基于AHP-FUZZY的瓦屋磷礦Ⅳ礦段房柱法出礦方式優選

張衛中 王維慶 彭亞利 康欽容 張電吉

(1.武漢工程大學資源與安全工程學院,湖北 武漢 430073;2.湖北興發化工集團股份有限公司,湖北 宜昌 443700)

我國是磷資源儲量大國,磷礦資源主要分布在云、貴、川、鄂、湘等省份,湖北宜昌是全國磷礦資源儲量五大基地之一[1]。隨著經濟的快速發展,淺部磷礦資源急劇減少,對深部磷礦資源的需求日益加大。目前磷礦開發主要采用地下開采模式,在磷礦深部開采中為確保資源得到合理開發利用,推動礦山可持續發展,應以礦山安全高效生產為前提,擴大生產規模,降低成本,從而獲得最佳的資源效益[2]。在礦山生產中合理的采礦方法具有決定性作用,采礦方法的選擇是各采礦要素的合理整合,開采過程中不僅要有良好的作業條件,還應保證礦山能持續穩定地生產。

針對緩傾斜薄—中厚礦體的賦存狀態及開采技術條件,常用的采礦方法有房柱法[3]、電耙留礦法[4]、充填法[5]、底盤漏斗法以及爆力搬運方法[6-7]。目前,隨著國內采礦業的不斷發展,深部開采逐漸向大型化、機械化、智能化發展,部分礦山根據政策導向采用充填法開采也取得了良好的經濟效益。隨著國內外無軌設備的不斷研究與應用,國內礦山房柱法的產能也逐步提升。近年來,由于對中低品位礦石生產需求的日益加大,在地下采礦方法中房柱法所占比重也越發明顯,國內占1/10,國外平均達到1/3,美國、法國等發達國家比重更高。

隨著技術變革帶來的各學科和計算機應用的交叉使用,在礦山開采中,各種理論和軟件被應用到了采礦行業,如數字礦山、數值模擬、價值工程、灰色理論、模糊數學等。早在20世紀70年代T.L.Saaty創立的層次分析法是一種權重決策分析方法,該方法運用運籌學理論進行定性和定量分析相結合的思路來確定最優決策方案[8-9]。根據瓦屋磷礦Ⅳ礦段實際地質和開采技術條件,并結合層次分析和模糊數學理論的優點,本研究綜合選取5個方面的采礦方法優選影響因素,建立采礦方法評價指標體系,將一個系統方案的各影響因素進行層次化、條理化處理,再依次進行影響因素的兩兩比較,對各層因素進行權重賦值,最后運用模糊數學理論建立評判矩陣,進而確定出適用于瓦屋磷礦Ⅳ礦段緩傾斜薄—中厚礦體的合理采礦方法。

1 礦體概況及開采技術條件

(1)礦體概況。瓦屋磷礦Ⅳ礦段是瓦屋礦區Ⅰ、Ⅲ礦段往南深部延伸區域,地質構造復雜多變。礦段處于F1斷層下盤,該礦段主要礦層(ph13礦層)為沉積型磷礦巖,震旦系上統陡山沱組第二段。瓦屋Ⅳ礦段礦體傾向 SE,傾角17°～25°,平均傾角18°,屬緩傾斜礦體,平均厚度5.46 m。本研究試采區礦體厚度為4.7 m左右,深度為+112.17～+1 021.97 m。P2O5品位為18.06%～29.86%,平均品位為22.03%。礦段探礦面積約4.6 km2,資源儲量為71 411 kt。

(2)水文地質條件。該礦段屬于沉積型磷礦巖,有2/3以上的磷礦層埋藏于當地侵蝕基準線以下。礦段頂板直接和間接進水,含水層中主要為溶蝕裂隙,按照礦床勘探復雜程度劃分,該礦段水文地質條件屬于中等偏復雜類型。

(3)工程地質條件。礦體頂底板圍巖分別為白云巖和含磷泥巖。ph13磷礦層與白云巖頂板致密堅硬、強度高、完整性好、底板較軟弱、強度低,工程地質條件屬于中等類型。

(4)開采技術條件。瓦屋磷礦Ⅳ礦段屬于緩傾斜薄—中厚礦體,圍巖穩定性較好,斷層、節理與裂隙不發育。由于礦石存在膠結結構,塊狀礦石易松散,片幫嚴重;頂板白云巖含有硅質巖,其中方解石遇水易膨脹,頂板容易形成炸頂、脫層現象,冒頂片幫成為開采的不穩定因素。開采技術參數:堅固性系數f礦石為8～10、頂板為15,密度為2.85 t/m3,松散系數為1.86,安息角為 38°。

2 采礦方法初步選擇

瓦屋磷礦Ⅳ礦段屬于緩傾斜薄—中厚礦體,并處于F1斷層下盤,地質結構復雜,其開采難度主要在于[10-11]:①緩傾斜礦體無法通過自重溜礦,放礦困難;②薄礦體無法發揮大型設備優勢,不合理的采礦布置會導致采切工程量大,消耗成本高;③ 復雜的地質結構導致頂板管理難度大,冒頂片幫現象嚴重,需采用預留大量礦柱的方法來控制頂板,礦石損失量大。

緩傾斜薄—中厚礦體常用的幾種采礦方法對于瓦屋磷礦適應性不強,具體表現在:該礦的礦體賦存傾角為17°～25°,不適宜采用大規模爆力搬運的采礦方法;底盤漏斗法由于采切工程量過大,無法獲得很好的經濟效益;由于現階段礦山還未建設充填系統,充填成本較高,磷礦效益起伏不定,目前充填法尚無法實施;現有的部分偽傾斜開拓系統以及初期試驗確定的無軌運輸方式,使得電耙留礦法不宜采用。

根據瓦屋磷礦Ⅳ礦段的開采技術條件和礦體特征,以及礦山產能需求,結合礦山生產情況和技術水平,擬采用房柱法采礦,并進行了3次采礦方法優化試驗,各方法的主要區別在于出礦方式的優化思路。

(1)方案Ⅰ,電耙采礦方法。礦塊沿礦體走向布置,礦塊傾向長度為15～80 m,礦房寬度為12 m,中段運輸平巷寬度為4.5m,切割上山寬度為3m,礦塊周圍留4m的連續間柱,斷層邊緣設置6m寬的保安礦柱。

(2)方案Ⅱ,對角式雙巷斜坡道采礦法。礦塊沿走向布置,礦房尺寸為14 m×16 m;切割上山寬度為4 m,切割上山間距為14 m;采準平巷寬度為4 m,采準平巷間距為16 m;點柱尺寸為5 m×7 m,點柱間距為9 m;斷層邊緣保安礦柱寬度為6 m,邊界回風巷保安礦柱寬度為15m;中段運輸平巷寬度為4m。為了滿足扒渣機出礦要求,布置密集的偽傾切割斜坡道降坡,有助于克服電耙采礦存在的不足。

(3)方案Ⅲ,無軌運輸、錨網護頂、輪式出礦的房柱法。礦塊沿礦體走向布置,礦塊走向長度為200 m,礦塊傾向長度為190 m,階段高60 m,礦房寬度為32m,礦房內設6 m×7m規則礦柱,頂柱為6 m,底柱為6 m,設置5 m間柱,斷層邊緣設置6 m保安礦柱。

各方案在開采過程及開采技術方面主要的優缺點見表1,3種方案的主要技術經濟指標見表2。

由表1和表2可知:各方案在開采過程中各有優勢和不足,難以確定合理的采礦方法。采礦方法的選擇受多種因素影響,特別容易受到人為主觀經驗的影響。鑒于此,結合層次分析和模糊數學方法可以使各種因素定量化、數字化,便于詳細分析各種方案的優越性,進而判斷出最為合理的采礦方法。

表1 各方案主要優缺點Table 1 Main advantages and disadvantages of each scheme

表2 各方案主要技術經濟分析Table 2 Main technical and economic analysis of each scheme

3 采礦方法模糊綜合評判

選擇合理的采礦方法對于礦山安全、高效生產具有重要作用,采礦方法的選擇是各種采礦因素的合理整合,難以通過人為主觀性判斷來確定出科學合理的采礦方法。科學合理采礦方法的選擇應充分考慮不同層面、不同指標、各種因素的影響[12],故本研究采用層次分析法和模糊數學相結合判斷上述電耙采礦方法(方案Ⅰ),對角式雙巷斜坡道采礦法(方案Ⅱ),無軌運輸、錨網護頂、輪式出礦的房柱法(方案Ⅲ)3種采礦方法的優越性。

3.1 層次分析確定權重

3.1.1 評價體系的層次結構模型

依據上述3種采礦方法試驗結果,選取幾種合理的指標,通過層次分析和模糊綜合評判來得到最優的采礦方法。本研究依據指標選取全面、少量、最主要的原則,確定采用5個準則、9個因素的目標系統(圖1)來確定最優采礦方法[13-14]。

圖1 采礦方法評價指標體系層次模型Fig.1 Hierarchical model of the evaluation index system of mining method

3.1.2 構建判斷矩陣

依據層次分析法原理,結合專家打分,對各因素重要性指標進行量化,采用1～9以及倒數進行標度,建立判斷矩陣[15],從而得出如表3所示的O-A判斷矩陣。

表3 判斷矩陣O-ATable 3 Judgment matrix O-A

3.1.3 判斷矩陣權重排序

根據表3判斷矩陣O-A,對列向量進行歸一化處理,采用方根法求特征向量W和最大特征值γmax,得出各影響因素的權重值[16],公式為

式中,wij為第i行第j列的重要性指標;為判斷矩陣O-A每一行元素乘積的n次方根;Wi為第i個因素的特征向量;D為判斷矩陣;W為特征向量;n為矩陣階數;wi為特征向量W的第i個元素。

經上述計算,可得二級判斷矩陣O-A各因素的權重值為(0.231、0.247、0.113、0.271、0.138)。

由于評判矩陣容易受人為主觀因素影響,產生的誤差易識別,為了得出盡可能準確的判斷矩陣,需要對判斷矩陣的一致性進行檢驗,SAATY提出的不相容度計算公式為[17]

式中,CI為一致性指標;CR為一致性比率;RI為平均隨機一致性指標,根據隨機一致性檢驗表并參考文獻[18],當CR＜0.1時,一致性通過。

由判斷矩陣O-A得,判斷矩陣O-A的最大特征值γmax=5.326,CI=0.081,RI=1.12,CR=0.073,一致性通過。

同理,可得二級評價指標相對于標準層的權重系數為

由此得出各因素的層次總排序見表4。

表4 層次總排序Table 4 Total hierarchical ordering

由表 4 可知:B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9對目標值O的總排序權重為

3.2 構建模糊綜合評價矩陣

根據表5所示各方案具體影響因素指標體系中的礦塊生產能力、生產成本、采切比、貧化率、損失率5個定量指標,以及頂板安全狀況、通風條件、勞動條件以及對礦體適應性4個定性指標確定隸屬度矩陣。隸屬度矩陣確定方法分別進行如下論述。

表5 各方案的綜合評價指標體系Table 5 Comprehensive evaluation index system of each scheme

3.2.1 定量指標隸屬度矩陣確定

定量指標可以歸類為正指標和負指標,正指標包括礦塊生產能力;負指標包括生產成本、采切比、貧化率、損失率。各指標的隸屬度可用如下線性公式進行計算:

式中,rijmax為i因素的最大指標值;Zij為i方案j因素的指標值,式(5)和式(6)分別用于正負指標的隸屬度計算。

定量指標隸屬度矩陣正規化后可得:

3.2.2 定性指標隸屬度矩陣確定

對于表5中所列出的4個定性指標(頂板安全狀況、通風條件、勞動條件以及對礦體適應性),采用二元對比排序法和專家打分法得到指標的隸屬度矩陣。其中,頂板安全狀況的二元對比排序見表6。

表6 頂板安全狀況二元對比排序Table 6 Binary comparison ranking of roof safety condition

取各行最小值,即頂板安全狀況的隸屬度為(1,0.33,0.5),同理可得通風條件的隸屬度為(0.5,1,1),勞動條件的隸屬度為(1,0.66,0.66),對礦體適應性的隸屬度為(0.5,0.5,1)。

由此可以得到上述3種采礦方法的模糊綜合評價矩陣R為

3.2.3 采礦方法模糊綜合評選

根據上文得到的權重向量W和模糊綜合矩陣R,利用加權平均模型計算得出的3種方案的評判集為

由此可知上述3種方案的優劣性,方案Ⅲ明顯優先于方案Ⅰ和方案Ⅱ,即無軌運輸、錨網護頂、輪式出礦的房柱法為該礦最優采礦方法。

4 采礦方法及應用效果

按照采礦方案的優選結果,瓦屋磷礦Ⅳ礦段首選采礦方法確定為無軌運輸、錨網護頂、輪式出礦的房柱法。

4.1 采礦方法概述

4.1.1 礦塊結構參數

礦塊沿礦體走向布置,礦塊走向長度為200 m,礦塊傾向長度(斜長)190 m,階段高度60 m,礦房寬度為32 m。礦房內設6 m×7 m方形礦柱,6 m頂底柱,5 m間柱,斷層邊緣設置6 m保安礦柱。無軌運輸、錨網護頂、輪式出礦的房柱法采礦方法原理如圖2所示。

圖2 房柱采礦法原理(單位:m)Fig.2 Principal of room-pillar mining method

4.1.2 采準切割

采切工程主要包括聯絡斜坡道、切割平巷、切割上山以及聯絡平巷。具體采準切割工作流程為:首先在階段大巷上沿走向每200 m布置一條聯絡斜坡道(坡度為12%),拉通上階段大巷,承擔運輸、行人、通風作用,劃分礦塊;其次在斜坡道上自上而下,沿礦體傾向與上階段平巷中對中15 m布置聯絡平巷,作為主要安全通道,聯通相鄰采場;在聯絡斜坡道上自上而下,沿傾向中對中每32 m布置走向的5條切割平巷,在切割平巷上沿走向按每32 m布置3條切割上山,形成礦房。

4.1.3 回 采

瓦屋磷礦Ⅳ礦段礦體平均厚度為5.46 m,礦房無法進行單臺階回采,為了控制采場地壓,在同一采場內布置6個臺階進行回采工作?；夭身樞蜃陨隙?在礦塊內向聯絡斜坡道方向自西向東方向退采。臺階1:在聯絡平巷以上,預留頂柱;臺階2～5:在各切割平巷以上,預留間柱和點柱;臺階6:最下切割平巷以上,相應預留出間柱、點柱和底柱。

回采礦石時,選用NJP4815PD6型井下自卸式礦用汽車在聯絡斜坡道與聯絡平巷貫通口進行裝礦,崩下的礦石用CDM835型裝載機裝入運礦卡車,經斜坡道運至階段運輸平巷,過主平硐運出地表。

4.2 應用效果

現場應用效果表明:無軌運輸、錨網護頂、輪式出礦相較于電耙出礦采切工程量得到了有效控制,裝載機出礦效率高,CDM835裝載機生產能力可達88.2 t/h,無軌運輸設備出礦更加靈活,礦塊生產能力為579 t/d,輪式出礦較電耙出礦優勢明顯,基建期短,直接成本為44.58元/t,在噸礦成本降低的情況下,產量明顯提升,能夠滿足礦段年產120萬t的設計要求。并且自行設備出礦操作靈活,易于控制礦石損失與貧化,瓦屋Ⅳ礦段地質品位為29.87%,采出平均品位達到28.34%。采用正傾切割布置的房柱法,減少了三角礦柱損失,更有利于地壓管理。

5 結 論

(1)將層次分析和模糊數學方法運用到瓦屋磷礦出礦方法優選中,通過將各指標因素進行定量化處理,減少了權重判斷中的人為主觀臆斷,最終優選出無軌運輸、錨網護頂、輪式出礦的房柱法,保證了采礦方案選擇的科學合理性。

(2)無軌運輸、錨網護頂、輪式出礦的房柱法適用于開采厚度小于5 m、傾角小于25°的緩傾斜薄—中厚礦體,該方法還能適應頂板管理難度大、生產能力大、開采強度高的礦山。隨著機械化、智能化采礦技術的發展,該方法還能得到進一步發展。

(3)無軌運輸、錨網護頂、輪式出礦的房柱法還需從試采區逐漸向全礦山推廣,向深部開采轉移的適應程度還要逐步調整。