铜坑矿缓倾斜厚矿体采矿方案的模糊层次优化与设计.pdf

_ 看危企蠢工程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R l N G d o i 1 0 ．3 9 6 9 ，j ．i s s n ．2 0 9 5 1 7 4 4 ．2 0 1 2 ．0 5 ．0 1 1 铜坑矿缓倾斜厚矿体采矿方案的 模糊层次优化与设计 圜周科平王嫱 中南大学资源与安全工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要根据铜坑矿缓倾斜厚矿体赋存特点和工程条件，结合国内外类似矿体的采矿方法，初选三 种机械化采矿方案，针对影响采矿方法的各项定性、定量指标，采用层次分析法建立方案优选综合 评判指标体系，评价各项影响因素指标的重要性，运用模糊数学方法根据影响因素的综合优越度选 择最优采矿方案。模糊层次法避免单一方法和判据所造成的局限性，选择的最优采矿方法实现了安全、 经济、高效和资源高利用率的采矿目的，可以为今后类似条件矿山提供参考。 关键词缓倾斜厚矿体；充填采矿；模糊层次法；机械化上向水平分层采矿法 中图分类号T D 8 0 2 ；T D 8 5 3 ．21 ；T D 8 6 2文献标识码A文章编号2 0 9 5 17 4 4 2 01 2 0 5 - 0 0 5 2 0 4 对于缓倾斜中厚和厚矿体，根据国内2 0 个典型的 缓倾斜中厚及以上矿体的统计，采用房柱法的占5 0 ％， 采用有底柱或底盘漏斗崩落法的占3 5 ％，其余矿山采用 胶结和尾砂充填采矿法、分段空场法及阶段矿房法⋯。 比较典型的矿山有新桥硫铁矿口] 、铜山铜矿9 j 、黄沙坪 铅锌矿H 1 等。国外对于水平及缓倾斜中厚及以上矿体， 采用房柱法的占6 1 ％，尤其以美国和前苏联为代表，采 用充填采矿法的占2 3 ％，其余多采用爆力运矿采矿法”1 。 比较典型的矿山有前苏联捷克佳尔斯克铜矿”1 、美国威 布尔勒姆铜铅锌矿旧1 、加拿大加斯佩矿旧3 等。 纵观国外矿山，矿床规模一般都较大，矿石价值较 高，且普遍拥有较强的经济实力和技术力量，所以开采 时更注重加强机械化，提高效率、降低成本。国内矿山 技术、经济基础较薄弱，规模普遍偏小，不具备引进大 型机械设备的条件，尤其是很多老矿山，在改变传统工 艺方面的积极性并不高。 7 该类矿体的开采条件和赋存条件都比较好，允许使 用大型机械化设备。基于安全、经济、高效和资源高利 用率的目的，以铜坑矿为研究对象，初选出适合该类矿 体的三种机械化采矿方案，对比分析各种采矿方法的主 要技术经济指标，通过模糊数学对其进行更为科学合理 的综合评判，最终确定最优方案。 1 工程条件 铜坑矿是华锡集团主体矿山，主要开采对象为细脉 带、9 1 号矿体和9 2 号矿体，三大矿体在空间位置上重 叠产出。经过几十年的开采，细脉带和9 l 号矿体几乎 消耗殆尽，已经全面转入边部及矿柱的回采，9 2 号矿体 己成为开采的主矿体。9 2 号矿体呈似层状产出，其产状 与容矿岩石地层一致，并呈同步褶皱，矿体产状随地层 变化而变化，属于似层状网脉浸染交代型锡多金属硫化 物矿。走向S W ，倾向N ，倾角1 5 - 2 5 。，走向长6 8 0r D ， 倾向长8 3 0m ，最大厚度7 1m ，平均厚度1 5m ，标高 2 5 0 ～5 8 0r f l 。从产状上讲，属于缓倾斜厚矿体。矿体以 锌锡矿化为主，垂直品位变化较大，平均品位较国内平 基金项目中南大学前沿研究计划资助项目 2 0 1 0 Q Z Z D 0 0 1 收稿日期2 0 1 2 - 0 4 2 4 作者简介周科平 1 9 6 4 一 ，男，湖南衡阳市人，教授，博士 主要从事金属矿安全高效开采等方面的研究。 5 2 工程设计E n g i n e e r i n gD e s i g n 万方数据 均水平高。顶板围岩为宽条带灰岩、泥灰岩及部分硅质 岩。宽条带灰岩和泥灰岩裂隙不发育。矿岩坚硬，稳固 性好。矿区周边环境条件较好，水文地质条件简单，无 大山洪、泥石流、滑坡等不良地质现象。 2 采矿方法优化选择 根据该矿体的开采技术条件和矿体赋存特点，推荐 三种技术上可行且损失贫化较低的机械化采矿方案机 械化无底柱上向水平分层充填采矿法 方案1 、机械化 分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法 方案2 和机械化分 段凿岩分段出矿嗣后充填采矿法 方案3 。 2 ．1 采矿方法的方案设计 1 机械化无底柱上向水平分层充填采矿法。该方案 的特点是将矿块划分为矿房、矿柱，先采矿柱，后采矿房。 矿柱和矿房都是自下而上分层回采，每个分层回采完毕 后，及时对空区进行充填以维护上下盘围岩，并创造不 断上采的作业条件，回采到最后一个分层的时候，要迸 行接顶充填。 2 机械化分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法。该方 法将矿块划分为矿房和矿柱，先采矿柱，后采矿房。采 场内又划分多个分段进行回采。回采过程中，暂留阶段 矿房 矿柱 高度的空区，作业人员和设备在巷道内作业， 钻凿平行扇形深孔崩矿，崩落矿石通过阶段底部出矿结 构放出。出矿完毕后，及时对矿柱进行尾砂胶结充填， 对矿房进行非胶结废石充填，以支撑围岩，控制地压。 3 机械化分段凿岩分段出矿嗣后充填采矿法。该采 矿法将矿体在阶段内沿走向划分成矿块，矿块分为矿房 和间柱，每个矿房内又划分出分段。每个矿房都有独立 的崩矿和出矿巷道，可视为单独的回采单元。间柱作为 永久性矿柱，一般不可回采。沿走向掘进分段运输平巷 和凿岩平巷，沿分段运输平巷每隔一定距离掘进装矿进 路‘”。回采过程中，在凿岩平巷中钻凿平行扇形深孔并 爆破，崩落的矿石自装矿进路通过分段底部的V 型堑沟 出矿。矿块分段回采结束后需对矿房进行充填，密闭充 填进路，然后回采上一分段。 2 ．2 采矿方法技术经济比较 三种方案都适合缓倾斜厚矿体的机械化快速开采， 各有优缺点。结合国内外同类矿山的实际指标，推算出 各种采矿方案的主要技术经济指标，如表1 所示。 一般，采矿方案传统选择方法主要采用技术经济类 比法，有很大的模糊性和主观性。为了更科学严谨地作 出判断，根据安全、经济、高效和资源高利用率的基本 原则口】，在建立采矿方案综合评价指标体系的基础上， 采用多目标决策问题的模糊数学方法，将定性影响因素 通过模拟专家系统定量化并与主要定量指标同时分析， 在模糊环境下对决策域中的对象进行排序，最后优选出 表I 三种采矿方案主要技术经济指标 最佳采矿方案。 2 ．3 模糊层次分析 根据层次分析法基本原理，对各种目标影响因素进 行评价，建立评判指标体系目标树，获得模糊判断矩阵， 确定出各影响因素对决策方案层A 的总体排序权值∥。 通过对定性变量和定量变量进行相对隶属度转化，建立 各采矿决策方案对影响因素的总模糊判断矩阵，采用复 合加权平均模型顺，十 对方案集A 进行隶属度复合运 算‘”。 1 建立主要目标影响因素层次结构模型。根据 矿体的具体情况，采矿方法选择时主要考虑1 1 个因 素。层次结构模型如图1 所示。则决策方案集爿 ”，， A ，⋯，4 。} ，．目标影响因素集睁{ c 。，C 2 ，⋯，C ，。∥”。 - 7 受葛璧_ 篓赞誉i - 璧塑墅．劳兰芝孝一、要型、 、咚‘一一、 是≤二．～ 乎_ 旦L 、喜_ l攀、{I蹇{}蒌，}{墓I{l萎、蚕l茎{羹lf 爹藩{ { 羹i 2 确定目标因素权重。判断矩阵表示在建立的层次 结构模型中，本层相关元素对上层某元素的相对重要性。 这里根据层次结构图中两两相关因素，按L ．T ．S a a t y 提 出的l ～9 标度法，由专家对各目标因素进行重要性评价， 得出A 层次对B 层次影响因素的模糊判断矩阵，见表2 。 然后通过公式a T a 。 ”” 户l ，2 ，⋯，” 讨算B 层次各因 素对彳层次的权重。同理可计算出C 层次各因素对B 层 有色金属工程2 0 1 2 年第5 期5 3 万方数据 ■Ⅲ_ 孺量功 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R l N G 次的权重。 计算结果归一化影响因素B 0 ．2 8 5 ，0 ．1 7 2 ，0 ．4 4 2 ， 0 ．0 5 8 ，0 ．0 4 3 XC 1 0 ．5 9 7 ，0 ．3 3 7 ，O ．0 6 6 ；C 2 0 ．3 41 ，0 ．0 5 8 ， 0 ．4 7 8 ，0 ．1 2 3 ；C 3 0 ．8 3 3 ，0 ．1 6 7 ；c 4 0 ．2 5 0 ，0 ．7 5 0 ； G O ．2 6 2 ，0 ．1 3 3 ，0 ．0 8 8 ，0 ．5 1 7 。 由层次结构模型分析，C 层次各因素对方案决策层 A 的总排序权值∥可由B 层次对C 层次各因素的单值 矩阵C 求得，W - B ‘c c ，，c 2 ，C 3 ，C 4 ，C s 。代入数据 得胪 O ．1 7 0 ，O ．0 8 7 ，0 ．0 8 6 ，0 ．0 3 1 ，0 ．2 6 9 ，0 ．1 0 5 ，0 ．1 2 4 ， 0 ．0 7 4 ，0 ．0 0 6 ，0 ．0 2 3 ，0 ．0 2 5 。 表2 爿层次对B 影响因素模糊判断矩阵 3 确定主要目标影响因素的隶属度。对于定量指标， 可以分为效益型目标和成本性目标。目标隶属度公式 效益型目标；成本性目标r o m i n y 。i ／y 。．”“。 对于定性指标C l ，C 2 ，C 9 ，C 1 。，c ⋯采用相对二 元比较法，根据语气算子和定量标度及相对隶属度关系”引 确定其相对隶属度指标值，见表3 。 表3 语气算子与定量标度及相对隶属度关系 最后获得主要决策因素隶属度模糊判断矩阵，见表4 。 4 模糊综合评判及优选。采用加权平均模型对方案 集彳进行隶属度复合运算。求得彳 肜月 O ．8 3 2 ，0 ．5 1 3 ， 0 ．6 6 7 。因此，三种采矿方法的综合优越度为方案1 ， 8 3 ．2 ％；方案2 ，5 1 ．3 ％；方案3 ，6 6 ．7 ％。因此根据方案 的优劣次序，方案1 为最优采矿方案。 表4 主要影响因素隶属度模糊判断矩阵 3 机械化无底柱上向水平分层充填法 3 ．1 采场构成要素 矿块沿矿体走向布置，矿块宽度即为矿体水平厚度。 矿房、矿柱交替布置，长度分别为2 51 T I 和2 0 m 。阶段 高4 0m ，划分1 1 ．41 T I 高的多个分段，每个分段负责3 个分层。先采矿柱，后采矿房，矿块底部构筑5m 厚的 人工混凝土假底，确保采场安全作业。回采过程中，最 小控顶高度1 ．8n l ，最大控顶高度7 , 6m 。为降低充填成 本，矿柱采用高灰砂比充填，矿房采用低灰砂充填，待 各分层充填体渗水平场完毕后，铺设0 ．3r n 厚的 昆凝土 板，方便上分层回采时无轨设备的行走。 7 3 ．2 采准切割工程 采用下盘脉外阶段斜坡道采准方式。阶段与各分 段间由采准斜坡道相连通，斜坡道坡度取2 1 ％。在相邻 矿房与矿柱中间掘进穿脉至矿体上盘边界，进行拉底。 通过斜坡道掘进分段平巷，再从采场中央位置掘进下向 采场联络道，随着回采作业的进行，在下向采场联络道 的基础上依次挑顶完成中间采场联络道及上向采场联络 道。根据铲运机爬坡能力要求，下向分层出矿进路为运 矿重车上坡，坡度取1 2 ％，上向分层出矿进路为重车下 坡，坡度取一1 4 ％。在脉内靠近矿体上盘边界处布置回 风井，与上回风平巷连通。阶段内设置下盘分段} 留井， 底端布设振动出矿机，将卸矿横巷与阶段运输平巷连通。 矿房、矿柱的采准切割工程要统筹兼顾，使矿块的采切 工程量最小。 3 ．3 凿岩爆破 采用C O P l 2 3 8 L E 全液压凿岩台车，钻凿4m 深的 上向垂直平行炮孔，炮眼直径4 8m i l l 。每次设计的炮孔 钻凿完毕后，用装药器装填2 4 岩石硝铵炸药，用导爆管 串联各炮孔。最后每个分层采用微差爆破一次性完成爆 破工作。 5 4 工程设计E n g i n e e r i n gD e s i g n 万方数据 匾磊萎萎翔 崦 Ⅱ一Ⅱ 毛盖墨罗 1 一阶段运输平巷，2 一斜坡道，3 一分段运输平巷；4 一穿脉，5 一采场联络道 6 一卸矿横巷l7 一溜井；8 一回风充填天井t9 一回风充填横巷。l O 一泄水管 l l 一人工假底{ 1 2 一上向垂直中深孔I1 3 一充填挡墙 图2 机械化无底柱上向水平充填采矿法 3 ．4 通风与出矿 每次爆破后，必须经充分通风人员方能进入采场， 检查顶板，清除浮石。新鲜风流经由斜坡道、分段平巷 和采场联络道进入采场，冲洗工作面后，经充填通风井 和充填通风巷道，排入上阶段运输巷道。 采用铲运机将崩落的矿石铲装后经采场联络道、分 段平巷及卸矿横巷卸入分段溜井，由设在溜井底部的振 动出矿机向矿车供料。最后由电机车经阶段运输平巷运 至主溜井。 3 ．5 采场充填 每分层出矿完毕后，要及时进行充填，控制地压， 阻止地表出现大变形。相邻采场掘进的废石可直接卸入 待充填采场，作为充填骨料1 1 3 1 0 矿柱充填采用高灰砂比 的江砂胶结充填混合料，矿房采用非胶结充填，回采时 的第一分层均采用高灰砂比胶结体构筑假底，以提高下 阶段采场回采的安全性{ 13 1 0 为减轻铲运机出矿时对层面 的破坏，降低矿石的贫化损失，各分层待充填体渗水平 场完毕后，需铺设0 ．3m 厚的混凝土地板，以形成充填 体与崩落矿石间的隔离层。充填后，至少养护7d ，才 能进行下一分层的回采作业。 4 结论 将大型机械设备合理地融合到传统的采矿方法中， 大大提高回采的机械化程度。同时充分发挥了设备的作 业效率，提高回采强度，缩短作业循环，实现资源的高 利用率，可以为今后类似条件矿山提供借鉴。 最后还需指出，作业过程中，采场控顶高度较大， 顶板地压管理复杂，为确保作业安全，避免发生地压灾 害，需要加强对地压监测和管理。建议可以成立地压检 测机构并配备专业人员及设备。 参考文献 [ 1 】褚洪涛．组合式崩落采矿法试验研究【J 】．矿业研究与开发， 2 0 0 6 ，2 6 Z1 2 3 2 5 ． [ 2 】潘常甲．关于缓倾斜厚大矿体采矿方法的探讨【J ] ．金属矿山， 2 0 0 I 4 1 9 - 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