ｅＬ企蠢工　程ＮＯＮＦＥＲＲＯＵＳ　ＭＥＴＡＬＳ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５・１７４４．２０１２．０５．０１１　

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４１００８３　

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、　

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：ＴＤ８０２；ＴＤ８５３．２１；ＴＤ８６２　文献标识码：Ａ　文章编号：２０９５．１７４４（２０１２）０５．００５２．０４　

对于缓倾斜中厚和厚矿体，根据国内２０个典型的　

缓倾斜中厚及以上矿体的统计，采用房柱法的占５０％，　

采用有底柱或底盘漏斗崩落法的占３５％，其余矿山采用　

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　］、铜山铜矿　］、黄沙坪　

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６１％，尤其以美国和前苏联为代表，采　用充填采矿法的占２３％，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　

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　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。　

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　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。　

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、９１号矿体和９２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９１号矿体几乎　消耗殆尽，已经全面转入边部及矿柱的回采，９２号矿体　

己成为开采的主矿体。９２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　

物矿。走向ＳＷ，倾向Ｎ，倾角１５－２５。，走向长６８０ｎｌ，　倾向长８３０ｍ，最大厚度７１　ｍ，平均厚度１５　ｍ，标高　２５０～５８０　ｎｌ。从产状上讲，属于缓倾斜厚矿体。矿体以　

锌锡矿化为主，垂直品位变化较大，平均品位较国内平　

基金项目：中南大学前沿研究计划资助项目（２０１０ＱＺＺＤ００１）　收稿日期：２０１２－０４－２４　作者简介：周科平（１９６４－），男，湖南衡阳市人，教授，博士　主要从事金属矿安全高效开采等方面的研究。　

５２　工程设计Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉ

ｇｎ　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　

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　

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）。　

２．１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　

断上采的作业条件，回采到最后一个分层的时候，要进　行接顶充填。　

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　

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　

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。　

２．２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。　

一般，采矿方案传统选择方法主要采用技术经济类　

比法，有很大的模糊性和主观性。为了更科学严谨地作　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　表１三种采矿方案主要技术经济指标　

最佳采矿方案。　

２＿３模糊层次分析　

根据层次分析法基本原理，对各种目标影响因素进　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　

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　・，＋）对方案集　进行隶属度复合运　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１１个因　

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　｛ｃ　，Ｃ２，…，ｃ，　｝　…。　

图１主要因素影响目标层次结构模型　

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Ｌ．Ｔ．Ｓａａｔｙ提　

出的１－９标度法，由专家对各目标因素进行重要性评价，　

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　““（产＝１，２，…，＂）计算Ｂ层次各因　

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２０１２年第５期　

５３　看么企屈工程　ＮＯＮＦＥＲＲ０ＵＳ　ＭＥＴＡＬＳ　ＥＮＧｌＮＥＥＲｌＮＧ　

次的权重。　计算结果归一化：影响因素　－＝（０．２８５，０．１７２，０．４４２，　

０．０５８，０．Ｏ４３　ＣＩ＝（０．５９７，０．３３７，０．０６６　＝（０．３４１，０．０５８，　

０．４７８，０．１２３）；Ｇ＝（０．８３３，Ｏ．１６７）；Ｃ４＝（Ｏ．２５０，０．７５０）；　Ｇ：（０．２６２，０．１３３，０．０８８，０．５１７）。　由层次结构模型分析，ｃ层次各因素对方案决策层　

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＝Ｂ’ｃ＝－（ｃ　，　，Ｇ，Ｃ４，Ｃ５）。代入数据　得　（０．１７０，０．０８７，０．０８６，０．０３１，０．２６９，０．１０５，０．１２４，　

０．０７４，０．００６，０．０２３，Ｏ．０２５）。　

表２　Ａ层次对Ｂ影响因素模糊判断矩阵　

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ｒｉｊ＝（ｍｉｎｙ　）／ｙ　。　

对于定性指标Ｃ　，　，Ｃ９，Ｃ。。，Ｃ　采用相对二　元比较法，根据语气算子和定量标度及相对隶属度关系　２Ｊ　

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　

最后获得主要决策因素隶属度模糊判断矩阵，见表４。　

４）模糊综合评判及优选。采用加权平均模型对方案　

集　进行隶属度复合运算。求得Ａ＝Ｗ．Ｒ＝（０．８３２，０．５１３，　

０．６６７）。因此，三种采矿方法的综合优越度为：方案１，　８３．２％；方案２，５１．３％；方案３，６６．７％。因此根据方案　

的优劣次序，方案１为最优采矿方案。　表４主要影响因素隶属度模糊判断矩阵　

３机械化无底柱上向水平分层充填法　

３．１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２５　ｒｒｌ和２０　Ｉｒｌ。阶段　

高４０　ＩＴＩ，划分１１．４　ｍ高的多个分段，每个分段负责３　个分层。先采矿柱，后采矿房，矿块底部构筑５　１ＴＩ厚的　

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１．８　１ＴＩ，最大控顶高度７．６　１ＴＩ。为降低充填成　

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０－３　ＩＩｌ厚的混凝土　

板，方便上分层回采时无轨设备的行走。　

３．２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　段间由采准斜坡道相连通，斜坡道坡度取２１％。在相邻　

矿房与矿柱中间掘进穿脉至矿体上盘边界，进行拉底。　

通过斜坡道掘进分段平巷，再从采场中央位置掘进下向　

采场联络道，随着回采作业的进行，在下向采场联络道　的基础上依次挑顶完成中间采场联络道及上向采场联络　

道。根据铲运机爬坡能力要求，下向分层出矿进路为运　

矿重车上坡，坡度取１２％，上向分层出矿进路为重车下　坡，坡度取一１４％。在脉内靠近矿体上盘边界处布置回　

风井，与上回风平巷连通。阶段内设置下盘分段溜井，　

底端布设振动出矿机，将卸矿横巷与阶段运输平巷连通。　矿房、矿柱的采准切割工程要统筹兼顾，使矿块的采切　

工程量最小。　

３．３凿岩爆破　

采用ＣＯＰ１２３８ＬＥ全液压凿岩台车，钻凿４　ＩＩ１深的　

上向垂直平行炮孔，炮眼直径４８　ｍｍ。每次设计的炮孔　钻凿完毕后，用装药器装填２　岩石硝铵炸药，用导爆管　

串联各炮孔。最后每个分层采用微差爆破一次性完成爆　

破工作。　

５４　工程设计Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ