中低品位磷礦山廢石處置方案優選*

裴明松,劉林,李小偉,代光俊,黃德將,陳愛章,斯小華

(中南冶金地質研究所資源與環境地質研究中心, 湖北 宜昌市 443000)

0 前言

磷礦石是國家戰略礦產之一,被列入總量限制保護礦種之列。我國磷礦總體呈現南多北少的格局,磷礦主要分布在湖北、云南、貴州和四川等省份,特別是湖北省磷礦資源儲量位于全國之首,主要分布在鄂西的宜昌、襄陽、荊門和神農架林區。盡管湖北省磷礦資源儲量大,但是整體品位并不高,呈現富礦少、貧礦多、礦層薄等特點[1]。隨著多年開采,富礦資源近乎枯竭,現在主要利用礦層表現為薄而貧的特點。湖北磷礦基本上為地下開采礦山[2],機械化開采的逐步普及使得礦山產出廢石量增加。磷礦山大都位于山高林密的高山地區,周邊生態保護紅線多,尋找合適的廢石場用于堆放廢石逐漸成為磷礦山的難題之一。此外,根據李沛[3]、姜利國[4]、張夢舟[5]等人的研究,磷礦廢石在降雨的淋濾作用下,可能會產生一系列的有害物質,對周邊環境產生不利影響,需要采取相應的措施,勢必增加排放的成本。另一方面,磷礦地下礦山大都采用房柱法采礦,充填采礦法在近些年來才逐步普及。房柱法開采產生的采空區導致礦山地壓問題頻現,對深部開采及地表可能產生影響。因此,面對中低品位磷礦山開采時廢石量大及采空區問題,結合湖北磷礦開采實際,尋找磷礦廢石處置方法是磷礦山面臨的重要問題之一。

1 方案優選模型

1.1 未確知測度理論分析

我國王光遠教授于1990年率先提出未確知測度理論,此后在自然科學和社會科學中得到了廣泛的應用[6]。設集合R={R1,R2,R3,…,R m}為待優選方案的集合,每個待優選方案中包含n個評價指標,X={X1,X2,…,X n}為評價指標集合。設x ij為各待選方案在某評價指標下的對應值,那么每個待優選方案都可記為Ri={x i1,x i2,…,x in}。對評價指標按照一定的分級標準進行分級,假設將X1分為C p級,則待選方案在X1對應值的分級可記為U={C1,C2,…,C p},其中,C p＞C p-1。設Ck(k=1,2,…,p)為第k級評價等級,且k級比k＋1級優,記為C k＞C k＋1。若C1＜C2＜…＜C p,則稱{C1,C2,…,C p}為評價集合上的一個有序分割類。

1.1.1 單指標測度函數

設w(x ij∈C k)為x ij屬于評價等級C k的程度,并且具有以下性質:

(1)非負有界性

(2)歸一性

(3)可加性

滿足上述性質的w稱為未確知測度,簡稱測度。

記矩陣(w ij k)n×p為單指標測度評價矩陣,且有:

1.1.2 博弈論確定權重

博弈論又被稱為對策論,是特定條件下多對象之間對局中采用相關方的策略。根據博弈論思想,結合各種確定權重的方法,可以得到綜合權重,從而提高權重計算的科學性[7],其主要步驟如下。

將k種方法獲得的權重組成權重集p n=(p k1,p k2,p k3,…,p km)。n為因素或變量個數。將上述權重通過線型組合得到k種權重的綜合權重向量集如式(5)所示:

對a k進行優化,使得P與P k的差值最小:

對上式求一階導數可得:

對a k進行歸一化處理得到:

則由博弈論思想得到因素或指標的綜合權重為:

1.1.3 多指標綜合測度評價向量

令w ik=w(Ri∈Ck)為待選方案Ri屬于K個評價類C k的程度,則有:

有0≤w ik≤1以及,因此,式(10)是未確知測度,故記{w i1,w i2,…,w ip}為Ri的多指標綜合測度評價向量。

1.1.4 置信度識別準則

為了對評價對象作出最后的評價,引入置信度識別準則:設λ為置信度(λ≥0.5),如果C1＞C2＞…＞C P,且令:

則可以認為待選方案Ri屬于第k0個評價類Ck0。

1.1.5 排序(計算優越度)

除了要判斷Ri屬于哪個評價等級以外,有時需要對Ri的優越程度進行排序,進而選擇最優方案。如果C1＞C2＞…＞C P,令Cl的分值為I l,q Ri為評價因素Ri的未確知重要度,且有:

記q={q Ri,q Ri,…,q Ri}為未確知重要度向量,可按q Ri的大小對待選方案的優越度進行排序。

1.2 廢石處置方案的評價指標體系

廢石處置方案主要考慮磷礦山的地質條件、采空區情況、周邊環境以及礦山安全等因素,即滿足技術上可行、經濟上合理、安全性可靠、生態環境保護兼顧等原則。結合已有礦山處置方案實施成效,同時聽取專家意見,選取的廢石處置方案評價指標如下:廢石處置能力X1(萬m3/a)、對采礦生產影響程度X2、環境保護成本X3(萬元/a)、地質災害風險程度X4、廢石處置成本X5(元/m3)、礦山安全影響程度X6、社會效益提升程度X7、施工管理難易程度X8、回采率提高百分比X9(%)等9個指標。

1.3 廢石處置方案優選結果

目前,大多數優選模型只選取一種方案作為最優結果。但是方案優選涉及的指標很多,在進行選擇時,難免會遺漏,因此,選用一種方案作為最優有一定的局限性。在對優選方案進行比較時可以將得分值較高的幾種方案都納入實際最優方案的考慮范圍內,再進行分析研究后選取,這樣會得到更加準確可靠的結果。本模型將最終優選結果中優越度值大且歸屬同一類型的方案都列為最優方案加以考慮。

2 實例驗證

2.1 礦山基本概況

鄂西某磷礦是湖北省自然資源廳礦產資源節約與綜合利用示范試點項目確定的示范試點礦山之一,礦層屬薄層狀(厚度為1.0 m左右)的沉積磷塊巖礦床,磷礦品位屬中低品位,此前采用房柱法進行采礦。為了滿足機械化開采巷道高度2.2 m的需要,需采用先采礦后拉底拓寬巷道的工藝流程,產生了大量的廢石。該部分廢石運輸至井外堆放,不僅占用了大量的土地資源,造成地表景觀的破壞,在外界因素的影響下,還易引發一定規模的地質災害,而且多山少地的現狀也是制約磷礦廢石堆放的因素之一。經過研究,上述廢石淋濾液對周邊的地表水質產生了一定的影響,亟需處理。此外,經過此前的開采,該磷礦現有采空區面積為200 000 m2,采空區高度為1.0～2.8 m不等。大面積的采空區在巖溶水、爆破作業等因素的綜合作用下,可能會發生局部垮塌,進而引起礦區地表的變形,對周邊地質環境造成影響。同時,礦山開采技術條件比較復雜,礦柱占用的磷礦石資源永久損失于井下,導致礦山回采率不能進一步提高。因此,尋找經濟合理的方式處理礦山廢石、控制礦山地壓、保護生態環境以及減少礦柱占用的磷礦石資源量等問題的平衡點,從而提高礦山資源節約與綜合利用水平,是該礦山目前面臨的主要問題。

礦山采用的廢石處置方案有廢石外排至廢石場、外運綜合利用、廢石干式充填至采空區等。隨著充填采礦法逐步推廣以及礦山地壓問題的逐漸顯現,結合回采部分礦柱的需求,礦山目前對廢石膠結充填采空區也進行了研究。根據礦山實際處置情況,結合相關專家及工作人員的意見,初步確定的廢石處置方案有直接外排至廢石場(1#方案)、外運綜合利用(2#方案)、干式充填至采空區(3#方案)、廢石膠結充填采空區[8](4#方案)等4個方案。

根據類似礦山的經驗以及設計人員的估算,上述各廢石處置方法評價指標的基本情況見表1。

將表1中各定性指標定量化以便于后期的優選,根據專家建議,結合礦山工作人員意見,定量化后的指標數據見表2。

表1 各廢石處置方案指標數據

表2 廢石處置方案指標定量化數據

2.2 確定各指標的分級標準

各單指標測度指標及多指標綜合評價的評價集合為U={C1,C2,C3},即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級。根據專家建議,構建指標的分級標準見表3。

表3 指標的分級標準

2.3 構建單指標測度函數

根據表3中各指標的分級標準,結合單指標測度函數的定義,利用簡單的線性關系分析各指標值,得到的單指標測度函數如圖1所示。

圖1 單指標測度函數

2.4 優選過程

2.4.1 建立單指標測度評價矩陣

根據各指標的單指標測度函數,結合表2,可以得出各單指標測度矩陣如下:

2.4.2 確定各指標的權重

通過專家打分法確定各指標的權重為p1=(0.125,0.1,0.1,0.125,0.225,0.075,0.05,0.1,0.1)。選擇客觀賦權法——變異系數法利用各評價指標的變化程度來確定權重為p2=(0.0742,0.0993,0.1723,0.096,0.0522,0.0727,0.0993,0.1061,0.228)。利用博弈論思想,根據式(5)至式(9)得到各指標的綜合權重為p=(0.0977,0.0996,0.1388,0.1094,0.1322,0.0738,0.0765,0.1033,0.1687)。

2.4.3 多指標綜合評價

由式(10)得到各方案的多指標綜合評價向量分別為:(0.3337,0.0992,0.5672)、(0.575,0.1552,0.2698)、(0.5882,0.2886,0.1232)、(0.5162,0.051,0.4328)。

2.4.4 評價等級的測定

根據置信度判別規則,取置信度為0.5,即λ=0.5。由式(8)、1#方案有:0.5672＞λ=0.5,可得k0=3,表明1#方案屬于Ⅲ級,同樣,可以得到其他方案的評價等級,見表4。

表4 各廢石處置方案的評價等級

根據分級要求,C1＞C2＞C3,為了拉開差距,對其分別賦值為15,10,5,利用式(12),可以得到各個方案的優越度分別為8.834,11.526,12.325,10.417。根據優越度值可以看到各待選方案中,干式充填至采空區法(3#方案)為最優處置方案,但是外運綜合利用法(2#方案)、廢石膠結充填采空區法(4#方案)也有一定的優勢,因此,應該將其也作為優選方案的結果之一,待優選指標系統更加完備的情況下加以篩選。

值得說明的是,該礦山自2017年以來,已經開始實施廢石干式充填至采空區的方案,年處理廢石約2.5萬m3,并在部分區域少量回采了部分礦柱。實行廢石干式充填采礦法充填采空區后可以有效提高井下頂板的安全系數,減少井下壓占礦產資源,盤活部分礦柱,礦山回采率由75%提升至約77%。此外,隨著礦山開采進入深部,面對地壓顯現問題,礦山開始著手實施廢石嗣后膠結充填法方案并將其作為未來采礦的方向,但是由于面臨充填成本高等問題,尚在研究階段。隨著礦區及周邊大型交通工程的實施,礦山近年來將部分質量較好的廢石外運綜合利用,并通過國有平臺處置,降低了廢石排棄量。因此,本文優選的廢石處置方案整體而言是符合礦山生產實際的。

3 結論

(1)針對某磷礦的4種待選廢石處置方案,選取廢石處置能力等9項指標,利用博弈論思想綜合確定指標權重,并結合未確知測度理論,得到廢石干式充填采空區是目前礦山處置廢石的最優方案,建議將外運綜合利用、廢石膠結充填采空區兩種方案一并予以考慮。

(2)方案的優選是一個多目標、多屬性不確定性問題的決策過程,指標選擇符合礦山實際情況。本文利用博弈論思想,綜合考慮了主、客觀賦權法的不足之處,提高了權重計算的科學性。

(3)該礦山目前正在利用廢石干式充填至采空區法進行廢石處置,同時將外運綜合利用、廢石膠結充填采空區作為補充方案和未來發展方向,表明該評價模型是科學合理的,可為同類型礦山的下一階段開采方案的優選提供新的思路,具有一定的理論指導意義。

(4)本模型是基于鄂西某磷礦及周邊礦山的實際情況建立的,廢石處置能力、環境保護成本等指標取值是結合礦山技術人員的經驗預測得到的。在實際應用的過程中可根據不同礦山實際進行調整、細化,以得到更加符合實際的結果。

(5)優選模型中僅涉及了回采率的提高,但是伴隨回采率提高而帶來的經濟效益等未納入考慮,隨著磷礦石價格以及生態環保成本的進一步提高,利用廢石膠結充填采空區的優勢有待進一步研究。