基于AHP-FUZZY 的掛幫礦回采方案優(yōu)選及實(shí)踐

劉形林，王道林

(1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦，安徽 銅陵市 244000；2.中南大學(xué)，湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著新橋硫鐵礦淺部資源的日漸枯竭，為保持產(chǎn)能已逐步轉(zhuǎn)入露天與地下聯(lián)合開采的模式。前期露天開采遺留的露天采坑亟需回填處理，而這不僅會影響礦山的整體產(chǎn)能，也可能造成集團(tuán)公司的“采選冶”產(chǎn)業(yè)鏈銜接不穩(wěn)定而減產(chǎn)。新橋硫鐵礦11 線以東掛幫礦銅、硫品位較高，有必要在露天轉(zhuǎn)地下后期產(chǎn)能銜接不上時(shí)對這一部分資源進(jìn)行回采利用。該區(qū)域礦體靠近701 鐵路專線、順鳳公路及新西河，是典型的“三下”難采礦體[1]，埋深與露天坑最終開采標(biāo)高相同，露天坑回填治理勢必對其開拓方案和回采作業(yè)造成一定影響。因此，選擇合適的采礦方法和回采工藝，是露天坑掛幫礦安全回采的重中之重。

為確保“三下”難采礦體中礦石安全和高效回采，普遍采用的方法為設(shè)置大量保安礦柱[2]。但是本次研究的礦體絕大部分賦存于露天邊坡下，且移動帶內(nèi)有著大范圍的鐵路專線。如果按照傳統(tǒng)思路，即采用留設(shè)大量礦柱的空場法，不僅經(jīng)濟(jì)性比較差，且很難保證地表構(gòu)（建）筑物的安全。因此，充填采礦法是目前唯一可行且最有效的方法[3]。

（1）若采用空場嗣后充填法回采掛幫礦，其采礦成本和礦石損失率較低。但勢必會造成采空區(qū)長期暴露，一旦出現(xiàn)失穩(wěn)等情況，容易發(fā)生安全事故，損失慘重。此外，該礦區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件也導(dǎo)致該方法的安全性下降[4]。

（2）若采用下向進(jìn)路充填法進(jìn)行回采，最明顯的缺點(diǎn)是回采成本過高，技術(shù)要求嚴(yán)格，一般適用回采礦巖極端破碎的高品位礦石或高價(jià)值資源[5]。而考慮到新橋硫鐵礦掛幫礦的礦巖穩(wěn)固性為一般至中等穩(wěn)固，不推薦采用下向進(jìn)路充填法。

綜上所述，對于新橋硫鐵礦東部掛幫礦來說，目前比較合適的采礦方法有上向水平分層充填法、上向進(jìn)路充填法與垂直礦體走向布置的上向水平進(jìn)路充填法[6]。這3 種方法的顯著特點(diǎn)是：及時(shí)回填采空區(qū)，有利于減小空區(qū)暴露面積和時(shí)間；采礦成本略有增加的同時(shí)，能夠有效減緩甚至防止圍巖變形破壞；在提高掛幫礦回采率的同時(shí)，大幅降低回采對露天邊坡穩(wěn)定性的不利影響，提高回采作業(yè)的安全性[7]，綜合效益較好。

在初選以上3 種采礦方法的基礎(chǔ)上，為了科學(xué)合理地優(yōu)選出適用新橋硫鐵礦東部掛幫“三下”復(fù)雜難采礦體的采礦方法，本研究利用層次分析法（AHP）的各種評價(jià)指標(biāo)賦以科學(xué)合理的權(quán)重，并結(jié)合模糊數(shù)學(xué)（FUZZY）理論[8]，進(jìn)行模糊綜合性的評估并計(jì)算其優(yōu)越度，最后基于優(yōu)越度大小來確定最優(yōu)回采方案。

1 綜合評價(jià)指標(biāo)體系的建立

采礦方案的確定是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮諸多因素，才能進(jìn)行科學(xué)決策。建立科學(xué)合理的評價(jià)指標(biāo)體系是整個(gè)評價(jià)工作的基礎(chǔ)。另外在評價(jià)指標(biāo)體系中影響因素很多且各因素之間往往有交叉影響。因此在選擇評價(jià)指標(biāo)的時(shí)候，需要對指標(biāo)進(jìn)行篩選。

從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全3 個(gè)方面運(yùn)用層次分析法的原理，建立綜合評價(jià)（O）指標(biāo)體系。主要分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3 個(gè)不同的層次，每個(gè)層次下面對應(yīng)著不同的指標(biāo)。3 種采礦方案具體的經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合評價(jià)指標(biāo)體系見表1，建立的層次分析模型如圖1 所示。

表1 3 種采礦方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合評價(jià)指標(biāo)體系

圖1 采礦方案層次分析模型

2 綜合評價(jià)指標(biāo)體系的建立

2.1 構(gòu)造判斷矩陣

2.1.1 構(gòu)造比較標(biāo)度

使用兩兩比較的標(biāo)度和基于判斷原理[9]，可得出1～9 的比例標(biāo)準(zhǔn)和具體說明見表2。指標(biāo)層X1～X9標(biāo)準(zhǔn)值見表3。

表2 比較標(biāo)準(zhǔn)

表3 各指標(biāo)比較標(biāo)準(zhǔn)值

2，4，6，8 分別代表兩相鄰判斷的中值；

2.1.2 構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)層次結(jié)構(gòu)的模型，每一層的元素都以對應(yīng)于相鄰上層的元素作為判斷的基準(zhǔn)，按照上述的標(biāo)度計(jì)算方法進(jìn)行成對比較后所構(gòu)建的判斷矩陣。設(shè)判斷矩陣是D，具體結(jié)果見表4。

表4 評價(jià)指標(biāo)體系的判斷矩陣D

2.2 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)[10]見式（1）：

式中，CI=(λmax?n)/(n?1)，CI代表一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的最大特征值，λmax=9.0825；n為判斷矩陣的階數(shù)，n=9；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其取值見表5。

表5 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)取值

計(jì)算得到CR=0.0071＜0.1，即D的值符合一致性的要求。

2.3 計(jì)算權(quán)重向量

采用方根法計(jì)算各因素權(quán)重值[6]：

（1）計(jì)算各行元素的乘積Mi，具體以判斷矩陣D的各行元素相乘而求得，公式如下：

（2）計(jì)算Mi的n次方根：

Wi代表為i因素的評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 各因素定量評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

3 模糊綜合評判優(yōu)選

3.1 隸屬矩陣確定

依據(jù)收益性與消耗性定量指標(biāo)所確定的隸屬函數(shù)法[11]，求出各個(gè)定量指標(biāo)的相對隸屬度。

收益性函數(shù)指標(biāo)為：

根據(jù)不同方案中同一因素的指標(biāo)值之間的定量關(guān)系，通過數(shù)學(xué)計(jì)算方法得到定量指標(biāo)隸屬度。該方案模型中主要包括采充總成本、采場生產(chǎn)能力、礦石回采率、礦石貧化率和千噸采切比等5 個(gè)定量指標(biāo)。求得5 個(gè)定量指標(biāo)的隸屬度矩陣：

方案靈活適應(yīng)性、通風(fēng)條件、方案實(shí)施難易程度和采場地壓控制效果等4 個(gè)指標(biāo)為定性指標(biāo)[12]。根據(jù)語氣算子與相對隸屬度之間的關(guān)系[13]（見表7），采用相對二元比較的方法，計(jì)算得出其相對隸屬度。

表7 語氣算子與相對隸屬度關(guān)系

則定性指標(biāo)隸屬度矩陣：

綜合評價(jià)指標(biāo)體系隸屬矩陣R見表8。

表8 采礦方案綜合評價(jià)指標(biāo)體系隸屬矩陣R

3.2 優(yōu)選結(jié)果

基于模糊數(shù)學(xué)分析理論，對3 種采礦方法進(jìn)行量化，選擇優(yōu)越度最大的作為最優(yōu)方案。得到：

計(jì)算得出方案集A的綜合評判向量為：

綜上，優(yōu)越度從高到底排序?yàn)?2%（方案II）、81%（方案III）、79%（方案I），即沿礦體走向布置的上向水平進(jìn)路充填法（方案II）的優(yōu)越度最大，最適合用于新橋硫鐵礦東部掛幫礦的回采，該方案如圖2 所示。

圖2 沿礦體走向布置的上向水平進(jìn)路充填法（方案II）

4 掛幫礦采礦方案設(shè)計(jì)

4.1 采準(zhǔn)工程

掛幫礦主要采準(zhǔn)工程包括斜坡道、分段聯(lián)絡(luò)平巷、分層聯(lián)絡(luò)道、卸礦橫巷、溜井等。主要采用上盤脈外斜坡道采準(zhǔn)，中段運(yùn)輸巷道與分段平巷之間采用斜坡道連通。在礦塊中間掘進(jìn)穿脈到礦體下盤邊界，盤區(qū)設(shè)置溜井，采場礦石利用電動鏟運(yùn)機(jī)通過分層聯(lián)絡(luò)道和分段運(yùn)輸平巷卸至溜井，溜井底部設(shè)置振動放礦機(jī)，放出礦石通過礦車運(yùn)至主井，提升至地表。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）斜坡道。采用上盤脈外折返式布置斜坡道采準(zhǔn)，斷面尺寸為4.2 m×3.6 m，最大坡度不超過15%，轉(zhuǎn)彎半徑不小于8 m。

（2）分段聯(lián)絡(luò)平巷。分段聯(lián)絡(luò)平巷沿礦體走向布置，服務(wù)于整個(gè)水平采場，設(shè)計(jì)分層高度4 m，分段高度12 m，斷面規(guī)格為3.3 m×3.2 m；每個(gè)分段聯(lián)絡(luò)平巷負(fù)責(zé)3 個(gè)分層的回采，其位置應(yīng)保證分層聯(lián)絡(luò)道坡度滿足無軌設(shè)備爬坡能力要求。

（3）分層聯(lián)絡(luò)道。每分層采場均布置一條分層聯(lián)絡(luò)道，連通采場和分段聯(lián)絡(luò)平巷，斷面規(guī)格3.3 m×3.2 m，坡度14%～21%，采用從分段聯(lián)絡(luò)道普通掘進(jìn)的方法形成，水平分層聯(lián)絡(luò)道則在下分層采場聯(lián)絡(luò)道頂板上挑頂形成，而上向聯(lián)絡(luò)道則由水平聯(lián)絡(luò)道上向挑頂形成。挑頂崩落的廢石，直接用于充填下分層聯(lián)絡(luò)道。

（4）卸礦橫巷。分段聯(lián)絡(luò)道和溜井之間用卸礦橫巷連通，與分段聯(lián)絡(luò)平巷之間保證8 m 以上的轉(zhuǎn)彎半徑，長度不小于10 m。

（5）溜井。在各盤區(qū)中央布置一條溜井，斷面尺寸Ф2 m，溜井底部設(shè)置振動放礦機(jī)，為防止不同采場上下分段卸礦相互干擾，卸礦橫巷與溜井間用分支溜井連通。

（6）充填回風(fēng)天井。由于開拓工程布置在礦體上盤，為減少采準(zhǔn)工程量和礦柱留設(shè)，在盤區(qū)端部采場聯(lián)絡(luò)道布置一條脈內(nèi)充填回風(fēng)井，服務(wù)整個(gè)盤區(qū)，斷面規(guī)格為1.8 m×1.8 m。

4.2 回采工藝

（1）采場布置及規(guī)格。掛幫礦礦塊沿礦體走向布置，長度100 m，階段高度36 m，分段高度12 m，分層高度4 m，每條進(jìn)路長48 m，寬4 m。每分層在盤區(qū)中央布置一條分層聯(lián)絡(luò)道，規(guī)格4 m×4 m。

（2）回采順序。同一分層進(jìn)路采場采用間隔回采的方式，待整個(gè)分層進(jìn)路回采充填結(jié)束后，密閉充填分層聯(lián)絡(luò)道，轉(zhuǎn)入上一分層回采。為控制地壓，采用由首采區(qū)段的中央向兩翼間隔采場回采的方式。

（3）鑿巖爆破。采用Φ32 mm 乳化炸藥藥卷，非電導(dǎo)爆管、毫秒微差雷管，CHA-300 型起爆器，以掏槽眼、輔助眼、周邊眼、底眼為序分段起爆，鑿孔深度2～5 m，炮孔布置采用楔形掏槽方式。

（4）通風(fēng)。新鮮風(fēng)流經(jīng)斜坡道、分段聯(lián)絡(luò)平巷及分層聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入采場，沖洗工作面后，污風(fēng)經(jīng)充填回風(fēng)天井，排入上階段回風(fēng)平巷。每次爆破，必須經(jīng)充分通風(fēng)（通風(fēng)時(shí)間不少于40 min）后，人員才能進(jìn)入采場。

（5）采場頂板管理。采場爆破并經(jīng)過有效通風(fēng)排除炮煙后，安全人員進(jìn)入采場清理頂幫松石。如果頂板礦巖異常破碎，經(jīng)撬毛處理后，仍無法保證正常作業(yè)，可考慮其他頂板支護(hù)方式，如噴射混凝土、懸掛金屬網(wǎng)及布置錨桿等。

（6）出礦。每次爆破經(jīng)充分通風(fēng)排出炮煙后，利用2 m3國產(chǎn)電動鏟運(yùn)機(jī)（WJD-2）經(jīng)采場分層聯(lián)絡(luò)道、分段聯(lián)絡(luò)平巷，運(yùn)至最近溜井卸礦。

（7）充填?；夭山Y(jié)束后，及時(shí)進(jìn)行充填，以控制地壓，防止上覆巖層變形和地表沉降。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)新橋硫鐵礦“三下”難采礦體的開采經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件和工程實(shí)踐，基于上向水平充填法提出了3 種備選的開采方案為：上向水平分層充填法（方案I）、沿礦體走向布置的上向水平進(jìn)路充填法（方案II）以及垂直礦體走向布置的上向水平進(jìn)路充填法（方案III）；

（2）將層次分析與模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合，考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和安全3 方面建立了包含5 個(gè)定量指標(biāo)和4 個(gè)定性指標(biāo)的綜合評價(jià)體系，最終求得優(yōu)越度為92%（方案II）＞81%（方案III）＞79%（方案I），從而確定沿礦體走向布置的上向水平進(jìn)路充填法（方案II）為最優(yōu)方案。

（3）基于優(yōu)選出來最適合新橋露天坑掛幫礦的采礦方法，對其進(jìn)行了采準(zhǔn)工程及回采工藝設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)合理，驗(yàn)證了沿礦體走向布置的上向水平進(jìn)路充填法（方案II）對該掛幫礦的適應(yīng)性較為優(yōu)越，進(jìn)一步佐證了AHP?FUZZY 優(yōu)化方法的可靠性。