基于层次分析对某铁矿的采矿方法选择

基于层次分析对某铁矿的采矿方法选择
杨世兴;付玉华;侯永强
【摘要】There are a large number of goafs and other potential safety hazards because it is difficult to form caving layerat theexisting bottomless sublevel caving layer method in Anhui Longqiao iron mine. Various mining scheme, such as the analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method were adopted to evaluate and optimize comprehensively. In the process of choosing optimal mining program, comprehensive evaluation model was established by converting production capacity, the cost of mining, tons of stripping ratio and labor intensity into judgment matrix. Comprehensive superiority of each mining scheme was calculated by fuzzy mathematics method to obtain the superior degree of alternative mining scheme in Longqiao iron deposit, which is 33.8 %, 21.3 %, 26.7 %, 25.2 %, respectively. As a result, the first mining scheme is the optimal mining program.%针对安徽龙桥铁矿现有的采矿方式无底柱分段崩落法中崩落层难以形成,存在大量采空区等安全隐患问题.提出采用层次分析法和模糊数学方法对多种采矿方案进行综合评判和优选,在选择较优采矿方案的过程中,针对影响采矿方案的指标建立采矿方案综合评判指标体系,将生产能力、采矿成本、千吨采切比和劳动强度等转换成判断矩阵,从而建立模糊综合评判模型,最后采用模糊数学方法计算出每个采矿方案的综合优越度,得出龙桥铁矿的备选采矿方案的各优越度为33.8%,21.3%,26.7%,25.2%,因此第1种采矿方案为较优采矿方案.
【期刊名称】《有色金属科学与工程》
【年(卷),期】2017(008)004
【总页数】5页(P86-90)
【关键词】采矿方案;模糊数学;层次分析;综合评判
【作者】杨世兴;付玉华;侯永强
【作者单位】江西理工大学,资源与环境工程学院,江西赣州 341000;江西理工大学,应用科学学院,江西赣州 341000;江西理工大学,资源与环境工程学院,江西赣州341000
【正文语种】中文
【中图分类】TD861
开采方案是地下开采中非常重要的内容，因此开采方案的选择至关重要.传统的采矿方法选择带有极大的经验成分，容易受到经验的影响而不能反应实际情况[1]，导致选取出来的采矿方法有很大的片面性且受到人们主观影响也很大.由于传统方法存在许多的不完善，近年来，许多现代数学理论被提出来，如灰色理论[2]、神经网络等，未确知信息及其数学处理理论由王光远提出，刘开第在此基础上建立了未确知数学理论.这些方法在某种程度上克服了主观决策的缺点[3]，但这些方法对于确定复杂的权重还有一些不足的地方.而模糊数学与层次分析法的结合可以更好地处理这些复杂的信息，使权重值更加合理.通过对影响因素权重值的确定，大大减少了传统方案的影响因素仅凭经验选择的弊端，从而选择出合理的采矿方案，对矿山的收益以及资源的有效利用起到很关键的作用[4].
矿山在为生产开采选取开采方案时，必须从各个角度和因素去进行充分而又全面的
考虑.基于层次分析法的原理，即可创建采矿方案综合评价体系[5]：设选取的采矿
方案A＝{A1,A2,A3，…，An}，影响因素集为X＝{X1,X2,X3，…，Xm}，在选取
采矿方案时，可以从以下影响因素去考虑：
1）劳动生产率，可以从生产能力等分析；
2）经济因素，可以从采矿成本、千吨采切比、损失率、贫化率等方面分析；
3）资源利用率，可以从损失率、贫化率分析；
4）安全因素，可从安全状况、通风条件、劳动强度等方面分析；
5）合理程度，可从劳动强度、工艺复杂程度以及对矿体适应性等方面分析.
还包括矿体自身方面的主要因素，例如矿体产状、围岩状况、矿石品位和价值等方面，在此不进行权重值的计算.
在确定采矿方案时，上述的影响因素对于选取采矿方案的影响地位并不相等.可逐
层进行评判，这种方法称为多级模糊综合评判[6].根据以上分析，结合影响采矿方
案的因素以及矿山状况，建立的层次结构模型如图1所示.
图1 中的每一个层次所有因素按照1～9的定义方法进行两两比较，得出评价等级，组成判断矩阵，判断矩阵标度如表1所列.
邀请10位专家依次对层次结构模型[7]的每一分层的因素指标进行两两对比，得到相对重要性的比例标度如表1所示，并建立如下判断矩阵[8]，见表2至表7所列．所建立的判断矩阵大多会受到人为主观的影响，不可避免的会产生误差，为了使判断得出的结果与实际情况相吻合，因此还需对一致性进行一致性检验[9].其中CI为一致性检验指标，n为判断矩阵的阶数，通过T.L.Saaty定义的不相容度：
如果CI≤0.1时，便可知，该矩阵能满足要求，否则便需要重新构建矩阵.因此，为得到CI，第1步便是要得到最大特征根[1].计算每个矩阵的最大特征值，其计算过程是相当复杂的.因此，为了让计算过程简单也可采用变通方法计算，即如果矩阵
A满足aij≥1，ajk≥1，aik≥1就认为矩阵的相容性好.可见，上述各矩阵的相容性
均满足要求.采用变通算法时，用几何平均法计算每层中各因素的权重值[10-11].
则根据上述公式可计算出B层因素对A层次的权重值为：
将上述权重值归一化后的结果为：
同理可计算X层各因素对B层次的权重值并归一化处理后可得如下结果：
X1到X10对应每一列，每一列中对应B1到B5层次的权重值，则B1，B2，B3，B4，B5对 X层中各因素的单值序值矩阵为：
得到X1到X10的对目标层A的总排序权重值为：
W=F′·B（0.097,0.300,0.091,0.046,0.046，0.232，0.104，0.057，0.012,0.057）采用模糊数学综合评判方法[12]将每一个方案的的指标进行数据无量纲化处理[13]，以使各因素具有可比性，其中各个方案的因素指标见表8所列.具体方法为：对定
量指标，使用如下公式：
其中：fjmax为 j因素指标的最大值；fjmin为 j因素指标的最小值；d为级差，d ＝（fjmax-fjmin）/（1-0.1）；fij为i方案j因素的指标值
根据安徽龙桥铁矿的矿体产状，围岩状况，矿石品位、开采现状等[14]实际情况，并通过对比相似矿山的工程实际提出了符合现阶段开采的4种待选开采方案为：
方案1，盘区分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法；方案2，盘区无矿柱分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法；方案3，盘区大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法；方案4，盘区无矿柱大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法，各个方案主要因素指标见表
8所列.
同时运用等级评定法评价定性指标[15]，其评定值可根据表9所列出的赋值标准表决定.
根据式中：i＝1，2，…，n j＝ 1，2，3，…，m则将各指标无量纲化[16]后根据
上述公式则可以得到4种采矿方案的评价模糊矩阵R为：
将上述4种采矿方案的评价模糊矩阵R归一化后可得R′为：
通过加权平均模型进行优选评价，便可得到：
A＝W·R′＝（0.338,0.213,0.267,0.252）
由得出的计算结果可知各方案的综合优越度为：方案1为33.8%、方案2为
21.3%、方案3为26.7%及方案4为25.2%.采矿方案的优劣顺序为：方案1＞方案3＞方案4＞方案2,因此选择方案1，即盘区分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法作为龙桥铁矿的采矿方案.该矿山经过生产实践表明，这种综合评判确定的采矿方案是符合实际要求的，有效地降低采矿成本，采场安全，稳定性好，比同类矿山的各项指标更加优秀，取得了良好的效果.
通过选择采切比、损失率、贫化率、安全状况、劳动强度等因素，确定的综合评价指标，并运用层次分析法和模糊数学法对待选的采矿方案进行分析，得出采矿方案的综合优越度为（0.338,0.213,0.267,0.252），选出采矿方案1为较优方案，且采用层次分析法和模糊数学法，能够有效地避免人为主观意识，能够较为科学地分配影响因素权重[17]，做出更加符合实际，科学而有效的判断，能够为矿山采矿方法优化选择做出实际的指导意义,为矿山的经营决策管理提供主要的参考依据[18].
【相关文献】
[1]王新民,赵彬,张钦礼等.基于层次分析和模糊数学的采矿方法选择[J].中南大学学报（自然科学版）,2008,39(5):875-880.
[2]赵振亚，姬宝霖，宋小园等.基于层次分析和模糊数学法的公乌素土壤质量评价[J].干旱区研究，2014,31(6)：1010-1015.
[3]于涛，崔晓华，赵世军.基于层次分析和模糊数学的回采工作面煤壁片帮等级预测[J].煤炭技术，2014,33(9)：188-190.
[4]孟慧媚，雷明礼，刘武团.基于层次分析和模糊数学的极坚硬爆破参数优化[J].甘肃冶金，2015,37(4)：1-4.
[5]蔡汉玉，张耀平，雷大星.基于层次分析法与模糊数学的残矿回收方法优选研究.[]].矿业研究与开发，2016,36(5):7-9.
[6]郭金玉，张忠彬，孙庆云.层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学学报，2008,18(5):148-153.
[7]郝长盛，盛军坤.利用层次分析和模糊数学法优选采矿方案[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2016,35（7）：695-700.
[8]王彦军,陈玉明,夏新,等.利用模糊数学综合评判优选采矿方法[J].河南科学,2012,30(9):1339-1343.
[9]吴泽宁,张文鸽,管新建.AHP中判断矩阵一致性检验和修正的统计方法[J].系统工程，
2002,20(3):67-71.
[10]邓雪,李家铭,曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J].数学的实践与认
识,2012,42(7):93-100.
[11]岑英杰,张敏敏.煤炭企业内部控制多级模糊综合评价研究[J].煤矿机械，2008,29(8):211-213.
[12]王元汉,李卧东,李启光,等.岩爆预测的模糊数学综合评判方法[J].岩石力学与工程学
报,1998,17(5):15-23.
[13]池秀文,田金华.改进层次分析法在采矿方法选择中的应用[J].武汉理工大学学报，
2003,25(5):50-52.
[14]姚春梅,刘洪亮.模糊数学综合评判法在矿山地质灾害危害程度评价中的应用[J].中国地质灾害与防治学报1998,9（3）:48-53.
[15]李凤义，聂文波，陈维新，等.模糊数学在充填开采方法中的应用[J].采矿技术,2014,14(1):21-23.
[16]肖木恩.模糊数学在采矿方法选择中的应用[J].矿业研究与开发，2003,23(1):15-17.
[17]谭玉叶，宋卫东，雷远坤，等.基于模糊聚类及层次分析法的采矿方法综合评判优选[J].北京科技大学学报，2012,34（5）：493-494.
[18]韩峰，盛建龙.模糊数学在采矿方法选择中的应用[J].有色金属（矿山部分），2011，63(5):75-78.。