基于模糊評判的楊家灣鐵鋅礦開采方案優選

徐 飛，褚洪濤，劉曉亮

（長沙礦山研究院有限責任公司 金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012）

0 前 言

楊家灣鐵鋅礦礦區西部緊靠常年流水的洛河和磨徐公路，東部是馬家灣上部的大溝，礦體上部沖溝縱橫、切割嚴重，地形比較復雜。

礦山一期采用無底柱分段崩落法開采，開采已造成地表3處塌陷，地表移動邊界距離洛河較近。二期工程若采用崩落法開采，引起地表移動變形范圍內有洛河和公路，且存在部分位于洛河和公路下面的“三下”礦體。若開采繼續沿用無底柱分段崩落法，地表塌陷范圍將擴大，可能引起礦體上方公路、河流的破壞。因此，二期使用充填采礦法開采。進行安全采礦方法研究，旨在選取適合礦山生產、技術可行、經濟合理、安全可靠的采礦方法，保證礦山穩定生產，達到良好的經濟效益。

1 礦山概述

1.1 地質概況

楊家灣鐵鋅礦為以磁鐵礦、鐵閃鋅礦為主的隱伏鐵鋅礦床，I、II號礦體規模很小，III號礦體是最主要的礦體。III號礦體受F 1與F 2兩斷層的羽裂控制，規模較大，鐵鋅品位較高，幾乎全為鐵鋅礦石，是開采的主要對象，占總儲量的95.5%。礦體厚度4.5～47.4m，平均29m。傾斜延伸200～300m，到東部邊緣延伸僅數十米，礦體呈較規則的大透鏡體狀。

礦石鐵鋅品位相對較高，TFe 21.62%～34.95%，平均32.825%；Z n 1.59%～3.35%，平均2.93%。鐵鋅品位在走向上變化：鐵較均勻，鋅在中部高，東西兩側偏低。鐵鋅品位在傾向上變化：礦體頭部和尾部鐵鋅品位偏低，在礦體中部則較高。沿礦體厚度方向，鐵無明顯變化，鋅在礦層頂部及底部較高，中部偏低。

其主要斷層為黑溝斷層，在礦段表現為近于平行的兩斷層，即F 1、F2斷層。兩斷層走向近東西，傾向南，傾角60°～75°。斷層橫穿河床，延伸很遠。在開采過程中，應對該斷層的滲水情況進行實時監測，以保證礦山安全。

礦區含水層主要為第四系全新統沖洪積相砂礫石含水層，與洛河水聯系密切，是富水性極強的含水層。其次是長城系寬坪群叫河組大理巖系巖溶裂隙含水層，為礦體的間接頂板，含水層厚度83.3m，巖溶裂隙少見，局部地段見細溶孔，為弱含水層。礦區黑溝斷層和南溝斷層為隔水斷層。

1.2 生產現狀

礦體與圍巖穩固性差，最大安全跨度為4m，巷道以及進路均采用噴錨網支護。先打錨桿鋪設金屬網，隔一個班工作時間再進行噴射混凝土。鑿巖爆破等在兩個分段內作業，各中段作業互不影響。采用無底柱分段崩落法，大塊率為5%左右，損失率為21%，貧化率為22.5%。

礦采區范圍內共有4個中段，目前400m中段已采完，350m中段正在開采，300 m中段正在開拓。一期工程開采對象為145～160線之間的300 m中段以上的礦體，采用無底柱分段崩落法，地表已形成3個塌陷坑，地表移動界線離洛河較近。

二期工程開采對象為200m以上以及一期范圍外礦體，儲量較大。部分礦體位于洛河和公路下面，屬于“三下開采”。若繼續沿用一期工程的無底柱分段崩落法，地表塌落范圍將進一步擴大，可能引起公路、河流的破壞。同時，崩落法回采礦石的損失率、貧化率較高，資源回收率低，作業安全性較差。

井下礦巖穩固性差，礦體及圍巖風化，部分支護地段仍有片幫現象，巷道以及進路均采用噴錨網支護。隨著礦山生產向下延伸，崩落法已不再適合礦山生產。為了維持礦山經濟效益，滿足礦山整體運營目標，提高礦石回收率，擬采用充填法開采二期工程有用礦石。

2 采礦方法研究

2.1 崩落法轉充填法

礦山一期使用崩落采礦法，二期擬采用充填采礦法。充填采礦法能有效地控制地壓、緩解巖石移動，適應性強且能有效地剔除夾石。礦山崩落采礦法轉充填采礦法能夠保護礦體上方的公路、河流，獲得較低的貧化率和損失率。然而，充填法也存在一些缺點：采場需充填，生產成本較高；需增設充填站、充填管路等，建設投資大；增加了充填供需，采礦工藝復雜；井下礦巖穩固性差，開采時，礦房、礦柱規格不宜太大，生產能力受限；可能存在二次損失貧化。

2.2 模糊數學優化采礦方法

根據開采技術條件，可供選擇的充填法有上向分層充填法、上向進路充填法、下向進路充填法和點柱充填采礦法。

模糊綜合評判進行采礦方法選擇時，需考慮諸多因素，如礦體賦存形態、開采技術條件等技術因素；礦石的損失率、貧化率、礦石價值、生產成本等經濟因素；礦巖穩固性情況、地壓控制能力等安全因素；以及工藝復雜性、管理難易程度、作業條件等其他因素。這是一個涉及多層次、多目標、多因素、多指標的決策過程。

（1）建立數學模型：

式中，X為k個指標構成的權重向量，設評價對象系統X中有k個指標組成集合：X＝（x1，x2，x3，…，xk），其中xi為集合中的指標，i＝1，2，3，…，k，k為評價指標的指標個數。本次評判共選用12個指標，分別為：礦塊生產能力、貧化率、損失率、礦石f系數、圍巖f系數、礦體厚度、通風效果、作業安全情況、實施難易程度、采礦成本、礦體適應程度、采場地壓控制；R為j個方法k個評價因素構成的隸屬度矩陣；M為各方法的綜合評判量，m1，m2，m3，…，mn為各方法的綜合滿意度或者綜合優越度。

（2）4種采礦方案主要技術經濟指標及其評判指標見表1。由表1得出的特征向量矩陣：

表1 采礦方案主要技術經濟指標及其評判指標

考慮到礦巖f系數相同，故f系數對評估結果的影響一樣，為簡化計算，在規格化中，略去x4，x5。

則規格化后為：

根據語氣算子與定量標度相對隸屬度關系，得：

（3）綜上，得到綜合隸屬矩陣：

把12個影響因素分為安全、技術、經濟和其他4類，則通風難易程度、作業安全情況及地壓控制歸類為安全，礦塊生產能力、損失率、貧化率、實施難易程度和礦體適應程度歸類為技術，采礦成本歸類為經濟，礦石f系數、圍巖f系數和礦體厚度歸類為其他。

在采礦活動過程中，首要考慮的問題是安全上要可靠，然后技術上可行、經濟上合理，并滿足其他的特殊條件。根據12個因素的重要性，采用十分制給各因素打分，得到一個權重分配行向量，即：

X＝（0.067，0.083，0.083，0.05，0.05，0.033，0.1，0.117，0.1，0.067，0.1，0.15）

由M＝X R得：

M＝（0.6495，0.7360，0.7310，0.6684）

故方案的優劣次序為方案F2＞方案F3＞方案F4＞方案F1，即上向進路充填采礦法＞下向進路充填采礦法＞點柱充填采礦法＞上向分層充填采礦法。

從評判指標和評判結果可以看出：由于楊家灣鐵鋅礦井下礦巖穩固性差，上向、下向進路充填采礦法能夠很好地控制地壓，優于點柱充填采礦法和上向分層充填采礦法，考慮到礦石價值、經濟效益等因素，推薦使用上向進路充填采礦法；對于礦巖穩固性較好的地段，可以使用點柱分層充填采礦法和上向分層充填采礦法；考慮到礦石價值、經濟效益等因素，點柱分層充填采礦法優于上向分層充填采礦法。

3 結 論

為保護礦體上部的公路和河流，開采選用充填采礦法。針對楊家灣鐵鋅礦實際情況，對上向分層充填、上向進路充填、下向進路充填、點柱充填等采礦方法的礦塊生產能力、貧損指標、實施難易程度、采礦成本等指標使用模糊綜合評判，推薦使用上向進路充填采礦法作為礦山主要的采礦方法，下向進路充填采礦法、點柱充填采礦法作為輔助生產采礦方法。

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