小柳溝鎢礦安全高效采礦方法設計

陳吉祥 張繼維 王瑞鵬

（1.酒鋼（集團）天工礦業投資有限公司；2.中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司）

地下開采系統是一個復雜性系統。合理選擇采礦方法是制約開采成本及礦山經濟效益的主要因素。目前采礦方法設計研究的主要方法有數值模擬、模糊數學［1］、相似材料實驗等方法。采礦方法既要考慮技術條件并確保安全生產，又要考慮經濟合理性。因此，選擇采礦方法必須綜合考慮多種因素。本次采礦方法優化考慮的因素主要有采切比、貧化率、生產能力、采礦工效、采礦成本、安全程度、損失率、通風條件、作業人員對工藝的掌握程度、勞動強度和對礦體變化的適應程度等。

本研究以小柳溝鎢礦為工程設計研究背景，針對厚度大于10 m 礦體，建立采礦方法綜合評判指標體系，采用模糊數學方法，綜合考慮定性和定量多指標問題，計算初選3 種采礦方法方案的權重和隸屬度，確定了最優方案，克服了傳統采礦方法選擇的綜合評判指標較少問題，并考慮現場工人對方法的熟悉程度指標。

1 工程概況

小柳溝鎢礦為生產礦山，生產規模為27 萬t/a，采用地下開采方式，3 020 m中段以上采用主平硐+溜井開拓系統。3 020 m 中段以上各中段礦石由2 t 電動卡車運至礦石溜井，下放至3 020 m 水平，再由7 t電機車牽引2 m3側卸式礦車經3 020 m主平硐直接運往選礦廠。井下作業員工、所需材料和機械設備設備通過地表的簡易道路到達各中段作業面。礦山開采技術條件如下。

（1）本礦床屬于急傾斜薄到厚礦體，厚度大于10 m礦體占40.49%，平均厚度15.5 m，平均傾角76.7°。

（2）本礦床礦巖穩固性屬于中等穩固，局部形成整體冒落。

（3）礦床水文地質條件為簡單，工程地質條件為中等。

（4）地表允許塌陷。

2 采礦方法初選

設計從以下幾個方面對厚度大于10 m 的礦體選取的采礦方法進行技術經濟分析比選。

（1）綜合可比成本比較結果見表1。

（2）可比費用現值。階段空場采礦方法現場需新增鑿巖機、裝藥設備投資71.6 萬元，分段空場采礦方法（方案二）需新增裝藥設備1.6 萬元。從3種方案的可比現值方面進行比較，分段空場采礦方法現值最少，階段空場采礦法（方案一）可比現值比淺孔留礦少331.25 萬元，分段空場采礦方法可比現值比淺孔留礦采場方法（方案三）少369.97 萬元。

（3）工作面通風。方案一通風效果差，鑿巖巷道需要增加局扇。方案二通風效果一般；方案三通風效果良好，工作面形成貫穿風流。

（4）生產安全。方案一和方案二人員作業處于鑿巖巷道內，安全性高。方案三人員作業處于采場礦巖暴露狀態下，安全性差。

（5）機械化程度。方案一機械化程度高，礦塊生產能力較大。方案二靈活性強，能較好適應礦體形態變化。方案三機械化程度較低，局部放礦之后，需要在采礦場內部對浮石進行相應處理，并對場地進行修整，對大塊礦體開展破碎處理，作業人員勞動強度大。

（6）生產管理。方案一大塊率高、鑿巖技術要求高，裝藥、爆破施工復雜。方案二分段工程施工組織復雜、作業周期長。方案三生產工藝簡單，容易管理。

從以上方案的優缺點和經濟比較可知，礦體厚度大于10 m 的各方案的經濟指標雖有一些區別。但是一種采礦方法的選擇不僅從經濟因素上去判別，還需要從安全性、合理性、采礦強度等因素去加以評判，為準確評價各方案達到最優化的目標，將采用模糊數學方法對以上個方案進行綜合評判。

3 基于模糊數學采礦方法優化

3.1 模糊數學理論

在模糊數學中，根據研究對象的不同，隸屬函數的確立方法也不同，在礦業工程中，常用線性函數法和二元對比排序法確定隸屬函數［2］。

（1）線性函數法。線性函數法是對定量指標模糊概念的一種定量描述方法。用如下公式計算。

式中，γij為i種采礦方法j指標的隸屬度；fij為i種采礦方法j指標值；fjmax為各采礦方法j指標的最大值。

式（1）應用于采場生產能力、采礦工效2個指標；式（2）應用于采礦損失率、貧化率、采切比3種指標。

（2）二元對比排序法。某些無法用定量描述的指標，如采礦通風條件、安全可靠性等，通常采用二元對比排序法確定其隸屬函數。二元對比排序法又可以分成擇優比較法、對比平均法、優先關系法和相對比較法等。本次研究采用優先關系法，其原理如下。

設論域U={u1，u2，…，un}，以Cij表示Ui與Uj相比時Ui的優越程度，有Cii=0，表示Ui與Ui相比無優越性可言。

0 ≤Cij≤1 表示Cij在［0，1］上取值，如果Ui比Uj絕對優越則Cij=1，反之Cij=0。

Cij+Cji=1 表 示Ui對Uj的優越性與Uj對Ui的優越性之和為1。

由此可得到模糊矩陣

C可稱為模糊優先關系矩陣。模糊優先關系矩陣明確后，再用加權方法，其計算公式為

式中，δ（jj=1，2，…，n）是1組權重，有∑δj=1。

定量指標的隸屬度可由式（1）和式（2）求得，定性指標的隸屬度可由式（3）和（4）求得。

礦山選取合理的采礦方法既要考慮技術條件并確保安全生產，又要考慮經濟合理性［3］。故合理確定采礦方法受多種因素制約，各因素對采礦方法制約程度大小不同，為能準確地顯現出各因素的影響程度，需要進行加權處理。本次采礦方法優化考慮的因素為采切比、貧化率、生產能力、采礦工效、采礦成本、安全程度、損失率、通風條件、作業人員對工藝的掌握程度、勞動強度和對礦體變化的適應程度等。

權重對采礦方法優化選擇的結果影響程度較大，為了更精確獲取權重值，不僅單一采用專家評分法對各影響因素進行合理賦值，而且還利用層次方法計算權重值［4］。將上述的定性指標邀請采礦領域的專家和參考相關資料進行兩兩比較，根據非常好、比較好、稍微好、稍微差、比較差和非常差6 個不同的級別，分別獲取10、8、6、4、2、0 的分數。層次結構見圖1。

根據以上建立的判斷矩陣，運用模糊數學的方法進行計算，然后對計算結果進行匯總，詳見表2。

結合圖1對上述計算結果進行處理，計算權重矩陣H=[HA,HB,HC,HD,HE,HF,HG,HH,HI,HJ,HK]=[0.180 5,0.053 2,0.107 0,0.086 8,0.043 6,0.024 0,0.287 7,0.090 5,0.022 7,0.055 5,0.048 6]。

經過對定量及定性指標的綜合計算，求得各指標的隸屬度，將以上各指標計算結果，按照一定的順序組合，隸屬度矩陣計算結果見表3。

3.2 終選采礦方法

終選采礦方法主要由兩部分組成：權重矩陣和隸屬度矩陣。在前面兩者都已經求出，現將2個矩陣的數據采用模糊綜合評判的4 種方法中的加權平均法進行計算。計算結果為A=0.292 7，B=0.285 1，C=0.178 8。

根據模糊數學綜合評判原理，以相對選擇率最高的采礦方法作為最優采礦方法，通過綜合評價和計算，待選采礦方法的選擇率由高到低的排序為階段空場采礦方法、分段空場采礦方法、淺孔留礦采礦方法法，因此階段空場采礦方法為首選方案［5-7］。

4 階段空場采礦方法設計

礦塊沿走向布置，礦塊高50 m（出礦中段高度），礦塊寬為礦體厚度，礦塊長50 m，間柱寬8 m，頂柱厚度為8 m，分段高度為14 m。每隔100 m（2個礦塊）設一通風人行天井，采用平底出礦底部結構［8］。階段空場采礦工藝示意圖見圖2。

5 結論

（1）本研究采用技術經濟初選、模糊數學方法，合理確定采礦方法最優方案。

（2）本次采礦方法優化設計考慮的因素為采切比、貧化率、生產能力、采礦工效、采礦成本、安全程度、損失率、通風條件、作業人員對工藝的掌握程度、勞動強度和對礦體變化的適應程度等，與現場生產實際較為貼近。

（3）設計研究方案終選的階段空場采礦方法較礦山現采用的淺孔留礦采礦方法礦塊生產能力大、機械化程度高、安全性高。