基于AHP-FUZZY的铝土矿采矿方法优选*

刘恩彦，刘福春，熊有为，雷显权

(长沙有色冶金设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410019)

0 引言

铝土矿是我国战略性保障资源，其地位举足轻重，但我国优质铝土矿资源极少，现阶段占有率不到3%，居于全球末端[1]。因此铝土矿的开发具有很广阔的市场前景，同时国内的铝土矿开采基本也由露天转为地下，但地下铝土矿的开采仍面临许多难题，采矿领域的学者做了相关研究，但总体上仍属于起步阶段。

罗淦华等[2]采用分析归纳法梳理国内外铝土矿地下开采过程中面临的难题以及相对应的解决措施，运用辩证法总结经验，并初步提出铝土矿开采理论；贺锋坚等[3]以有限差分法为理论基础，结合采矿过程的时序因素，分析铝土矿开采过程中的稳定性问题，获得主要工艺参数，并成功应用于工业试验。煤铝共生是铝土矿开采的典型难题之一，王春等[4]分析其矿体产状，以煤铝力学性质的差异性为切入点，提出了分层诱导协同开采底盘漏斗出矿采矿法。采矿方法的选择过程中，影响因素多，同时有定性指标和定量指标，难以直观地做出评价，任卫东等[5]以模糊数学理论解决上述难题，得出液压支护采矿法更适用于现场的工程地质环境，并成功应用于工业试验；孔超[6]、林卫星[7]和刘正辉[8]等分析开采效率低下的原因，并通过理论计算、工程类别及仿真模拟的研究手段，调整了回采工序，并针对性地提出采矿方法的局部优化方案，得到成功的应用；黄丹等[9]为实现岩层位移的有效控制，以理论模型结合有限元仿真的方法，研发协同充填覆岩控制技术，确保了采场地压安全管理。

铝土矿采矿方法的选择不仅与矿体赋存条件相关，而且与开采技术水平、社会经济条件息息相关。因此，选择采矿方法时必须考量众多因素，将其纳入同一纬度综合评判。本文以贵州瓦厂坪铝土矿作为工程背景，运用层次分析法和模糊数学理论相结合的方法进行采矿方法优选。

1 采矿方法初选

贵州瓦厂坪铝土矿矿层直接顶底板为铝土质泥岩，偶而顶板为含炭硅质岩，底板为绿泥石岩，不稳固；矿层间接顶板为片状含炭硅质岩、炭质页岩，或含铝石页岩，厚十几厘米至1～2 m，稳固性差；间接底板为含铝石页岩或绿泥石泥岩、铁绿石岩。间接底板之下是黄龙组白云质灰岩或韩家店组的紫红色砂质泥岩。

根据瓦厂坪矿的开采技术条件，采用工程类比法，初步选定的采矿方法有：普通房柱法（方案Ⅰ）、机械化房柱法（方案Ⅱ）、单体液压支柱护顶壁式崩落法（方案Ⅲ）和综合机械化连续采矿法（方案Ⅳ）。

采矿方法的选择主要考虑经济C1、安全C2、技术C3三大维度，其中顶板稳定性C21和井下作业人数C22是影响安全生产的重大因素，其次基建投资C11和综合生产成本C12是主要的经济指标，而技术指标相对较多，包含采场生产能力C31、方案灵活适应性C32、矿石损失率C33、矿石贫化率C34、采切比C35、通风条件C36、实施难易程度C37和智能化程度C38，总计评价指标12个。指标参数通过调查研究和专家讨论获得，方案综合评价指标体系见表1。

表1 方案综合评价指标

2 铝土矿采矿方法优选

2.1 构建层次模型

铝土矿采矿方法层次模型由指标层（O）、准则层（C）、方案层（P）组成（见图1），以层次分析法确定影响因素的隶属度，将定性因素和定量因素纳入同一体系内进行排序，最终获得相同层次影响因素的相对重要性。

图1 层次分析结构

2.2 构造判断矩阵

根据判断矩阵比较标准[10]，对以上选取的 12个影响工程布置的指标因素进行整体对比，并以此为依据，构建出判断矩阵D。

采矿方案与经济、安全、技术指标的相对权重判断矩阵见表2。

表2 判断矩阵

2.3 层次相对权重及一致性检验

计算判断矩阵每行所有元素的几何平均值：

式中，aij为判断矩阵的元素。

通过式（3）将其归一化处理，得到W=（w1，w2，…，wn），即为所求元素的相对权重（见表3）。

表3 组合权重

判断矩阵的一致性指标CI为：

式中，λmax为判断矩阵的最大特征值。

应用公式（5）进行判断矩阵一致性检验：

式中，RI是随机平均一致性的指标[10]。

判断矩阵一致性检验结果见表 4，最终计算得CR＜0.1，满足要求，因此可知准则层所求的权重系数是合理的。

表4 一致性检验

2.4 模糊数学综合评判

（1）隶属度矩阵。

定量指标根据式（6）进行确定，最终得到相对隶属度矩阵R定量：

将其归一化得：

根据二元比较法及定量标度和语气算子[10]可得定性指标隶属度矩阵R′：

综合以上则可得综合隶属度矩阵：

（2）综合评判。由隶属度矩阵R和因素向量W计算可得方案集A的综合性评判向量：

最终得到铝土矿采矿方法方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ、方案Ⅳ的优选度分别为 13.44%、19.5%、31.5%、47.25%。根据最大隶属度原则，B值越大则优选度越高，即方案Ⅳ＞方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ，故综合机械化连续采矿法为最优方案。

3 结论

（1）通过层次分析法，明确地下铝土矿开采的 12个主要因素的权重，其中影响较大的是顶板稳定性、井下作业人数和采矿生产成本，为后续研究提供基础。

（2）应用模糊数学对影响因素进行量化分析，避免主观因素干扰，获得4个地下铝土矿采矿方案的优选度分别为13.44%、19.5%、31.5%、47.25%，故最优方案为综合机械化连续采矿法，同时也为同类型矿山采矿方法的选择提供参考。