緩薄多層鈾礦體開采協(xié)同度分析

程光華，孫剛友，王合祥

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

協(xié)同度評(píng)價(jià)是運(yùn)用協(xié)同學(xué)理論，定量計(jì)算整體項(xiàng)目中各子系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)程度的研究。開展協(xié)同度評(píng)價(jià)可以準(zhǔn)確獲得各子系統(tǒng)在項(xiàng)目整體運(yùn)行過程中的協(xié)同程度，從而通過定向優(yōu)化協(xié)同度較低的子系統(tǒng)方案，提高項(xiàng)目的整體協(xié)同度和生產(chǎn)效率。工程項(xiàng)目的協(xié)同度評(píng)價(jià)在不同的行業(yè)均有所研究，鐘銘等運(yùn)用協(xié)同理論，構(gòu)建港口物流與城市經(jīng)濟(jì)協(xié)同測(cè)度模型，對(duì)大連市港口物流與城市經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]；卞戈亞等以協(xié)同學(xué)的協(xié)同理論為基礎(chǔ)，對(duì)河北省水資源-產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)協(xié)同度進(jìn)行了研究[2]。

某鈾礦區(qū)分38個(gè)礦體，礦體埋深186.66～646.40 m。單工程礦體厚度0.48～7.84 m，礦體呈多層狀產(chǎn)出，夾石層厚度最薄處不到1 m，礦體傾角3°～5°，礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類型，地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好，礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)平均值為80%，巖體質(zhì)量指數(shù)Q=26.4(巖體級(jí)別屬于Ⅱ級(jí)良好)。針對(duì)礦床開采技術(shù)條件提出采礦方法，建立多層鈾礦開采協(xié)同度模型，并對(duì)協(xié)同度進(jìn)行量化計(jì)算，以指導(dǎo)生產(chǎn)過程的優(yōu)化[3]。

1 緩薄多層鈾礦體采礦方法概述

該鈾礦床礦體層與夾石層為互層結(jié)構(gòu)，其中13#與14#礦體之間夾石層平均厚度2.3 m，14#與15#礦體之間夾石層平均厚度2.6 m，15#與16#礦體之間夾石層平均厚度1.9 m。13#礦體、14#礦體、15#礦體、16#礦體的平均厚度分別為1.0、2.4、1.3和1.1 m。根據(jù)該礦床地質(zhì)特征提出了以下3種采礦方法。

1.1 預(yù)控頂中深孔多層礦混合采礦法

針對(duì)該鈾礦多層礦體，為了提高生產(chǎn)能力，將13～16#多層礦體和夾層一同采用中深孔爆破開采。此方案回采步驟如圖1所示，采場(chǎng)沿礦體走向方向劃分盤區(qū)，開拓系統(tǒng)布置在最下層礦體下方，采用上向中深孔爆破回采。以切割立槽為爆破自由面，每次沿采場(chǎng)全寬和中段全高爆下一排或數(shù)排中深孔，崩落的礦石從底部出礦巷道用鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)出。

1.2 礦巖梯段分采分充連續(xù)推進(jìn)采礦法

礦巖梯段分采分充連續(xù)推進(jìn)采礦法充分利用13～16#多層礦體傾角較緩、層狀產(chǎn)出等特性，合理確定回采分段高度，進(jìn)而將夾石層與薄礦層作為獨(dú)立回采分層?；夭刹襟E如圖2所示。在一個(gè)回采分段中先爆破16#礦石，運(yùn)到溜井；然后爆破15～16#礦體間的夾石，并作為采空區(qū)充填料，礦層超前夾石層一定距離，進(jìn)行連續(xù)分采；然后注漿膠結(jié)，依次向上開采。爆破產(chǎn)生的礦石堆超前廢石堆一定距離，保證運(yùn)輸互不干擾；采用隔墻擋板把充填區(qū)和廢石堆隔開，保證出礦作業(yè)和充填作業(yè)可獨(dú)立進(jìn)行[4]。

1.3 普通礦房法

普通礦房法先進(jìn)行16#礦體的開采，待廢石充填后再進(jìn)行15#礦體的開采，保留中間夾石層，依次向上開采。沿礦體走向劃分采區(qū)，再將采區(qū)劃分為礦房礦柱進(jìn)行回采。運(yùn)輸巷道布置在下盤巖體中，在礦房下部邊界處掘進(jìn)切割平巷，礦房上部邊界處掘進(jìn)聯(lián)絡(luò)平巷，在礦房中間位置緊貼底板掘進(jìn)上山，在盤區(qū)中部位置的切割巷道處布置一條溜井?；夭蓵r(shí)首先在靠近底柱部位切割拉槽，形成鑿巖巷道；之后在此拉槽巷道中采用鑿巖臺(tái)車沿礦體傾向鉆孔，并以切割上山為自由面進(jìn)行爆破落礦；爆破后采用鏟運(yùn)機(jī)將礦石運(yùn)至盤區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道內(nèi)的溜井。采礦法如圖3所示。

2 多層鈾礦開采協(xié)同度模型的建立

基于序參量的多層礦體開采協(xié)同度模型，是在系統(tǒng)協(xié)同度測(cè)定理論基礎(chǔ)上，確定多層礦體開采的序參量及其指標(biāo)體系。

2.1 序參量指標(biāo)體系

采礦工程中資源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)能夠很好地反映開采過程中各個(gè)子系統(tǒng)之間的協(xié)同情況，故選用資源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)3個(gè)序參量分量來評(píng)價(jià)多層礦體開采的情況，選取損失率、貧化率作為資源分量的指標(biāo)，選取采場(chǎng)生產(chǎn)能力、采切比、采礦工效作為技術(shù)分量的指標(biāo)，選取采礦成本作為經(jīng)濟(jì)分量的指標(biāo)[5]。序參量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 有序度模型

礦山開采系統(tǒng)S由m個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，各子系統(tǒng)Sj之間的相互作用形成整個(gè)系統(tǒng)S的協(xié)同作用，表述為S=f(S1,S2,…,Sm)。

序參量分量對(duì)其相應(yīng)子系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度可利用功效函數(shù)求出[6-7]，計(jì)算公式為

(1)

式中：xik為序參量分量，其值為Xik，i=1,2,…,n；k=1,2,…,p；n為樣本數(shù)；p為序變量個(gè)數(shù)。根據(jù)協(xié)同理論，Xik∈(0,1)，Xik趨近0，說明該序參量對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度較?。籜ik趨近1，說明該序參量對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度較大。αik、βik為各序參量的上、下限值。

對(duì)于所有序參量分量xik對(duì)系統(tǒng)有序度的“功效”組合集成起來，便可作為序參量xi對(duì)子系統(tǒng)Sj有序程度的“總功效”，式(2)、(3)為序參量xi的系統(tǒng)有序度。組合集成的結(jié)果不僅取決于各序參量分量的大小，也取決于子系統(tǒng)之間的組合形式。在實(shí)際應(yīng)用過程中，常采用幾何平均法或線性加權(quán)求和法。

(2)

(3)

由式(2)、(3)可知，μi(xi)∈[0,1]，μi(xi)越大，xi對(duì)系統(tǒng)有序的“功效”越顯著，系統(tǒng)有序度越高；反之越低。

2.3 協(xié)同度模型

表1 協(xié)同度標(biāo)值及其含義

2.4 礦山開采系統(tǒng)協(xié)同度測(cè)度模型數(shù)據(jù)處理

序參量指標(biāo)權(quán)重采用AHP法進(jìn)行確定[8]，計(jì)算過程包括構(gòu)造判斷矩陣、求解權(quán)重值和一致性檢驗(yàn)。

2.4.1 構(gòu)造判斷矩陣

用fi與fk表示方案的指標(biāo)，fik表示fi相對(duì)于fk的重要程度，并且fik與fki互為倒數(shù)。利用方案的各因素進(jìn)行兩兩比較，得到判斷矩陣B：

(5)

采用1～9標(biāo)度法對(duì)判斷矩陣進(jìn)行取值，范圍為1～9或1/1～1/9，見表2。

表2 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

2.4.2 求解權(quán)重值

根據(jù)判斷矩陣B，利用方程B=λmaxμi，求解相應(yīng)的最大特征值λmax與相應(yīng)的特征向量μi。其中特征向量即為相應(yīng)因素的權(quán)重值，采用方根法計(jì)算，公式為

(6)

2.4.3 一致性檢驗(yàn)

一致性檢驗(yàn)可以判斷權(quán)重向量分配的合理性，采用公式CR=CI/RI進(jìn)行檢驗(yàn)，其中：CI=(λmax-n)(n-1)；RI為平均隨機(jī)變量指標(biāo)。當(dāng)CR<0.1時(shí)，則判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)的要求，說明該判斷矩陣合理。平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值見表3。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

3 多層鈾礦開采協(xié)同度計(jì)算

3.1 獲取原始數(shù)據(jù)

通過對(duì)某鈾礦緩薄多層礦體設(shè)計(jì)的3種地下采礦方法的分析，計(jì)算并參考類似礦山(包括多層分支礦體允許合采的經(jīng)濟(jì)盈虧平衡點(diǎn)計(jì)算[9]、上橫山緩傾斜多層釩礦、錫礦山銻礦等)生產(chǎn)資料得到資源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等序參量分量指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)見表4。

表4 各序參量分量指標(biāo)原始數(shù)據(jù)

3.2 確定各序參量評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)表2構(gòu)建判斷矩陣：

(7)

采用相關(guān)系數(shù)矩陣法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量，根據(jù)式(6)得到其權(quán)重分別為μ[Y1、Y2、Y3]=[0.540，0.163，0.297]，μ[A1、A2]=[0.667，0.333]，μ[A3、A4、A5]=[0.540，0.163，0.297]，μ[A6]=[1]，最終權(quán)重為μ=[0.133，0.067，0.216，0.065，0.119，0.400]。

各判斷矩陣λmax分別為3、2、3、1，經(jīng)驗(yàn)證此時(shí)所有判斷矩陣CR<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)要求，此權(quán)重值可接受。

3.3 功效值計(jì)算

由于各序參量分量指標(biāo)單位不同，數(shù)值相差很大，需要進(jìn)行無量綱化規(guī)范處理，利用式(1)～(3)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用式(1)計(jì)算各序參量分量指標(biāo)的功效值，值得注意的是損失率、貧化率、采切比和采礦成本屬于成本型指標(biāo)，應(yīng)按負(fù)功效的計(jì)算式來計(jì)算；采場(chǎng)生產(chǎn)能力和采礦工效按正功效的計(jì)算式來計(jì)算。所有序參量分量對(duì)系統(tǒng)有序度的功效值為

(8)

3.4 協(xié)同度計(jì)算

利用式(4)分別計(jì)算資源分量、技術(shù)分量和經(jīng)濟(jì)分量的有序度和資源-技術(shù)-經(jīng)濟(jì)的協(xié)同度，得到的有序度和協(xié)同度見表5?？梢钥闯鲱A(yù)控頂中深孔多層礦混合采礦法、礦巖梯段分采分充連續(xù)推進(jìn)采礦法、普通礦房法的資源-技術(shù)-經(jīng)濟(jì)協(xié)同度分別為0.661、0.766和0。

表5 序參量分量有序度和資源-技術(shù)-經(jīng)濟(jì)協(xié)同度

4 結(jié)論

1)建立了基于序參量的多層鈾礦地下開采系統(tǒng)的協(xié)同度模型，確定了以資源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)為序參量分量，構(gòu)建了序參量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2)根據(jù)協(xié)同度模型，對(duì)多層礦體開采的協(xié)同度測(cè)度計(jì)算表明，礦巖梯段分采分充連續(xù)推進(jìn)采礦法協(xié)同度最高，達(dá)到0.766，具有很高的協(xié)同度，礦山處于協(xié)同發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

3)礦巖梯段分采分充連續(xù)推進(jìn)采礦法中資源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分量的有序度分別為1、0.615、1，技術(shù)分量有序度偏低，應(yīng)該通過提高管理水平、提高生產(chǎn)能力和采礦功效、降低采切比，進(jìn)一步提高開采協(xié)同度。