基于集對分析同一度的采礦方法最優選擇

宋霞飛，王志勇

(安徽開發礦業有限公司， 安徽 霍邱縣 237462)

某大型鐵礦主礦體賦存標高-33～-663 m，礦體沿走向長3162 m，平均斜深393.55 m，平均厚度為22.23 m。傾角為50°～70°。礦石品位為28.95%。礦石類型為沉積變質磁鐵礦，f系數為12～16，穩固，頂底板也均為穩固圍巖，礦巖物理力學性質良好。頂底板富水程度弱，水文地質條件較好。礦體上覆第四系厚度達140 m左右，礦區地表地勢平坦微起伏，區內溝塘密布，地表多為農田與村莊。礦體上部為破碎風化帶，漏水滲水強，應保護采場頂板不塌陷。為了提高資源回收率，不允許留有大量礦柱支撐采空區頂板。因此只能采用充填或嗣后充填采礦法進行回采[1]。

1 采礦方法優選方案

結合該鐵礦的實際開采條件，類比國內外同類型礦山開采現狀[2-3]，該礦段適合的采礦方法主要有：淺孔留礦嗣后充填采礦法、階段大直徑深孔采礦嗣后充填法和分段礦房嗣后充填采礦法。

1.1 淺孔留礦嗣后充填采礦法

淺孔留礦法對礦巖穩固性好、急傾斜礦脈的開采是一種有效的采礦方法，其具有高效低耗與工藝簡單等優點。淺孔留礦嗣后充填采礦法為先淺孔留礦采礦，待礦房回采結束，存窿礦石放出后，最后充填空區。由于該法適應性強，工藝簡單，在我國金屬礦山廣泛應用。

淺孔留礦嗣后充填采礦法一般將礦體按一定尺寸劃分采場，采場內分礦房礦柱，并留有頂、底柱。該法亦可不留間柱，將人行天井布置在脈外，礦房采用間隔分步驟回采，將一步驟礦房回采充填完畢后，再回采二步驟礦房。當礦體厚度小于10～12 m時，礦房一般沿走向布置；當礦體厚度大于12 m時，礦房一般垂直走向布置。每個采場一般有2條人行天井與上中段回風巷連通，人行天井中開鑿采場聯絡巷至采場。人行天井主要用于人員、材料、設備上下。

采用自下而上分層回采，在每一個分層中進行崩礦、通風、局部放礦、平場及松石處理等作業。分層高度一般為2～2.5 m，回采工作面多為梯段布置。回采鑿巖采用上向鑿巖或水平鑿巖方式，礦房回采至頂板后，進行大量放礦，然后封閉采場，構筑濾水隔墻，一次充填。

1.2 階段大直徑深孔采礦嗣后充填法

階段大直徑深孔采礦將礦體劃分為礦房礦柱，礦房內沒有分段平巷，不在分段平巷內鑿巖或出礦，而把鑿巖集中在上中段一個水平進行，階段分次爆破，同時回采。根據崩礦方式的不同，國內外階段大直徑深孔采礦通常采用傳統的VCR法分層爆破和階段側向崩礦兩種形式。

VCR嗣后充填法是球狀藥包垂直后退式采礦法的簡稱，它的主要特點是：采用井下潛孔鉆機鉆鑿Φ165 mm下向深孔；用球狀藥包(長徑比≤6∶1)由下而上分層爆破；分層爆破的礦石用鏟運機在出礦水平運出約三分之一，為下一回采爆破提供補償空間；頂層爆破后，進行大量出礦，最后一次充填。VCR分層爆破具有爆破礦石塊度均勻，爆破對圍巖和兩側礦柱破壞小等優點，但爆破工藝復雜，技術要求高，爆破后堵孔處理等輔助作業時間長。

階段側向崩礦為每個炮孔一次裝藥爆破完畢，爆破工藝簡單，但對于深40～60 m的炮孔，每個炮孔裝藥量達800～1200 kg，爆破同段藥量難以控制。階段側向崩礦主要在側向自由面的條件下爆破，每次爆破炮孔行數少，爆破塊度通常比VCR分層爆破要大。此外，采場幫壁超爆嚴重，對兩側礦柱破壞較大，從而使礦柱穩定性變差。若采用倒梯段側向崩礦，可降低崩礦高度，增加一次爆破孔數，爆破塊度均勻，同段起爆藥量易于控制。因此，階段側向崩礦爆破常采用VCR掏槽與倒梯段側向崩礦聯合的爆破方式。

1.3 分段礦房嗣后充填采礦法

分段礦房嗣后充填采礦將礦體劃分成礦房礦柱，礦房礦柱間隔布置，當礦體厚度大于25 m時，礦房長軸垂直于礦體走向布置，礦體厚度小于25 m時，礦房長軸垂直于礦體走向布置。采切工程主要有通風天井、礦石溜井、出礦巷道、出礦聯絡巷道、分段鑿巖巷道、鑿巖聯絡道、切割井、切割巷和漏斗等。回采時將階段劃分成鑿巖分段和出礦分段，一般為多個鑿巖分段和一個集中出礦分段。在分段鑿巖巷道內鑿上向扇形中深孔，采場端部切割巷和切割井聯合拉槽，以此切割槽為自由面逐排爆破中深孔，上分段回采進度超前下分段，向采場另一端退采。出礦集中在下部出礦分段。整個礦房回采結束后，一次充填。

分段礦房嗣后充填采礦法的優點是使用中深孔鑿巖，鏟運機出礦，裝備水平較高，生產能力較大；回采和充填工作互不干擾，工作效率高；爆下的礦石對圍巖和充填體有臨時支撐作用，一次充填量大，生產工藝簡單；有一個大量出礦階段，有利于保證產量均衡。其缺點是礦石的損失貧化較高。

2 采礦方法選擇

2.1 集對分析原理

集對分析是我國學者趙克勤于1989年提出的一種關于確定隨機系統同異反定量分析的系統分析方法[4]。集對是指具有一定聯系的2個集合所組成的對子。集對分析的思路是：在一定問題背景下，對一個集合對子的特性進行分析，從同異反三個方面分析問題及其系統，并認為三者相互依存、相互聯系、相互制約，并在一定條件下可以相互轉化。同異反三者的關系用聯系度μ表示為：

(1)

式中：N—集對特性總數;

S—集對中兩個集合共有特征數;

P—集對中兩個集合對立特征數;

F—等于N-S-P，為集對中兩個集合既不相同又不對立的特征數;

i—差異度系數，i∈[-1，1];

j—對立度系數，一般j=-1。

S/N、F/N、P/N分別表示集對中兩個集合在指定問題背景下的同一度、差異度、對立度的刻畫。

2.2 基于集對分析同一度的方案優選方法[5-6]

在關于方案優選的問題中，不論采取何種評價方法，其主體思想都是綜合比較在各種評價指標下各方案的好的程度。采用集對分析的方法可以解決此類問題，而且不需要對所組成的集對做差異性和對立性分析，只需要對集對進行同一性分析。設有D1，D2，…，Dm共m個方案，有α1，α2，…，αn共n個評價指標，具體的基于集對分析同一度的方案優選方法步驟如下：

(1) 計算指標權重WT。利用層次分析法得出方案評價的各項指標的權重[7]：

W=(w1，w2，…，wn)T

(2)

(2) 構造評價矩陣D。利用專家打分法得出各個方案關于各項指標的分值，并構造評價矩陣D。其中dij表示第i個方案關于第j項指標的分值:

(3) 確定理想方案D0。理想方案D0=(d01，d02，…，d0k，…，d0n)，其中d0k的取值為各個方案關于第k項指標的最優取值，因此D0為理論上的最優方案。

(4) 構造同一度矩陣A。將決策矩陣的指標值dik分別于理想方案D0中相應的指標值d0k相比較，比值記為aik。aik的意義為計算各方案關于第k項指標與最優的即理想方案D0中第k項指標的貼近程度。

(4)

(5) 計算各方案與理想方案的帶權同一度矩陣R，并進行方案評價。

R=A×WT

(5)

R=(a1，a2，…，an)，其中ai表示第i個方案與理想方案的同一度。ai越大，表示方案越優。

2.3 采礦方法最優選擇

淺孔留礦嗣后充填采礦法、階段大直徑深孔采礦嗣后充填法和分段礦房嗣后充填采礦法這3種采礦方法分別為方案D1，D2和D3。根據由礦山領導、設計人員、生產管理人員和爆破施工人員等9名專家的綜合意見，確定這3個方案的評價指標為：采礦工藝復雜程度(x1)、對礦體條件適應性(x2)、工人熟練程度(x3)、礦石損失率(x4)、礦石貧化率(x5)、采切比(x6)、采場生產能力(x7)、生產效率(x8)、安全作業條件(x9)、采礦設備投資(x10)、和大塊率(x11)，對于各定性指標的評價采用專家打分的方式[8]，各方案對于各指標的最后得分值為9名專家評分的均值。打分采用10分制，共4級評語，對應的評語分值見表1。3個方案的得分表以及選出的理想方案D0見表2。

表1 評語分值

根據公式4計算得出3個方案中各指標與其對應理想值的同一度，并對各評價指標進行兩兩打分比較，通過層次分析法得出各評價指標的權重，見表3。

表2 評價方案指標值及理想方案最優值

表3 各評價指標與對應理想值的同一度及指標權重

根據公式5計算得出R=(0.7667，0.8195，0,8520)，各方案與理想方案的同一度a3>a2>a1，因此三種方案按優劣排序為：分段礦房嗣后充填采礦法D3，階段大直徑深孔采礦嗣后充填法D2，淺孔留礦嗣后充填采礦法D1，選擇分段礦房嗣后充填采礦法作為該礦山的采礦方法。

由表3可見，方案D1淺孔留礦嗣后充填采礦法有多項指標均為最優，但在權重最重的“生產效率(x8)”和“安全作業條件(x9)”兩項指標中與理想值的同一度太低，影響了最終與理想方案的同一度，符合在采礦方法的選擇過程中 “安全第一，兼顧效率” 這一重要的原則；方案D2階段大直徑深孔采礦嗣后充填法的各評價指標也充分體現了該法的特點，安全性好，采礦設備投資多，生產效率高，但對于人員和環境的適應性較差，靈活性稍差； D3分段礦房嗣后充填采礦法雖然沒有一項指標作為理想矩陣的最優指標，但其在絕大多數指標上均高度貼近于最優指標(同一度>0.85)，綜合考慮該方法為最優的采礦方法。

3 結 論

(1) 結合同一度矩陣對各種采礦方法進行分析，各種采礦方法關于各評價指標的同一度能比較清楚反映該采礦方法在各指標上的優缺點，各評價指標的權重值也反映了其在采礦方法選擇過程中的重要程度，說明所建的采礦方法選擇模型比較符合實際。

(2) 采礦方法選擇受多因素的影響，是一個較為復雜的決策過程。借助于集對分析的同一度，選取對采礦方法選擇影響較大的因素作為評價指標，計算各種采礦方法與理想方案的貼近程度，數學計算簡單，是一種簡單可行的采礦方法優選方法。

參考文獻：

[1]朱國濤.高濃度結構流全尾砂膠結充填實驗研究與應用[J].礦業工程，2011(6)：20-22.

[2]田舉博，蔡 蓓.分段礦房嗣后充填法在李樓鐵礦的應用[J].金屬礦山，2012(6)：19-21，25.

[3]解世俊.金屬礦床地下開采 [M].北京：冶金工業出版社，1986：137-168.

[4]葉義成，張一敏，王 軍.礦山公司內部經濟效果綜合比較的集對分析模型[J].中國錳業，2001(3)：17-19.

[5]周 健，史秀志.基于集對分析同一度的采空區處理方案研究[J].金屬礦山，2009(6)：10-13.

[6]汪 菁，蘇 煒.基于集對層次理論的深基坑支護方案綜合優選[J].數學的實踐與認識，2006(3)：142-146.

[7]胡文亮，葉義成.多目標決策在企業設備選型中的應用[J].技術經濟與管理研究，2007(2)：41-44.

[8]尹 君，王玉杰，呂 林，等.基于模糊層次和集對分析的尾礦庫安全評價及預測[J].金屬礦山，2010(10)：159-161，188.