徐 飞，褚洪涛，刘晓亮

（长沙矿山研究院有限责任公司 金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012）

0 前 言

杨家湾铁锌矿矿区西部紧靠常年流水的洛河和磨徐公路，东部是马家湾上部的大沟，矿体上部冲沟纵横、切割严重，地形比较复杂。

矿山一期采用无底柱分段崩落法开采，开采已造成地表3处塌陷，地表移动边界距离洛河较近。二期工程若采用崩落法开采，引起地表移动变形范围内有洛河和公路，且存在部分位于洛河和公路下面的“三下”矿体。若开采继续沿用无底柱分段崩落法，地表塌陷范围将扩大，可能引起矿体上方公路、河流的破坏。因此，二期使用充填采矿法开采。进行安全采矿方法研究，旨在选取适合矿山生产、技术可行、经济合理、安全可靠的采矿方法，保证矿山稳定生产，达到良好的经济效益。

1 矿山概述

1.1 地质概况

杨家湾铁锌矿为以磁铁矿、铁闪锌矿为主的隐伏铁锌矿床，I、II号矿体规模很小，III号矿体是最主要的矿体。III号矿体受F 1与F 2两断层的羽裂控制，规模较大，铁锌品位较高，几乎全为铁锌矿石，是开采的主要对象，占总储量的95.5%。矿体厚度4.5～47.4m，平均29m。倾斜延伸200～300m，到东部边缘延伸仅数十米，矿体呈较规则的大透镜体状。

矿石铁锌品位相对较高，TFe 21.62%～34.95%，平均32.825%；Z n 1.59%～3.35%，平均2.93%。铁锌品位在走向上变化：铁较均匀，锌在中部高，东西两侧偏低。铁锌品位在倾向上变化：矿体头部和尾部铁锌品位偏低，在矿体中部则较高。沿矿体厚度方向，铁无明显变化，锌在矿层顶部及底部较高，中部偏低。

其主要断层为黑沟断层，在矿段表现为近于平行的两断层，即F 1、F2断层。两断层走向近东西，倾向南，倾角60°～75°。断层横穿河床，延伸很远。在开采过程中，应对该断层的渗水情况进行实时监测，以保证矿山安全。

矿区含水层主要为第四系全新统冲洪积相砂砾石含水层，与洛河水联系密切，是富水性极强的含水层。其次是长城系宽坪群叫河组大理岩系岩溶裂隙含水层，为矿体的间接顶板，含水层厚度83.3m，岩溶裂隙少见，局部地段见细溶孔，为弱含水层。矿区黑沟断层和南沟断层为隔水断层。

1.2 生产现状

矿体与围岩稳固性差，最大安全跨度为4m，巷道以及进路均采用喷锚网支护。先打锚杆铺设金属网，隔一个班工作时间再进行喷射混凝土。凿岩爆破等在两个分段内作业，各中段作业互不影响。采用无底柱分段崩落法，大块率为5%左右，损失率为21%，贫化率为22.5%。

矿采区范围内共有4个中段，目前400m中段已采完，350m中段正在开采，300 m中段正在开拓。一期工程开采对象为145～160线之间的300 m中段以上的矿体，采用无底柱分段崩落法，地表已形成3个塌陷坑，地表移动界线离洛河较近。

二期工程开采对象为200m以上以及一期范围外矿体，储量较大。部分矿体位于洛河和公路下面，属于“三下开采”。若继续沿用一期工程的无底柱分段崩落法，地表塌落范围将进一步扩大，可能引起公路、河流的破坏。同时，崩落法回采矿石的损失率、贫化率较高，资源回收率低，作业安全性较差。

井下矿岩稳固性差，矿体及围岩风化，部分支护地段仍有片帮现象，巷道以及进路均采用喷锚网支护。随着矿山生产向下延伸，崩落法已不再适合矿山生产。为了维持矿山经济效益，满足矿山整体运营目标，提高矿石回收率，拟采用充填法开采二期工程有用矿石。

2 采矿方法研究

2.1 崩落法转充填法

矿山一期使用崩落采矿法，二期拟采用充填采矿法。充填采矿法能有效地控制地压、缓解岩石移动，适应性强且能有效地剔除夹石。矿山崩落采矿法转充填采矿法能够保护矿体上方的公路、河流，获得较低的贫化率和损失率。然而，充填法也存在一些缺点：采场需充填，生产成本较高；需增设充填站、充填管路等，建设投资大；增加了充填供需，采矿工艺复杂；井下矿岩稳固性差，开采时，矿房、矿柱规格不宜太大，生产能力受限；可能存在二次损失贫化。

2.2 模糊数学优化采矿方法

根据开采技术条件，可供选择的充填法有上向分层充填法、上向进路充填法、下向进路充填法和点柱充填采矿法。

模糊综合评判进行采矿方法选择时，需考虑诸多因素，如矿体赋存形态、开采技术条件等技术因素；矿石的损失率、贫化率、矿石价值、生产成本等经济因素；矿岩稳固性情况、地压控制能力等安全因素；以及工艺复杂性、管理难易程度、作业条件等其他因素。这是一个涉及多层次、多目标、多因素、多指标的决策过程。

（1）建立数学模型：

式中，X为k个指标构成的权重向量，设评价对象系统X中有k个指标组成集合：X＝（x1，x2，x3，…，xk），其中xi为集合中的指标，i＝1，2，3，…，k，k为评价指标的指标个数。本次评判共选用12个指标，分别为：矿块生产能力、贫化率、损失率、矿石f系数、围岩f系数、矿体厚度、通风效果、作业安全情况、实施难易程度、采矿成本、矿体适应程度、采场地压控制；R为j个方法k个评价因素构成的隶属度矩阵；M为各方法的综合评判量，m1，m2，m3，…，mn为各方法的综合满意度或者综合优越度。

（2）4种采矿方案主要技术经济指标及其评判指标见表1。由表1得出的特征向量矩阵：

表1 采矿方案主要技术经济指标及其评判指标

考虑到矿岩f系数相同，故f系数对评估结果的影响一样，为简化计算，在规格化中，略去x4，x5。

则规格化后为：

根据语气算子与定量标度相对隶属度关系，得：

（3）综上，得到综合隶属矩阵：

把12个影响因素分为安全、技术、经济和其他4类，则通风难易程度、作业安全情况及地压控制归类为安全，矿块生产能力、损失率、贫化率、实施难易程度和矿体适应程度归类为技术，采矿成本归类为经济，矿石f系数、围岩f系数和矿体厚度归类为其他。

在采矿活动过程中，首要考虑的问题是安全上要可靠，然后技术上可行、经济上合理，并满足其他的特殊条件。根据12个因素的重要性，采用十分制给各因素打分，得到一个权重分配行向量，即：

X＝（0.067，0.083，0.083，0.05，0.05，0.033，0.1，0.117，0.1，0.067，0.1，0.15）

由M＝X R得：

M＝（0.6495，0.7360，0.7310，0.6684）

故方案的优劣次序为方案F2＞方案F3＞方案F4＞方案F1，即上向进路充填采矿法＞下向进路充填采矿法＞点柱充填采矿法＞上向分层充填采矿法。

从评判指标和评判结果可以看出：由于杨家湾铁锌矿井下矿岩稳固性差，上向、下向进路充填采矿法能够很好地控制地压，优于点柱充填采矿法和上向分层充填采矿法，考虑到矿石价值、经济效益等因素，推荐使用上向进路充填采矿法；对于矿岩稳固性较好的地段，可以使用点柱分层充填采矿法和上向分层充填采矿法；考虑到矿石价值、经济效益等因素，点柱分层充填采矿法优于上向分层充填采矿法。

3 结 论

为保护矿体上部的公路和河流，开采选用充填采矿法。针对杨家湾铁锌矿实际情况，对上向分层充填、上向进路充填、下向进路充填、点柱充填等采矿方法的矿块生产能力、贫损指标、实施难易程度、采矿成本等指标使用模糊综合评判，推荐使用上向进路充填采矿法作为矿山主要的采矿方法，下向进路充填采矿法、点柱充填采矿法作为辅助生产采矿方法。

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