铜坑矿缓倾斜厚矿体采矿方案的模糊层次优化与设计

ｌ 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 号矿体 和 ９ １ 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 号矿体 几乎 １ 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
００４ ． ６ ． ３ ． ５。 ． ，００ ，００ ，Ｏ０ ） ７ ０ ２ ２
表２ Ａ层次对 Ｂ影响因素模糊判断矩阵
３ 机械化 无底柱 上 向水平 分层 充填 法
３１ 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 ｌ ２ ｌ ５ｒ 和 ０Ｉ。阶段 ｒ ｒ 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 （ ｎ ｙ 。 ｉ ｍｉｙ） ｊ ＝ ／ 对 于定 性指 标 Ｃ ， ，Ｃ，Ｃ。 采用 相对 二 ９ 。 ，Ｃ
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
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。
采用有底柱或底盘漏斗崩落法的 占 ３ ％，其余矿山采用 ５ 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 ］ 山铜矿 ］ 沙坪 、铜 、黄
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 ・ ） 方案集 进行 隶属度 复合 运 ，对 ＋
算 例。 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 个 因 １
物 矿 。走 向 Ｓ ，倾 向 Ｎ，倾 角 １－ ５ ， 向长 ６ ０ｎ， Ｗ ５２。 走 ８ ｌ
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
倾 向长 ８ ０ｍ，最大厚 度 ７ ３ １ｍ，平 均厚 度 １ ５ｍ，标 高
行 接 顶 充填 。
最佳 采矿方 案。
断上 采的作业条件 ，回采到最后一个分层 的时候 ，要进 ２３ 模糊 层次 分析 ＿
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 根据层 次分析法基本原理 ，对各种 目标影响 因素进
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 Ｂｃ （ ，Ｇ ，Ｃ ，Ｃ） ＝ ’＝ｃ ， － ４ ５。代入数据
得 （．７ ， ． ７ ．８ ， ． １ ． ９ ０１５ ０１４ ０１０ ００ ，０ ６ ００ ，０ ６ ， ．０ ， ． ， ８ ０ ３ ２ ２
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 的总体排序权值 Ｗｏ
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 Ｊ 回采过程 中，在凿 岩平巷 中钻凿平行 扇形深孔并 。
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 ８２ Ｔ ８３ １Ｔ ８２ 文献 标识 码 ：Ａ 文章 编号 ：２９ ．７４２ １）５０５ ． Ｄ ０； Ｄ ５ ． ； Ｄ ６ ２ ０ ５１４ （０２０ ． ２０ ０ ４
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
表 １三种采矿方案主要技 术经济指标
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
４ ０ ８ １０ 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、
２ ０ ５ ０ｎ。从 产 状 上 讲 ，属 于 缓 倾 斜 厚 矿 体 。矿 体 以 ５ ～ ８ ｌ
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 。
锌锡矿化为主 ，垂直品位变化较大 ，平均 品位较国 内平
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
ｅＬ 企蠢工 ＮＮＥＲＵＭＴＬＥＧ ＥＲ Ｇ 程 ＯＦＲＯＳ Ｅ ＳＮＩＥＩ Ａ Ｎ Ｎ
ｄ ｉ１ ． ６／ｉ ｎ２ ９ ・７ ４２ １．５ １ ｏ： ０３ ９ ．ｓ．０ ５１４ ． ２０ ． １ ９ ｊｓ ０ ０
铜坑矿缓倾斜厚矿体采矿 方案 的 模糊层次优化与设 计
西 周科平 王 嫱 中南大学 资源与安 全工程 学院 ，长沙
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。 ）
２１ 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
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 尸 口 “（ １ ，… ，＂ 计算 Ｂ层 次各 因 （ “ ＝ ，２ 产 ） 素对 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 ＯＦ ＲＵＭＴ ＳＮｌＥｌ ＮＮ Ｒ０Ｓ Ｅ ＬＥ Ｎ ＲＧ Ｅ Ａ Ｇ Ｅ Ｎ
出判断 ，根据安全、经济 、高效和资源 高利用率 的基本
原则 ，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
Ｇ： ０ ６ ，０１ ３ ． ８ ．１ ） （． ２ ．３ ，０ ８ ，０ ７ 。 ２ ０ ５
０４ ８ ． ３ ；Ｇ＝０８ ３ ． ７ ； Ｃ＝ Ｏ ５ ，０ ５ ） ． ，０１ ） ７ ２ （． ，Ｏ１ ） ４（． ０ ． ０ ； ３ ６ ２ ７
由层次结构模型分析 ，ｃ层次各 因素对方案决策层
基金项 目 ：中南大学前沿研 究计划资助项 目（ １Ｑ Ｚ ０ １ ２ ０ Ｚ Ｄ０） ０
收 稿 日期 ：２ １－４２ ０ ２０ －４
作者简介 ：周科平 （ ６ －，男，湖南衡 阳市人 ，教授 ，博 士 １ ４ ９ ） 主要从事金属矿安全高效开采等方面的研 究。
５ 工程设计 Ｅ ｇｎ ｅｉｇＤ ｓ ｎ ２ ｎ ｉｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｇ
高 ４ Ｉ 分 １． ｍ 高 的多个 分段 ，每 个分 段 负责 ３ ０Ｉ，划 Ｔ １ ４
个分层。先采矿柱 ，后采矿房 ，矿块底部构筑 ５１ 厚的 Ｉ Ｔ 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 Ｉ ． １，最大控顶高度 ７６１。为降低充填成 ８Ｔ ．Ｔ Ｉ 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 ０３Ｉ 厚 的混凝土 －Ｉ ｌ 板 ，方便上分层 回采时无轨设备 的行走 。
素。层次结 构模型如 图 １所示。则决策方 案集 ＝ 。 ，
： ，… ， ｝ ，目标影响因素集 ｛ ２ ｃ ，Ｃ ，…，ｃ … ， 。 ｝
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 。
元 比较法 ， 根据语气算子和定量标度及相对 隶属度关系 ２ Ｊ
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
３２ 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
次的权重 。
表 ４ 主要影 响因素隶属度模糊判断矩阵
＝０３ １ ００ ８ （．４ ， ．５ ，
计算结果归一化：影响因素 － ０ ８ ， ．７ ， ． ２ ＝ ． ５ ０１２ ０４ ， （２ ４
００ ８ ０ ４ ＣＩ（．９ ， ． ７ ０ ６ ． ，． ３ ５ Ｏ ＝ ０５７ ０３ ， ． ６ ３ ０
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 ＬＴＳａｙ提 ．．ａｔ 出的 １ ９ － 标度法 ，由专家对各 目标 因素进行重要性评价 ，
比法 ，有很大的模糊性和主观性 。为 了更科 学严谨地作
铅锌矿 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 ％，尤其 以美国和前苏联为代表 ，采 １ 用充填采矿法的 占２ ％， ３ 其余多采用爆力运 矿采矿法 。 ］ 比较典型 的矿 山有 前苏联捷克佳尔斯克铜矿 、美 国威 布尔勒姆铜铅锌矿 嘲、加拿大加斯佩矿 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
２２ 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
图 １主要 因素影响 目标层 次结 构模 型
般 ，采矿方案传统选择方法主要采用技术经济类