呂明偉，王忠盛，湯永平，譚富生，劉志軍，周丹

(1.江鎢控股集團(tuán)江西漂塘鎢業(yè)有限公司，江西 贛州市 341000；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410012；4.江鎢控股集團(tuán)九江有色金屬冶煉有限公司，江西 九江市 332000)

0 引言

在礦山生產(chǎn)的全生命周期中，采礦方法的應(yīng)用至關(guān)重要。采礦方法一旦確定，礦山采礦設(shè)備、勞動(dòng)組織、地壓管理、礦石損失貧化率、生產(chǎn)成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)即被確定[1]。在以往的采礦方法選擇中主要采用的是經(jīng)驗(yàn)類比法，即以其他類似礦山為參考，定性選擇采礦方法，該方法帶有較大的主觀性，當(dāng)有多個(gè)合適方案可供選擇時(shí)，其局限性表現(xiàn)尤為突出。層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論分析法已應(yīng)用于大量的實(shí)際工程方案比選[2]。為尋求新的適用于細(xì)脈帶急傾斜厚大礦體采礦方法，在經(jīng)驗(yàn)類比法基礎(chǔ)上結(jié)合層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論[2]，從多個(gè)技術(shù)可行的備選方案中優(yōu)選出最佳方案。

1 開采技術(shù)條件

某鎢礦礦體產(chǎn)狀主要為細(xì)脈帶型和石英大脈型，共包含4 條礦體。礦體長200～1230 m，細(xì)脈帶礦體寬4～45 m、最寬78 m，石英大脈型礦體寬0.25～1.10 m，最大脈寬可達(dá)1.46 m，延深155～470 m，礦體呈東西走向，傾南傾北皆有，傾角65°～88°；礦石平均品位：WO30.228%、Sn 0.138%。其中，Ⅲ帶礦體是該礦床中最大的一個(gè)礦脈，分布于礦區(qū)中部，西自20 線，東止31 線，橫貫全區(qū)，全長1300 m，最大延深可達(dá)800 m（延至標(biāo)高0 m 左右），平均帶寬21 m，最寬78 m，所獲鎢錫儲量占總儲量的72%。因此，細(xì)脈帶整體屬于急傾斜厚礦體。礦山對石英大脈型礦體采用了淺孔留礦法開采，對細(xì)脈帶急傾斜厚大礦體采用了分段鑿巖階段礦房法開采。目前，細(xì)脈帶急傾斜厚大礦體所采用的分段鑿巖階段礦房法存在采切工程量大、生產(chǎn)成本高；機(jī)械化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、采場生產(chǎn)能力低；井下同時(shí)作業(yè)的采場多、井下作業(yè)人員多，礦山生產(chǎn)安全管理難度大等問題日益突出。為解決上述問題，選擇新的采礦方法已迫在眉睫。

2 采礦方法優(yōu)選

根據(jù)礦體形態(tài)、厚度、賦存條件及圍巖穩(wěn)固性等條件，考慮選擇機(jī)械化程度高的高效采礦方法。以國內(nèi)外類似礦山開采條件下采礦方法選擇經(jīng)驗(yàn)為參考依據(jù)，初步選擇了技術(shù)可行的大直徑深孔階段空場法（方案一）、分段鑿巖階段空場法（方案二）、高分段上下向鑿巖階段空場法（方案三）和水平落礦階段空場法（方案四）。4 個(gè)方案均采用塹溝式底部結(jié)構(gòu)并配鏟運(yùn)機(jī)出礦。為便于比較，各方案主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

表1 各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2.1 建立采礦方法綜合評價(jià)模型

評價(jià)采礦方法的優(yōu)劣是一個(gè)影響因素眾多的復(fù)雜問題，因此建立科學(xué)合理的評價(jià)指標(biāo)體系尤為關(guān)鍵，將直接影響著最終評估結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。在建立評價(jià)指標(biāo)體系過程中，需同時(shí)考慮定量和定性兩種影響因素，尤其需關(guān)注兩者相互制約影響的關(guān)系。通常評價(jià)指標(biāo)的選取是以盡可能少的指標(biāo)反映出最真實(shí)、最主要和最全面的信息為主要原則?；谝陨显瓌t，本文選取采礦直接成本（X1）、礦石損失率（X2）、礦石貧化率（X3）、采場生產(chǎn)能力（X4）、采切比（X5）、采礦工效（X6）、方案靈活適應(yīng)性（X7）、工人熟悉程度（X8）、實(shí)施難易程度（X9）、作業(yè)安全程度（X10）、通風(fēng)條件（X11）、勞動(dòng)強(qiáng)度（X12）及爆破對巖體影響（X13）共13 個(gè)因素作為評價(jià)指標(biāo)[4]。其中技術(shù)指標(biāo)包括采場生產(chǎn)能力、采切比、采礦工效、方案靈活適應(yīng)性、工人熟悉程度和實(shí)施難易程度；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括采礦直接成本、礦石損失率和貧化率；安全指標(biāo)包括作業(yè)安全程度、通風(fēng)條件、勞動(dòng)強(qiáng)度和爆破對充填體影響。建立綜合評價(jià)模型之前，需構(gòu)建綜合評價(jià)（O）指標(biāo)體系，本文利用層次分析法基本原理建立采礦方法綜合評價(jià)模型，具體建模過程如圖1 所示。

圖1 采礦方法綜合評價(jià)模型

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

由于AHP 進(jìn)行決策時(shí)主要依據(jù)決策者主觀判斷，不可避免地會(huì)受到?jīng)Q策者主觀判斷的影響。為盡可能減小主觀認(rèn)知對決策的影響，所選決策者必須具備淵博的學(xué)識并且對當(dāng)前問題有充分的認(rèn)識，否則其做出的決策必然與實(shí)際不符而不具代表性。為避免上述問題，根據(jù)AHP 基本原理，經(jīng)查閱文獻(xiàn)，并與專家和現(xiàn)場工作人員交流，從實(shí)際出發(fā)構(gòu)造相對應(yīng)的目標(biāo)層（O）、準(zhǔn)則層（P）的指標(biāo)層（X）判斷矩陣。

首先構(gòu)造出采礦技術(shù)方案目標(biāo)層對應(yīng)3 類指標(biāo)的準(zhǔn)則層判斷矩陣D1，接著基于判斷矩陣求解出最大特征值λ1max和特征向量W1，并對判斷矩陣檢驗(yàn)其一致性[5]。

經(jīng)計(jì)算得出，最大特征值λ1max=3.053，特征向量W1=（0.761,0.240,0.604）。對上文構(gòu)造出的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：CI=0.025，RI=0.58，CR=0.043＜0.1，經(jīng)檢驗(yàn)判斷矩陣D1滿足一致性。因此，得出采礦技術(shù)方案目標(biāo)層對應(yīng)三類指標(biāo)準(zhǔn)則層的權(quán)重向量等于其特征向量，即權(quán)重向量為W1=(0.761,0.240,0.604)。

同理，對3 類指標(biāo)依次構(gòu)造出各類指標(biāo)準(zhǔn)則層對應(yīng)其各影響因素指標(biāo)層的判斷矩陣D2、D3、D4：

基于上述判斷矩陣，可計(jì)算出對應(yīng)的最大特征值λ2max、λ3max、λ4max；對應(yīng)特征向量W2、W3、W4，經(jīng)計(jì)算可得出判斷矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果。表2 為判斷矩陣D1、D2、D3、D4所對應(yīng)的特征向量、最大特征值、一致性檢驗(yàn)指標(biāo)及一致性指標(biāo)比率結(jié)果。

表2 層次單排序結(jié)果

由表2 可知，判斷矩陣D1、D2、D3、D4均滿足一致性。因此，采礦方案目標(biāo)層特征向量W1的各分量可作為3 類指標(biāo)準(zhǔn)則層的權(quán)重，W2、W3、W4的各分量可作為各影響因素指標(biāo)層的權(quán)重。確定三類指標(biāo)準(zhǔn)則和各影響因素指標(biāo)單排序權(quán)重后可進(jìn)行評價(jià)系統(tǒng)的層次總排序和一致性檢驗(yàn)，層次總排序結(jié)果見表3。

表3 層次總排序結(jié)果

總排序權(quán)重一致性檢驗(yàn)及一致性指標(biāo)比率CR計(jì)算過程如下所示：

經(jīng)計(jì)算得出層次總排序一致性指標(biāo)比率CR=0.021＜0.1，其結(jié)果滿足一致性。由此說明用層次分析法確定的各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，能有效應(yīng)用于綜合評價(jià)。最終確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量W如下：

2.3 確定因素集和方案集

本次采礦方法優(yōu)選的4 個(gè)備選方案為：大直徑深孔階段空場法（方案一）、分段鑿巖階段空場法（方案二）、高分段上下向鑿巖階段空場法（方案三）、水平深孔落礦階段空場法（方案四），由此可確定出方案集為：A={方案一、方案二、方案三、方案四}。

根據(jù)所選的13 個(gè)影響采礦方法選擇的因素，確定其因素集為：X=（X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13）。其中，X1、X2、X3、X4、X5、X6為定量指標(biāo)，可采用實(shí)測法和數(shù)值計(jì)算法得出；X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13為定性指標(biāo)。各采礦方法定量評價(jià)指標(biāo)值和定性評價(jià)描述分別列于表4 和表5。

表4 各采礦方法評價(jià)定量指標(biāo)值

表5 各采礦方法評價(jià)定性描述

2.4 確定隸屬度矩陣

定量指標(biāo)隸屬度可采用隸屬度函數(shù)法計(jì)算[6]，本文所選4 個(gè)采礦方案對應(yīng)的6 個(gè)定量指標(biāo)組成的目標(biāo)特征值矩陣為：

因各評價(jià)指標(biāo)量綱不同，因此相互間不具可比性。為比較各評價(jià)指標(biāo)，必須進(jìn)行歸一化處理。定量指標(biāo)中消耗性指標(biāo)包括采礦直接成本、礦石損失率、礦石貧化率和采切比；收益性指標(biāo)包括采場生產(chǎn)能力和采礦工效。經(jīng)處理計(jì)算得出定量指標(biāo)隸屬度矩陣為：

定性指標(biāo)的隸屬度可采用二元對比法計(jì)算[7?8]，根據(jù)各采礦方法的靈活適應(yīng)性特點(diǎn)及各方案間的比較，得出定性指標(biāo)特征向量矩陣為：

式中，左側(cè)為特征向量矩陣，右側(cè)為按行相加后根據(jù)大小進(jìn)行排序。因此，根據(jù)“語氣算子與定量標(biāo)度相對隸屬度關(guān)系表”確定出定性指標(biāo)隸屬度矩陣為：R7=[0.250,1,0.538,0.538]。

同理，得出工人熟悉程度、實(shí)施難易程度、作業(yè)安全程度、通風(fēng)條件、勞動(dòng)強(qiáng)度、爆破對巖體的6 個(gè)影響因素各自對應(yīng)的特征向量矩陣e2、e3、e4、e5、e6、e7分別為：

采用“方案靈活適應(yīng)性”隸屬度矩陣計(jì)算方法計(jì)算出工人熟悉程度、實(shí)施難易程度、作業(yè)安全程度、通風(fēng)條件、勞動(dòng)強(qiáng)度、爆破對充填體影響對應(yīng)的隸屬度矩陣R8、R9、R10、R11、R12、R13分別為：

綜合以上隸屬度矩陣，得出綜合隸屬度矩陣為：

2.5 最優(yōu)方案確定

根據(jù)已得出的權(quán)重向量和指標(biāo)隸屬度矩陣，最終算出方案集A綜合評價(jià)向量為：

根據(jù)綜合評價(jià)向量，得出各方案優(yōu)劣次序?yàn)椋悍桨敢唬痉桨付痉桨溉痉桨杆?。因此，推薦礦山采用大直徑深孔階段空場法開采細(xì)脈帶急傾斜厚大礦體。

3 結(jié)論

本文對某鎢礦細(xì)脈帶急傾斜厚大礦體進(jìn)行采礦方法優(yōu)化選擇，從礦體開采技術(shù)條件出發(fā)，參照類似礦山經(jīng)驗(yàn)用經(jīng)驗(yàn)類比法預(yù)選出4種技術(shù)可行的采礦方案，并在此基礎(chǔ)上用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論綜合分析13 個(gè)影響因素，建立綜合評判模型，計(jì)算出綜合評價(jià)向量，優(yōu)選出了最佳采礦方法，主要得出以下結(jié)論：

（1）將層次分析法（AHP）與模糊數(shù)學(xué)分析法相結(jié)合，能有效處理復(fù)雜多因素系統(tǒng)問題，能以確切數(shù)值定量分析問題，比經(jīng)驗(yàn)類比等定性法更具說服力；

（2）綜合使用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)分析法，整體考慮采礦直接成本、礦石損失率、礦石貧化率、采場生產(chǎn)能力、采切比、采礦工效、方案靈活適應(yīng)性、工人熟悉程度、實(shí)施難易程度、作業(yè)安全程度、通風(fēng)條件、勞動(dòng)強(qiáng)度及爆破對巖體影響等13 個(gè)對采礦方法選擇影響較大的因素，分別用隸屬函數(shù)法計(jì)算定量指標(biāo)隸屬度，用二元對比法計(jì)算定性指標(biāo)隸屬度，解決了不同評價(jià)指標(biāo)隸屬度計(jì)算問題。

（3）根據(jù)確定的權(quán)重向量和指標(biāo)隸屬度矩陣，計(jì)算得出方案集A的綜合評價(jià)向量，進(jìn)而算出各方案優(yōu)越度依次為：方案一81.2%；方案二78.7%；方案三70.2%；方案四64.0%。因此，大直徑深孔階段空場法（方案一）為最優(yōu)采礦方案。