某銅礦多條分支礦體采礦方法選擇

張睿 孟慧媚 柴衡山3

（1.西北礦冶研究院；2.甘肅省深井高效開采與災變控制工程實驗室）

某銅礦礦體分布凌亂，分枝復合、尖滅再現(xiàn)現(xiàn)象非常普遍，是典型的多條分支難采礦體［1-2］。該礦采用無底柱分段崩落法開采［3］，顯露出許多難以克服的缺點：損失貧化大，適應礦體差。為了低投入、高產(chǎn)出、低貧化回收礦體，以提高礦山經(jīng)濟效益，通過采用相似優(yōu)先比法初選采礦方法，再用模糊關系方程推測技術經(jīng)濟指標，最后使用模糊綜合評判法終選采礦方法［4-6］。

1 開采技術條件

該礦礦石品位低、變化較大，分枝復合及尖滅再現(xiàn)現(xiàn)象嚴重，同一條勘探線上一般產(chǎn)出3～6條分枝礦體，礦脈之間夾石厚度一般為4～8 m。礦巖穩(wěn)固性較差，屬于難采礦體。礦體傾向S，走向EW，傾角為60°左右，礦體厚度為6.8～22.1 m，平均厚度為14.7 m，礦體形態(tài)復雜，多條分支平行產(chǎn)出。礦石為浸染狀，伴有塊狀礦和半塊狀礦，無自燃現(xiàn)象，遇水軟化，密度為2.97 t/m3，f=6～8，品位為1.049%；圍巖蝕變有綠泥石化、硅化、碳酸鹽化，f=4～8，礦體及附近未發(fā)現(xiàn)構造破壞，層理、片理較發(fā)育。

主礦體采礦方法為無底柱分段崩落法，目前原厚大礦體2#、3#、9#大部分區(qū)段已分枝為薄至中厚礦脈平行產(chǎn)出，除800～850線及975～1050線礦體相對厚大（厚度為7～32 m）以外，其余區(qū)段多為平行產(chǎn)出的中厚及以下的礦體，該部分礦量占整個礦量的60%～70%。這部分礦體若用分段崩落法回收，不但采礦貧化大，還會造成大量的底盤損失。同時礦體形態(tài)變化大，采礦需要投入的工程量很大，采場準備比較頻繁，故迫切需要改進采礦方法，以減少掘進工程量，緩解采掘失調的矛盾。

2 采礦方法選擇

根據(jù)礦體形態(tài)、厚度、賦存條件及圍巖穩(wěn)固性，首先對開采礦體的幾個重要影響指標進行論證。

（1）礦塊生產(chǎn)能力。該礦生產(chǎn)能力為35萬t/a，日產(chǎn)1 167 t。就整個礦山而言，同時可進行回采的礦塊數(shù)為4～5個，礦塊生產(chǎn)能力為290～310 t/d。

（2）貧化率、損失率。礦山生產(chǎn)實際表明，無底柱分段崩落法回采貧化率高達28.6%，損失率為26.4%。經(jīng)對各礦塊的原礦品位及礦量統(tǒng)計計算，試驗采場只有在貧化率<8%、損失率<15%，才能滿足生產(chǎn)目標。

（3）礦石成本、千噸采切比。礦山開采礦石成本為52.48 元/t，采礦直接成本為10.23 元/t。經(jīng)分析，要使礦體開采經(jīng)濟效益達到最佳，采礦成本上升幅度須控制在15%以內，礦體開采千噸采切比應控制在10 m/kt左右。

2.1 采礦方法初選

模糊相似優(yōu)先比是以固定樣品為基礎，將成對的樣品與其同時作比較，選出與固定樣品最相似的樣品。對確定的一個樣本集合X={x1，x2，x3，…，xn}，將樣本xi與xj和固定樣本xk進行比較（i，j≠k），xi比xk或xj比xk的優(yōu)越程度用r表示。兩兩樣本的相似優(yōu)先比rij構成一個模糊相關矩陣R，從λ水平集選出相似樣本。

根據(jù)對國內外類似生產(chǎn)礦山的資料檢索結果，結合該礦體的開采技術條件，技術上可行的采礦方法有分段連續(xù)空場法、分段薄頂空場法、階段空場法和分段礦塊崩落法，上述采礦方法的類似礦山地質賦存條件和技術經(jīng)濟指標見表1。

根據(jù)表1，以該銅礦二中段試驗礦塊為固定樣本，將其與上述各種采礦方法的相似程度進行比較。相似程度用海明距離（dk）表示：

式中，xk為固定樣本的某一因素值；xi為第i種采礦方法相應因素值；xj為第j種采礦方法相應因素值。

計算相似優(yōu)先比r：

其中，rij，rji∈［0，1］。

從而得出模糊關系矩陣R：

式（3）中rij滿足要求：①若0.5

對每個影響因素計算相應的相似關系Ri。根據(jù)Ri，便可由大到小對每個矩陣選取λ值，λ值屬于［0，1］。將λ值與矩陣中各元素值進行比較，當元素的值≥2時，該元素值變?yōu)?。與設計礦山最相似的為首先達到全行1的λ矩陣的采礦方法，記為序號Ⅰ。刪除該采礦方法的影響，即是刪去該行及所對應的列。再選取λ值，從而依次求出相似的采礦方法，分別以序號Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ標記。序號越小，則表示其相似程度越高。

各種采礦方法對應的各因素與所設計礦山的相似程度用序號表示，這些因素綜合起來的相似程度用各序號數(shù)的和（An）來表示，和越小越相似。以此可以排出采礦方法的適用順序，即可初步選出采礦方法。

將上述過程編輯成BASIC 語言在計算機上進行計算，得出各種采礦方法的序號和An，由此可以確定與該銅礦條件相似的礦山所對應的采礦方法依次為Ⅰ（分段連續(xù)空場法，An=23）、Ⅱ（分段薄頂空場法，An=29）、Ⅲ（階段空場法，An=35）、Ⅳ（分段礦塊崩落法，An=38）。

2.2 技術經(jīng)濟指標推測

根據(jù)上述結果，可分別計算各采礦方法在該銅礦開采技術條件下的技術經(jīng)濟指標。計算時，每種采礦方法各選幾個類似生產(chǎn)礦山，列出其賦存條件和主要技術經(jīng)濟指標，見表2。

從類似礦山的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中選取該銅礦初選采礦方法后的技術經(jīng)濟指標，選取的方法是將對應因素（指標）進行加權計算：

式中，Y為所設計礦山的某項指標；Wi為類似條件的生產(chǎn)礦山所具備的權值；Xi為類似條件的生產(chǎn)礦山所具有的對應指標；n為選用的生產(chǎn)礦山數(shù)。

其中權值Wi的大小取決于礦體賦存條件與對比礦山的相似程度。列出線性關系：

式中，B為所設計礦山的地質開采條件；A為類似生產(chǎn)礦山的地質開采條件矩陣；W為類似條件的生產(chǎn)礦山所具備的權值矩陣。

將上述諸值用相對值表示，使各值在［0，1］區(qū)間內，B、A可用線性函數(shù)法求解：

式中，rij為i因素j指標的隸屬度；fij為i因素的j指標；fmax為各因素j指標的最大值。

這樣線性關系式（5）就變成了一個模糊關系方程，根據(jù)已知的條件B，A，便可求出權值W。根據(jù)求出的W，式（4）、式（5）、式（6），即可推算出4 種初選采礦方法在本礦山所能達到的技術經(jīng)濟指標。將這一運行過程用BASIC 語言編輯在計算機上運行，其結果見表3。

2.3 采礦方法終選

2.3.1 評判因素的權重

權重確定方法有很多種，這里主要采用層次分析法。用層次分析法解決決策中權重分配問題的依據(jù)是兩兩比較的標度。

表4 為采用Salty 提出的1～9 及其倒數(shù)標度法，根據(jù)該原則，在上述4 種采礦方法中考慮生產(chǎn)能力（X1）、損失率（X2）、貧化率（X3）、采礦直接成本（X4）、千噸采切比（X5）、安全度（X6）、勞動強度（X7）、工藝繁簡度（X8）、礦體適應性（X9）共9 個因素的相對重要性進行判斷，矩陣A如下：

上述判斷矩陣最大特征根λmax為9.012 6，W經(jīng)正規(guī)化后作為因素的排序權重如下：

經(jīng)校核，判斷矩陣A的一致性可以接受。

2.3.2 確定9個因素的單因素評價矩陣R

根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)，以式（6）求前5 個定量指標隸屬度，以式（7）的二元對比排序法求后4 個定性指標得：

2.3.3 綜合評判

綜合評判用式（8）計算：

將上述過程同樣用BASIC 語言編輯在計算機上計算，最終計算結果為B=（0.647，0.438，0.724，0.336），即采礦方法的相對選擇率：分段連續(xù)空場法64.7%，分段薄頂空場法43.8%，階段空場法72.4%，分段礦塊崩落法33.6%。

3 采礦方法綜合評定

從模糊數(shù)學綜合評判結果看出，相對選取率較大的2種采礦方法依次為階段空場法、分段連續(xù)空場法。最終選定的采礦方法必須做到技術上可行、經(jīng)濟上合理，對此，試驗研究小組進行了綜合評定。

根據(jù)礦山總體規(guī)劃及生產(chǎn)安排，試驗礦塊選擇在該銅礦二中段3#礦體975～1 075 勘探線間的1 657～1 597 m 水平，3#礦體在試驗地段1 645 m 水平以下分枝為3 條礦體（圖1），礦體賦存異常復雜（表5）。

根據(jù)試驗方案，對Ⅰ、Ⅲ枝礦體采用分段連續(xù)空場法回采，對Ⅱ分枝礦體采用分步放頂階段空場法回采，試驗采礦成本為59.37 元/t，比無底柱分段崩落法節(jié)約成本2.17 元/t；貧化率為7.31%，損失率為8.19%，比無底柱分段崩落法分別降低了74%和68%，達到了低成本、低貧損、高產(chǎn)出開采的目的，圓滿完成了試驗任務。

經(jīng)最終評定，分段連續(xù)空場法是回采上盤分枝礦體和獨立中厚礦體或盲礦體的采礦方法；階段空場法適合回收品位較高的厚大礦體。同時經(jīng)過全面推廣應用，礦山整體出礦品位提高25%，每年多回收銅金屬563.5 t，每年減少虧損約646萬元。

4 結語

（1）針對該銅礦二中段低品位復雜礦體賦存特征，運用模糊數(shù)學方法和計算機技術進行采礦方法優(yōu)化選擇，避免了隨機性。但是由于開采條件的不確定性和各因素之間的復雜性，數(shù)學模型尚不能完全表達這些特性，為此，對模糊評判結果再進行專家綜合評定，充分考慮到采礦方法實施過程中的難點、關鍵技術及采取的措施，為采礦方法順利實施提供了保障，使采礦方法選擇更具有科學性。

（2）最終評出的階段空場法和分段連續(xù)空場法在該銅礦的實施結果表明，就多條分枝礦體而言，階段空場法對回收品位較高的厚大礦體有利，分段連續(xù)空場法對回收中厚分枝礦體較有利。