饒運(yùn)章， 李 闖， 黃凱龍， 朱為民， 陳國(guó)梁， 王春華

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

基于Fuzzy理論的東鄉(xiāng)銅礦V號(hào)礦體采礦方法的選擇

饒運(yùn)章， 李 闖， 黃凱龍， 朱為民， 陳國(guó)梁， 王春華

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

采礦方法的選擇是礦山設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)，多以經(jīng)驗(yàn)為主，其主觀的隨意性較大，詳細(xì)介紹了模糊數(shù)學(xué)和隸屬函數(shù)理論在東鄉(xiāng)銅礦采礦方法選擇上的應(yīng)用，結(jié)合該礦山的礦體賦存特征以及多年的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用模糊數(shù)學(xué)理論定量定性出隸屬度矩陣，結(jié)合二元相對(duì)選擇矩陣和各因數(shù)的權(quán)矩陣最終計(jì)算出各采礦方法的相對(duì)選擇矩陣，用定量的方法選擇出最優(yōu)的采礦方法，與礦山實(shí)際情況一致，成果具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.

采礦方法；模糊數(shù)學(xué)；隸屬函數(shù)；相對(duì)選擇矩陣

0 引言

在礦山開采設(shè)計(jì)中，采礦方法的選擇至關(guān)重要，根據(jù)礦體的賦存條件，依據(jù)實(shí)際情況選取最優(yōu)的采礦方法對(duì)于該礦山的生產(chǎn)將起到至關(guān)重要的作用，甚至起到?jīng)Q定一個(gè)礦山生產(chǎn)生存的重要地位[1-4].在實(shí)際工作中，針對(duì)具體情況，選擇合理的采礦方法是礦山工作人員的重要使命.

1 東鄉(xiāng)銅礦V號(hào)礦體賦存特征

東鄉(xiāng)銅礦礦區(qū)銅礦床由大小不等的6個(gè)銅礦體、Ⅰ個(gè)硫礦體組成.Ⅰ、Ⅷ為次生富集銅礦體，Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ為原生硫化銅礦體，Ⅲ為硫礦體.

Ⅴ號(hào)礦體為礦區(qū)規(guī)模最大的原生硫化銅礦體，分布于礦區(qū)中部19～63勘探線間，受F3(19～63線)和F1(47～63線)斷裂破碎帶控制，全長(zhǎng)約1200 m，走向NE～SW，傾向SE.

礦體主要賦存在梓山組上段（C1z2）中部，礦體一般呈較厚的似層狀，在27線為透鏡狀.從39線往西，礦體分成兩支，淺部礦體較小，只延至51線；深部礦體則延至63線，且厚度較大.礦體埋藏深度0～-500 m標(biāo)高，但一般都在-450 m標(biāo)高以上.礦體沿傾向延伸長(zhǎng)度最大達(dá) 580 m（35 線）.礦體傾角一般40～48°，深部稍有變緩的趨勢(shì).礦體最大厚度62.58 m，一般厚10～36 m.Ⅴ號(hào)礦體賦存于碎屑粘土巖和花崗閃長(zhǎng)斑巖的結(jié)合部位，受F3和F1層間斷裂破碎帶控制，礦巖交代作用比較強(qiáng)烈，礦化圍巖以細(xì)砂巖和粉砂巖為主.礦石以原生黃銅礦石為主，膠狀黃鐵礦和黃鐵礦次之，礦石構(gòu)造以散染狀和塊狀礦石為主.黃銅黃鐵礦石中的裂隙不太發(fā)育，如沒有成礦后的小斷層破壞，巖體比較完整和穩(wěn)定.

開采范圍內(nèi)礦體上盤圍巖以砂頁(yè)巖和花崗閃長(zhǎng)斑巖為主，巖體裂隙較發(fā)育、破碎，間接頂板多為第三系下部礫巖的巖溶含水帶，透水性較強(qiáng)；礦體下盤圍巖以中細(xì)粒石英砂巖和粉砂巖為主、構(gòu)造角礫巖、頁(yè)巖和粘土巖次之，巖體裂隙發(fā)育、容易吸水而膨脹，給底盤的坑道布置和維護(hù)帶來(lái)一定的困難.從總體穩(wěn)定性來(lái)看，頂板最差、底板次之，礦體較好.但從-235 m中段的實(shí)際開拓情況表明，礦體下盤圍巖十分破碎，極易膨脹垮塌，井巷工程難以布置，因此局部礦段底板圍巖的穩(wěn)定性要比頂板情況更為惡劣.

由于礦石含硫較高，且膠狀黃鐵礦含量在原生礦中較大，礦山的實(shí)踐表明、膠狀黃鐵礦與空氣接觸易氧化發(fā)熱，有時(shí)甚至可能自燃著火.

2 采礦方法初選

根據(jù)東鄉(xiāng)銅礦的開采技術(shù)條件及礦體賦存條件，技術(shù)上可行的采礦方法主要有:1分段空?qǐng)?、單元回采嗣后高水膠結(jié)充填法；2分段充填采礦法；3下向六角形傾斜進(jìn)路膠結(jié)充填法.

2.1 分段空?qǐng)觥卧夭伤煤蟾咚z結(jié)充填法

當(dāng)?shù)V體水平厚度小于15 m時(shí)，礦塊沿走向布置，不分礦房、礦柱；當(dāng)?shù)V體水平厚度大于15 m時(shí)，礦塊垂直走向布置，每個(gè)礦塊分為礦房、礦柱，兩步驟回采.礦房、礦柱均采用“分段空?qǐng)?、單元回采、嗣后高水膠結(jié)充填法”回采.采礦方法見圖1.

（1）礦塊構(gòu)成要素

礦塊垂直礦體走向布置時(shí)，礦塊寬25 m，高45 m，長(zhǎng)為礦體水平厚度，分成礦房、礦柱，兩步驟進(jìn)行回采.礦房、礦柱各寬12.5 m，在礦房垂直礦體走向的方向，間隔20～25 m左右布置回采單元，回采單元之間留有4 m厚的間柱，作為永久損失；當(dāng)?shù)V巖穩(wěn)定性逐步變好時(shí)，回采單元可適當(dāng)加大，回采單元間柱甚至可以不予設(shè)置.礦房不留頂柱，底柱13 m（其中塹溝式底部結(jié)構(gòu)高8 m），底柱以上設(shè)有4個(gè)鑿巖分段，分段高度為8 m.當(dāng)?shù)V塊沿走向布置時(shí)或回采礦柱時(shí)，礦塊構(gòu)成要素基本相同.

（2）采準(zhǔn)切割工作

人行通風(fēng)井：每隔50 m設(shè)置2條，由相鄰兩個(gè)礦塊共用，分別設(shè)在出礦巷道兩端，兩條井在礦塊頂、底板圍巖里與各分段鑿巖坑道和穿脈運(yùn)輸坑道均相連，前端的人行通風(fēng)井用作各采場(chǎng)作業(yè)人員和設(shè)備材料的進(jìn)出，尾部的人行通風(fēng)井主要作為安全行人、回風(fēng)井使用.

出礦巷道及裝礦橫巷：在礦塊中央穿脈運(yùn)輸巷上部從前端的人行通風(fēng)天井掘出礦巷道至尾部人行通風(fēng)井，并每間隔8～10 m掘進(jìn)裝礦橫巷，裝礦橫巷與塹溝巷道相連，保證鏟運(yùn)機(jī)的出礦作業(yè).

溜礦井：在穿脈運(yùn)輸巷道中掘一條溜礦井與上部出礦巷道相連，將鏟運(yùn)機(jī)卸下的礦石溜至中段運(yùn)輸巷道.

塹溝巷道：在裝礦橫巷的端部、礦房中央掘進(jìn)一塹溝巷道，在其中鉆鑿扇形中深孔，爆破后形成塹溝底部結(jié)構(gòu).

分段鑿巖巷道及分段聯(lián)絡(luò)道：在底部結(jié)構(gòu)以上每間隔8 m為一分段掘鑿巖巷道和分段聯(lián)絡(luò)道，在鑿巖巷道中鉆扇形中深孔進(jìn)行回采作業(yè)，而每一礦房鑿巖巷道經(jīng)分段聯(lián)絡(luò)道相連以方便各礦塊人員設(shè)備通行.

切割天井和切割橫巷：在礦房的分段鑿巖巷道中，每回采單元掘一連通上下分段的天井，作為切割槽形成的初始自由空間，并在天井下部垂直分段鑿巖巷道掘出切割橫巷.

2.2 分段充填采礦法

綜合無(wú)底柱分段崩落法和上向水平分層充填法的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的一種新型采礦法，該法在一些礦山進(jìn)行了試驗(yàn)研究和應(yīng)用，取得了較好的效果，但該法對(duì)礦體形態(tài)、厚度、傾角變化的適應(yīng)性較差，受不穩(wěn)固圍巖的影響也比較大.采礦方法見圖2.

（1）礦塊構(gòu)成要素

圖2 分段充填采礦法

當(dāng)?shù)V體水平厚度小于15 m左右時(shí)，礦塊沿走向布置，不分礦房、礦柱；當(dāng)?shù)V體水平厚度大于15 m時(shí)，礦塊垂直走向布置，每個(gè)礦塊分為礦房、礦柱，兩步驟回采.

礦塊垂直礦體走向布置時(shí)，礦塊寬20 m，高45 m，長(zhǎng)為礦體水平厚度，分成礦房、礦柱，兩步驟進(jìn)行回采.礦房、礦柱各寬10 m.當(dāng)?shù)V巖穩(wěn)定性逐步變好時(shí)，礦塊寬度可適當(dāng)加大.當(dāng)?shù)V塊沿走向布置時(shí)或回采礦柱時(shí)，礦塊構(gòu)成要素基本相同.

（2）回采工藝

在中段穿脈運(yùn)輸巷道和分段平巷旁，開鑿采場(chǎng)溜礦井.溜礦井與上部各無(wú)軌分段運(yùn)輸平巷相連，將鏟運(yùn)機(jī)卸下的礦石溜至中段運(yùn)輸巷道.在礦塊頂板或底板圍巖中開鑿回風(fēng)充填天井連接各分段鑿巖、出礦坑道.采場(chǎng)出礦穿脈利用探礦巷道修復(fù)而成，采場(chǎng)頂部回風(fēng)巷道利用上水平探礦穿脈巷道.切割工作主要有切割平巷和切割天井.在分段回采之前沿切割平巷和切割天井拉切割槽.

2.3 下向六角形傾斜進(jìn)路膠結(jié)充填法

下向六角形傾斜進(jìn)路膠結(jié)充填法是適用于礦石和圍巖都極不穩(wěn)定狀態(tài)下的一種采礦方法，這種采礦方法對(duì)礦體形態(tài)、厚度、傾角變化的適應(yīng)性強(qiáng)，安全性較好.但由于礦塊生產(chǎn)能力較低、采礦成本高，貧化損失率小，一般主要用于回采高品位或價(jià)值較高的礦石.采礦方法見圖3.

（1）礦塊構(gòu)成要素

采場(chǎng)沿礦體走向布置，長(zhǎng)度一般為50 m，高45 m，寬為礦體水平厚度.

圖3 下向六角形傾斜進(jìn)路膠結(jié)充填法

采場(chǎng)內(nèi)，分層道垂直走向布置，回采進(jìn)路沿走向布置.溜礦井和人行通風(fēng)井布置在采場(chǎng)中央.分層道高度與分層高度一致，為2.0 m，寬度為2.5 m.回采進(jìn)路長(zhǎng)度一般為25 m，斷面高為4 m，頂?shù)讓? m，腰5.4 m.

（2）回采工藝及設(shè)備

采場(chǎng)實(shí)行下向分層進(jìn)路間隔回采，采用YT-27型鑿巖機(jī)鑿巖，2DPJ-30型電耙出礦.采場(chǎng)內(nèi)設(shè)3臺(tái)電耙，分層道1臺(tái)，兩個(gè)回采進(jìn)路各1臺(tái).回采進(jìn)路工作面的礦石，由1臺(tái)電耙耙入分層道后，再由分層道電耙耙入采場(chǎng)溜礦井.在溜井底部用振動(dòng)放礦機(jī)將礦石裝入礦車，由電機(jī)車運(yùn)往主溜礦井.采場(chǎng)也可采用WJD-0.75型電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)或礦山現(xiàn)有的風(fēng)動(dòng)裝載機(jī)出礦.

3種采礦方法的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表1.

表1 采礦方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

3 采礦方法方案的確定

3.1 模糊數(shù)學(xué)法基本原理

Fuzzy數(shù)學(xué)理論方法是把客觀的許多模糊性加以數(shù)學(xué)化，數(shù)字化，以便于利用人們所熟悉的經(jīng)典數(shù)學(xué)理論和方法進(jìn)行分析和處理，從而得出準(zhǔn)確的和精確的結(jié)果.方便人們選擇與總結(jié)，是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論發(fā)展史上的一個(gè)新飛躍.所謂的模糊性是指客觀事物差異的中間過(guò)渡的不分明性[5-8].Fuzzy數(shù)學(xué)理論采用隸屬函數(shù)描述模糊現(xiàn)象.隸屬函數(shù)表示元素屬于模糊集合的程度，它在[0-1]區(qū)間連續(xù)取值，礦體處于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，開采條件具有很大的模糊性，不能把各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較直接進(jìn)行定量的計(jì)算，因而在進(jìn)行采礦方法的選擇時(shí)也存在較多的模糊性，不能單純的依賴技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行選擇.而Fuzzy數(shù)學(xué)理論是將各種模糊或者主關(guān)因素轉(zhuǎn)化為量化形式，運(yùn)用經(jīng)典數(shù)學(xué)理論和方法把各個(gè)方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)量化，使采礦方法方案的選擇更加合理、科學(xué)、可靠[9-11].

3.2 模糊數(shù)學(xué)評(píng)判采礦方法的基本步驟

模糊數(shù)學(xué)評(píng)判模型如下：

式中：B-各采礦方法的相對(duì)選擇矩陣

A-各因數(shù)的權(quán)矩陣

R-模糊關(guān)系隸屬度矩陣

3.3 模糊矩陣的確定

3.3.1 定量指標(biāo)隸屬度的確定

定量指標(biāo)隸屬度按下面的公式計(jì)算：對(duì)于正指標(biāo)（越大越優(yōu)）：

對(duì)于負(fù)指標(biāo)（越小越優(yōu)）：

式中：tij中j為方案i為指標(biāo)的隸屬度；

dimin中i為指標(biāo)的下限值；

dimax中i為指標(biāo)的上限值.

選取礦塊綜合生產(chǎn)能力，損失率，貧化率，千噸采切比，采掘成本定量數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）、式（2）及表1的數(shù)據(jù)計(jì)算各采礦方法定量指標(biāo)的隸屬度矩陣.

3.3.2 定性指標(biāo)隸屬度的確定

采用指標(biāo)二元對(duì)比排序法求隸屬度.將2個(gè)指標(biāo)按其相對(duì)重要性程度劃分成5個(gè)等級(jí)，采用4級(jí)標(biāo)度法，按表2的賦值方法請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的專家賦值.

表2 定性指標(biāo)賦值表

bij=fji/fij， 且滿足 bij=1，bij=1/bji，當(dāng) bij≥1 時(shí)，令bij=1.于是對(duì)于每個(gè)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，都可得N元對(duì)比排序法的矩陣B=bij，對(duì)矩陣每行取最小值，就得到各方案對(duì)該指標(biāo)的隸屬度.將定性指標(biāo)的隸屬度與定量指標(biāo)的隸屬度組合在一起，得到所有評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度的模糊矩陣[4].

選取安全性，工藝簡(jiǎn)單程度，礦適應(yīng)條件3個(gè)定性指標(biāo)，各定性指標(biāo)的隸屬度見表3至表5.

表3 安全性

表4 工藝簡(jiǎn)單程度

表5 礦體適應(yīng)條件

綜合指標(biāo)隸屬度矩陣R為：

3.4 各因素權(quán)矩陣A的確定

設(shè)待排序?qū)ο笕w構(gòu)成的集合為論域C={X1,X2，…，XN},論域C中可以根據(jù)某些性質(zhì)對(duì)任意兩個(gè)元素進(jìn)行比較，從而確定元素間的優(yōu)劣.所以，可針對(duì)論域 C中的任意兩個(gè)元素Xi，Xj定義一個(gè)“二元相對(duì)比較級(jí)”Fj(Xi)它表示Xi相對(duì)于Xj而言所具有的優(yōu)越性；而Fi(Xj)則表示Xj相對(duì)于Xj而言所具有的優(yōu)越性.此外，F(xiàn)i(Xi)規(guī)定為1.

其論域C中各元素對(duì)某一性質(zhì)貢獻(xiàn)的相對(duì)大小，可確定任意兩個(gè)元素Xi，Xj的 “二元相對(duì)比較級(jí)”：Fj(Xi)之后便可建立二元相對(duì)比較矩陣M：

根據(jù)二元相對(duì)比較矩陣M中的各元素，可進(jìn)一步計(jì)算出“相對(duì)函數(shù)” “F（XI/XJ）”,其定義為:

式(4)中符號(hào)“∨”表示為取大值運(yùn)算.

根據(jù)式(4)計(jì)算各“相對(duì)函數(shù)”，由此便可構(gòu)造各因素權(quán)矩陣A：

經(jīng)計(jì)算得權(quán)矩陣A為：

計(jì)算各因素的權(quán)重值：

其 中 ，a1=0.9672，a2=0.6248，a3=0.7810，a4=0.4361，a5=0.2374，a6=0.1055，a7=0.8954，a8=1.0000.

權(quán)矩陣A為：

根據(jù)公式B=A×R計(jì)算出各采礦方法的相對(duì)選擇矩陣為B=(3.8668,2.1163,2.8269).

對(duì)矩陣B中的各數(shù)據(jù)作歸一化處理，得到相對(duì)權(quán)重向量為(0.4389，0.2402，2.8269).

由此可以看出，適合東鄉(xiāng)銅礦的采礦方法依次為：分段空?qǐng)鰡卧夭筛咚z結(jié)充填法，分段膠結(jié)充填法，下向六角形傾斜進(jìn)路膠結(jié)充填法.

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）模糊數(shù)學(xué)能夠直觀的選擇出最優(yōu)的采礦方案，克服了傳統(tǒng)上通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的弊端，為采礦方法的選擇提供了新的思路，具有較好較廣泛的經(jīng)濟(jì)和使用價(jià)值.

（2）模糊數(shù)學(xué)通過(guò)對(duì)定量和定性指標(biāo)隸屬度的計(jì)算將采礦方法方案中的各個(gè)指標(biāo)定量化，為采礦方法的選擇提供了可靠，科學(xué)的新方法.

（3）模糊數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單易懂，計(jì)算簡(jiǎn)單，采礦方法的選擇經(jīng)濟(jì)效益最大化，計(jì)算的結(jié)果符合礦山的實(shí)際情況，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.

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Mining Methods Selection of Dongxiang Copper Mine’s V Ore-body Based on Fuzzy Theory

RAO Yun-zhang，LI Chuang，HUANG Kai-long，ZHU Wei-min，CHEN Guo-liang，WANG Chun-hua

(Faculty of Resources and Environment Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

The choices of mining methods are of subjective arbitrariness based on experiences. This paper introduces the applications of fuzzy mathematics and membership function on the mining method selection in Dongxiang Copper Mine.Membership matrix is quantitatively and qualitatively concluded by using fuzzy mathematics theory on the based on the mine’s ore body occurrence characteristic and years of production experiences.We work out the relative selection matrix of each mining method with binary selection matrix and the weight matrix of each factor.The optimal mining method worked out with quantitative analysis,which is of great economic value,is consistent with the actual mining situation.

mining methods；fuzzy mathematics；membership function；relative selection on matrix

TD853.34

A

1674-9669（2011）04-0039-06

2011-03-28

饒運(yùn)章（1963－ ），男，博士，教授，主要從事采礦工程和環(huán)境巖土方面的教學(xué)科研工作,E-mail:raoyunzhang@sohu.com.