基于AHP-FUZZY 的挂帮矿回采方案优选及实践

刘形林，王道林

(1.铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿，安徽 铜陵市 244000；2.中南大学，湖南 长沙 410000)

0 引言

随着新桥硫铁矿浅部资源的日渐枯竭，为保持产能已逐步转入露天与地下联合开采的模式。前期露天开采遗留的露天采坑亟需回填处理，而这不仅会影响矿山的整体产能，也可能造成集团公司的“采选冶”产业链衔接不稳定而减产。新桥硫铁矿11 线以东挂帮矿铜、硫品位较高，有必要在露天转地下后期产能衔接不上时对这一部分资源进行回采利用。该区域矿体靠近701 铁路专线、顺凤公路及新西河，是典型的“三下”难采矿体[1]，埋深与露天坑最终开采标高相同，露天坑回填治理势必对其开拓方案和回采作业造成一定影响。因此，选择合适的采矿方法和回采工艺，是露天坑挂帮矿安全回采的重中之重。

为确保“三下”难采矿体中矿石安全和高效回采，普遍采用的方法为设置大量保安矿柱[2]。但是本次研究的矿体绝大部分赋存于露天边坡下，且移动带内有着大范围的铁路专线。如果按照传统思路，即采用留设大量矿柱的空场法，不仅经济性比较差，且很难保证地表构（建）筑物的安全。因此，充填采矿法是目前唯一可行且最有效的方法[3]。

（1）若采用空场嗣后充填法回采挂帮矿，其采矿成本和矿石损失率较低。但势必会造成采空区长期暴露，一旦出现失稳等情况，容易发生安全事故，损失惨重。此外，该矿区复杂的地质条件也导致该方法的安全性下降[4]。

（2）若采用下向进路充填法进行回采，最明显的缺点是回采成本过高，技术要求严格，一般适用回采矿岩极端破碎的高品位矿石或高价值资源[5]。而考虑到新桥硫铁矿挂帮矿的矿岩稳固性为一般至中等稳固，不推荐采用下向进路充填法。

综上所述，对于新桥硫铁矿东部挂帮矿来说，目前比较合适的采矿方法有上向水平分层充填法、上向进路充填法与垂直矿体走向布置的上向水平进路充填法[6]。这3 种方法的显著特点是：及时回填采空区，有利于减小空区暴露面积和时间；采矿成本略有增加的同时，能够有效减缓甚至防止围岩变形破坏；在提高挂帮矿回采率的同时，大幅降低回采对露天边坡稳定性的不利影响，提高回采作业的安全性[7]，综合效益较好。

在初选以上3 种采矿方法的基础上，为了科学合理地优选出适用新桥硫铁矿东部挂帮“三下”复杂难采矿体的采矿方法，本研究利用层次分析法（AHP）的各种评价指标赋以科学合理的权重，并结合模糊数学（FUZZY）理论[8]，进行模糊综合性的评估并计算其优越度，最后基于优越度大小来确定最优回采方案。

1 综合评价指标体系的建立

采矿方案的确定是一项复杂的系统工程，需要综合考虑诸多因素，才能进行科学决策。建立科学合理的评价指标体系是整个评价工作的基础。另外在评价指标体系中影响因素很多且各因素之间往往有交叉影响。因此在选择评价指标的时候，需要对指标进行筛选。

从经济、技术、安全3 个方面运用层次分析法的原理，建立综合评价（O）指标体系。主要分为目标层、准则层和指标层3 个不同的层次，每个层次下面对应着不同的指标。3 种采矿方案具体的经济技术综合评价指标体系见表1，建立的层次分析模型如图1 所示。

表1 3 种采矿方案经济技术综合评价指标体系

图1 采矿方案层次分析模型

2 综合评价指标体系的建立

2.1 构造判断矩阵

2.1.1 构造比较标度

使用两两比较的标度和基于判断原理[9]，可得出1～9 的比例标准和具体说明见表2。指标层X1～X9标准值见表3。

表2 比较标准

表3 各指标比较标准值

2，4，6，8 分别代表两相邻判断的中值；

2.1.2 构造判断矩阵

根据层次结构的模型，每一层的元素都以对应于相邻上层的元素作为判断的基准，按照上述的标度计算方法进行成对比较后所构建的判断矩阵。设判断矩阵是D，具体结果见表4。

表4 评价指标体系的判断矩阵D

2.2 判断矩阵一致性检验

判断矩阵的一致性检验[10]见式（1）：

式中，CI=(λmax−n)/(n−1)，CI代表一致性检验指标；λmax为判断矩阵的最大特征值，λmax=9.0825；n为判断矩阵的阶数，n=9；RI为平均随机一致性指标，其取值见表5。

表5 平均随机一致性指标取值

计算得到CR=0.0071＜0.1，即D的值符合一致性的要求。

2.3 计算权重向量

采用方根法计算各因素权重值[6]：

（1）计算各行元素的乘积Mi，具体以判断矩阵D的各行元素相乘而求得，公式如下：

（2）计算Mi的n次方根：

Wi代表为i因素的评价指标权重值，计算结果见表6。

表6 各因素定量评价指标权重值

3 模糊综合评判优选

3.1 隶属矩阵确定

依据收益性与消耗性定量指标所确定的隶属函数法[11]，求出各个定量指标的相对隶属度。

收益性函数指标为：

根据不同方案中同一因素的指标值之间的定量关系，通过数学计算方法得到定量指标隶属度。该方案模型中主要包括采充总成本、采场生产能力、矿石回采率、矿石贫化率和千吨采切比等5 个定量指标。求得5 个定量指标的隶属度矩阵：

方案灵活适应性、通风条件、方案实施难易程度和采场地压控制效果等4 个指标为定性指标[12]。根据语气算子与相对隶属度之间的关系[13]（见表7），采用相对二元比较的方法，计算得出其相对隶属度。

表7 语气算子与相对隶属度关系

则定性指标隶属度矩阵：

综合评价指标体系隶属矩阵R见表8。

表8 采矿方案综合评价指标体系隶属矩阵R

3.2 优选结果

基于模糊数学分析理论，对3 种采矿方法进行量化，选择优越度最大的作为最优方案。得到：

计算得出方案集A的综合评判向量为：

综上，优越度从高到底排序为92%（方案II）、81%（方案III）、79%（方案I），即沿矿体走向布置的上向水平进路充填法（方案II）的优越度最大，最适合用于新桥硫铁矿东部挂帮矿的回采，该方案如图2 所示。

图2 沿矿体走向布置的上向水平进路充填法（方案II）

4 挂帮矿采矿方案设计

4.1 采准工程

挂帮矿主要采准工程包括斜坡道、分段联络平巷、分层联络道、卸矿横巷、溜井等。主要采用上盘脉外斜坡道采准，中段运输巷道与分段平巷之间采用斜坡道连通。在矿块中间掘进穿脉到矿体下盘边界，盘区设置溜井，采场矿石利用电动铲运机通过分层联络道和分段运输平巷卸至溜井，溜井底部设置振动放矿机，放出矿石通过矿车运至主井，提升至地表。设计参数如下：

（1）斜坡道。采用上盘脉外折返式布置斜坡道采准，断面尺寸为4.2 m×3.6 m，最大坡度不超过15%，转弯半径不小于8 m。

（2）分段联络平巷。分段联络平巷沿矿体走向布置，服务于整个水平采场，设计分层高度4 m，分段高度12 m，断面规格为3.3 m×3.2 m；每个分段联络平巷负责3 个分层的回采，其位置应保证分层联络道坡度满足无轨设备爬坡能力要求。

（3）分层联络道。每分层采场均布置一条分层联络道，连通采场和分段联络平巷，断面规格3.3 m×3.2 m，坡度14%～21%，采用从分段联络道普通掘进的方法形成，水平分层联络道则在下分层采场联络道顶板上挑顶形成，而上向联络道则由水平联络道上向挑顶形成。挑顶崩落的废石，直接用于充填下分层联络道。

（4）卸矿横巷。分段联络道和溜井之间用卸矿横巷连通，与分段联络平巷之间保证8 m 以上的转弯半径，长度不小于10 m。

（5）溜井。在各盘区中央布置一条溜井，断面尺寸Ф2 m，溜井底部设置振动放矿机，为防止不同采场上下分段卸矿相互干扰，卸矿横巷与溜井间用分支溜井连通。

（6）充填回风天井。由于开拓工程布置在矿体上盘，为减少采准工程量和矿柱留设，在盘区端部采场联络道布置一条脉内充填回风井，服务整个盘区，断面规格为1.8 m×1.8 m。

4.2 回采工艺

（1）采场布置及规格。挂帮矿矿块沿矿体走向布置，长度100 m，阶段高度36 m，分段高度12 m，分层高度4 m，每条进路长48 m，宽4 m。每分层在盘区中央布置一条分层联络道，规格4 m×4 m。

（2）回采顺序。同一分层进路采场采用间隔回采的方式，待整个分层进路回采充填结束后，密闭充填分层联络道，转入上一分层回采。为控制地压，采用由首采区段的中央向两翼间隔采场回采的方式。

（3）凿岩爆破。采用Φ32 mm 乳化炸药药卷，非电导爆管、毫秒微差雷管，CHA-300 型起爆器，以掏槽眼、辅助眼、周边眼、底眼为序分段起爆，凿孔深度2～5 m，炮孔布置采用楔形掏槽方式。

（4）通风。新鲜风流经斜坡道、分段联络平巷及分层联络道进入采场，冲洗工作面后，污风经充填回风天井，排入上阶段回风平巷。每次爆破，必须经充分通风（通风时间不少于40 min）后，人员才能进入采场。

（5）采场顶板管理。采场爆破并经过有效通风排除炮烟后，安全人员进入采场清理顶帮松石。如果顶板矿岩异常破碎，经撬毛处理后，仍无法保证正常作业，可考虑其他顶板支护方式，如喷射混凝土、悬挂金属网及布置锚杆等。

（6）出矿。每次爆破经充分通风排出炮烟后，利用2 m3国产电动铲运机（WJD-2）经采场分层联络道、分段联络平巷，运至最近溜井卸矿。

（7）充填。回采结束后，及时进行充填，以控制地压，防止上覆岩层变形和地表沉降。

5 结论

（1）根据新桥硫铁矿“三下”难采矿体的开采经济技术条件和工程实践，基于上向水平充填法提出了3 种备选的开采方案为：上向水平分层充填法（方案I）、沿矿体走向布置的上向水平进路充填法（方案II）以及垂直矿体走向布置的上向水平进路充填法（方案III）；

（2）将层次分析与模糊数学理论相结合，考虑经济、技术和安全3 方面建立了包含5 个定量指标和4 个定性指标的综合评价体系，最终求得优越度为92%（方案II）＞81%（方案III）＞79%（方案I），从而确定沿矿体走向布置的上向水平进路充填法（方案II）为最优方案。

（3）基于优选出来最适合新桥露天坑挂帮矿的采矿方法，对其进行了采准工程及回采工艺设计。方案设计合理，验证了沿矿体走向布置的上向水平进路充填法（方案II）对该挂帮矿的适应性较为优越，进一步佐证了AHP−FUZZY 优化方法的可靠性。