基于层次分析法和模糊数学理论的深部矿体采矿方法优选论文

 

　　关键词：模糊数学,层次分析法,倾斜-急倾斜矿体,采矿方法优选

 

　　选择合适的采矿方法是矿山工作者必须面对并解决的重要问题[1-2]，合理的采矿方法不仅可为矿体回采提供安全的作业环境，并且可最大限度地发挥出矿山资源潜力[3]。为避免传统的经验比选法中主观性大、普适性较差等缺点导致的资源浪费问题，近年来，大量学者采用多种算法理论和决策理论相结合的方法，综合考虑矿山生产中各因素对采矿作业的安全性、经济性影响，并取得了一系列研究成果[4-5]。其中，王新民等[6]将模糊数学原理与层次分析法（AHP）相结合，建立了相应的优选模型，并以新桥硫铁矿为例进行模型论证。马凯等[7]基于数值分析结果，结合博弈论组合赋权-TOPSIS的方案优选模型，得到了湖北某磷矿的最优采矿方法。潘征等[8]引入变权重理论（VWT），基于AHP-TOPSIS方法决策，构建了缓倾斜薄矿体采矿方法优选的多属性综合决策模型。杨洋等[9]以云南某铜矿为例，运用FAHP-CRITIC组合赋权的优选方法，求解得到最优采矿方法为大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法。蒋文强[10]使用变异系数法优选得到遵义某金属矿山的最优采矿方法为房柱采矿法。王腾等[11]通过现场工业试验，发现基于层次分析法和模糊数学相结合的综合评价方法适用于指导矿山采矿方法优选和现场生产。谢宗达等[12]总结分析了国内外矿山开采技术发展进程，并提出采用专家系统、模糊数学和多目标决策等技术进行采矿方法的优化，使采矿更为安全高效、经济和理性。

 

　　综上，可见矿山采矿方法的优选需考虑的影响因素众多，但将算法理论或决策理论合理的运用在采矿方法优选上，可以极大提高矿山生产的安全性和经济性。针对传统采矿方法优选过程中主观性过强，导致评价体系科学不足[1]，文章引入层次分析法和模糊数学理论相结合的方法，优选得到了适用于安徽省某铜矿的最优采矿方法，为相似矿山采矿方法选择和安全高效开采提供一定参考。

 

 

　　安徽某铜矿山-613m以上一期开采已接近尾声，因此，开拓-613m以下区域并形成生产能力是保障矿山正常生产的前提。-613m以下深部矿体较分散，矿体产状、厚度变化较大，根据勘探结果，总体而言，13#勘探线以西矿体为中厚体为主体，13#勘探线以东矿体厚度呈减小的趋势，以薄-中厚矿体为主体。从矿体倾角来看，15#勘探线以西，矿体主要以急倾斜为主体，15#勘探线以东以倾斜-急倾斜矿体为主体。可见，-613m~-703m矿体为倾斜-急倾斜，中等厚度。此外，矿体直接顶板岩石为灰岩、大理岩，局部为角砾岩，岩性致密、坚硬，岩体较完整，除局部地段受构造影响破碎外，稳固性好；矿体底板为花岗闪长岩、砂岩，岩石质量较差，岩体较破碎，遇水极易软化不稳定。

 

　　根据矿体赋存条件，拟定的适合安徽省某铜矿的主要采矿方法为大直径深孔凿岩阶段空场嗣后充填法（方案I）、深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法（方案II）、中深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法（方案III）。方案I和方案II优缺点相近，均在凿岩硐室内作业，优点在于整体作业流程简单，机械化程度高，故回采强度大、采切比小，并且作业安全性好，缺点为采场边界难以控制，易形成较大的矿石损失和贫化，同时大直径深孔落矿将导致矿石块度不均匀、大块率高，需进行二次破碎。方案III同样具有工作循环简单、回采强度大、劳动生产率高的优点，同时此方案中采场边界易于控制，将使矿石损失、贫化较小、矿石块度较均匀、大块率小，缺点在于采区准备时间长，采切工程量大，且生产能力较小。

 

 

 

　　采矿方案优选前需建立合适的评价指标体系，其选择合理性是评估结果是否准确的主要影响因素。利用层次分析法基本原理，根据安徽省某铜矿实际情况，建立了本次采矿方案的综合评价指标体系如表1所示。

 

　

 

　　2.2层次分析法确定影响因素权重

 

　　建立递阶层次综合评价指标体系结构后，文章基于层次分析法解决优选过程中的各因素权重分配问题。依据两两比较的标度和判断原理，运用模糊数学理论，可得出对应1~9标准值的比较标度[1]。设判断矩阵为［D］，按定义则有：

 

　　当判断矩阵满足一致性检验时，根据目标层对应于准则层O-P因素的判断矩阵可得各层因素的权重向量。即特征值λmax=3.000，CI'=0，RI'=0.58，于是CR'=0＜0.1，判断矩阵满足一致性检验要求，权重矩阵O=［0.400，0.200，0.400］，可接受。同理，可得层次总排序，确定的权重即为安徽省某铜矿采矿方案综合评价中各个指标的权重，即W=（0.400，0.026，0.015，0.026，0.058，0.008，0.007，0.058，0.400）。

 

 

　　文章采用二级模糊评价方法，首先建立因素集X及方案集F，由层次分析法可确定因素的权重集为W，采用隶属函数法和相对二元比较法，分别确定定量指标和非定量指标的隶属度，可得安徽省某铜矿采矿方案优化选择的综合隶属度矩阵：

 

　　综合以上隶属度矩阵R以及因素权重W计算结果，可得安徽省某铜矿采矿方案集F的综合评判向量为B=WR=（0.9093，0.8685，0.8401），即各方案的综合优越度为：方案I（90.93%）、方案II（86.85%）、方案III（84.01%），优选后的优劣次序为方案I＞II＞III。由此，优先采用大直径深孔凿岩阶段空场嗣后充填法（方案I），其次则为深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法（方案II）。

 

 

　　选择安徽省某铜矿深部-658m中段采场与-703m中段采场进行现场应用试验。-658m中段采场矿体倾角约为60°,厚度8~11m，属于厚大陡倾矿体，采用大直径深孔凿岩阶段空场嗣后充填法开采。-703m中段采场矿体倾角约为45°,厚度4~7m，属于缓倾斜薄矿体，采用深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法开采。推荐-658m水平按矿房长度20m，矿柱长度20m，共布置24个采场，-703m中段采场长度不超过24m，共布置采场24个采场。另外，根据各中段可布置矿块数与矿块利用系数，理论上单中段同时布置4个采场即可满足1000t/d产能的要求。

 

　　本次研究推荐的-658m中段和-703m中段的主体采矿方法为大直径深孔凿岩阶段空场嗣后充填法和深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法。将推荐采矿方案与矿山原设计采矿方案的主要技术与经济指标对比分析可知（见表2），本研究推荐主体采矿方案的主要技术经济指标中，损失率相较于矿山现有采矿方法分别降低6.36%、7.83%，贫化率相较于矿山现有采矿方法分别降低2.24%、3.84%。即本文研究推荐主体采矿方案的各项主要技术经济指标相较于矿山现有采矿方法明显提升。

 

　

 

 

　　根据矿体厚度与倾角特征，对采矿方法进行了初选。在此基础上，通过构建采矿方案综合评价指标体系，采用层次分析法与模糊理论对采矿方法进行了综合选择与优化设计，得到了以下主要结论：

 

　　（1）根据矿体赋存条件，初选了大直径深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法、深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法、中深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法作为主采矿方法进行综合比较。

 

　　（2）构建了以采充成本为经济指标，采场生产能力、矿石回收率、贫化率、采切比等技术指标，采场地压控制效果为安全指标的采矿方案综合评价指标体系。对应于大直径深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法、中深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法、中深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法，综合优越度为90.93%、86.85%、84.01%，推荐优先采用大直径深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法，其次则为深孔分段凿岩阶段空场嗣后充填法。

 

 

　　［1］陈春生.基于层次分析和模糊数学的采矿方法优选［J］.采矿技术，2020，20（5）：5-9.

 

　　［2］李泽春，张佳男，蔡跃杰，等.某金属矿山地下开采方法的选择与应用［J］.现代矿业，2023，39（5）：52-55+236.

 

　　［3］满东辉，张鹏，陈勇，等.白象山铁矿采矿方法优化研究［J］.现代矿业，2023，39（11）：59-62.

 

　　［4］张茂盛，白立远，王平.某铁矿采矿方法优选及采场结构参数优化［J］.有色金属（矿山部分），2015，67（2）：15-18.

 

　　［5］邓龙鑫，陈建宏.基于博弈论的主客观组合权重TOPSIS采矿方法优选［J］.黄金科学技术，2022，30（2）：282-290.

 

　　［6］王新民，赵彬，张钦礼.基于层次分析和模糊数学的采矿方法选择［J］.中南大学学报（自然科学版），2008（5）：875-880.

 

　　［7］马凯，徐海波，孙唯衡，等.某磷矿采矿方法优选研究与实践［J］.矿业研究与开发，2024，44（2）：6-13.

 

　　［8］潘征，段文权，刘敬智，等.基于AHP-VWT-TOPSIS的缓倾斜薄矿体采矿方法优选［J］.矿业研究与开发，2024，44（2）：1-5.

 

　　［9］杨洋，黄德镛，耿元玲，等.基于FAHP-CRITIC组合赋权的采矿方法优选［J］.化工矿物与加工，2022，51（1）：6-11+22.

 

　　［10］蒋文强.基于变异系数法的地下矿山采矿方法优选研究［J］.冶金与材料，2023，43（6）：44-45+114.

 

　　［11］王腾，鄂玉强.基于AHP-FUZZY的倾斜中厚矿体采矿方法优选［J］.现代矿业，2022，38（2）：96-100.

 

　　［12］谢宗达，李国平.地下金属矿山采矿技术进展及研究方向［J］.冶金与材料，2018，38（5）：176-177.