基于AHP-FUZZY的采空區治理方法優選研究

2021-05-10 07:58:40張東杰劉樹新任鳳玉鄭有偉娣4

金屬礦山 2021年4期

關鍵詞：方法

張東杰劉樹新任鳳玉鄭有偉張娣4

（1.內蒙古科技大學礦業與煤炭學院，內蒙古包頭 014010；2.內蒙古科技大學礦業研究院，內蒙古包頭 014010；3.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽 110819；4.蘇尼特金曦黃金礦業有限責任公司，內蒙古錫林郭勒 011200）

隨著空場法與崩落法廣泛應用于我國地下礦山開采，導致開采區域遺留了大量的未處理采空區，而我國由于地下采空區造成地表塌陷的面積超過1 150 km2，對所在區域的地表工業設施，居民生活區以及生態環境構成了嚴重威脅［1-2］。采空區帶來的危害主要包括兩方面：一個是空區頂板垮落形成沖擊氣浪危害［3-4］，如柳塔煤礦、沙溝煤礦；另一個是空區上覆巖層冒落至地表形成陷落危害［5-6］，如盤古山鎢礦，劉沖磷礦及金嶺鐵礦。而采空區治理方法的研究一直是我國礦山開采中所面臨的主要技術難題，涉及治理成本、安全可靠性，以及技術可行性等因素。

鑒于此，很多學者在采空區治理方面進行了大量研究。如任鳳玉［7］在排山樓金礦采空區處理研究中，對下位深部空區提出了井下誘導冒落+地表充填覆土的空區治理方法，有效控制了活動空區的冒落危害；李俊平等［8］提出應用切頂與礦柱崩落法處理木架山采空區；劉洪磊等［9］應用數值模擬技術，研究了隔離采空區的隔離層厚度、隔離層留設位置等因素；張飛等［10］提出了強制崩落上盤圍巖并誘導上盤逐漸崩落圍巖充填采空區的治理方法；杜坤等［11］首次將物元分析引入采空區風險評價中；章林等［12］通過對空區進行三維探測與數值建模，構建了采空區風險評估治理協同技術。

采空區治理方法研究涉及力學分析、數值模擬、工藝技術改進以及風險評估等多種方法，對于采空區治理方法的優選有待進一步研究。為此本文以錫林浩特螢石礦為工程研究背景，運用數值模擬與AHP-FUZZY相結合的方法，綜合多因素考慮，確定出最佳的采空區治理方法，為在產礦山采空區治理方法的優選提供借鑒與指導。

1 工程背景

錫林浩特螢石礦屬于中低溫熱液型礦床，為典型的急傾斜中厚礦體，礦體傾角80°～90°，厚度4～12 m，平均品位63.21%，淺孔留礦法采礦，階段高度40 m，階段脈外運輸巷加出礦穿脈巷布置，采出礦石通過豎井運至地表，開采現狀見圖1，其中2#副井一側的采空區距離副井的距離約為20 m，超過了保安礦柱的安全保護范圍，需通過數值模擬分析采空區對豎井的影響。

淺孔留礦法開采過程中，每個中段開采結束時都預留10 m厚的頂柱，用來支撐上一中段片幫冒落散體，頂柱下方為連續的采空區，通過中段水平穿脈巷可以觀測到采空區。由于空區長時間暴露及礦體穩固性較差，采動壓力對近空區巷道邊幫巖體作用明顯，片幫冒落情況偶有發生（圖2）。

三中段以上采空區頂板巖體部分已經垮塌，導致其上部覆蓋層不斷冒落，在地表形成了明顯的塌陷坑，對地表草原環境及牲畜帶來了極大的危害，隨著采礦向深部發展，這種威脅程度還將繼續增加。

根據現場調研，采空區已經深入到副井保安礦柱范圍內，將對豎井的安全運行構成威脅；同時，頂柱上方積壓大量的冒落廢石散體，一旦頂柱突然垮落，在井下可能形成沖擊氣浪危害，威脅井下生產安全；此外，部分頂柱已經冒透地表，形成規模不等的塌陷坑，對草原環境及地表工業設施造成威脅。因此，應綜合多因素考慮，確定出最佳的采空區治理方法，對于實現礦山安全高效開采具有重要的現實意義。

2 開采對副井穩固性影響分析

2.1 開采現狀對副井保安礦柱的影響

各中段水平開采現狀與副井保安礦柱的位置關系分別見圖3～圖5。隨著開采的延伸，各中段副井保安礦柱內的礦體均被部分開采破壞，形成了規模不等的采空區，通過計算統計破壞角變化范圍為15°～17°，這將對豎井安全運行構成威脅。

保安礦柱被開采破壞部分與井下存留的大規模采空區相互連通，需綜合評估礦柱內礦體開采破壞形成的采空區對豎井穩固性影響，提出安全可行的采空區治理方法。

2.2 副井穩固性影響數值模擬分析

保安礦柱內礦體被部分開采后，對豎井穩固性影響程度需進行數值分析。由于被開采破壞的礦體位于保安礦柱圈定邊界以內約5～7 m，所以數值模擬設計礦體開挖位置與豎井井口的距離取為保安礦柱的半徑（32 m），若該位置礦體開采后對豎井構成威脅，則礦柱被開采破壞部分對豎井穩固性必然構成影響。

2.2.1 數值模型構建

在本研究中，選擇同時穿過2#副井與礦體的D線地質剖面作為數值模擬分析的依據，并根據礦山副井與礦體和保安礦柱的實際位置關系建立模型，通過開挖礦體來對空區附近以及副井周圍巖體的應力與位移進行分析。

根據現場實際情況，整體模型尺寸：長×寬×高=300 m×200 m×400 m；礦體位于模型中部，尺寸為長×寬×高=60 m×6 m×120 m（每個中段40 m）；豎井直徑4 m，豎井與礦體開挖距離選為32 m。模型中垂直方向的應力基本上等于覆蓋巖層自重，隨著深度的增加而逐漸增大，其增率與各分層巖體重度成正比。模型左側和右側邊界約束水平方向的位移；前、后兩邊界約束Z方向的位移；底部約束垂直、水平以及Z3個方向的位移，數值分析模型見圖6，主要針對已經開采形成空區的中段進行開挖數值模擬。圍巖和礦體的巖體力學參數見表1。

2.2.2 結果分析

各中段保安礦柱范圍內礦體分別開挖后，最終豎井周圍應力及位移變化情況見圖7。可以看出，位于保安礦柱內的3個中段礦體開挖后，空區四周應力集中明顯，副井附近的最大主應力達到3.0 MPa，最小主應力達到1.25 MPa；五中段采空區底板的最大主應力達4.0 MPa，最小主應力達1.5 MPa。同時，最大剪應力出現在五中段空區底板部位，達1.5 MPa。位于三中段豎井周圍的最大剪應力也已經達到1.0 MPa，超過了圍巖的極限抗拉強度，表明已經發生剪切變形。根據位移分析結果，位于三中段與四中段之間的空區周圍產生的位移最大，最高值達到9.0 cm，數值模擬中豎井與開挖礦體的距離為豎井保安礦柱的半徑，表明當保安礦柱范圍內礦體被開采破壞后，豎井將會發生變形破壞。

實際開采中，豎井保安礦柱內礦體僅被部分開采破壞，在五中段保安礦柱范圍內還存留一定高度未放出的礦石及廢石散體，該部分散體可以對邊幫圍巖產生一定的支撐作用。綜合兩方面因素，目前豎井的穩固性沒有達到數值模擬得出的威脅程度，不過基于數值結果，如果被開采破壞的保安礦柱不及時采取加強穩固措施，豎井的安全運行條件必將受到威脅，而保安礦柱的加強措施主要在于對破壞部位的采空區進行治理，以此來保障礦柱的穩定性。

3 采空區治理方法優選

3.1 采空區治理方法初選

由于該礦二中段早已回采完畢，巷道經長時間暴露大部分已經被破壞封堵，無法進入觀測空區情況，基于此，主要針對四中段與五中段存在的大規模采空區進行治理，研究初選以下3種采空區治理方法：

（1）崩落頂柱+地表廢石充填法。目前位于四中段的頂柱能夠支撐住上覆散體層，五中段頂柱厚約10 m，如先崩落四中段頂柱，一旦上覆散體大規模垮落，很可能將五中段頂柱一并壓垮，形成大規模冒落沖擊及陷落危害。因此，崩落順序為先崩落五中段頂柱，后崩落四中段頂柱，這樣的崩落順序有利于回收頂柱殘留礦石。頂柱處理完成后，上部原積壓的大量充填及冒落散體隨著崩落的礦石（頂柱）向下移動，充填位于四中段與五中段的采空區（圖8）。

（2）全尾砂充填法。二采區深部礦體設計采用充填法開采，充填站已建設完成，將充填管道由2#副井下放至三中段與四中段水平，對四中段與五中段的采空區進行全尾砂充填，充填順序同樣為先充填五中段采空區，后充填四中段采空區，充填后的效果見圖9。

（3）崩落部分頂柱+全尾砂充填法。將1#塌陷坑內覆蓋散體層下方的四中段頂柱順次崩落，按照45°的散體坡面角向下延伸，確定出五中段頂柱需要崩落的范圍。隨著崩落散體的下移，地表同步廢石充填塌陷坑，散體沉實后，采用尾砂充填剩余采空區（圖10）。

上述采空區處理方法均可有效消除采空區頂板積壓大量冒落散體可能誘發沖擊氣浪危害的問題，有利于保障副井保安礦柱的穩定性，但需對空區治理方法進行綜合多因素分析，優選出最佳方案。

采空區治理方法優選可看作是多階段多目標決策問題，根據空區存在狀態與開采經濟技術條件，采用多目標決策的AHP-FUZZY法［13-14］，將定性因素與定量指標同時分析，把決策領域中的目標在模糊環境下排序優化選擇。

3.2 模糊優選模型構建

假定需考慮的目標數為M，擬定的可行方案數為N，由N個決策方案組成的方案集為A={A1,A2,A3,A4…,AN}，其決策矩陣可表示為Y=(Yij)M×N，其中Yij是方案（jj=1，2，…，N）的第（ii=1，2，…，M）個目標值。為了增加目標可比性，需要對目標值作歸一化，對效益型（即目標值越大越好）和成本型（即目標值越小越好）目標，分別用式（1）和式（2）轉化成相對隸屬度矩陣R=(Rij)M×N。

隨著社會發展和科技進步,人們越來越重視飲食健康問題,其中三氯蔗糖制作的甜味劑應用范圍較為廣泛。三氯蔗糖的主要原材料是蔗糖,并且在氯代作用下獲取非營養型的強力甜味劑。甜味劑是白色的粉末狀物質,極易溶于水,水溶液透明,實際甜度能夠達到蔗糖的400～800倍。為此,對于甜味劑三氯蔗糖合成工藝展開進一步的分析具有一定的現實意義[1-3]。甜味劑盡管應用范圍很廣，但是在白酒中是不允許添加的[5]。

根據最大隸屬度原則，從而得到優選方案。由式（3）可以獲得目標和權重均為定量值的多目標決策問題的最優解。為便于計算，對定量變量值進行處理，首先進行無量綱化，將各指標值用［0，1］區間中的數值表示，按式（1）或式（2）將各定量值轉換成相對隸屬度值Rij；定量指標的權重計算同定性指標。

式中，A為決策方案隸屬度集；R為主要影響因素隸屬度模糊判斷矩陣；W為影響因素構成對決策方案集總排序權重矩陣；M為對評價方案的影響因素的個數；N為評價方案的個數。

3.3 應用模糊數學模型優選采空區治理方法

錫林浩特螢石礦初選的采空區治理方法主要有：崩落頂柱+地表廢石充填法（A1），全尾砂充填法（A2），崩落部分頂柱+全尾砂充填法（A3）。

3.3.1 建立主要目標影響因素層次結構模型

根據現場調查分析，影響錫林浩特螢石礦采空區治理方法選擇的目標因素主要有：施工安全條件、對地表巖移影響程度、充填總成本、采準工程量、頂柱礦石回收量、施工復雜程度、空區充填程度、施工組織管理等。采用層次分析法對各因素進行層次分解，確定同層次各影響因素的相對重要性，最終通過合成得到各影響因素對決策方案的重要性，即目標因素對決策方案的權重，建立目標因素層次結構模型（圖11）。決策方案集A={A1,A2,A3}，影響目標因素集為C={C1,C2,C3,...,C10}。