基于Fuzzy理論的東鄉(xiāng)銅礦V號礦體采礦方法的選擇

饒運章， 李 闖， 黃凱龍， 朱為民， 陳國梁， 王春華

（江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000）

基于Fuzzy理論的東鄉(xiāng)銅礦V號礦體采礦方法的選擇

饒運章， 李 闖， 黃凱龍， 朱為民， 陳國梁， 王春華

（江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000）

采礦方法的選擇是礦山設計的主要環(huán)節(jié)，多以經驗為主，其主觀的隨意性較大，詳細介紹了模糊數(shù)學和隸屬函數(shù)理論在東鄉(xiāng)銅礦采礦方法選擇上的應用，結合該礦山的礦體賦存特征以及多年的生產實踐經驗，采用模糊數(shù)學理論定量定性出隸屬度矩陣，結合二元相對選擇矩陣和各因數(shù)的權矩陣最終計算出各采礦方法的相對選擇矩陣，用定量的方法選擇出最優(yōu)的采礦方法，與礦山實際情況一致，成果具有很好的經濟價值.

采礦方法；模糊數(shù)學；隸屬函數(shù)；相對選擇矩陣

0 引言

在礦山開采設計中，采礦方法的選擇至關重要，根據(jù)礦體的賦存條件，依據(jù)實際情況選取最優(yōu)的采礦方法對于該礦山的生產將起到至關重要的作用，甚至起到決定一個礦山生產生存的重要地位[1-4].在實際工作中，針對具體情況，選擇合理的采礦方法是礦山工作人員的重要使命.

1 東鄉(xiāng)銅礦V號礦體賦存特征

東鄉(xiāng)銅礦礦區(qū)銅礦床由大小不等的6個銅礦體、Ⅰ個硫礦體組成.Ⅰ、Ⅷ為次生富集銅礦體，Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ為原生硫化銅礦體，Ⅲ為硫礦體.

Ⅴ號礦體為礦區(qū)規(guī)模最大的原生硫化銅礦體，分布于礦區(qū)中部19～63勘探線間，受F3(19～63線)和F1(47～63線)斷裂破碎帶控制，全長約1200 m，走向NE～SW，傾向SE.

礦體主要賦存在梓山組上段（C1z2）中部，礦體一般呈較厚的似層狀，在27線為透鏡狀.從39線往西，礦體分成兩支，淺部礦體較小，只延至51線；深部礦體則延至63線，且厚度較大.礦體埋藏深度0～-500 m標高，但一般都在-450 m標高以上.礦體沿傾向延伸長度最大達 580 m（35 線）.礦體傾角一般40～48°，深部稍有變緩的趨勢.礦體最大厚度62.58 m，一般厚10～36 m.Ⅴ號礦體賦存于碎屑粘土巖和花崗閃長斑巖的結合部位，受F3和F1層間斷裂破碎帶控制，礦巖交代作用比較強烈，礦化圍巖以細砂巖和粉砂巖為主.礦石以原生黃銅礦石為主，膠狀黃鐵礦和黃鐵礦次之，礦石構造以散染狀和塊狀礦石為主.黃銅黃鐵礦石中的裂隙不太發(fā)育，如沒有成礦后的小斷層破壞，巖體比較完整和穩(wěn)定.

開采范圍內礦體上盤圍巖以砂頁巖和花崗閃長斑巖為主，巖體裂隙較發(fā)育、破碎，間接頂板多為第三系下部礫巖的巖溶含水帶，透水性較強；礦體下盤圍巖以中細粒石英砂巖和粉砂巖為主、構造角礫巖、頁巖和粘土巖次之，巖體裂隙發(fā)育、容易吸水而膨脹，給底盤的坑道布置和維護帶來一定的困難.從總體穩(wěn)定性來看，頂板最差、底板次之，礦體較好.但從-235 m中段的實際開拓情況表明，礦體下盤圍巖十分破碎，極易膨脹垮塌，井巷工程難以布置，因此局部礦段底板圍巖的穩(wěn)定性要比頂板情況更為惡劣.

由于礦石含硫較高，且膠狀黃鐵礦含量在原生礦中較大，礦山的實踐表明、膠狀黃鐵礦與空氣接觸易氧化發(fā)熱，有時甚至可能自燃著火.

2 采礦方法初選

根據(jù)東鄉(xiāng)銅礦的開采技術條件及礦體賦存條件，技術上可行的采礦方法主要有:1分段空場、單元回采嗣后高水膠結充填法；2分段充填采礦法；3下向六角形傾斜進路膠結充填法.

2.1 分段空場、單元回采嗣后高水膠結充填法

當?shù)V體水平厚度小于15 m時，礦塊沿走向布置，不分礦房、礦柱；當?shù)V體水平厚度大于15 m時，礦塊垂直走向布置，每個礦塊分為礦房、礦柱，兩步驟回采.礦房、礦柱均采用“分段空場、單元回采、嗣后高水膠結充填法”回采.采礦方法見圖1.

（1）礦塊構成要素

礦塊垂直礦體走向布置時，礦塊寬25 m，高45 m，長為礦體水平厚度，分成礦房、礦柱，兩步驟進行回采.礦房、礦柱各寬12.5 m，在礦房垂直礦體走向的方向，間隔20～25 m左右布置回采單元，回采單元之間留有4 m厚的間柱，作為永久損失；當?shù)V巖穩(wěn)定性逐步變好時，回采單元可適當加大，回采單元間柱甚至可以不予設置.礦房不留頂柱，底柱13 m（其中塹溝式底部結構高8 m），底柱以上設有4個鑿巖分段，分段高度為8 m.當?shù)V塊沿走向布置時或回采礦柱時，礦塊構成要素基本相同.

（2）采準切割工作

人行通風井：每隔50 m設置2條，由相鄰兩個礦塊共用，分別設在出礦巷道兩端，兩條井在礦塊頂、底板圍巖里與各分段鑿巖坑道和穿脈運輸坑道均相連，前端的人行通風井用作各采場作業(yè)人員和設備材料的進出，尾部的人行通風井主要作為安全行人、回風井使用.

出礦巷道及裝礦橫巷：在礦塊中央穿脈運輸巷上部從前端的人行通風天井掘出礦巷道至尾部人行通風井，并每間隔8～10 m掘進裝礦橫巷，裝礦橫巷與塹溝巷道相連，保證鏟運機的出礦作業(yè).

溜礦井：在穿脈運輸巷道中掘一條溜礦井與上部出礦巷道相連，將鏟運機卸下的礦石溜至中段運輸巷道.

塹溝巷道：在裝礦橫巷的端部、礦房中央掘進一塹溝巷道，在其中鉆鑿扇形中深孔，爆破后形成塹溝底部結構.

分段鑿巖巷道及分段聯(lián)絡道：在底部結構以上每間隔8 m為一分段掘鑿巖巷道和分段聯(lián)絡道，在鑿巖巷道中鉆扇形中深孔進行回采作業(yè)，而每一礦房鑿巖巷道經分段聯(lián)絡道相連以方便各礦塊人員設備通行.

切割天井和切割橫巷：在礦房的分段鑿巖巷道中，每回采單元掘一連通上下分段的天井，作為切割槽形成的初始自由空間，并在天井下部垂直分段鑿巖巷道掘出切割橫巷.

2.2 分段充填采礦法

綜合無底柱分段崩落法和上向水平分層充填法的優(yōu)點發(fā)展起來的一種新型采礦法，該法在一些礦山進行了試驗研究和應用，取得了較好的效果，但該法對礦體形態(tài)、厚度、傾角變化的適應性較差，受不穩(wěn)固圍巖的影響也比較大.采礦方法見圖2.

（1）礦塊構成要素

圖2 分段充填采礦法

當?shù)V體水平厚度小于15 m左右時，礦塊沿走向布置，不分礦房、礦柱；當?shù)V體水平厚度大于15 m時，礦塊垂直走向布置，每個礦塊分為礦房、礦柱，兩步驟回采.

礦塊垂直礦體走向布置時，礦塊寬20 m，高45 m，長為礦體水平厚度，分成礦房、礦柱，兩步驟進行回采.礦房、礦柱各寬10 m.當?shù)V巖穩(wěn)定性逐步變好時，礦塊寬度可適當加大.當?shù)V塊沿走向布置時或回采礦柱時，礦塊構成要素基本相同.

（2）回采工藝

在中段穿脈運輸巷道和分段平巷旁，開鑿采場溜礦井.溜礦井與上部各無軌分段運輸平巷相連，將鏟運機卸下的礦石溜至中段運輸巷道.在礦塊頂板或底板圍巖中開鑿回風充填天井連接各分段鑿巖、出礦坑道.采場出礦穿脈利用探礦巷道修復而成，采場頂部回風巷道利用上水平探礦穿脈巷道.切割工作主要有切割平巷和切割天井.在分段回采之前沿切割平巷和切割天井拉切割槽.

2.3 下向六角形傾斜進路膠結充填法

下向六角形傾斜進路膠結充填法是適用于礦石和圍巖都極不穩(wěn)定狀態(tài)下的一種采礦方法，這種采礦方法對礦體形態(tài)、厚度、傾角變化的適應性強，安全性較好.但由于礦塊生產能力較低、采礦成本高，貧化損失率小，一般主要用于回采高品位或價值較高的礦石.采礦方法見圖3.

（1）礦塊構成要素

采場沿礦體走向布置，長度一般為50 m，高45 m，寬為礦體水平厚度.

圖3 下向六角形傾斜進路膠結充填法

采場內，分層道垂直走向布置，回采進路沿走向布置.溜礦井和人行通風井布置在采場中央.分層道高度與分層高度一致，為2.0 m，寬度為2.5 m.回采進路長度一般為25 m，斷面高為4 m，頂?shù)讓? m，腰5.4 m.

（2）回采工藝及設備

采場實行下向分層進路間隔回采，采用YT-27型鑿巖機鑿巖，2DPJ-30型電耙出礦.采場內設3臺電耙，分層道1臺，兩個回采進路各1臺.回采進路工作面的礦石，由1臺電耙耙入分層道后，再由分層道電耙耙入采場溜礦井.在溜井底部用振動放礦機將礦石裝入礦車，由電機車運往主溜礦井.采場也可采用WJD-0.75型電動鏟運機或礦山現(xiàn)有的風動裝載機出礦.

3種采礦方法的各項技術經濟比較如表1.

表1 采礦方法技術經濟比較表

3 采礦方法方案的確定

3.1 模糊數(shù)學法基本原理

Fuzzy數(shù)學理論方法是把客觀的許多模糊性加以數(shù)學化，數(shù)字化，以便于利用人們所熟悉的經典數(shù)學理論和方法進行分析和處理，從而得出準確的和精確的結果.方便人們選擇與總結，是數(shù)學基礎理論發(fā)展史上的一個新飛躍.所謂的模糊性是指客觀事物差異的中間過渡的不分明性[5-8].Fuzzy數(shù)學理論采用隸屬函數(shù)描述模糊現(xiàn)象.隸屬函數(shù)表示元素屬于模糊集合的程度，它在[0-1]區(qū)間連續(xù)取值，礦體處于復雜的地質環(huán)境中，開采條件具有很大的模糊性，不能把各項技術經濟比較直接進行定量的計算，因而在進行采礦方法的選擇時也存在較多的模糊性，不能單純的依賴技術經濟條件進行選擇.而Fuzzy數(shù)學理論是將各種模糊或者主關因素轉化為量化形式，運用經典數(shù)學理論和方法把各個方案的評價指標量化，使采礦方法方案的選擇更加合理、科學、可靠[9-11].

3.2 模糊數(shù)學評判采礦方法的基本步驟

模糊數(shù)學評判模型如下：

式中：B-各采礦方法的相對選擇矩陣

A-各因數(shù)的權矩陣

R-模糊關系隸屬度矩陣

3.3 模糊矩陣的確定

3.3.1 定量指標隸屬度的確定

定量指標隸屬度按下面的公式計算：對于正指標（越大越優(yōu)）：

對于負指標（越小越優(yōu)）：

式中：tij中j為方案i為指標的隸屬度；

dimin中i為指標的下限值；

dimax中i為指標的上限值.

選取礦塊綜合生產能力，損失率，貧化率，千噸采切比，采掘成本定量數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）、式（2）及表1的數(shù)據(jù)計算各采礦方法定量指標的隸屬度矩陣.

3.3.2 定性指標隸屬度的確定

采用指標二元對比排序法求隸屬度.將2個指標按其相對重要性程度劃分成5個等級，采用4級標度法，按表2的賦值方法請有經驗的專家賦值.

表2 定性指標賦值表

bij=fji/fij， 且滿足 bij=1，bij=1/bji，當 bij≥1 時，令bij=1.于是對于每個定性評價指標，都可得N元對比排序法的矩陣B=bij，對矩陣每行取最小值，就得到各方案對該指標的隸屬度.將定性指標的隸屬度與定量指標的隸屬度組合在一起，得到所有評價指標隸屬度的模糊矩陣[4].

選取安全性，工藝簡單程度，礦適應條件3個定性指標，各定性指標的隸屬度見表3至表5.

表3 安全性

表4 工藝簡單程度

表5 礦體適應條件

綜合指標隸屬度矩陣R為：

3.4 各因素權矩陣A的確定

設待排序對象全體構成的集合為論域C={X1,X2，…，XN},論域C中可以根據(jù)某些性質對任意兩個元素進行比較，從而確定元素間的優(yōu)劣.所以，可針對論域 C中的任意兩個元素Xi，Xj定義一個“二元相對比較級”Fj(Xi)它表示Xi相對于Xj而言所具有的優(yōu)越性；而Fi(Xj)則表示Xj相對于Xj而言所具有的優(yōu)越性.此外，F(xiàn)i(Xi)規(guī)定為1.

其論域C中各元素對某一性質貢獻的相對大小，可確定任意兩個元素Xi，Xj的 “二元相對比較級”：Fj(Xi)之后便可建立二元相對比較矩陣M：

根據(jù)二元相對比較矩陣M中的各元素，可進一步計算出“相對函數(shù)” “F（XI/XJ）”,其定義為:

式(4)中符號“∨”表示為取大值運算.

根據(jù)式(4)計算各“相對函數(shù)”，由此便可構造各因素權矩陣A：

經計算得權矩陣A為：

計算各因素的權重值：

其 中 ，a1=0.9672，a2=0.6248，a3=0.7810，a4=0.4361，a5=0.2374，a6=0.1055，a7=0.8954，a8=1.0000.

權矩陣A為：

根據(jù)公式B=A×R計算出各采礦方法的相對選擇矩陣為B=(3.8668,2.1163,2.8269).

對矩陣B中的各數(shù)據(jù)作歸一化處理，得到相對權重向量為(0.4389，0.2402，2.8269).

由此可以看出，適合東鄉(xiāng)銅礦的采礦方法依次為：分段空場單元回采高水膠結充填法，分段膠結充填法，下向六角形傾斜進路膠結充填法.

4 結 語

（1）模糊數(shù)學能夠直觀的選擇出最優(yōu)的采礦方案，克服了傳統(tǒng)上通過技術經濟比較的弊端，為采礦方法的選擇提供了新的思路，具有較好較廣泛的經濟和使用價值.

（2）模糊數(shù)學通過對定量和定性指標隸屬度的計算將采礦方法方案中的各個指標定量化，為采礦方法的選擇提供了可靠，科學的新方法.

（3）模糊數(shù)學簡單易懂，計算簡單，采礦方法的選擇經濟效益最大化，計算的結果符合礦山的實際情況，具有較好的經濟價值.

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Mining Methods Selection of Dongxiang Copper Mine’s V Ore-body Based on Fuzzy Theory

RAO Yun-zhang，LI Chuang，HUANG Kai-long，ZHU Wei-min，CHEN Guo-liang，WANG Chun-hua

(Faculty of Resources and Environment Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

The choices of mining methods are of subjective arbitrariness based on experiences. This paper introduces the applications of fuzzy mathematics and membership function on the mining method selection in Dongxiang Copper Mine.Membership matrix is quantitatively and qualitatively concluded by using fuzzy mathematics theory on the based on the mine’s ore body occurrence characteristic and years of production experiences.We work out the relative selection matrix of each mining method with binary selection matrix and the weight matrix of each factor.The optimal mining method worked out with quantitative analysis,which is of great economic value,is consistent with the actual mining situation.

mining methods；fuzzy mathematics；membership function；relative selection on matrix

TD853.34

A

1674-9669（2011）04-0039-06

2011-03-28

饒運章（1963－ ），男，博士，教授，主要從事采礦工程和環(huán)境巖土方面的教學科研工作,E-mail:raoyunzhang@sohu.com.