高海拔地区急倾斜薄矿体采矿方法优选

曹 帅 宋卫东 朱先洪 戚 伟

(1.北京科技大学土木与环境工程学院;2.青海山金矿业有限公司)

利用模糊数学优选采矿方法在过去的许多矿山生产中应用较多，矿山采矿方法的选择涉及到诸多定量指标和定性指标。对于地质条件比较复杂的矿山，在选择采矿方法时，影响采矿方法的因素具有不确定性，故采矿方法选择具有极大的模糊性［1］。高原地区环境恶劣，采矿人工劳动强度大，物资运输困难，因此优选出合适的采矿方法对高原地区矿山的发展就显得尤为重要。

1 开采技术条件

青海果洛龙洼矿区属布尔汉布达山系，山脉走向近东西，海拔标高一般为3 600～4 612 m，矿带走向近东西，倾向南，倾角陡、缓变化大，一般在45°～75°之间，主矿体一般在55°～75°之间。矿带出露范围东西长约3.0 km，南北宽约1.0 km，目前于6条金矿带内圈出大小金矿体52条。矿体形态简单，呈脉状、透镜状、囊状、串珠状，在走向及倾向上具分枝复合、尖灭再现、膨大收缩现象。矿体真厚度0.931～3.361 m，平均厚度1.5 m;金品位一般在1.30～13.608 g/t，单样最高110 g/t;矿石及围岩中等稳固以上，水文地质较为简单。

2 采矿方法初选

影响采矿方法选择的主要因素包括矿床地质条件和开采技术经济条件。国内开采急倾斜薄矿体常用的方法有浅孔留矿法、上向分层充填法、中深孔留矿法。浅孔留矿法虽然工艺简单，但作业安全性差、采切工程量大［2］。上向分层充填法安全性好，矿石贫化损失较小，但采矿成本较高，回采及充填工艺复杂，采矿作业受充填体时间和强度影响大。中深孔留矿法生产效率高，工艺简单，采矿成本较低，却贫化率较大、机械化投入大、技术及管理要求高;在国内尚未采用中深孔嗣后废石充填机械化采矿法开采类似赋存条件的矿体，但在澳大利亚类似的采矿方法应用较为成熟，主要用于安全高效回采。

2.1 建立可行方案集及待选方案集

根据矿山的开采技术条件，以上述4种采矿方法为待选方案集。在方案集中，矿岩稳固性是定性指标，需要定量化。将稳定性分为极稳固、稳固、较稳固、不稳固和极不稳固5个级别，在录入数据时分别用“1”、“0.8”、“0.5”、“0.2”和“0”代替［3］。经过以上处理的初选方案可行集见表1所示。

表1 初选开采方案集

2.2 可选采矿方法等价矩阵计算

以初选开采方案集为基础，应用最大最小法公式

求得模糊相似矩阵［4］(式中符号∧和∨分别表示2个元素取小和取大)进而求得可选采矿方法等价矩阵元素见表2。

表2 初选采矿方法等价矩阵元素

由模糊等价矩阵的λ截矩阵可知，当λij=1时，i与 j应为同类，否则为异类。当 λij=5/6 时，u2、u3、u4为一类，其中u4为中深孔嗣后废石充填机械化采矿法，其他2种分别为上向分层充填法和中深孔留矿法。初选采矿方法经济技术指标见表3。

3 采矿方法模糊综合评判法优选

3.1 模糊权重的确定

采用模糊综合评判法优选采矿方案，首先要求得各指标模糊权重值。采矿方法选择除了适应矿床地质赋存条件确保生产安全以外，应尽可能提高经济效益和社会效益。因此选择采矿方法必须考虑很多指标和因素，而这些指标和因素的影响程度有大有小。为了能准确表现出其影响程度，必须为其加权。在此考虑的因素有以下2类:定量指标有生产能力E、采矿成本A、采切比B、损失率C和贫化率D;定性指标有采矿工效F、安全程度G、通风条件H、熟悉程度I、劳动强度J和适应程度K。

(1)模糊判断指标层次法确定。权重合理与否对选择结果有很大影响。为了使权重更为合理，本次研究采用层次分析法确定权重。层次结构见表

表4 权重指标层次结构

从表4可知，在本次采矿方法优选中将上文中所选取的11个指标归为经济因素、资源利用率、劳动生产率、安全因素及合理程度5大类，分别用符号P1、P2、P3、P4和 P5表示，即构成指标权重矩阵

(2)模糊权重矩阵的确定。通过以上各指标模糊矩阵的确定，即可求得其权重矩阵。首先分别求得一层、二层指标的权重矩阵，在此基础上最后得到所需采矿方法优选模糊矩阵，权重计算结果如表5和表6所示。

表5 一层指标权重计算结果

表6 二层指标权重计算结果

(3)一致性检验。为使判断结果更好地与实际状况相吻合，需进行一致性检验。经验证一致性检验指标=0.008 125＜0.1，可知该判断矩阵满足一致性检验要求，此权值可接受［4］。得最终权重矩阵

3.2 模糊隶属度的确定

(1)定量指标模糊隶属度计算。对于采矿成本、采切比、损失率、贫化率及生产能力这些定量指标，其隶属度计算可按线性函数法求出，为

或者，

式中，γij为第i种采矿方法j指标的隶属度;fij为第i种采矿方法j指标值;fjmax为各采矿方法指标的最大值［5］。生产能力是越大越优的指标，属正指标，采矿成本、采切比、损失率和贫化率是越小越优的指标，属负指标。设定嗣后废石充填中深孔机械化采矿法、上向分层充填法、中深孔留矿法分别为方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ。得定量指标隶属度矩阵:

(2)定性指标模糊隶属度计算。至于采矿工效、安全程度、通风条件、熟悉程度、劳动强度及适应程度这些定性指标，目前尚无法对其定量，必须先对其赋以模糊定量值。为了克服赋值的片面性及随意性，采用二元对比排序法对其进行隶属度确定。将系统待进行重要性比较的目标因素设为

对应{采矿工效，安全程度，通风条件，熟悉程度，劳动强度，适应程度}。就目标因素集X中因素的重要性进行二元对比定性排列，目标集中的目标Xk与Xl作二元对比，若Xk比Xl重要，则令排序标度ekl=1，elk=0;若Xk与 Xl同样重要，则令 ekl=0.5，elk=0.5;若 Xl比 Xk重要，则令 ekl=0，elk=1(k，l=1，2，…，m)［5］。将此矩阵按行排序，根据排序查语气算子与定量标度表［6］，可得到定性指标的隶属度值。

根据各采矿方法采矿工效的特点，得特征向量矩阵为

则采矿工效隶属度矩阵为

［1.000 0，0.538 0，1.000 0］.

同上计算得安全程度的隶属度矩阵为

［1.000 0，0.667 0，0.818 0］，

通风条件的隶属度矩阵为

［1.000 0，0.667 0，0.667 0］，

熟悉程度的隶属度矩阵为

［0.333 0，0.538 0，0.333 0］，

劳动强度的隶属度矩阵为

［1.000 0，0.429 0，0.818 0］，

适应程度的隶属度矩阵为

［1.000 0，0.538 0，1.0000］.

最终得定性指标的隶属度矩阵

3.3 模糊综合评判优选

综合评判指标公式为

式中，Wi为各指标权重值;Rij为各指标模糊隶属度值。最终的评判结果见表7。

表7 评判结果

最终评判结果显示:方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ对应的综合评判指标值为0.605 5、0.485 4和0.536 3。根据最大隶属度原则，排定备选方案的优先选择顺序为中深孔嗣后废石充填机械化采矿法＞中深孔留矿法＞上向分层充填法，最终确定方案Ⅰ为最优方案，即中深孔嗣后废石充填机械化采矿法为最优采矿方法。

4 结论

(1)以青海果洛龙洼矿区为工程背景，采用模糊层次分析法从经济因素、资源利用率、劳动生产率、安全因素及合理程度5大类构建了较为全面的评判指标，计算了各指标的权重及相对隶属度值，最终得出中深孔嗣后废石充填机械化采矿法为最优采矿方法。

(2)中深孔嗣后废石充填机械化采矿法较其他3种采矿方法而言，能更好地适应高原地区矿山的发展，既能够提高矿山生产能力，又可以解决工人劳动强度大的难题;然而应该认识到这种采矿方法造成的矿石贫化相对较大，在今后的生产中，需进一步优化设计。

(3)模糊隶属度在定性指标的确定过程中虽然具有一定的科学性，但目前尚未完全解决符合实际的隶属函数，有待进一步完善。

(4)针对高海拔地区特殊的地理环境，未来该采矿方法的推广使用，能为高原矿山快速发展提供有力的技术支持，具有重要的应用前景。

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