基于層次分析法的鑫匯金礦深部采礦方法優(yōu)選及應(yīng)用

李官兵　李正燦　于向波　耿愛朋

摘要：為保證礦山安全高效開采，結(jié)合鑫匯金礦深部礦體開采技術(shù)條件，初步擬定了礦柱預(yù)加固上向水平分層充填采礦法、上向進(jìn)路充填采礦法和下向進(jìn)路充填采礦法3種方案。運用層次分析法，結(jié)合模糊綜合評判的理論，構(gòu)造多因素判斷矩陣，綜合安全、經(jīng)濟、資源和效率等各方面的考慮，為每個備選方案進(jìn)行了打分。最終優(yōu)選出礦柱預(yù)加固上向水平分層充填采礦法為最佳的采礦方法。經(jīng)實際應(yīng)用，提高了采場生產(chǎn)能力，而且大大提高了安全生產(chǎn)保障。該結(jié)果符合工程實際，該方法可為類似礦山采礦方法優(yōu)選提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：深部開采；充填采礦法；模糊數(shù)學(xué)；層次分析法；模糊綜合評判

中圖分類號：TD853.34文章編號：1001-1277（2023）07-0090-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20230714

引 言

采礦方法的選擇是礦山生產(chǎn)的基礎(chǔ)工程，深深影響著安全生產(chǎn)的進(jìn)行和礦山的經(jīng)濟效益［1-4］。采礦方法的選擇是一個系統(tǒng)工程，不僅要考慮礦體賦存條件，而且采礦技術(shù)水平及社會經(jīng)濟條件也不可忽視。因此，要綜合考慮各個方面的因素，將采礦方法進(jìn)行不斷優(yōu)化，才能安全高效且經(jīng)濟地實現(xiàn)采礦生產(chǎn)目標(biāo)［5-6］。

山東黃金礦業(yè)（鑫匯）有限公司（下稱“鑫匯金礦”）深部礦巖揭露情況整體較為穩(wěn)固，但局部區(qū)域存在斷層和大構(gòu)造帶，上盤接觸帶位置礦化嚴(yán)重，巖石強度較低，部分采場頂板圍巖十分破碎。隨著生產(chǎn)的深入，地壓增大，礦巖更加破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、巷道和采場圍巖的變形和流變更嚴(yán)重，使得采礦條件進(jìn)一步惡化。現(xiàn)采用的上向充填采礦法在部分采場充填接頂率低，空頂面積較大，安全系數(shù)低，亟須進(jìn)行采礦方法的優(yōu)化。

本文充分考慮鑫匯金礦深部礦體的賦存條件，采用層次分析法，并結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論，對采礦方法進(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)礦山安全高效開采。

1 采礦方法初選

鑫匯金礦-670 m中段礦體的開采技術(shù)條件為：①礦體傾角較緩，為25°～35°。②礦體沿走向連續(xù)長度在100 m以上，連續(xù)性好。③金金屬品位分布差異較大，與上盤圍巖分界較清晰，且品位較高，與下盤圍巖分界不明顯，品位較低，靠取樣分析確定礦體邊界。④礦體和下盤圍巖巖性較好，中等穩(wěn)固；部分上盤直接圍巖為含碳質(zhì)頁巖，巖性較軟，穩(wěn)固性較差；與碳質(zhì)頁巖相鄰的上盤間接圍巖，穩(wěn)固性中等以上。

綜上所述，鑫匯金礦-670 m中段礦體埋深700 m左右，地表不容許塌陷，因此，選擇采用充填采礦法和空場嗣后充填采礦法開采較為合適，但考慮到后者的采高較高、跨度較大，安全性較差，與該中段礦體的開采技術(shù)條件不符。所以，初步擬定以下3種采礦方案開采此段礦體：

①方案Ⅰ，礦柱預(yù)加固上向水平分層充填采礦法；②方案Ⅱ，上向進(jìn)路充填采礦法；

③方案Ⅲ，下向進(jìn)路充填采礦法。

1.1 礦柱預(yù)加固上向水平分層充填采礦法

1）采場結(jié)構(gòu)參數(shù)：50 m中段，12 m分段，礦體水平厚度為礦塊長，礦體寬30～40 m，高與分段高度一致，沿走向布置采場，采場包括礦房和礦柱，礦房寬為5 m，礦柱寬為5 m，分層高為4 m。由于-620 m中段1分層未施工人工假底，故各采場開采至-623 m水平，留7 m高頂柱。分段間的聯(lián)系由采區(qū)斜坡道承擔(dān)，服務(wù)范圍一般150 m以上。采礦方法及工程布置見圖1。

2）采準(zhǔn)工程。采準(zhǔn)工程包括輔助斜坡道、采場聯(lián)絡(luò)巷、分段運輸巷，工程規(guī)格為2.8 m×2.8 m的1/3三心拱；充填回風(fēng)天井，工程規(guī)格為1.5 m×1.5 m；溜井，工程規(guī)格為φ2 m。

3）回采順序。根據(jù)礦體厚度及形態(tài)，劃分為礦塊，總體回采順序由中部到兩翼，由下到上；礦塊內(nèi)采場回采順序為隔一采一，先回采礦柱-670 m分段二分層，回采高度4 m，采場回采完畢后，施工5～8排長錨索，進(jìn)行接頂充填；再按分層由下至上回采礦房，充填控頂距為1 m，循環(huán)進(jìn)行壓頂回采和充填作業(yè)，直至分段內(nèi)各分層礦房回采完畢，進(jìn)行接頂充填；最后循環(huán)進(jìn)行壓頂回采和充填回采礦柱。

4）鑿巖爆破。采用DWE1-24（Z9）單臂鑿巖臺車進(jìn)行回采作業(yè)，壓頂回采炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)為反向柱狀連續(xù)不耦合裝藥，炮孔長為3 m。

5）出礦運輸。采場內(nèi)礦石經(jīng)XYWJD-1型電動鏟運機運送到溜井，由中段運輸系統(tǒng)運礦至風(fēng)井，由罐籠提升至地表。

6）采場支護(hù)。采場中礦石鏟出后，進(jìn)行錨桿支護(hù)作業(yè)，按各采場穩(wěn)定性分級對應(yīng)的支護(hù)網(wǎng)度進(jìn)行支護(hù)。

采用YGZ-90鑿巖機向上傾斜45°鉆孔，施工長錨索，鉆孔直徑50 mm，孔距為2 m，排距為2 m，1次支護(hù)1個分段高度的礦體，選用φ22 mm的無縱筋螺紋鋼作為錨索桿體代替常規(guī)的鋼絞線，采用水灰比為0.4的水泥漿進(jìn)行注漿，其28 d黏結(jié)強度為3.05 MPa。

7）采場充填。充填管路從-620 m中段巷經(jīng)充填回風(fēng)天井、分段運輸巷和聯(lián)絡(luò)巷引入采場；礦房和礦柱均采用膠結(jié)充填，礦房底部2.5 m充填配比為1∶10，上部0.5 m充填配比為1∶4，施工長錨索分層的礦柱充填與礦房相同；礦柱底部2.5 m充填配比為1∶30，上部0.5 m充填配比為1∶4。

8）主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。單采場全斷面壓頂需鑿巖臺車駕駛員1人，0.5班；裝藥爆破需裝藥工1人，0.125班；爆破通風(fēng)需1人，0.125班；出礦鏟運機需駕駛員1人，0.6班；采場支護(hù)8根錨桿需鉆工1人，扶鉆工1人，0.1班；共1.45班，3班/d可循環(huán)作業(yè)2次，每次鑿巖深度3 m，進(jìn)尺2.8 m以上。該方案的主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表1。

1.2 上向進(jìn)路充填采礦法

1）采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。與方案Ⅰ一致。礦房寬為5 m，礦柱寬為5 m，進(jìn)路開采高度為3 m。由于-620 m中段1分層未施工人工假底，各采場開采至-621 m水平，留5 m高頂柱。分段間的聯(lián)系由采區(qū)斜坡道承擔(dān)，服務(wù)范圍一般150 m以上。采礦方法及工程布置見圖2。

2）采準(zhǔn)工程。較方案Ⅰ多了脈內(nèi)沿巷，工程規(guī)格為2.8 m×2.8 m的1/3三心拱；充填回風(fēng)天井，工程規(guī)格為1.5 m×1.5 m；溜井，工程規(guī)格為φ2 m。

3）回采順序。同上一方案，采場先掘進(jìn)斷面2.5 m×3.0 m的1/3三心拱，再從上盤向下盤兩側(cè)劈幫退采，各分層先采礦房再采礦柱，采完此分層并充填完畢后轉(zhuǎn)入上一分層回采。

4）鑿巖爆破。采用7655氣腿式鑿巖機進(jìn)行鑿巖作業(yè)，裝藥結(jié)構(gòu)為反向柱狀連續(xù)不耦合裝藥。

5）出礦運輸。采場內(nèi)礦石經(jīng)XYWJD-1型電動鏟運機運送到溜井，由中段運輸系統(tǒng)運礦至風(fēng)井，由罐籠提升至地表。

6）采場支護(hù)。采場中礦石鏟出后，進(jìn)行錨桿支護(hù)作業(yè)，按各采場穩(wěn)定性分級對應(yīng)的支護(hù)網(wǎng)度進(jìn)行支護(hù)。

7）采場充填。充填管路從-620 m中段巷經(jīng)充填回風(fēng)天井、分段運輸巷和聯(lián)絡(luò)巷引入采場；全部采用膠結(jié)充填，礦房與礦柱充填配比分別為1∶6和1∶10。

8）主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。單采場掌子面掘進(jìn)（或劈幫）鑿巖需鉆工1人，扶鉆工1人，0.8班；裝藥爆破需裝藥工1人，0.125班；爆破通風(fēng)需1人，0.125班；出礦鏟運機需駕駛員1人，0.3班；采場支護(hù)4根錨桿需鉆工1人，扶鉆工1人，0.05班;平均為1.4班，3班/d可循環(huán)作業(yè)2次。按一次掘進(jìn)一次劈幫計算單采場生產(chǎn)能力，每次掘進(jìn)鑿巖深度2 m，進(jìn)尺1.8 m以上（劈幫時，兩幫可回采5 m），本方案的主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表2。

1.3 下向進(jìn)路充填采礦法

1）采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。與方案Ⅰ一致，礦房寬為5 m，礦柱寬為5 m，進(jìn)路開采高度為3 m，不預(yù)留頂柱。分段間的聯(lián)系由采區(qū)斜坡道承擔(dān)，服務(wù)范圍一般150 m以上。采礦方法及工程布置見圖3。

2）采準(zhǔn)工程。與方案Ⅰ一致，工程規(guī)格為2.8 m×2.8 m的1/3三心拱；充填回風(fēng)天井，工程規(guī)格為1.5 m×1.5 m；溜井，工程規(guī)格為φ2 m。

3）回采順序。同上一方案，采場先掘進(jìn)斷面2.5 m×3.0 m的1/3三心拱，再從上盤向下盤兩側(cè)劈幫退采，各分層先回采礦房，再回采礦柱，該分層采場全部回采并鋪筋充填完畢后，轉(zhuǎn)入下一分層回采。

4）鑿巖爆破。采用7655氣腿式鑿巖機進(jìn)行鑿巖作業(yè)，裝藥結(jié)構(gòu)為反向柱狀連續(xù)不耦合裝藥。

5）出礦運輸。采場內(nèi)礦石經(jīng)XYWJD-1型電動鏟運機運送至溜井，由中段運輸系統(tǒng)運礦至風(fēng)井，由罐籠提升至地表。

6）采場支護(hù)。頂板為礦石和圍巖時，按頂板穩(wěn)定性分級對應(yīng)的支護(hù)網(wǎng)度進(jìn)行支護(hù)；頂板為人工假底時，如無必要不需支護(hù)。

7）采場充填。充填管路從-620 m中段巷經(jīng)充填回風(fēng)天井、分段運輸巷和聯(lián)絡(luò)巷引入采場；充填前在采場底部進(jìn)行鋪筋，礦房和礦柱均采用膠結(jié)充填，打底充填配比為1∶4，厚度1.5 m，養(yǎng)護(hù)16 h以上，再采用配比為1∶8的料漿充填采場上部1.5 m。

8）主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。單采場掌子面掘進(jìn)（或劈幫）鑿巖需鉆工1人，扶鉆工1人，0.8班；裝藥爆破需裝藥工1人，0.125班；爆破通風(fēng)需1人，0.125班；出礦鏟運機需駕駛員1人，0.3班；采場支護(hù)4根錨桿需鉆工1人，扶鉆工1人，0.05班；平均為1.4班，3班/d 可循環(huán)作業(yè)2次。按一次掘進(jìn)一次劈幫計算單采場生產(chǎn)能力，每次掘進(jìn)深度2 m，進(jìn)尺1.8 m以上（劈幫時，兩幫可回采5 m），本方案的主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表3。

1.4 采礦方案技術(shù)比較

將上述方案總體進(jìn)行比較評價，結(jié)果見表4。

從各方案的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)及優(yōu)缺點可以看出，按安全原則的優(yōu)劣排序為：方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ；按高效、低成本和工藝簡單原則的優(yōu)劣排序為：方案Ⅰ＞方案Ⅱ＞方案Ⅲ；按低貧損原則的優(yōu)劣排序為：方案Ⅱ=方案Ⅲ＞方案Ⅰ；其中，方案Ⅲ因人工假底充填工藝復(fù)雜和采礦直接成本較高而稍顯劣勢，但各方案的差距不是特別大，無法簡單取舍某一方案。

2 采礦方案模糊綜合評判

為了篩選出最合理的采礦方法，需要進(jìn)行多方面的考慮，系統(tǒng)進(jìn)行分析，而這些因素有很多是不定量的，對采礦方法的優(yōu)越性影響程度不同，且很模糊，因此需要采用模糊數(shù)學(xué)的理論與方法，分別評判各項指標(biāo)［7-8］。層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）適用于采礦方法選擇這類決策指標(biāo)復(fù)雜交錯、難以定量描述的系統(tǒng)性決策問題［9］，結(jié)合鑫匯金礦的具體情況，得到各層次和影響因素間的相互關(guān)系，結(jié)果見圖4。

在層次分析法中，T．L．Saaty采用表4所示的方法對判斷矩陣進(jìn)行標(biāo)度。

聘請從事礦山生產(chǎn)、技術(shù)和經(jīng)營管理方面的研究設(shè)計與生產(chǎn)單位的相關(guān)采礦專家，對表4中所列指標(biāo)，從安全、生產(chǎn)、技術(shù)、經(jīng)營管理等方面著手［10-11］，對每個因素與其他因素的重要性進(jìn)行比較并打分，得出判斷矩陣（1）～（5）。

經(jīng)計算：矩陣A的權(quán)重值為（1.97，1.73，0.39，0.76），歸一化以后為（0.41，0.35，0.08，0.16）。

同理，可得矩陣B1～B4各因素的權(quán)重值，歸一化后可得：c1=（0.87，0.13），c2=（0.44，0.06，0.08，0.15，0.27），c3=（0.83，0.17），c4=（0.83，0.17）。各分指標(biāo)（C1～C8）對總目標(biāo)A的權(quán)重分配值計算結(jié)果見表5。

由表5可知，權(quán)重W=（0.36，0.05，0.15，0.02，0.09，0.07，0.23，0.03）。參考鑫匯金礦和山東黃金集團(tuán)有限公司類似礦山，選取對C1～C8（主要影響因素）中的定量指標(biāo)，由專家對其中的定性指標(biāo)進(jìn)行評價，得到的主要因素指標(biāo)見表6。

對于上述定量指標(biāo)，隸屬度（rij）可以采用線性函數(shù)模型求出［12］。對于越大越優(yōu)指標(biāo)，按式（10）計算；對越小越優(yōu)指標(biāo)，按式（11）計算。

式中：fjmax為因素j指標(biāo)的最大值；fij為方案i因素j的指標(biāo)值。

對其余定性指標(biāo)，采用專家評價進(jìn)行賦值，各指標(biāo)的分值見表7。

由此得評價模糊矩陣，運用加權(quán)平均模型對各方案進(jìn)行評價。經(jīng)計算：方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ的特征值分別為0.606，0531和0.545，結(jié)合最大隸屬度原則，方案Ⅰ最優(yōu)、方案Ⅲ次之、方案Ⅱ最差。

優(yōu)選出的礦柱預(yù)加固上向水平分層充填采礦法已在鑫匯金礦-670 m分段2分層礦體及-655 m分段1～4分層礦體進(jìn)行了工業(yè)試驗。工業(yè)試驗及推廣應(yīng)用共采出礦石9萬t，平均出礦品位為2.89 g/t，選礦回收率92 %，金精粉品位70 g/t，金精粉產(chǎn)量3 418.46 t，取得了顯著的經(jīng)濟效益。經(jīng)預(yù)加固，安全生產(chǎn)保障大大提高，有效保證了工人和設(shè)備的安全，獲得了良好的社會效益。

3 結(jié) 論

1）結(jié)合層次分析法和模糊數(shù)學(xué)選擇采礦方法，采用層次分析法，確定了各個因素的權(quán)重，克服了由于多個因子導(dǎo)致的加權(quán)不能合理分配的問題；利用模糊數(shù)學(xué)相關(guān)原理，使其決策的可靠性和精確度得到了顯著的改善。2）

根據(jù)鑫匯金礦地質(zhì)條件、頂?shù)装宸€(wěn)固性等方面初選出3種采礦方法：礦柱預(yù)加固上向水平分層充填采礦法、上向進(jìn)路充填采礦法、下向進(jìn)路充填采礦法。

3）綜合各方面比較結(jié)果，方案Ⅰ是高效、低成本、工藝簡單的方案，同時按模糊綜合評判的優(yōu)劣排序為：方案Ⅰ＞方案Ⅲ＞方案Ⅱ。綜合考慮，最佳采礦方案為方案Ⅰ，即礦柱預(yù)加固上向水平分層充填采礦法。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Optimization and application of deep mining methods for Xinhui Gold Mine based on analytic hierarchy process

Li Guanbing，Li Zhengcan，Yu Xiangbo，Geng Aipeng

（Shandong Gold Mining （Xinhui） Co.，Ltd.）

Abstract：To ensure the safe and efficient mining of the Xinhui Gold Mine，based on the mines technical mining conditions for the deep ore bodies，3 initial plans were proposed：mining with pre-reinforced pillar and upward horizontal slicing filling，upward approach filling mining，and downward approach filling mining.The analytic hierarchy process was used，and combined with the theory of fuzzy comprehensive evaluation，a multi-factor decision matrix was constructed to comprehensively consider aspects such as safety，economy，resources，and efficiency，and to score each alternative plan.Finally，the mining method of the pre-reinforced pillar and upward horizontal slicing filling was selected as the best.Through practical application，the production capacity of the stope has been improved，and production safety has been greatly enhanced.The result is consistent with engineering reality，and this method can provide a reference for the optimization of mining method selection in similar mines.

Keywords：deep mining;filling mining method;fuzzy mathematics;analytic hierarchy process;fuzzy comprehensive evaluation

收稿日期：2023-01-11； 修回日期：2023-03-08

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（51974043）

作者簡介：李官兵（1973—），男，工程師，從事金屬礦山生產(chǎn)管理及采礦工程技術(shù)研究工作；E-mail：liguanbing986@163.com