張衛(wèi)中 王維慶 彭亞利 康欽容 張電吉

(1.武漢工程大學資源與安全工程學院,湖北 武漢 430073;2.湖北興發(fā)化工集團股份有限公司,湖北 宜昌 443700)

我國是磷資源儲量大國,磷礦資源主要分布在云、貴、川、鄂、湘等省份,湖北宜昌是全國磷礦資源儲量五大基地之一[1]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,淺部磷礦資源急劇減少,對深部磷礦資源的需求日益加大。目前磷礦開發(fā)主要采用地下開采模式,在磷礦深部開采中為確保資源得到合理開發(fā)利用,推動礦山可持續(xù)發(fā)展,應(yīng)以礦山安全高效生產(chǎn)為前提,擴大生產(chǎn)規(guī)模,降低成本,從而獲得最佳的資源效益[2]。在礦山生產(chǎn)中合理的采礦方法具有決定性作用,采礦方法的選擇是各采礦要素的合理整合,開采過程中不僅要有良好的作業(yè)條件,還應(yīng)保證礦山能持續(xù)穩(wěn)定地生產(chǎn)。

針對緩傾斜薄—中厚礦體的賦存狀態(tài)及開采技術(shù)條件,常用的采礦方法有房柱法[3]、電耙留礦法[4]、充填法[5]、底盤漏斗法以及爆力搬運方法[6-7]。目前,隨著國內(nèi)采礦業(yè)的不斷發(fā)展,深部開采逐漸向大型化、機械化、智能化發(fā)展,部分礦山根據(jù)政策導向采用充填法開采也取得了良好的經(jīng)濟效益。隨著國內(nèi)外無軌設(shè)備的不斷研究與應(yīng)用,國內(nèi)礦山房柱法的產(chǎn)能也逐步提升。近年來,由于對中低品位礦石生產(chǎn)需求的日益加大,在地下采礦方法中房柱法所占比重也越發(fā)明顯,國內(nèi)占1/10,國外平均達到1/3,美國、法國等發(fā)達國家比重更高。

隨著技術(shù)變革帶來的各學科和計算機應(yīng)用的交叉使用,在礦山開采中,各種理論和軟件被應(yīng)用到了采礦行業(yè),如數(shù)字礦山、數(shù)值模擬、價值工程、灰色理論、模糊數(shù)學等。早在20世紀70年代T.L.Saaty創(chuàng)立的層次分析法是一種權(quán)重決策分析方法,該方法運用運籌學理論進行定性和定量分析相結(jié)合的思路來確定最優(yōu)決策方案[8-9]。根據(jù)瓦屋磷礦Ⅳ礦段實際地質(zhì)和開采技術(shù)條件,并結(jié)合層次分析和模糊數(shù)學理論的優(yōu)點,本研究綜合選取5個方面的采礦方法優(yōu)選影響因素,建立采礦方法評價指標體系,將一個系統(tǒng)方案的各影響因素進行層次化、條理化處理,再依次進行影響因素的兩兩比較,對各層因素進行權(quán)重賦值,最后運用模糊數(shù)學理論建立評判矩陣,進而確定出適用于瓦屋磷礦Ⅳ礦段緩傾斜薄—中厚礦體的合理采礦方法。

1 礦體概況及開采技術(shù)條件

(1)礦體概況。瓦屋磷礦Ⅳ礦段是瓦屋礦區(qū)Ⅰ、Ⅲ礦段往南深部延伸區(qū)域,地質(zhì)構(gòu)造復雜多變。礦段處于F1斷層下盤,該礦段主要礦層(ph13礦層)為沉積型磷礦巖,震旦系上統(tǒng)陡山沱組第二段。瓦屋Ⅳ礦段礦體傾向 SE,傾角17°～25°,平均傾角18°,屬緩傾斜礦體,平均厚度5.46 m。本研究試采區(qū)礦體厚度為4.7 m左右,深度為+112.17～+1 021.97 m。P2O5品位為18.06%～29.86%,平均品位為22.03%。礦段探礦面積約4.6 km2,資源儲量為71 411 kt。

(2)水文地質(zhì)條件。該礦段屬于沉積型磷礦巖,有2/3以上的磷礦層埋藏于當?shù)厍治g基準線以下。礦段頂板直接和間接進水,含水層中主要為溶蝕裂隙,按照礦床勘探復雜程度劃分,該礦段水文地質(zhì)條件屬于中等偏復雜類型。

(3)工程地質(zhì)條件。礦體頂?shù)装鍑鷰r分別為白云巖和含磷泥巖。ph13磷礦層與白云巖頂板致密堅硬、強度高、完整性好、底板較軟弱、強度低,工程地質(zhì)條件屬于中等類型。

(4)開采技術(shù)條件。瓦屋磷礦Ⅳ礦段屬于緩傾斜薄—中厚礦體,圍巖穩(wěn)定性較好,斷層、節(jié)理與裂隙不發(fā)育。由于礦石存在膠結(jié)結(jié)構(gòu),塊狀礦石易松散,片幫嚴重;頂板白云巖含有硅質(zhì)巖,其中方解石遇水易膨脹,頂板容易形成炸頂、脫層現(xiàn)象,冒頂片幫成為開采的不穩(wěn)定因素。開采技術(shù)參數(shù):堅固性系數(shù)f礦石為8～10、頂板為15,密度為2.85 t/m3,松散系數(shù)為1.86,安息角為 38°。

2 采礦方法初步選擇

瓦屋磷礦Ⅳ礦段屬于緩傾斜薄—中厚礦體,并處于F1斷層下盤,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜,其開采難度主要在于[10-11]:①緩傾斜礦體無法通過自重溜礦,放礦困難;②薄礦體無法發(fā)揮大型設(shè)備優(yōu)勢,不合理的采礦布置會導致采切工程量大,消耗成本高;③ 復雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)導致頂板管理難度大,冒頂片幫現(xiàn)象嚴重,需采用預(yù)留大量礦柱的方法來控制頂板,礦石損失量大。

緩傾斜薄—中厚礦體常用的幾種采礦方法對于瓦屋磷礦適應(yīng)性不強,具體表現(xiàn)在:該礦的礦體賦存傾角為17°～25°,不適宜采用大規(guī)模爆力搬運的采礦方法;底盤漏斗法由于采切工程量過大,無法獲得很好的經(jīng)濟效益;由于現(xiàn)階段礦山還未建設(shè)充填系統(tǒng),充填成本較高,磷礦效益起伏不定,目前充填法尚無法實施;現(xiàn)有的部分偽傾斜開拓系統(tǒng)以及初期試驗確定的無軌運輸方式,使得電耙留礦法不宜采用。

根據(jù)瓦屋磷礦Ⅳ礦段的開采技術(shù)條件和礦體特征,以及礦山產(chǎn)能需求,結(jié)合礦山生產(chǎn)情況和技術(shù)水平,擬采用房柱法采礦,并進行了3次采礦方法優(yōu)化試驗,各方法的主要區(qū)別在于出礦方式的優(yōu)化思路。

(1)方案Ⅰ,電耙采礦方法。礦塊沿礦體走向布置,礦塊傾向長度為15～80 m,礦房寬度為12 m,中段運輸平巷寬度為4.5m,切割上山寬度為3m,礦塊周圍留4m的連續(xù)間柱,斷層邊緣設(shè)置6m寬的保安礦柱。

(2)方案Ⅱ,對角式雙巷斜坡道采礦法。礦塊沿走向布置,礦房尺寸為14 m×16 m;切割上山寬度為4 m,切割上山間距為14 m;采準平巷寬度為4 m,采準平巷間距為16 m;點柱尺寸為5 m×7 m,點柱間距為9 m;斷層邊緣保安礦柱寬度為6 m,邊界回風巷保安礦柱寬度為15m;中段運輸平巷寬度為4m。為了滿足扒渣機出礦要求,布置密集的偽傾切割斜坡道降坡,有助于克服電耙采礦存在的不足。

(3)方案Ⅲ,無軌運輸、錨網(wǎng)護頂、輪式出礦的房柱法。礦塊沿礦體走向布置,礦塊走向長度為200 m,礦塊傾向長度為190 m,階段高60 m,礦房寬度為32m,礦房內(nèi)設(shè)6 m×7m規(guī)則礦柱,頂柱為6 m,底柱為6 m,設(shè)置5 m間柱,斷層邊緣設(shè)置6 m保安礦柱。

各方案在開采過程及開采技術(shù)方面主要的優(yōu)缺點見表1,3種方案的主要技術(shù)經(jīng)濟指標見表2。

由表1和表2可知:各方案在開采過程中各有優(yōu)勢和不足,難以確定合理的采礦方法。采礦方法的選擇受多種因素影響,特別容易受到人為主觀經(jīng)驗的影響。鑒于此,結(jié)合層次分析和模糊數(shù)學方法可以使各種因素定量化、數(shù)字化,便于詳細分析各種方案的優(yōu)越性,進而判斷出最為合理的采礦方法。

表1 各方案主要優(yōu)缺點Table 1 Main advantages and disadvantages of each scheme

表2 各方案主要技術(shù)經(jīng)濟分析Table 2 Main technical and economic analysis of each scheme

3 采礦方法模糊綜合評判

選擇合理的采礦方法對于礦山安全、高效生產(chǎn)具有重要作用,采礦方法的選擇是各種采礦因素的合理整合,難以通過人為主觀性判斷來確定出科學合理的采礦方法?？茖W合理采礦方法的選擇應(yīng)充分考慮不同層面、不同指標、各種因素的影響[12],故本研究采用層次分析法和模糊數(shù)學相結(jié)合判斷上述電耙采礦方法(方案Ⅰ),對角式雙巷斜坡道采礦法(方案Ⅱ),無軌運輸、錨網(wǎng)護頂、輪式出礦的房柱法(方案Ⅲ)3種采礦方法的優(yōu)越性。

3.1 層次分析確定權(quán)重

3.1.1 評價體系的層次結(jié)構(gòu)模型

依據(jù)上述3種采礦方法試驗結(jié)果,選取幾種合理的指標,通過層次分析和模糊綜合評判來得到最優(yōu)的采礦方法。本研究依據(jù)指標選取全面、少量、最主要的原則,確定采用5個準則、9個因素的目標系統(tǒng)(圖1)來確定最優(yōu)采礦方法[13-14]。

圖1 采礦方法評價指標體系層次模型Fig.1 Hierarchical model of the evaluation index system of mining method

3.1.2 構(gòu)建判斷矩陣

依據(jù)層次分析法原理,結(jié)合專家打分,對各因素重要性指標進行量化,采用1～9以及倒數(shù)進行標度,建立判斷矩陣[15],從而得出如表3所示的O-A判斷矩陣。

表3 判斷矩陣O-ATable 3 Judgment matrix O-A

3.1.3 判斷矩陣權(quán)重排序

根據(jù)表3判斷矩陣O-A,對列向量進行歸一化處理,采用方根法求特征向量W和最大特征值γmax,得出各影響因素的權(quán)重值[16],公式為

式中,wij為第i行第j列的重要性指標;為判斷矩陣O-A每一行元素乘積的n次方根;Wi為第i個因素的特征向量;D為判斷矩陣;W為特征向量;n為矩陣階數(shù);wi為特征向量W的第i個元素。

經(jīng)上述計算,可得二級判斷矩陣O-A各因素的權(quán)重值為(0.231、0.247、0.113、0.271、0.138)。

由于評判矩陣容易受人為主觀因素影響,產(chǎn)生的誤差易識別,為了得出盡可能準確的判斷矩陣,需要對判斷矩陣的一致性進行檢驗,SAATY提出的不相容度計算公式為[17]

式中,CI為一致性指標;CR為一致性比率;RI為平均隨機一致性指標,根據(jù)隨機一致性檢驗表并參考文獻[18],當CR＜0.1時,一致性通過。

由判斷矩陣O-A得,判斷矩陣O-A的最大特征值γmax=5.326,CI=0.081,RI=1.12,CR=0.073,一致性通過。

同理,可得二級評價指標相對于標準層的權(quán)重系數(shù)為

由此得出各因素的層次總排序見表4。

表4 層次總排序Table 4 Total hierarchical ordering

由表 4 可知:B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9對目標值O的總排序權(quán)重為

3.2 構(gòu)建模糊綜合評價矩陣

根據(jù)表5所示各方案具體影響因素指標體系中的礦塊生產(chǎn)能力、生產(chǎn)成本、采切比、貧化率、損失率5個定量指標,以及頂板安全狀況、通風條件、勞動條件以及對礦體適應(yīng)性4個定性指標確定隸屬度矩陣。隸屬度矩陣確定方法分別進行如下論述。

表5 各方案的綜合評價指標體系Table 5 Comprehensive evaluation index system of each scheme

3.2.1 定量指標隸屬度矩陣確定

定量指標可以歸類為正指標和負指標,正指標包括礦塊生產(chǎn)能力;負指標包括生產(chǎn)成本、采切比、貧化率、損失率。各指標的隸屬度可用如下線性公式進行計算:

式中,rijmax為i因素的最大指標值;Zij為i方案j因素的指標值,式(5)和式(6)分別用于正負指標的隸屬度計算。

定量指標隸屬度矩陣正規(guī)化后可得:

3.2.2 定性指標隸屬度矩陣確定

對于表5中所列出的4個定性指標(頂板安全狀況、通風條件、勞動條件以及對礦體適應(yīng)性),采用二元對比排序法和專家打分法得到指標的隸屬度矩陣。其中,頂板安全狀況的二元對比排序見表6。

表6 頂板安全狀況二元對比排序Table 6 Binary comparison ranking of roof safety condition

取各行最小值,即頂板安全狀況的隸屬度為(1,0.33,0.5),同理可得通風條件的隸屬度為(0.5,1,1),勞動條件的隸屬度為(1,0.66,0.66),對礦體適應(yīng)性的隸屬度為(0.5,0.5,1)。

由此可以得到上述3種采礦方法的模糊綜合評價矩陣R為

3.2.3 采礦方法模糊綜合評選

根據(jù)上文得到的權(quán)重向量W和模糊綜合矩陣R,利用加權(quán)平均模型計算得出的3種方案的評判集為

由此可知上述3種方案的優(yōu)劣性,方案Ⅲ明顯優(yōu)先于方案Ⅰ和方案Ⅱ,即無軌運輸、錨網(wǎng)護頂、輪式出礦的房柱法為該礦最優(yōu)采礦方法。

4 采礦方法及應(yīng)用效果

按照采礦方案的優(yōu)選結(jié)果,瓦屋磷礦Ⅳ礦段首選采礦方法確定為無軌運輸、錨網(wǎng)護頂、輪式出礦的房柱法。

4.1 采礦方法概述

4.1.1 礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)

礦塊沿礦體走向布置,礦塊走向長度為200 m,礦塊傾向長度(斜長)190 m,階段高度60 m,礦房寬度為32 m。礦房內(nèi)設(shè)6 m×7 m方形礦柱,6 m頂?shù)字?5 m間柱,斷層邊緣設(shè)置6 m保安礦柱。無軌運輸、錨網(wǎng)護頂、輪式出礦的房柱法采礦方法原理如圖2所示。

圖2 房柱采礦法原理(單位:m)Fig.2 Principal of room-pillar mining method

4.1.2 采準切割

采切工程主要包括聯(lián)絡(luò)斜坡道、切割平巷、切割上山以及聯(lián)絡(luò)平巷。具體采準切割工作流程為:首先在階段大巷上沿走向每200 m布置一條聯(lián)絡(luò)斜坡道(坡度為12%),拉通上階段大巷,承擔運輸、行人、通風作用,劃分礦塊;其次在斜坡道上自上而下,沿礦體傾向與上階段平巷中對中15 m布置聯(lián)絡(luò)平巷,作為主要安全通道,聯(lián)通相鄰采場;在聯(lián)絡(luò)斜坡道上自上而下,沿傾向中對中每32 m布置走向的5條切割平巷,在切割平巷上沿走向按每32 m布置3條切割上山,形成礦房。

4.1.3 回 采

瓦屋磷礦Ⅳ礦段礦體平均厚度為5.46 m,礦房無法進行單臺階回采,為了控制采場地壓,在同一采場內(nèi)布置6個臺階進行回采工作?；夭身樞蜃陨隙?在礦塊內(nèi)向聯(lián)絡(luò)斜坡道方向自西向東方向退采。臺階1:在聯(lián)絡(luò)平巷以上,預(yù)留頂柱;臺階2～5:在各切割平巷以上,預(yù)留間柱和點柱;臺階6:最下切割平巷以上,相應(yīng)預(yù)留出間柱、點柱和底柱。

回采礦石時,選用NJP4815PD6型井下自卸式礦用汽車在聯(lián)絡(luò)斜坡道與聯(lián)絡(luò)平巷貫通口進行裝礦,崩下的礦石用CDM835型裝載機裝入運礦卡車,經(jīng)斜坡道運至階段運輸平巷,過主平硐運出地表。

4.2 應(yīng)用效果

現(xiàn)場應(yīng)用效果表明:無軌運輸、錨網(wǎng)護頂、輪式出礦相較于電耙出礦采切工程量得到了有效控制,裝載機出礦效率高,CDM835裝載機生產(chǎn)能力可達88.2 t/h,無軌運輸設(shè)備出礦更加靈活,礦塊生產(chǎn)能力為579 t/d,輪式出礦較電耙出礦優(yōu)勢明顯,基建期短,直接成本為44.58元/t,在噸礦成本降低的情況下,產(chǎn)量明顯提升,能夠滿足礦段年產(chǎn)120萬t的設(shè)計要求。并且自行設(shè)備出礦操作靈活,易于控制礦石損失與貧化,瓦屋Ⅳ礦段地質(zhì)品位為29.87%,采出平均品位達到28.34%。采用正傾切割布置的房柱法,減少了三角礦柱損失,更有利于地壓管理。

5 結(jié) 論

(1)將層次分析和模糊數(shù)學方法運用到瓦屋磷礦出礦方法優(yōu)選中,通過將各指標因素進行定量化處理,減少了權(quán)重判斷中的人為主觀臆斷,最終優(yōu)選出無軌運輸、錨網(wǎng)護頂、輪式出礦的房柱法,保證了采礦方案選擇的科學合理性。

(2)無軌運輸、錨網(wǎng)護頂、輪式出礦的房柱法適用于開采厚度小于5 m、傾角小于25°的緩傾斜薄—中厚礦體,該方法還能適應(yīng)頂板管理難度大、生產(chǎn)能力大、開采強度高的礦山。隨著機械化、智能化采礦技術(shù)的發(fā)展,該方法還能得到進一步發(fā)展。

(3)無軌運輸、錨網(wǎng)護頂、輪式出礦的房柱法還需從試采區(qū)逐漸向全礦山推廣,向深部開采轉(zhuǎn)移的適應(yīng)程度還要逐步調(diào)整。