基于AHP-FUZZY 的掛幫礦回采方案優選及實踐

劉形林，王道林

(1.銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦，安徽 銅陵市 244000；2.中南大學，湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著新橋硫鐵礦淺部資源的日漸枯竭，為保持產能已逐步轉入露天與地下聯合開采的模式。前期露天開采遺留的露天采坑亟需回填處理，而這不僅會影響礦山的整體產能，也可能造成集團公司的“采選冶”產業鏈銜接不穩定而減產。新橋硫鐵礦11 線以東掛幫礦銅、硫品位較高，有必要在露天轉地下后期產能銜接不上時對這一部分資源進行回采利用。該區域礦體靠近701 鐵路專線、順鳳公路及新西河，是典型的“三下”難采礦體[1]，埋深與露天坑最終開采標高相同，露天坑回填治理勢必對其開拓方案和回采作業造成一定影響。因此，選擇合適的采礦方法和回采工藝，是露天坑掛幫礦安全回采的重中之重。

為確保“三下”難采礦體中礦石安全和高效回采，普遍采用的方法為設置大量保安礦柱[2]。但是本次研究的礦體絕大部分賦存于露天邊坡下，且移動帶內有著大范圍的鐵路專線。如果按照傳統思路，即采用留設大量礦柱的空場法，不僅經濟性比較差，且很難保證地表構（建）筑物的安全。因此，充填采礦法是目前唯一可行且最有效的方法[3]。

（1）若采用空場嗣后充填法回采掛幫礦，其采礦成本和礦石損失率較低。但勢必會造成采空區長期暴露，一旦出現失穩等情況，容易發生安全事故，損失慘重。此外，該礦區復雜的地質條件也導致該方法的安全性下降[4]。

（2）若采用下向進路充填法進行回采，最明顯的缺點是回采成本過高，技術要求嚴格，一般適用回采礦巖極端破碎的高品位礦石或高價值資源[5]。而考慮到新橋硫鐵礦掛幫礦的礦巖穩固性為一般至中等穩固，不推薦采用下向進路充填法。

綜上所述，對于新橋硫鐵礦東部掛幫礦來說，目前比較合適的采礦方法有上向水平分層充填法、上向進路充填法與垂直礦體走向布置的上向水平進路充填法[6]。這3 種方法的顯著特點是：及時回填采空區，有利于減小空區暴露面積和時間；采礦成本略有增加的同時，能夠有效減緩甚至防止圍巖變形破壞；在提高掛幫礦回采率的同時，大幅降低回采對露天邊坡穩定性的不利影響，提高回采作業的安全性[7]，綜合效益較好。

在初選以上3 種采礦方法的基礎上，為了科學合理地優選出適用新橋硫鐵礦東部掛幫“三下”復雜難采礦體的采礦方法，本研究利用層次分析法（AHP）的各種評價指標賦以科學合理的權重，并結合模糊數學（FUZZY）理論[8]，進行模糊綜合性的評估并計算其優越度，最后基于優越度大小來確定最優回采方案。

1 綜合評價指標體系的建立

采礦方案的確定是一項復雜的系統工程，需要綜合考慮諸多因素，才能進行科學決策。建立科學合理的評價指標體系是整個評價工作的基礎。另外在評價指標體系中影響因素很多且各因素之間往往有交叉影響。因此在選擇評價指標的時候，需要對指標進行篩選。

從經濟、技術、安全3 個方面運用層次分析法的原理，建立綜合評價（O）指標體系。主要分為目標層、準則層和指標層3 個不同的層次，每個層次下面對應著不同的指標。3 種采礦方案具體的經濟技術綜合評價指標體系見表1，建立的層次分析模型如圖1 所示。

表1 3 種采礦方案經濟技術綜合評價指標體系

圖1 采礦方案層次分析模型

2 綜合評價指標體系的建立

2.1 構造判斷矩陣

2.1.1 構造比較標度

使用兩兩比較的標度和基于判斷原理[9]，可得出1～9 的比例標準和具體說明見表2。指標層X1～X9標準值見表3。

表2 比較標準

表3 各指標比較標準值

2，4，6，8 分別代表兩相鄰判斷的中值；

2.1.2 構造判斷矩陣

根據層次結構的模型，每一層的元素都以對應于相鄰上層的元素作為判斷的基準，按照上述的標度計算方法進行成對比較后所構建的判斷矩陣。設判斷矩陣是D，具體結果見表4。

表4 評價指標體系的判斷矩陣D

2.2 判斷矩陣一致性檢驗

判斷矩陣的一致性檢驗[10]見式（1）：

式中，CI=(λmax?n)/(n?1)，CI代表一致性檢驗指標；λmax為判斷矩陣的最大特征值，λmax=9.0825；n為判斷矩陣的階數，n=9；RI為平均隨機一致性指標，其取值見表5。

表5 平均隨機一致性指標取值

計算得到CR=0.0071＜0.1，即D的值符合一致性的要求。

2.3 計算權重向量

采用方根法計算各因素權重值[6]：

（1）計算各行元素的乘積Mi，具體以判斷矩陣D的各行元素相乘而求得，公式如下：

（2）計算Mi的n次方根：

Wi代表為i因素的評價指標權重值，計算結果見表6。

表6 各因素定量評價指標權重值

3 模糊綜合評判優選

3.1 隸屬矩陣確定

依據收益性與消耗性定量指標所確定的隸屬函數法[11]，求出各個定量指標的相對隸屬度。

收益性函數指標為：

根據不同方案中同一因素的指標值之間的定量關系，通過數學計算方法得到定量指標隸屬度。該方案模型中主要包括采充總成本、采場生產能力、礦石回采率、礦石貧化率和千噸采切比等5 個定量指標。求得5 個定量指標的隸屬度矩陣：

方案靈活適應性、通風條件、方案實施難易程度和采場地壓控制效果等4 個指標為定性指標[12]。根據語氣算子與相對隸屬度之間的關系[13]（見表7），采用相對二元比較的方法，計算得出其相對隸屬度。

表7 語氣算子與相對隸屬度關系

則定性指標隸屬度矩陣：

綜合評價指標體系隸屬矩陣R見表8。

表8 采礦方案綜合評價指標體系隸屬矩陣R

3.2 優選結果

基于模糊數學分析理論，對3 種采礦方法進行量化，選擇優越度最大的作為最優方案。得到：

計算得出方案集A的綜合評判向量為：

綜上，優越度從高到底排序為92%（方案II）、81%（方案III）、79%（方案I），即沿礦體走向布置的上向水平進路充填法（方案II）的優越度最大，最適合用于新橋硫鐵礦東部掛幫礦的回采，該方案如圖2 所示。

圖2 沿礦體走向布置的上向水平進路充填法（方案II）

4 掛幫礦采礦方案設計

4.1 采準工程

掛幫礦主要采準工程包括斜坡道、分段聯絡平巷、分層聯絡道、卸礦橫巷、溜井等。主要采用上盤脈外斜坡道采準，中段運輸巷道與分段平巷之間采用斜坡道連通。在礦塊中間掘進穿脈到礦體下盤邊界，盤區設置溜井，采場礦石利用電動鏟運機通過分層聯絡道和分段運輸平巷卸至溜井，溜井底部設置振動放礦機，放出礦石通過礦車運至主井，提升至地表。設計參數如下：

（1）斜坡道。采用上盤脈外折返式布置斜坡道采準，斷面尺寸為4.2 m×3.6 m，最大坡度不超過15%，轉彎半徑不小于8 m。

（2）分段聯絡平巷。分段聯絡平巷沿礦體走向布置，服務于整個水平采場，設計分層高度4 m，分段高度12 m，斷面規格為3.3 m×3.2 m；每個分段聯絡平巷負責3 個分層的回采，其位置應保證分層聯絡道坡度滿足無軌設備爬坡能力要求。

（3）分層聯絡道。每分層采場均布置一條分層聯絡道，連通采場和分段聯絡平巷，斷面規格3.3 m×3.2 m，坡度14%～21%，采用從分段聯絡道普通掘進的方法形成，水平分層聯絡道則在下分層采場聯絡道頂板上挑頂形成，而上向聯絡道則由水平聯絡道上向挑頂形成。挑頂崩落的廢石，直接用于充填下分層聯絡道。

（4）卸礦橫巷。分段聯絡道和溜井之間用卸礦橫巷連通，與分段聯絡平巷之間保證8 m 以上的轉彎半徑，長度不小于10 m。

（5）溜井。在各盤區中央布置一條溜井，斷面尺寸Ф2 m，溜井底部設置振動放礦機，為防止不同采場上下分段卸礦相互干擾，卸礦橫巷與溜井間用分支溜井連通。

（6）充填回風天井。由于開拓工程布置在礦體上盤，為減少采準工程量和礦柱留設，在盤區端部采場聯絡道布置一條脈內充填回風井，服務整個盤區，斷面規格為1.8 m×1.8 m。

4.2 回采工藝

（1）采場布置及規格。掛幫礦礦塊沿礦體走向布置，長度100 m，階段高度36 m，分段高度12 m，分層高度4 m，每條進路長48 m，寬4 m。每分層在盤區中央布置一條分層聯絡道，規格4 m×4 m。

（2）回采順序。同一分層進路采場采用間隔回采的方式，待整個分層進路回采充填結束后，密閉充填分層聯絡道，轉入上一分層回采。為控制地壓，采用由首采區段的中央向兩翼間隔采場回采的方式。

（3）鑿巖爆破。采用Φ32 mm 乳化炸藥藥卷，非電導爆管、毫秒微差雷管，CHA-300 型起爆器，以掏槽眼、輔助眼、周邊眼、底眼為序分段起爆，鑿孔深度2～5 m，炮孔布置采用楔形掏槽方式。

（4）通風。新鮮風流經斜坡道、分段聯絡平巷及分層聯絡道進入采場，沖洗工作面后，污風經充填回風天井，排入上階段回風平巷。每次爆破，必須經充分通風（通風時間不少于40 min）后，人員才能進入采場。

（5）采場頂板管理。采場爆破并經過有效通風排除炮煙后，安全人員進入采場清理頂幫松石。如果頂板礦巖異常破碎，經撬毛處理后，仍無法保證正常作業，可考慮其他頂板支護方式，如噴射混凝土、懸掛金屬網及布置錨桿等。

（6）出礦。每次爆破經充分通風排出炮煙后，利用2 m3國產電動鏟運機（WJD-2）經采場分層聯絡道、分段聯絡平巷，運至最近溜井卸礦。

（7）充填。回采結束后，及時進行充填，以控制地壓，防止上覆巖層變形和地表沉降。

5 結論

（1）根據新橋硫鐵礦“三下”難采礦體的開采經濟技術條件和工程實踐，基于上向水平充填法提出了3 種備選的開采方案為：上向水平分層充填法（方案I）、沿礦體走向布置的上向水平進路充填法（方案II）以及垂直礦體走向布置的上向水平進路充填法（方案III）；

（2）將層次分析與模糊數學理論相結合，考慮經濟、技術和安全3 方面建立了包含5 個定量指標和4 個定性指標的綜合評價體系，最終求得優越度為92%（方案II）＞81%（方案III）＞79%（方案I），從而確定沿礦體走向布置的上向水平進路充填法（方案II）為最優方案。

（3）基于優選出來最適合新橋露天坑掛幫礦的采礦方法，對其進行了采準工程及回采工藝設計。方案設計合理，驗證了沿礦體走向布置的上向水平進路充填法（方案II）對該掛幫礦的適應性較為優越，進一步佐證了AHP?FUZZY 優化方法的可靠性。