìn)行劃分:礦塊長25～30 m，寬10～15 m。

(2)采準(zhǔn)切割工作。采用下盤脈外采準(zhǔn)布置，即出礦、行人、通風(fēng)和運(yùn)送材料等采準(zhǔn)工程都布置于下盤脈外。階段運(yùn)輸為穿脈裝車的環(huán)形運(yùn)輸系統(tǒng)，每3個(gè)礦塊設(shè)置1個(gè)行人進(jìn)分天井，用聯(lián)絡(luò)道與各分段電耙道貫通。每個(gè)礦塊的高溜井都與上階段脈外運(yùn)輸巷道相通，且以聯(lián)絡(luò)道與各分段電耙道相連，作為各分段電耙道的回風(fēng)井。在塹溝巷道內(nèi)鉆鑿垂直上向中深孔，與落礦同次分段爆破形成塹溝。在電耙道一側(cè)邊孔傾角不小于55°。為了減少耙道堵塞次數(shù)和降低堵塞高度，在耙道的另一側(cè)鉆鑿2個(gè)短炮孔，其傾斜角控制在20°左右。采用“丁”字形拉槽法，采用切割槽與落礦同次分段爆破。切割槽垂直礦體走向，布置在礦體穩(wěn)固性較好的礦體部位。

2.2 無底柱分段崩落法

與有底柱分段崩落法相比，無底柱分段崩落法下部不設(shè)由專門出礦巷道所構(gòu)成的底部結(jié)構(gòu)，分段的鑿巖、崩礦和出礦等工作均在回采巷道中進(jìn)行。采礦方法見圖2。

圖2 無底柱分段崩落法Fig.2 Pillarless sublevel caving method

(1)礦塊構(gòu)成要素。以1個(gè)出礦溜井服務(wù)的范圍劃分為1個(gè)礦塊，礦塊垂直走向布置，階段高度取50 m，礦塊長度等于礦體長度，礦塊寬度10 m，分段高度采用10 m。

(2)采準(zhǔn)切割工作。采用脈內(nèi)脈外聯(lián)合采準(zhǔn)，用分段橫巷切割分段，自分段橫巷開掘回采巷道，采出礦石。人行提升井分為兩格:行人格和通風(fēng)運(yùn)料格。設(shè)脈外天井，溜礦井為斜井，傾角70°，布置在人行提升井與礦體之間。在溜井下部，裝有放礦漏斗，在回采分層水平，裝有格篩。分段聯(lián)絡(luò)道為人行提升井、溜礦井與礦體之間的水平聯(lián)絡(luò)通道，上下兩段聯(lián)絡(luò)道錯(cuò)開布置。

2.3 階段礦房法

階段礦房法是用深孔落礦(或中深孔分段落礦)的空場采礦法，崩落的礦石由自重可全部溜到礦塊底部放出。為了改善階段礦房法底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，采用了扇形中深孔分段鑿巖階段礦房法。采礦方法見圖3。

(1)礦塊構(gòu)成要素。礦房沿走向布置，階段高度為50 m，礦塊長度為50 m，寬度等于礦體的水平厚度;頂柱厚度8 m、底柱高度8 m和間柱寬度9 m。

(2)采準(zhǔn)切割工作。采準(zhǔn)工程有階段運(yùn)輸巷道、分段鑿巖巷道、通風(fēng)人行天井、溜井、電耙道、斗穿及漏斗頸。階段運(yùn)輸巷道沿礦體下盤接觸線布置，通風(fēng)人行天井布置在間柱中，從此天井掘進(jìn)分段鑿巖巷道和電耙巷道。分段鑿巖巷道則布置在礦體中間。切割工作包括拉底、辟漏及開切割槽等。拉底與擴(kuò)漏同時(shí)進(jìn)行，由于回采工作是豎向推進(jìn)，故拉底和擴(kuò)漏采取的是隨回采工作面的推進(jìn)超前1～2對漏斗的拉底擴(kuò)漏，其方法采用深孔法。開切割槽采用的是垂直深孔擴(kuò)立槽法。對全部擴(kuò)槽炮孔分段微差一次爆破。

2.4 技術(shù)指標(biāo)對比

對上述初選的采礦方法試驗(yàn)進(jìn)行了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及礦體賦存條件指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，其具體數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 分段鑿巖階段礦房法Fig.3 Sublevel drilling stage room stoping method

表2 3種采礦方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)及礦體賦存條件指標(biāo)比較Table 2 Comparison of technical economic index and orebody conditions index in three mining methods

綜合國內(nèi)外礦山生產(chǎn)資料以及生產(chǎn)技術(shù)人員、采礦設(shè)計(jì)人員以及經(jīng)濟(jì)工作專家學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)等，對3種采礦方法下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及礦體賦存條件指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)分級［10］。其結(jié)果見表3。

表3 3種采礦方法適用條件標(biāo)準(zhǔn)分級Table 3 Standards grading of applicable conditions for three mining methods

3 基于類綜合指數(shù)法的采礦方法選擇

3.1 類綜合指數(shù)法的基本原理

類綜合指數(shù)法對具有客觀差異性的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，其取值在(0，1)區(qū)間內(nèi)，然后依據(jù)條件標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法，計(jì)算出各方案虛擬優(yōu)劣點(diǎn)距離，最后得出方案類綜合指數(shù)。類綜合指數(shù)的大小排序反映出了各系統(tǒng)方案優(yōu)劣程度［11］。礦體處于復(fù)雜環(huán)境下，開采條件具有很大模糊性，不能把開采技術(shù)及礦體賦存條件指標(biāo)直接進(jìn)行定量計(jì)算。而類綜合指數(shù)法能將各指標(biāo)或相關(guān)因素轉(zhuǎn)化為量化形式，進(jìn)行系統(tǒng)方案優(yōu)劣評價(jià)，得出最優(yōu)采礦方案。這對全面評價(jià)方案狀況和確認(rèn)方案合理性有重要價(jià)值。運(yùn)用類綜合指數(shù)法對采礦方法各個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)化選擇，使采礦方法方案的選擇更加合理、科學(xué)、可靠。

3.2 類綜合指數(shù)法評判采礦方法基本步驟

(1)建立試驗(yàn)方案－標(biāo)準(zhǔn)初始化矩陣P。將待測評價(jià)的方案(W1，W2，…，Wx)的 m 個(gè)評價(jià)指標(biāo)(B1，B2，…，Bm)，連同該 m 個(gè)指標(biāo)的n級標(biāo)準(zhǔn)分級(A1，A2，…，An)構(gòu)成試驗(yàn)方案－標(biāo)準(zhǔn)初始矩陣P，該矩陣由(x+n)個(gè)待評價(jià)方案，m個(gè)評價(jià)指標(biāo)組成，共含(x+n)×m個(gè)元素。P為

從表2和表3可以看出，有待評價(jià)方案3個(gè)，3類條件標(biāo)準(zhǔn)分級，每個(gè)方案有7項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)(礦體厚度、圍巖f、礦體 f、礦塊生產(chǎn)能力、貧化率、損失率、采切比)，寫成矩陣形式如下:

(2)建立無量綱試驗(yàn)方案－標(biāo)準(zhǔn)矩陣R。由于各種指標(biāo)的度量單位不一樣，必須對各列進(jìn)行歸一化處理，使試驗(yàn)方案數(shù)據(jù)變成標(biāo)準(zhǔn)矩陣(R)，其數(shù)值均在(0，1)之間。令:

將矩陣P進(jìn)行歸一化處理，得到的矩陣形式是

(3)求出虛擬優(yōu)點(diǎn)QG和虛擬劣點(diǎn)QB。指標(biāo)值越大，說明采礦方法試驗(yàn)的優(yōu)勢越不明顯，即方案集中的虛擬優(yōu)點(diǎn)即為各指標(biāo)的最小值集合，虛擬劣點(diǎn)則為各指標(biāo)的最大值集合。很明顯，

(4)計(jì)算待預(yù)測試驗(yàn)方案與虛擬優(yōu)點(diǎn)、虛擬劣點(diǎn)的距離。各試驗(yàn)方案點(diǎn)與虛擬點(diǎn)的距離一般采用歐式距離公式為

與虛擬劣點(diǎn)的距離為

則各方案點(diǎn)虛擬優(yōu)點(diǎn)距離和虛擬劣點(diǎn)距離分別為

(5)計(jì)算各實(shí)驗(yàn)方案的綜合指數(shù)Di。類綜合指數(shù)法是聚類分析方法的一種，該方法使用廣泛、效果良好，具有空間守恒、單調(diào)的性質(zhì)，又稱平均聯(lián)結(jié)法。引入類綜合指數(shù)法來對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評價(jià)。其類綜合指數(shù)Di越大說明采礦方法選擇越具有合理性。

式中，np，nq分別是試驗(yàn)方案中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)個(gè)數(shù)和礦體賦存條件指標(biāo)個(gè)數(shù)，取np=3，nq=3。

表4是類綜合指數(shù)Di對有底柱分段崩落法、無底柱分段崩落法、階段礦房法3種采礦方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)及礦體賦存條件指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)劣排序的結(jié)果。

表4 評價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results

由表4可見，有底柱分段崩落法和無底柱分段崩落法的2種采礦方案與Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)差別較大。階段礦房法的類綜合指數(shù)最大，為0.564，最接近Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)的0.586。因此，階段礦房法為Ⅰ號(hào)礦床銅礦體最優(yōu)采礦方案選擇。

在Ⅰ號(hào)礦床銅礦體目前的實(shí)際生產(chǎn)中，除了在薄礦體處采用淺孔留礦法外，礦體的其他礦塊幾乎都是采用分段鑿巖階段礦房法，可以保證礦山的生產(chǎn)能力，礦山資源綜合利用率較好。由此可知類綜合指數(shù)法最終選定的采礦方案合理。

4 結(jié)論

(1)類綜合指數(shù)法具有結(jié)構(gòu)合理、計(jì)算簡便、評價(jià)結(jié)果直觀以及易于推廣和應(yīng)用等特點(diǎn)，同時(shí)，能完整地反映出整個(gè)系統(tǒng)各方案的優(yōu)劣性。

(2)類綜合指數(shù)法更側(cè)重于方案優(yōu)劣的排序比較。類綜合指數(shù)法通過對采礦方案中的各個(gè)指標(biāo)定量化，并對綜合指標(biāo)進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確、全面的排序，最終形成待選方案的優(yōu)劣判據(jù)，其操作步驟清晰易懂、計(jì)算簡單。

(3)Ⅰ號(hào)礦床銅礦體傾角較陡(傾角達(dá)到65°)，厚度中等以上(24 m)，生產(chǎn)實(shí)踐表明。分段鑿巖階段礦房法在開采深部礦體時(shí)，具有損失貧化小、礦山安全生產(chǎn)系數(shù)高，經(jīng)濟(jì)效益較好等特點(diǎn)。這與類綜合指數(shù)法選擇結(jié)果一致，進(jìn)一步表明類綜合指數(shù)法在采礦方法選擇問題上的可行性。

(4)該模型雖然層次清楚，但是該方法對于專家經(jīng)驗(yàn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分級表的確立具有一定模糊性，需要大量的礦山資料和原始數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)分級的結(jié)果會(huì)在一定程度上影響評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在模型建立時(shí)需要掌握大量的原始資料。

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