高海拔地區急傾斜薄礦體采礦方法優選

曹 帥 宋衛東 朱先洪 戚 偉

(1.北京科技大學土木與環境工程學院;2.青海山金礦業有限公司)

利用模糊數學優選采礦方法在過去的許多礦山生產中應用較多，礦山采礦方法的選擇涉及到諸多定量指標和定性指標。對于地質條件比較復雜的礦山，在選擇采礦方法時，影響采礦方法的因素具有不確定性，故采礦方法選擇具有極大的模糊性［1］。高原地區環境惡劣，采礦人工勞動強度大，物資運輸困難，因此優選出合適的采礦方法對高原地區礦山的發展就顯得尤為重要。

1 開采技術條件

青海果洛龍洼礦區屬布爾漢布達山系，山脈走向近東西，海拔標高一般為3 600～4 612 m，礦帶走向近東西，傾向南，傾角陡、緩變化大，一般在45°～75°之間，主礦體一般在55°～75°之間。礦帶出露范圍東西長約3.0 km，南北寬約1.0 km，目前于6條金礦帶內圈出大小金礦體52條。礦體形態簡單，呈脈狀、透鏡狀、囊狀、串珠狀，在走向及傾向上具分枝復合、尖滅再現、膨大收縮現象。礦體真厚度0.931～3.361 m，平均厚度1.5 m;金品位一般在1.30～13.608 g/t，單樣最高110 g/t;礦石及圍巖中等穩固以上，水文地質較為簡單。

2 采礦方法初選

影響采礦方法選擇的主要因素包括礦床地質條件和開采技術經濟條件。國內開采急傾斜薄礦體常用的方法有淺孔留礦法、上向分層充填法、中深孔留礦法。淺孔留礦法雖然工藝簡單，但作業安全性差、采切工程量大［2］。上向分層充填法安全性好，礦石貧化損失較小，但采礦成本較高，回采及充填工藝復雜，采礦作業受充填體時間和強度影響大。中深孔留礦法生產效率高，工藝簡單，采礦成本較低，卻貧化率較大、機械化投入大、技術及管理要求高;在國內尚未采用中深孔嗣后廢石充填機械化采礦法開采類似賦存條件的礦體，但在澳大利亞類似的采礦方法應用較為成熟，主要用于安全高效回采。

2.1 建立可行方案集及待選方案集

根據礦山的開采技術條件，以上述4種采礦方法為待選方案集。在方案集中，礦巖穩固性是定性指標，需要定量化。將穩定性分為極穩固、穩固、較穩固、不穩固和極不穩固5個級別，在錄入數據時分別用“1”、“0.8”、“0.5”、“0.2”和“0”代替［3］。經過以上處理的初選方案可行集見表1所示。

表1 初選開采方案集

2.2 可選采礦方法等價矩陣計算

以初選開采方案集為基礎，應用最大最小法公式

求得模糊相似矩陣［4］(式中符號∧和∨分別表示2個元素取小和取大)進而求得可選采礦方法等價矩陣元素見表2。

表2 初選采礦方法等價矩陣元素

由模糊等價矩陣的λ截矩陣可知，當λij=1時，i與 j應為同類，否則為異類。當 λij=5/6 時，u2、u3、u4為一類，其中u4為中深孔嗣后廢石充填機械化采礦法，其他2種分別為上向分層充填法和中深孔留礦法。初選采礦方法經濟技術指標見表3。

3 采礦方法模糊綜合評判法優選

3.1 模糊權重的確定

采用模糊綜合評判法優選采礦方案，首先要求得各指標模糊權重值。采礦方法選擇除了適應礦床地質賦存條件確保生產安全以外，應盡可能提高經濟效益和社會效益。因此選擇采礦方法必須考慮很多指標和因素，而這些指標和因素的影響程度有大有小。為了能準確表現出其影響程度，必須為其加權。在此考慮的因素有以下2類:定量指標有生產能力E、采礦成本A、采切比B、損失率C和貧化率D;定性指標有采礦工效F、安全程度G、通風條件H、熟悉程度I、勞動強度J和適應程度K。

(1)模糊判斷指標層次法確定。權重合理與否對選擇結果有很大影響。為了使權重更為合理，本次研究采用層次分析法確定權重。層次結構見表

表4 權重指標層次結構

從表4可知，在本次采礦方法優選中將上文中所選取的11個指標歸為經濟因素、資源利用率、勞動生產率、安全因素及合理程度5大類，分別用符號P1、P2、P3、P4和 P5表示，即構成指標權重矩陣

(2)模糊權重矩陣的確定。通過以上各指標模糊矩陣的確定，即可求得其權重矩陣。首先分別求得一層、二層指標的權重矩陣，在此基礎上最后得到所需采礦方法優選模糊矩陣，權重計算結果如表5和表6所示。

表5 一層指標權重計算結果

表6 二層指標權重計算結果

(3)一致性檢驗。為使判斷結果更好地與實際狀況相吻合，需進行一致性檢驗。經驗證一致性檢驗指標=0.008 125＜0.1，可知該判斷矩陣滿足一致性檢驗要求，此權值可接受［4］。得最終權重矩陣

3.2 模糊隸屬度的確定

(1)定量指標模糊隸屬度計算。對于采礦成本、采切比、損失率、貧化率及生產能力這些定量指標，其隸屬度計算可按線性函數法求出，為

或者，

式中，γij為第i種采礦方法j指標的隸屬度;fij為第i種采礦方法j指標值;fjmax為各采礦方法指標的最大值［5］。生產能力是越大越優的指標，屬正指標，采礦成本、采切比、損失率和貧化率是越小越優的指標，屬負指標。設定嗣后廢石充填中深孔機械化采礦法、上向分層充填法、中深孔留礦法分別為方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ。得定量指標隸屬度矩陣:

(2)定性指標模糊隸屬度計算。至于采礦工效、安全程度、通風條件、熟悉程度、勞動強度及適應程度這些定性指標，目前尚無法對其定量，必須先對其賦以模糊定量值。為了克服賦值的片面性及隨意性，采用二元對比排序法對其進行隸屬度確定。將系統待進行重要性比較的目標因素設為

對應{采礦工效，安全程度，通風條件，熟悉程度，勞動強度，適應程度}。就目標因素集X中因素的重要性進行二元對比定性排列，目標集中的目標Xk與Xl作二元對比，若Xk比Xl重要，則令排序標度ekl=1，elk=0;若Xk與 Xl同樣重要，則令 ekl=0.5，elk=0.5;若 Xl比 Xk重要，則令 ekl=0，elk=1(k，l=1，2，…，m)［5］。將此矩陣按行排序，根據排序查語氣算子與定量標度表［6］，可得到定性指標的隸屬度值。

根據各采礦方法采礦工效的特點，得特征向量矩陣為

則采礦工效隸屬度矩陣為

［1.000 0，0.538 0，1.000 0］.

同上計算得安全程度的隸屬度矩陣為

［1.000 0，0.667 0，0.818 0］，

通風條件的隸屬度矩陣為

［1.000 0，0.667 0，0.667 0］，

熟悉程度的隸屬度矩陣為

［0.333 0，0.538 0，0.333 0］，

勞動強度的隸屬度矩陣為

［1.000 0，0.429 0，0.818 0］，

適應程度的隸屬度矩陣為

［1.000 0，0.538 0，1.0000］.

最終得定性指標的隸屬度矩陣

3.3 模糊綜合評判優選

綜合評判指標公式為

式中，Wi為各指標權重值;Rij為各指標模糊隸屬度值。最終的評判結果見表7。

表7 評判結果

最終評判結果顯示:方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ對應的綜合評判指標值為0.605 5、0.485 4和0.536 3。根據最大隸屬度原則，排定備選方案的優先選擇順序為中深孔嗣后廢石充填機械化采礦法＞中深孔留礦法＞上向分層充填法，最終確定方案Ⅰ為最優方案，即中深孔嗣后廢石充填機械化采礦法為最優采礦方法。

4 結論

(1)以青海果洛龍洼礦區為工程背景，采用模糊層次分析法從經濟因素、資源利用率、勞動生產率、安全因素及合理程度5大類構建了較為全面的評判指標，計算了各指標的權重及相對隸屬度值，最終得出中深孔嗣后廢石充填機械化采礦法為最優采礦方法。

(2)中深孔嗣后廢石充填機械化采礦法較其他3種采礦方法而言，能更好地適應高原地區礦山的發展，既能夠提高礦山生產能力，又可以解決工人勞動強度大的難題;然而應該認識到這種采礦方法造成的礦石貧化相對較大，在今后的生產中，需進一步優化設計。

(3)模糊隸屬度在定性指標的確定過程中雖然具有一定的科學性，但目前尚未完全解決符合實際的隸屬函數，有待進一步完善。

(4)針對高海拔地區特殊的地理環境，未來該采礦方法的推廣使用，能為高原礦山快速發展提供有力的技術支持，具有重要的應用前景。

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