基于AHP-FUZZY的鋁土礦采礦方法優選*

劉恩彥，劉福春，熊有為，雷顯權

(長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

0 引言

鋁土礦是我國戰略性保障資源，其地位舉足輕重，但我國優質鋁土礦資源極少，現階段占有率不到3%，居于全球末端[1]。因此鋁土礦的開發具有很廣闊的市場前景，同時國內的鋁土礦開采基本也由露天轉為地下，但地下鋁土礦的開采仍面臨許多難題，采礦領域的學者做了相關研究，但總體上仍屬于起步階段。

羅淦華等[2]采用分析歸納法梳理國內外鋁土礦地下開采過程中面臨的難題以及相對應的解決措施，運用辯證法總結經驗，并初步提出鋁土礦開采理論；賀鋒堅等[3]以有限差分法為理論基礎，結合采礦過程的時序因素，分析鋁土礦開采過程中的穩定性問題，獲得主要工藝參數，并成功應用于工業試驗。煤鋁共生是鋁土礦開采的典型難題之一，王春等[4]分析其礦體產狀，以煤鋁力學性質的差異性為切入點，提出了分層誘導協同開采底盤漏斗出礦采礦法。采礦方法的選擇過程中，影響因素多，同時有定性指標和定量指標，難以直觀地做出評價，任衛東等[5]以模糊數學理論解決上述難題，得出液壓支護采礦法更適用于現場的工程地質環境，并成功應用于工業試驗；孔超[6]、林衛星[7]和劉正輝[8]等分析開采效率低下的原因，并通過理論計算、工程類別及仿真模擬的研究手段，調整了回采工序，并針對性地提出采礦方法的局部優化方案，得到成功的應用；黃丹等[9]為實現巖層位移的有效控制，以理論模型結合有限元仿真的方法，研發協同充填覆巖控制技術，確保了采場地壓安全管理。

鋁土礦采礦方法的選擇不僅與礦體賦存條件相關，而且與開采技術水平、社會經濟條件息息相關。因此，選擇采礦方法時必須考量眾多因素，將其納入同一緯度綜合評判。本文以貴州瓦廠坪鋁土礦作為工程背景，運用層次分析法和模糊數學理論相結合的方法進行采礦方法優選。

1 采礦方法初選

貴州瓦廠坪鋁土礦礦層直接頂底板為鋁土質泥巖，偶而頂板為含炭硅質巖，底板為綠泥石巖，不穩固；礦層間接頂板為片狀含炭硅質巖、炭質頁巖，或含鋁石頁巖，厚十幾厘米至1～2 m，穩固性差；間接底板為含鋁石頁巖或綠泥石泥巖、鐵綠石巖。間接底板之下是黃龍組白云質灰巖或韓家店組的紫紅色砂質泥巖。

根據瓦廠坪礦的開采技術條件，采用工程類比法，初步選定的采礦方法有：普通房柱法（方案Ⅰ）、機械化房柱法（方案Ⅱ）、單體液壓支柱護頂壁式崩落法（方案Ⅲ）和綜合機械化連續采礦法（方案Ⅳ）。

采礦方法的選擇主要考慮經濟C1、安全C2、技術C3三大維度，其中頂板穩定性C21和井下作業人數C22是影響安全生產的重大因素，其次基建投資C11和綜合生產成本C12是主要的經濟指標，而技術指標相對較多，包含采場生產能力C31、方案靈活適應性C32、礦石損失率C33、礦石貧化率C34、采切比C35、通風條件C36、實施難易程度C37和智能化程度C38，總計評價指標12個。指標參數通過調查研究和專家討論獲得，方案綜合評價指標體系見表1。

表1 方案綜合評價指標

2 鋁土礦采礦方法優選

2.1 構建層次模型

鋁土礦采礦方法層次模型由指標層（O）、準則層（C）、方案層（P）組成（見圖1），以層次分析法確定影響因素的隸屬度，將定性因素和定量因素納入同一體系內進行排序，最終獲得相同層次影響因素的相對重要性。

圖1 層次分析結構

2.2 構造判斷矩陣

根據判斷矩陣比較標準[10]，對以上選取的 12個影響工程布置的指標因素進行整體對比，并以此為依據，構建出判斷矩陣D。

采礦方案與經濟、安全、技術指標的相對權重判斷矩陣見表2。

表2 判斷矩陣

2.3 層次相對權重及一致性檢驗

計算判斷矩陣每行所有元素的幾何平均值：

式中，aij為判斷矩陣的元素。

通過式（3）將其歸一化處理，得到W=（w1，w2，…，wn），即為所求元素的相對權重（見表3）。

表3 組合權重

判斷矩陣的一致性指標CI為：

式中，λmax為判斷矩陣的最大特征值。

應用公式（5）進行判斷矩陣一致性檢驗：

式中，RI是隨機平均一致性的指標[10]。

判斷矩陣一致性檢驗結果見表 4，最終計算得CR＜0.1，滿足要求，因此可知準則層所求的權重系數是合理的。

表4 一致性檢驗

2.4 模糊數學綜合評判

（1）隸屬度矩陣。

定量指標根據式（6）進行確定，最終得到相對隸屬度矩陣R定量：

將其歸一化得：

根據二元比較法及定量標度和語氣算子[10]可得定性指標隸屬度矩陣R′：

綜合以上則可得綜合隸屬度矩陣：

（2）綜合評判。由隸屬度矩陣R和因素向量W計算可得方案集A的綜合性評判向量：

最終得到鋁土礦采礦方法方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ、方案Ⅳ的優選度分別為 13.44%、19.5%、31.5%、47.25%。根據最大隸屬度原則，B值越大則優選度越高，即方案Ⅳ＞方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ，故綜合機械化連續采礦法為最優方案。

3 結論

（1）通過層次分析法，明確地下鋁土礦開采的 12個主要因素的權重，其中影響較大的是頂板穩定性、井下作業人數和采礦生產成本，為后續研究提供基礎。

（2）應用模糊數學對影響因素進行量化分析，避免主觀因素干擾，獲得4個地下鋁土礦采礦方案的優選度分別為13.44%、19.5%、31.5%、47.25%，故最優方案為綜合機械化連續采礦法，同時也為同類型礦山采礦方法的選擇提供參考。