基于模糊数学分析的苍山铁矿采矿方法选择

白 银 王 星 杨家冕

(1.西安建筑科技大学管理学院；2.中钢集团山东矿业有限公司；3.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；4.金属矿山安全与健康国家重点实验室；5.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

·采矿工程·

基于模糊数学分析的苍山铁矿采矿方法选择

白 银1,2王 星3，4，5杨家冕3，4，5

(1.西安建筑科技大学管理学院；2.中钢集团山东矿业有限公司；3.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；4.金属矿山安全与健康国家重点实验室；5.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

根据中钢集团山东矿业有限公司苍山铁矿的矿床赋存地质条件、开采技术条件及周边环境要求，采用经验类比法进行采矿方法的初步选择，并对各采矿方法作经济技术分析，进而采用模糊数学分析方法进行各采矿方法影响因素的模糊评判，将影响因素进行隶属度和权重值的量化分析，确定了该矿经济合理的采矿方法，为其他类似矿山采矿方法的量化选择提供了参考。

模糊数学 采矿方法 优化选择

中钢集团山东矿业有限公司苍山铁矿位于山东省临沂市兰陵县与枣庄市交界处，地理坐标东经：117°45′22″～117°47′09″，北纬：34°50′59″～34°51′57″。苍山铁矿属典型的鞍山式沉积变质型矿床，属于缓倾斜～倾斜，薄～中厚矿体，厚度一般4～25 m，走向长度近2 km。矿体围岩主要为磁铁角闪片岩、黑云母角闪片岩、条带状磁铁云母角闪石英片岩。区内主要分布泰山群山草峪组及震旦系，其次为寒武系及第四系地层。依据其富水性、渗透性不同，分为第四系孔隙潜水区、盖层裂隙(岩溶)水区和基底裂隙潜水区。

1 矿床规模及矿体特征

依据资源储量核实的工业标准，矿区共圈定了3个矿体，其中Ⅱ#、Ⅲ#矿体规模较大，Ⅱ#-1矿体为小矿体。矿体赋存于石闫背斜第一含矿带Ⅱ#及Ⅲ#含矿层中，其形态、产状、规模受其控制。

(1)Ⅱ#矿体特征。Ⅱ#矿体为主矿体，占查明资源量的56%。矿体有29个勘探钻孔控制，分布于30～58勘探线、0～-310 m标高，长2 592 m，埋深110～230 m。矿体走向290°，无倾伏现象，两翼倾角10°～35°，矿体最大厚度28.89 m，最小厚度4.22 m，平均厚度12.03 m，厚度变化系数48.3%，矿体形态简单，沿走向自西向东变薄。矿体平均品位32.78%，属有用组分均匀型矿体。

(2)Ⅲ#矿体地质特征。Ⅲ#矿体位于Ⅱ#矿体上盘，两者间距10～20 m，最大30 m，其相对规模较小，占矿床查明资源量的39.1%。矿体有24个钻孔控制，分布于30～56勘探线、20～-265 m标高。矿体走向长2 492 m，埋深90～170 m。走向290°，北翼倾角50°，南翼倾角30°。矿体平均厚度为9.53 m，矿层厚度由东向西变厚，平均品位为31.75%，品位变化系数14%，属有用组分均匀型矿体。

2 采矿方法初选

苍山铁矿属于缓倾斜—倾斜矿体，矿山设计规模为200万t/a，在凿岩矿石运搬和采场顶板管理方面均存在难题。根据矿床赋存、开采技术以及矿区周边不允许塌陷等条件，借鉴国内外类似矿山经验[1]，初选上向分层充填法、房柱嗣后充填采矿法和点柱充填采矿法开采。

2.1 上向分层充填采矿法

矿山阶段高为50 m，在阶段内进行盘区划分，盘区宽度60 m，长度为矿体厚度，盘区间矿柱宽度5.5 m，顶柱高度4.5 m。沿走向划分矿房和矿柱，矿房宽度14 m，矿柱宽度12 m。主要采切工程有运输平巷、分段联络巷、溜井、人行泄水井、充填回风井等。采用铲运机出矿。

2.2 房柱嗣后充填采矿法

在阶段内部划分矿块，矿块中再划分矿房和矿柱，采场长度一般为阶段内矿体斜长，矿柱宽度12 m，矿房宽度15 m，不留设顶柱。矿块内分两步骤回采，一步骤回采矿柱，胶结充填之后进行二步骤矿房回采，采用全尾砂充填。主要采切工程有下盘沿脉运输巷、联络道、通风人行天井等。

2.3 点柱充填采矿法

阶段划分之后，在其内部划分采区，从采区一侧向另一侧推进回采，采区之间留设连续性矿柱作为各采区顶板支撑，在采区的暴露顶板下进行分层回采。采区沿走向布置，长度200 m，连续矿柱宽度18 m，顶柱厚度6 m，点柱尺寸3.5 m×3.5 m，分层控顶高度8 m，每次回采分层高度6 m，充填之后预留2 m作为上分层回采时的作业空间。主要的采切工程有采区斜坡道、联络道、矿石溜井、人行泄水井和充填回风井等。

2.4 采矿经济技术指标

各采矿方法的经济技术指标见表1。

表1 各采矿方法的经济技术指标

3 模糊数学分析

根据表1中的经济技术指标，采用模糊数学的分析方法进行各采矿方法的优劣评判，进而优选采矿方法。

3.1 各影响因素的隶属函数

采用0～1的数字反应采矿方法中各影响因素对于整个集合的隶属程度，对于定量指标，采用线性函数进行隶属度计算，对于定性指标，采用二元对比法进行隶属度计算。

3.1.1 定量指标的线性函数法[2]

采用线性函数计算法计算采矿方法中定量指标的隶属度:

(1)

或

(2)

式中,γij为第i种采矿方法的第j个指标的隶属度；fij为第i种采矿方法的第j个指标值；fjmax为各采矿方法j指标的最大值。

式(1)用于正指标隶属度的计算，式(2)用于负指标隶属度的计算。

各采矿方法中各因素的定量指标隶属度见表2。

表2 采矿方法中各因素定量指标隶属度

3.1.2 定性指标的二元对比法[3]

对于无法量化的指标，采用二元对比排序法确定其隶属函数。设定域U={u1，u2，…，un}，以Cij表示Ui与Uj相比时Ui的优越程度，有：Cii=0(表示Ui与Ui相比无优越性)；0≤Cij≤1(表示Cij在[0，1]上取值，如果Ui比Uj绝对优越,则Cij=1，反之Cij=0);Cij+Cji=1(表示Ui对Uj的优越性与Uj对Ui的优越性之和为1)。

隶属度计算：

(3)

根据工程实际及初选采矿方法，定性指标主要考虑安全状况，定量指标中考虑的有安全状况和对矿体的适应程度。对这两个因素从最差到极好进行等级评判，对应的打分为0～1，得到打分表之后进行定性指标的隶属度计算。各采矿方法中的定量指标和定性指标的隶属度见表3～表6。

表3 安全状况打分

表4 对矿体适应程度打分

表5 各定性指标的隶属度

表6 采矿方法中定量指标和定性指标隶属度

3.2 各影响因素的权重

为了区分重要因素和次要因素对于采矿方法选择的影响程度，在模糊评判中，采用对各因素赋予权重的方法进行量化分析。

3.2.1 构造各因素的判断矩阵

构造各因素的判断矩阵为

(4)

各影响因素的判断矩阵见表7。

表7 各影响因素的判断矩阵

3.2.2 权重计算

(5)

根据判断矩阵和权重计算方法，得到各因素的权重值，经归一化处理之后见表8。

表8 各影响因素的权重值

4 采矿方法终选

根据以上计算分析，得到了各因素的隶属度矩阵和权重矩阵，隶属度矩阵记为R，权重矩阵记为W：

W=[0.11 0.18 0.08 0.17 0.42 0.05] .

根据模糊评判方法，采矿方法的计算选择率为：

A=W•R=[0.371 8 0.295 4 0.490 6] .

将计算选择率进行归一化处理，得到了各采矿方法的选择率，见表9。

综上所述，点柱充填采矿法的选择率最高，为本次采矿方法选择的终选方案。

表9 各采矿方法的归一化选择率

5 结 论

根据矿床赋存条件和开采技术条件，初选了上向分层充填法、房柱嗣后充填法和点柱充填法3种采矿方法，将定量指标和定性指标相结合，通过建立采矿方法各因素的隶属度矩阵和权重矩阵，得出各方案的选择率，最终选择点柱充填采矿法。此种定性分析和定量计算相结合的方法，使采矿方法选择更科学、合理，为矿山开采提供了指导。

[1] 王素银，张旭宇.缓倾斜薄矿体采矿方法探讨[J].甘肃冶金，2009，29(1)：33-35.

[2] 李剑宇，张开平．运用模糊数学选择金山金矿的采矿方法[J]．江西有色金属，2001，15(1)：14-16．

[3] 杨相如.基于模糊评判的某矿露天转地下采矿方法优选[J].采矿技术，2012，12(3)：20-21,83.

Mining Method Selection of Cangshan Mine Based on Fuzzy Mathematical Analysis

Bai Yin1,2Wang Xing3，4，5Yang Jiamian3，4，5

(1.School of Management Xi'an University of Architecture and Technology; 2.Sinosteel Shandong Mining Co., Ltd.;3.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.; 4.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines;5.Huawei National Engineering Research Center of High Efficiency Cyclic Utilization of Metal Mineral Resources Co., Ltd.)

According to the ore deposit geological conditions, mining technical conditions and the requirements of the surrounding environment of Cangshan Mine belongs to Sinosteel Shandong Mining Co., Ltd., firslty the experience analogy method is adopted to select the mining method preliminary and the economic and technical analysis of mining methods are carried out; then, the analysis method of fuzzy mathematics is adopted to conduct fuzzy evaluation of influence factors of the mining methods, the influence factors are conducted membership degree analysis and quantitative analysis of weight value so as to determine economic and reasonable mining method, to provide reference for the quantitative selection of mining method in the similar mines.

Fuzzy mathematics, Mining method, Optimization selection

2015-03-23)

白 银(1972—)，男，主任助理，高级工程师，硕士研究生，277700 山东省临沂市兰陵县。