富水復(fù)雜礦床安全高效采礦方案優(yōu)選

劉發(fā)平 陳憲龍

(馬鋼集團(tuán)姑山礦業(yè)公司)

·采礦工程·

富水復(fù)雜礦床安全高效采礦方案優(yōu)選

劉發(fā)平 陳憲龍

(馬鋼集團(tuán)姑山礦業(yè)公司)

針對白象山鐵礦富水復(fù)雜礦床特殊的開采技術(shù)條件，利用層次分析法從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和安全等3方面構(gòu)建了較為全面的采礦方案評價(jià)體系；利用模糊數(shù)學(xué)理論對其收益性指標(biāo)、消耗性指標(biāo)和非定量指標(biāo)進(jìn)行隸屬度矩陣計(jì)算，獲得初選采礦方案的綜合優(yōu)越度分別為94.8%、85.1%和78.1%，從而確定最優(yōu)的采礦方法為分段空場嗣后充填法，避免了單因素決策的片面性和主觀性，實(shí)現(xiàn)了富水復(fù)雜礦床的安全、高效開采，為國內(nèi)其他富水礦山采礦方法優(yōu)選提供了參考。

富水復(fù)雜礦床 采礦方案 層次分析法 模糊數(shù)學(xué)

白象山鐵礦是姑山鐵礦區(qū)內(nèi)一個(gè)總儲(chǔ)量1.5億t的大型富水礦床，由于地表水系縱橫，地下水系復(fù)雜，導(dǎo)致現(xiàn)階段采礦生產(chǎn)效率較低，成本較高，生產(chǎn)管理難度大。針對富水復(fù)雜礦床特殊的開采技術(shù)條件，優(yōu)選適宜的大能力采礦方案，最大程度地保障資源的安全、高效回收，已經(jīng)成為現(xiàn)階段的重點(diǎn)難題。

采礦方法的選擇涉及多個(gè)因素和多個(gè)指標(biāo)，需相互結(jié)合綜合考慮，但是以往選擇采礦方案，僅僅直觀地評價(jià)幾個(gè)因素，容易受到經(jīng)驗(yàn)的左右而不能正確反映實(shí)際情況[1]。因此，本文首先運(yùn)用層次分析法(PUZZY)來確立各個(gè)評判指標(biāo)的權(quán)重，然后結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論(AHP)，建立綜合性評判模型，最終優(yōu)選出適合白象山鐵礦的采礦方法[2]。

1 礦山概況

白象山鐵礦位于長江下游一大型鐵礦床聚集群中，主礦體賦存在閃長巖與砂頁巖接觸帶的內(nèi)帶，其形態(tài)受礦區(qū)背斜構(gòu)造控制，橫向呈平緩拱形，礦體傾角為10°～30°，沿走向最大延長達(dá)1 780 m，橫向最大延伸1 130 m，礦體平均厚度34.41 m，沿走向及傾向均有分枝現(xiàn)象，礦體頂?shù)装褰缇€明顯。

第四系含水層和隔水層分布于礦區(qū)南和西南的沖積平原及白象山坡腳，厚度一般為20～50 m，由上而下按強(qiáng)弱等級共分5層。礦區(qū)礦體及頂板為基巖裂隙含水層，按富水性可分為強(qiáng)、中、弱3類；礦體下盤的閃長巖體為隔水底板。礦體上部連續(xù)分布的強(qiáng)含水層是礦坑充水的主要含水層，礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，而且主要斷裂帶(包括兩側(cè)裂隙發(fā)育帶)都具有導(dǎo)水作用。

2 大能力采礦方法初步篩選

采礦方法的選擇必須建立在對礦體的賦存條件和產(chǎn)狀變化規(guī)律完全了解的基礎(chǔ)上，綜合考慮礦體賦存條件、礦石質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)水平等因素，有針對性地提出可行性采礦方法。

2.1 可供優(yōu)選的方案

白象山鐵礦Ⅰ#礦體1#～9#勘探線西部-470～-390 m中段礦體厚度均大于100 m，傾角為9°～13°；礦體整體賦存狀況較好，水文地質(zhì)條件簡單，為總礦量約2 500萬t的緩傾斜特厚大礦體。結(jié)合礦體的產(chǎn)狀和變化規(guī)律，借鑒國內(nèi)外相關(guān)緩傾斜厚大礦體的開采經(jīng)驗(yàn)，確定白象山鐵礦西二區(qū)特厚大礦體的開采方法可從分段空場嗣后充填法、階段空場嗣后充填法、VCR嗣后充填法中進(jìn)行優(yōu)選[3]。

2.2 可供優(yōu)選方案的綜合評價(jià)

采礦方案的綜合評價(jià)屬系統(tǒng)性工程，評價(jià)指標(biāo)體系的科學(xué)合理性是影響該評估結(jié)果的重要因素，層次分析法確立每一有序?qū)哟沃懈髟叵鄬χ匾涡虻臋?quán)值。根據(jù)白象山鐵礦的現(xiàn)場實(shí)際情況，以采礦方案綜合評價(jià)(O)指標(biāo)體系為對象層[4]，建立了3種采礦方案的綜合評價(jià)指標(biāo)體系，其對應(yīng)指標(biāo)值見表1。

表1 采礦方法綜合評價(jià)指標(biāo)體系

3 采礦方案優(yōu)選

設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的進(jìn)程時(shí)，模糊數(shù)學(xué)的重大作用是把定性的模糊判斷和模糊決策定量化[5]。因此，采礦方案優(yōu)選過程中，各影響因素的權(quán)重通過層次分析法來客觀確立，需要模糊決策的非定量問題通過模糊數(shù)學(xué)理論轉(zhuǎn)變成分析計(jì)算優(yōu)越度的定量數(shù)學(xué)問題，進(jìn)而獲得最佳的采礦方案。

3.1 確定各權(quán)重向量

3.1.1 構(gòu)造比較標(biāo)度

依據(jù)兩兩比較的標(biāo)度和判斷原理[6]，采用模糊數(shù)學(xué)理論，可總結(jié)出以下1～9的比較標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 比較標(biāo)準(zhǔn)意義

注：2，4，6，8分別表示兩相鄰判斷的中值。

3.1.2 構(gòu)造比較判斷矩陣

根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型原理，把上一層各項(xiàng)元素作為相鄰下一層元素的基準(zhǔn)，并通過兩兩比較，以此確立判斷矩陣。設(shè)判斷矩陣為D，依據(jù)定義有

3.1.3 判斷矩陣的檢驗(yàn)

通過驗(yàn)證，判斷矩陣的一致性指標(biāo)為0.006<0.10，意味著這個(gè)判斷矩陣有令人滿意的一致性，可以接受該權(quán)值[7]。通過計(jì)算，得出最終權(quán)重矩陣：W=(0.057，0.026，0.229，0.133，0.022，0.022，0.041，0.074，0.041，0.114)。

3.2 模糊綜合評判

根據(jù)不同的評價(jià)指標(biāo)，模糊綜合評價(jià)法可分為一級模糊評價(jià)和模糊評價(jià)，本研究為2級模糊評價(jià)方法。

3.2.1 建立因素集X及方案集A

設(shè)定評選因素集X={X1，X2，X3，…，Xn}，選擇備選方案集A={A1，A2，A3，…，An}。選取Ai(j=1，2，…，n)，可以表示一個(gè)m維“向量”形式：Aj={Xj1，Xj2，Xj3，…，Xjm}，Xjm是備選方案Aj在設(shè)定因素Xj上的反映。

3.2.2 建立因素集X的諸因素權(quán)重集W

采用上述分析法確定因素的權(quán)重集W。W=(W1，W2，W3，…，Wm)是指各因素對于擬選定方法而言的重要及影響程度。

3.2.3 隸屬矩陣的確定

定量指標(biāo)隸屬度由隸屬函數(shù)法確定，非定量指標(biāo)采用相對二元比較法確定。根據(jù)定量指標(biāo)所采用的隸屬函數(shù)方法確定目標(biāo)特征值矩陣

式中,i=1，2，…，m；j=1，2，…,n。

定量指標(biāo)有收益性指標(biāo)和消耗性指標(biāo)[8]。將收益性指標(biāo)和消耗性指標(biāo)規(guī)格化，得出目標(biāo)相對隸屬度矩陣

式中,i=1，2，…，m；j=1，2，…,n。

對于非定量指標(biāo)，則采用相對二元比較法。設(shè)系統(tǒng)有待進(jìn)行重要性比較的目標(biāo)因素集：X={X1，X2，X3，…，Xn}，研究目標(biāo)集X中的目標(biāo)就“重要性”進(jìn)行二元對經(jīng)的定性排序。目標(biāo)集中的目標(biāo)與作二元對比，即若Xk比Xl重要，令排序標(biāo)度ekl=1，elk=0；Pk與Pl同樣重要，令ekl=0.5，elk=0.5；Pl比Pk重要，令ekl=0，elk=1(k，l=1，2，…，m)。由此可得出二元比較矩陣E

結(jié)合白象山實(shí)際情況，據(jù)收益性與消耗性定量指標(biāo)的隸屬函數(shù)法，對指標(biāo)體系中的5個(gè)定量指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過規(guī)格化后的定量指標(biāo)特征向量矩陣為：

則各采礦方案地壓管理難度相對隸屬度矩陣:R1=[10.5380.538] .

各采礦方案爆破對采場穩(wěn)定性影響的相對隸屬度矩陣:R2=[110.538] .

各采礦方案的適應(yīng)性特點(diǎn)的相對隸屬度矩陣:R3=[10.6670.667] .

各采礦方案的實(shí)施難易度相對隸屬度矩陣:R4=[10.4290.667] .

3.3 綜合評判

由評價(jià)矩陣R(隸屬度矩陣)以及因素權(quán)重W，得方案集A的綜合評價(jià)為：

由以上確定的權(quán)重向量及指標(biāo)隸屬度矩陣,可得方案集A的綜合評判向量為：

B=WR=(0.946 0.851 0.781) .

綜上所述，可得方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的綜合優(yōu)越度分別為94.6%、85.1%和78.1%,方案的優(yōu)劣次序?yàn)榉桨涪?Ⅱ>Ⅲ,即白象山鐵礦最優(yōu)采礦方法為分段空場嗣后充填法。

4 結(jié) 論

(1)以白象山鐵礦富水復(fù)雜礦床開采為工程背景，利用層次分析法從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和安全等3方面構(gòu)建了較為全面的評價(jià)體系，把復(fù)雜的采礦方法選擇問題有序條理化，計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重及相對隸屬度。

(2)利用模糊數(shù)學(xué)理論建立采礦方案優(yōu)選的模糊綜合評判體系，通過對各影響因素集中收益性指標(biāo)、消耗性指標(biāo)和非定量指標(biāo)隸屬度矩陣的計(jì)算，獲得初選方案Ⅰ～Ⅲ的綜合優(yōu)越度分別為94.8%、85.1%和78.1%，從而確定最優(yōu)采礦方法為分段空場嗣后充填法。

(3)礦山生產(chǎn)實(shí)踐表明，利用模糊數(shù)學(xué)理論和層次分析法，優(yōu)選采礦方法合理可行，解決了富水、復(fù)雜礦床安全高效的開采問題，避免了單因素決策的片面性和主觀性，為國內(nèi)其他富水礦山采礦方法優(yōu)選提供了參考。

[1] 顏春萍．人機(jī)系統(tǒng)價(jià)值的模糊綜合評價(jià)[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(1):78-80．

[2] 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(xué)學(xué)報(bào)，2013(3):1131-1132．

[3] 呂會(huì)元，張 奇．厚大礦體采礦方法探討[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2010(5):85-87．

[4] 黃貫虹，方 剛．系統(tǒng)工程方法與應(yīng)用[M].廣州:暨南大學(xué)出社，2005．

[5] 韓 峰，盛建龍．模糊數(shù)學(xué)在采礦方法選擇中的應(yīng)用[J].有色金屬，2011(5):75-78．

[6] 謝本賢，陳沅江，史秀志．深部巖體工程圍巖質(zhì)量評價(jià)的IRMR法研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(5):987-992．

[7] 王新民，趙 彬，張欽禮．基于層次分析和模糊數(shù)學(xué)的采礦方法選擇[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(5):875-880．

[8] 曹 帥，宋衛(wèi)東，朱先洪，等．高海拔地區(qū)急傾斜薄礦體采礦方法優(yōu)選[J].有色金屬，2013(2):14-18．

Optimization Selection of the Safe and High-efficient Mining Method of Complex Water-rich Ore Deposit

Liu Faping Chen Xianlong

(Gushan Mining Co., Ltd., Ma Steel Group)

Aiming at the special mining technical conditions of the complex water-rich ore deposit in Baixiangshan iron mine,based on analytic hierarchy process(AHP), the comprehensive evaluation index system is established from the aspects of economy, technology and security. The membership matrix of the profitability index, cost index and non-quantitative index are calculated based on fuzzy mathematics theory. The synthetic superior degrees of the optional mining methods are 94.8%、85.1%和78.1% respectively. Based the above research results, the sublevel open-stop succeed with by filling method is the optimal one. Therefore, the onesidedness and subjectivity of traditional experiential decisions are avoided, the goal of safe and high-efficient mining of the complex water-rich ore deposit is achieved,besides that, the research results in this paper can provide reference for the optimization selection of mining scheme in other complex water-rich ore deposits.

Complex water-rich ore deposit, Mining method, Analytic hierarchy process, Fuzzy mathematics

2015-04-18)

劉發(fā)平(1979—)，男，副礦長，工程師，243181 安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣太白鎮(zhèn)。