（采矿工程专业论文）乌龙泉石灰石矿西区开采境界方案优化研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 乌龙泉矿分东区与西区开采，为满足武钢公司对优质石灰石的需求，乌龙泉矿对东区 优质石灰石矿进行了强化开采，导致白云石生产滞后，石灰石保产能力不足，需要启动西 区，使西区开采与东区开采相衔接。为实现东区向西区顺利过渡，根据西区资源赋存条件 和东区开采现状，按技术可行经济合理的原则，研究确定了西区四种可行境界方案，分别 计算了境界内总矿量、优质石灰石矿石量、境界内剥岩量等工程指标，同时考虑了矿山基 建难易、尾矿库建设方案、新增设备量、工程水文地质条件及资源利用率等相关指标，建 立了基于九个指标的境界评价指标体系。建立了层次分析法结合模糊综合评判的境界优化 模型，其中按评价指标的不同属性，构建了两级层次分析权重确定模型，采用定性与定量 相结合的方法确定评价指标的权重；选用四级模糊评语和专家群决策方法确定模糊评价矩 阵；按综合评价值确定各境界方案的优劣序。研究结果表明搬迁( 新建) 尾矿库、采深4 3 m 的大境界方案较优。 关键词：乌龙泉矿；露天开采境界；层次分析法；模糊综合评判 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w u l o n g q u a nm i n ei sd i v i d e di n t oe a s t e r na r e aa n dw e s t e r na r e a i no r d e r t om e e tt h ed e m a n d o fh i g h q u a l i t yl i m e s t o n ef o rw i s c o h i g h q u a l i t yl i m e s t o n ei ne a s t e r nh a v eb e e ne x p l o i t e d i n t e n s i f y , w h i c hl e a dt ot h eh y s t e r e t i cp r o d u c t i o no fd o l o m i t ea n dt h el a c ki n s u r a n c ec a p a c i t yo f l i m e s t o n e i ti sn e c e s s a r yt oe x p l o i tw e s t e r na n dt ol i n ku pt h ee a s t e r na n dw e s t e ma r e a s i no r d e r t oa c h i e v eas m o o t ht r a n s i t i o n ，f o u rf e a s i b l eb o u n d a r ys c h e m e sa b o u tw c m t e r na r e ah a v eb e e n e n s u r e dw i t ht h ep r i n c i p l e so ft e c h n i c a lf e a s i b i l i t ya n de c o n o m i cr a t i o n a l i t ya c c o r d i n gt ot h e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s o fw e s t e r na n dc u r r e n ts t a t u so fe a s t e m n i n ei n d i c a t o r sh a v e b e e n c a l c u l a t e d t h e ya r et h et o t a lv o l u m e ，h i g h - q u a l i t yl i m e s t o n ev o l u m e ，o v e r b u r d e na m o u n t ，m i n i n g i n f r a s t r u c t u r e ，t a i l i n gp o n dc o n s t r u c t i o n ，n e we q u i p m e n t ，e n g i n e e r i n g h y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s a n dr e s o u r c eu t i l i z a t i o n a n dt h ei n d e xs y s t e mo fb o u n d a r yh a sb e e nb u l i to nt h eb a s i so ft h en i n e i n d i c a t o r s w i t ht h ec o m b i n a t i o no fa h pa n df u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ，ab o u n d a r y o p t i m a lm o d e li sb u l i ta n dt h e nc o n s t r u c tt w o l e v e la h pw e i g h t sm o d e lb yi n d e x sa t t r i b u t e s o t h ew e i g h t sa r ee n s u r e db yq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s t h eo b s c u r ee v a l u a t i o n m a t r i xi se n s u r e db yf o u r - l e v e l so b s c u r ec o m m m e n t sa n de x p e r t g o u pd e c i s i o n - m a k i n g m e t h o d s a tl a s t ，a c c o r d i n gt oc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns c o r e st oe n s u r et h eo p t i m a la n di n f e r i o r o r d e r t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a tb i gf i n a l s l o p el i n es h e m ea b o u tm o v i n g ( o f b u i l d i n 曲t h e t a i l i n gp o n da n de x t e n t i n gt o4 3 mi st h eb e s to n e k e yw o r d s ：w u l o n g q u a nm i n e ；o p e n - p i tm i n i n gb o u n d a r y ；a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ； f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：董监盐 日期：兰1 2 ：垒：三一 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：遣竖挞 指导教师签名：f 丝兰! 奎! 日 期：婴轴越l 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 引言 第一章绪论 乌龙泉矿是武钢目前主要的冶金熔剂矿石基地，位于武汉市江夏区乌龙泉镇境内，乌 龙泉矿以2 2 勘探线为界分为东、西两区，0 - - - - , 2 2 勘探线为东区，2 2 - - 4 4 勘探线为西区。 乌龙泉矿东西区是一个统一整体，由于历史原因及建设资金紧缺致使西区建设远远落后于 东区。西区开采建设以矿山现有条件为基础，可以充分利用矿山现有的人力、物力和财力 加速建设。 武钢十一五规划2 0 1 0 年钢、铁产量均为1 5 0 0 0 k t ，对熔剂矿的需求量进一步加大，对 优质石灰石的需求量为1 2 0 0 k t 。东区露天采矿场加上收购民采矿( 主要在西区) 只能达到 5 0 0 - - 一5 5 0 k t ，与公司所需优质石灰石缺口很大。乌龙泉矿西区开采工程实施后，东西区优 质石灰石成品矿产量为9 0 0 k t 左右，能基本满足武钢生产发展对优质石灰石的需求。 乌龙泉矿现有破矿洗矿系统处理原矿的总能力为2 7 0 0 k t a ，乌龙泉车站成品矿的外运 能力为2 3 0 0 k t a ，而东区采场的生产能力只有1 6 0 0 1 8 0 0 k t a ，特别是需要保证的优质石 灰石开拓矿量因长期的强化开采而严重不足。西区开采工程的建设，可使采矿与破洗和外 运能力相配套，从而提高整个矿山企业的经济效益。 东区采场矿石生产压力不断加大，由于采场历史上积累下来的调整任务十分艰巨，开 拓量严重不足，造成矿石生产十分被动。东区设计原矿生产规模为2 7 0 0 k t ，但乌龙泉矿实 际生产能力没有达到这一标准。原因是经过五十多年的开采，采矿难度明显增大，设备能 力下降，第二尾矿库没有建设，剥岩场没有增容，以及武钢对白云石品位要求的提高，原 设计大量可利用的互层矿变为废石等等。乌龙泉矿东区生产能力已经明显不适应武钢发展 的需要。东区采场白云石生产滞后，石灰石生产超前，导致石灰石保产能力不足，只有尽 快启动西区，才能调节石灰石与白云石的合理生产比例关系。 1 2 研究内容及意义 1 2 1 研究内容 目前，西区开采境界设计的制约因素有两个，一个是排岩场库容不足，另一个是尾矿 库建设方案。东区北帮2 号排岩场是为堆存东区废石而设计的，受诸多因素制约，西区工 程择址新建排岩场的可能性不大，其废石只能分别堆存于东区现有排岩场，但东区排岩场 现有容量不能满足东区服务期内废石堆存量需要。因此，在设计西区开采境界时要考虑排 岩场扩建。大洪山尾矿库于二十世纪六十年代建成，主要由主坝、l 号副坝、2 号副坝( 暂 未建设) 组成。设计最终堆积标高8 2 m ，1 9 7 8 年因矿山扩产的需要将最终堆积标高加高至 9 0 m ，总库容5 2 0 力m 3 。目前，尾矿堆积标高为8 6 m 左右，已堆尾矿约2 5 0 万m 3 。由于 大洪山尾矿库设计堆积标高以下压有优质石灰石矿5 0 0 0 多k t 。原规划应建2 号副坝，由 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 于多方面的原因，2 号副坝一直未建，而西区丌采境界需要尽可能多圈定优质石灰石，所 以须考虑尾矿坝的建设问题。 课题研究内容： ( 1 ) 收集整理乌龙泉矿西区地质概况及工程、水文地质资料； ( 2 ) 根据西区矿石储量、工程和水文地质条件以及尾矿坝建设方案，拟定乌龙泉石灰 石矿西区可行开采境界方案； ( 3 ) 选择丌采境界的影响因素建立评价指标体系，并建立开采境界方案优化的评价模 型； ( 4 ) 以合理利用乌龙泉矿产资源为目的，对拟定方案进行综合评判，确定最优境界方 案。 1 2 2 研究意义 东区露天开采已五十余年，由原来的山坡露天开采转为凹陷露天开采，窄轨铁路开拓 运输。长期以来为了满足武钢对优质石灰石的需要，矿山对东区的优质石灰石进行了强化 开采，造成了优质石灰石开拓矿量严重不足的不利局面。目前，矿区4 3 m 水平已丌沟，生 产能力维持在1 6 0 0 - - 1 8 0 0 k t a 原矿的水平。乌龙泉矿现有的破碎洗矿系统设计年处理原矿 能力为2 7 0 0 k t ，长期以来一直处于低负荷运行状态。因此，需要尽快启动西区，使西区丌 采与东区开采相衔接，实现平稳过渡，确保乌龙泉矿有稳定的优质石狄石供矿能力。 乌龙泉石狄石矿的经济价值不高，属山坡露天矿，r 丌采条件简单。同时，西区开采条 件也存在几个问题：尾矿库的建设方案、排岩场容量紧张、基建投资及武钢对优质石灰石 的需求等。这些因素对西区开采境界方案优选的影u 向比较大，一些传统的分析方法在确定 和调整境界方案时，考虑因素不全面，因此，本文以西区丌采境界方案为对象，构建方案 优化指标体系，根据评价方法确定最优境界。根据选定境界方案来规划矿山生产，合理分 配优石、石灰石和白云石的开采比例，提高资源利用率，建设成资源节约型和环境友好型 矿山。 1 3 露天开采境界优化研究 1 3 1 国内外研究现状 自1 9 6 4 年初，理奇和格罗斯曼( l o r c ha n dg r o s s m a n ) 首次发表露天矿优化设计 一文起，露天矿境界的优化设计方法在国内外发展很快，概括起来可分为两类：一类是探 索法，例如浮动圆锥法和传统手工法，这些方法实际上是比试法，不能用数学论证，所得 结果是接近最优，而不是最优，但探索法操作较简单，圈出的境界能满足丌采要求，是目 前广泛使用的方法。另一类是能用数学论证的精确优化方法，包括：动态规划法、有向图 论法、线性规划法和网络流法。其中动态规划法是目前提出的所有精确优化法中，最为简 洁有效的一种，其它优化方法比较复杂，应用较少。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 目前，利用较多的精确优化方法是三维动态规划法，由1 9 7 1 年由约翰逊和夏泊( t h y s b j o h n s o na n dw i l l i a nr s h a r p ) 提出来的【1 1 。它是通过两次二维动态规划实现的，先在横剖 面上用二维动态规划求出每下降一个水平的相对最大盈利值，并将它反映在纵剖面相应的 快段上，然后再在纵剖面上用二维动态规划法确定最优境界，据此确定每个横剖面的开采 深度。这些已确定开采深度的横剖面上诸块段的集合，构成了露天矿的最优境别2 j p j 。 探索法最有代表意义的有三种：传统手工方法、计算机浮动圆锥法和复合锥法。 传统手工法 目前，我国的露天开采境界圈定的设计中，广泛采用境界剥采t e d , 于经济合理剥采比 的原则来确定矿山境界。需要做以下工作：确定露天矿最小底宽、露天矿最终边坡角、确 定露天矿开采深度、绘制露天矿底部周界、绘制露天矿开采最终平面图，确定开采深度是 这些工作的核心【4 】【5 1 。在各横断面图上做出若干个深度的开采境界方案，针对各深度方案， 用面积比法或线段比法，计算其境界剥采比。将各深度方案的境界剥采比和开采深度绘成 n h 曲线，按经济合理剥采比确定这个断面的开采深度。按同样的方法，可以确定露天矿 范围内所有横断面上的理论深度，在地质纵断面图上调整露天矿底部标高。把各横断面的 确定深度投影到地质纵断面图上，确定出矿山的开采深度，根据这个最优深度再进一步设 计矿山境界【6 j 1 7 j 。 传统的手工方法存在许多缺点，比如所选地质剖面图并不一定垂直露天矿边坡走向， 上盘交角和下盘交角不一的现象是常见的，因此在计算剥采比时用剖面上矿岩面积比来模 拟真正剥采比，不但精度低，有时误差相当大。另外，端帮工程量通常很大，而且这些部 位往往是剥岩多而采出矿量较少，对此剖面法未加考虑【8 】。因此，用传统手工方法确定的 露天开采境界往往得不到最优的效果。 用分层平面图来圈定境界确实能弥补剖面法的不足，但由于绘图量和计算工作量太 大，手工难以完成，只有借助计算机来圈定。 浮动圆锥法 7 0 年代我国矿业系统工程得到蓬勃发展，不断有人从事矿山系统工程的研究，取得相 当多的成果。浮动圆锥圈定境界就是其中的一项重要成果，理论相当成熟。其原理是用有 限个相互交错重叠的倒圆锥体来模拟露天坑，以圆锥的斜面倾角等于最终边坡角。做法是： 根据钻孔资料及地形测量资料用电子计算机进行数据处理，建立矿化数字模型，根据矿化 数字模型，采矿的损失率、贫化率、选矿和冶炼的实收率与损耗以及产品价格等，计算各 块段的净值，得出矿床经济模型。以露天坑底的某一净值为正( 即收入高于成本) 的块段 为中心，作出第一个倒圆锥，求出此圆锥内积累总净值，总净值为正时为可采圆锥，否则 为不可采【9 】【1 0 】；然后依次向邻近为正值的块段移动圆锥中心，每移动一次所计算出的净值 增量称为移动增量。当所有移动增量累计的净值为最大时，所确定的露天开采境界即为最 优。 复合锥法 复合锥法是传统手工方法和传统浮动圆锥法相结合的一种圈定境界新方法，也是传统 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 手工方法和传统浮动圆锥法的继承和发展，它用多个底部周界按矿山实际坡角向上扩展的 锥体的组合来模拟矿山境界，采用了图形学、网络和现代计算机图形g d i 技术，是以往露 天矿境界圈定方法和现代计算机技术的集成【l 。 复合锥法与浮动圆锥法的区别有：在圈定原则方面包容了所有传统手工方法境界圈定 的原则，适合于任何矿床埋藏条件的初始和分期开采境界确定；在计算方法上采用了浮动 圆锥法的思想，但抛去了浮动圆锥法的矿床块段模型，采用矿床实体模型，不需要像以往 浮动圆锥法建模时先进行储量计算再给各单元块赋值的过程，简化了建模基础数据的准备 工作；锥底不是圆形，直接采用更接近实际境界的底部周界，因而提高了计算精度和多方 案的模拟速度；同时增加了二维、三维图形可视化功能，整个设计采用图形人机交互方式， 融合了设计工程师的经验和智慧，直观方便、操作简单、设计可控，提高了设计的可信度。 1 3 2 露天开采境界方案优化 传统的手工方法虽然存在许多缺点，但操作较简单，圈出的境界能满足开采要求，所 以被广泛应用。一般是按照手工法选出几个可行境界方案，然后根据几个主要因素来对方 案评价，得到较优方案【1 2 】1 1 3 】。 陆佐铭按最大贴现值原则确定露天开采境界的合理深度是从动态的经济观点出发的， 考虑了矿山从基建到开采终了的几个主要因素对开采方案的经济影响。对于将要开采的矿 床，在作了大量方案比较的基础上，得出了一个能获得最大值的丌采方案，它决定了矿山 规模、阶段划分方式和合理的露天开采境界深度等几个主要参数。同时，也为选择不同的 开采方案提高了大量的基本数据。 侯煜利用灰色聚类决策对露天开采境界方案评判【1 4 】，在多个影响分期开采经济效果的 技术经济因素中，选择表内矿量、表内矿品位、岩石量、剥采比、服务年限、总效益等六 个指标作为灰色聚类的决策指标。按最优方案、较优方案、基本方案三个狄类进行聚类决 策，排出优先顺序。灰色聚类决策是确定露天矿山合理开采境界的一种技术方法，狄色聚 类决策方法可与边际理论法、参数化函数法、境界剥采比法等共同应用，以达到相互验证、 相得益彰的目的。 李和太对天铁石灰石矿山露天采场境界的圈定是根据境界内的矿石、岩石、平均剥采 比及丌采成本等方面来比较境界优劣。此矿条件较为简单，影响因素不多，可做出直观评 价【15 1 。 露天丌采境界方案影响因素较少时可以很容易的从单个因素比较来评判结果。露天开 采境界方案影响因素较多时需要从整体上评价，对评价对象的全体根据所给的条件，采用 一定的方法给每个评价对象赋予一个评价值，再据此择优或排序【1 6 j 。 1 3 3 优化方法 对于多方案的综合评价方法有数十种之多，根据所采用的理论，归纳起来大致可以区 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 分为三类【1 7 1 8 】：第一类是基于经验的综合评价方法也称为咨询法，这类方法是通过向各方 面专家咨询，将得到的评价进行简单处理，从而得出综合评价结果的方法；第二类是基于 数值和统计的方法，它以数学理论和解析方法对评价系统进行严密的定量描述和计算；第 三类是基于决策和智能的综合评价方法，这类方法或是重现决策支持或是模仿人脑的功 能，使评价过程具有像人类思维那样的信息处理能力【1 9 】【2 0 】【2 l 】。 ( 1 ) 基于专家经验的方法 专家打分法 专家打分法是一种既简单又应用广泛的评价方法，它是在定量和定性分析的基础上， 以打分的方式做出评价。其步骤为首先设置评价指标，然后请专家对每个指标按照一定的 评分标准打分，最后将各专家、各指标的评分值综合，得到每个方案的总评分值作为综合 评价的结果。综合的方法可以采用简单平均法、加权平均法等。 德尔菲法 德尔菲法是一种多轮专家咨询法，基于专家经验的综合评价方法原理上易于理解，操 作上简便易行，应用于缺乏足够的客观数据或者方案价值在很大程度上取决于主观因素的 情况，可以收到良好的效果。但这种方法系统性不强，受主观因素的影响大，难以保证评 价结果的客观性和准确性。特别是德尔菲法存在着对时间、人力、物力的耗费较多的不足。 ( 2 ) 基于数值和统计的方法 加权平均法 这种方法是计算简单、应用广泛的一种方法。它是在测定各指标及其权重的基础上， 按照一定的加权方法得到方案的综合评价值。加权平均法有加权算术平均、加权几何平均、 算术平均与几何平均联合使用等。加权算术平均法是最常见的方法，对每个指标给定权重， 然后用加权算术平均值来综合，得出被评对象的评价值。该方法适用于被评对象的评价指 标是比例型，其比值随单位的选择不同不会改变。当评价指标是比值型，其量纲的改变对 综合值的影响较大时，可采用几何平均或加权几何平均方法来消除量纲对评价值的影响 【2 2 】 o t o p s i s 法 t o p s i sf t e c h n i q u ef o ro r d e rp r e f e f e n c eb ys i m i l a r i t yt oi d e a ls o l u t i o n ) 称为逼近于理想 解的排序方法。它的基本思想是：对归一化后的原始数据矩阵，确定出理想中的最佳方案 和最差方案，然后通过求出各被评方案与最佳方案和最差方案之间的距离，得出该方案与 最佳方案的接近程度，并以此作为评价各被评对象优劣的依据。 t o p s i s 法是用于科学决策的一种工业经济效益综合评价的实用方法，其应用灵活方 便，对样本量的大小无特殊要求，具有应用范围广、计算量小、几何意义直观及信息失真 小等优点，尤其适于数值型的效益性指标的分析。 费用效益分析法 费用效益分析法是系统评价的经典方法之一。其基本思想是要求所投资的工程项目给 社会提供财富和服务的效益必须超过其费用。这种方法将投资效益与投资费用分开来考 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 虑，把最终效益( 或者表现为现实价值，或者表现为等年值) 与相应时刻的成本费用经过比 较，其结果作为工程项目投资合理性的依据。费用效益分析法是用货币作为统一尺度，同 时也考虑货币的时间价值，通过费用效益比较得出无量纲比值，使人们更明显更直观地看 出方案之间的差异【2 3 】。费用效益分析法应用的关键在于如何正确测定效益以及如何估计长 期投资和效益的社会折现率。这种评价方法的不足在于仅仅从经济观点考虑效益，不能被 从社会观点考虑效益的人们完全接受，当考虑的因素难以用货币值来表现时，就必须考虑 采用其它的方法【2 4 】【2 5 1 。 主成分分析法 主成分分析法是根据评价对象的内在联系将变量进行综合，抽象出若干带有规律性的 东西，构成某种程度上简化的数学模型，再用来研究复杂的自然现象的多元统计方法之一。 其基本思想是以方差一协方差矩阵的内部依赖结构为出发点，设法找出较少的综合特征来 代表原来较多的特征，而且这些较少的综合特征又能尽可能多地反映较多的特征信息。也 就是说，这些综合特征之间既要相互独立，又要代表性最好【2 们。在多指标综合评价问题研 究中往往会产生两个问题：一是由于指标个数太多，彼此之间存在着一定的相关性，使得 所观测或研究的参数在一定程度上所反映的信息有所重叠；二是当指标数较多时在高维空 间中研究样本的分布规律比较。主成分分析法正是针对上述问题而提出的，它采取一种降 维的思想，从中找出少数几个综合指标来代表原来众多的变量，使得这些综合指标尽可能 多地反映原来变量的全部信息，而且彼此之间互不相关，从而使统计分析的系统结构简化。 主成分分析法应用的关键是能否找到合适的主成分。 ( 3 ) 基于决策和智能的综合评价方法 层次分析法 层次分析法是1 9 7 3 年美国学者t l s a a t y 最早提出，经过多年的发展现已成为一种较 为成熟的方法。该方法是一种定性分析和定量分析相结合的评价决策方法，其基本思路是 评价者将要评价系统的备择方案的各种要素分解成目标层、准则层、方案层，并在同一层 次的各要素之间简单地进行比较、判断和计算，就可以得出不同被评对象的重要度，从而 为选择最优提供决策依据【27 1 。层次分析法的优点是在对复杂的评价决策问题的本质、影响 因素及其内在关系进行深入分析的基础上，利用较少的定量数据信息便可将人们的思维过 程数学化、系统化，易于被人们所接受。但该方法要求评价者对被评对象的本质、包含的 要素及其相互间的逻辑关系了解得十分透彻。 模糊综合评价法 模糊综合评价法是利用模糊集理论进行评价的一种方法。模糊集理论不是单纯的数字 和符号的形式演算，而是模拟人的思维推理过程，充分利用人脑对模糊现象能够做出正确 判断的优点，使定性化的囚素向定量化逼近，从而得出科学的结果。综合评价是人脑的思 维活动，模糊性是人类思维的特点之一，模糊综合评价法在某种程度上弥补了经典数学与 统计数学的不足，因而近年在系统评价领域得到了广泛的应用【2 8 1 。 模糊综合评价改进了常规多指标综合评价方法，将被评事物的变化区间做出某种划 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 分，对事物属于各评价等级的程度做出分析，因此对复杂事物的描述更加深入和客观。 人工神经网络法 人工神经网络可以模拟人脑的某些智能行为，如知觉、灵感和形象思维等，具有自学 习、自组织、自适应和非线性动态处理等特性。目前在综合评价领域研究较多的是b p 神 经网络。b p 神经网络应用于复杂对象系统的综合评价，意在建立更加接近于人类思维模式 的定性与定量相结合的综合评价模型。通过对给定样本模式的学习，获取评价专家的经验、 知识、主观判断及对目标重要性的倾向。当需要对有关评价对象做出综合评价时，该方法 便可再现评价专家的经验、知识和直觉思维。人工神经网络评价法既能充分考虑评价专家 的经验和直觉思维模式，又能降低综合评价过程中人为的不确定因素；既具备综合评价方 法的规范性，又能体现出较高的问题求解效率，也较好地保证了评价结果的客观性，是目 前一种较为优秀的综合评价方法担引。 影响境界方案评价的因素包括基建投资、境界参数、资源利用率和设备购置等【j u j p ， 有许多指标是不确定的，而模糊综合评判法的隶属函数和模糊统计方法为定性指标定量化 提供了有效的方法，实现定性和定量方法的有效集合。在客观事物中，一些问题往往不是 绝对的肯定或绝对的否定，涉及到模糊因素，而模糊综合评判方法则很好地解决了判断的 模糊性和不确定性问题【3 2 】【3 3 】【3 4 】。模糊综合评判所得结果为一向量，即评语集在其论域上的 子集，克服了传统数学方法结果单一性的缺陷，结果包含的信息量丰富。因此，本文拟采 用模糊综合评判法用于露天开采境界方案优化。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 矿区地质概况 第二章乌龙泉矿西区开采技术条件 在区域构造上乌龙泉石灰岩白云岩矿床，处于淮阳山字形构造前弧西翼的西南段，沈 家湾背斜南翼中段。 矿区出露的地层有志留系、泥贫系、石炭系、二叠系及第四系。含矿地层为中石炭统 黄龙组下段和上段、上石炭统船山组及下二叠统栖霞组下段。区内岩浆岩不发育，仅在矿 区中部见有小规模的次玄武岩脉沿n w 向断裂带分布。矿区出露的古生代地层基本上呈向 s e 倾斜的单斜构造，断裂构造极为发育，破坏了矿床的连续性和完整性，属构造复杂类型 的石灰岩白云岩矿床。 2 1 1 矿床特征 矿床出露于京广线以西、鸽子山以东近东西向低山丘陵地带，西区东西长1 0 k m ，南 北宽0 3 0 9 k m 。矿床由白云岩矿床( i ) 、浅色石灰岩矿床( i i ) ，深色石灰岩矿床( i i i ) 组成。矿床总厚度平均为1 8 4 9 5 m ，呈单斜层状产出，总体走向3 0 0 6 0 。倾向南东，倾角 1 2 0 2 0 0 ，局部矿块倾向南西。矿床上部为石灰岩矿床，下部为白云岩矿床，之间夹石灰 岩与白云岩互层。乌龙泉矿西区勘探线分布见图2 1 。 图2 1 乌龙泉矿西区勘探线分布平面图 f i 9 2 1d i s t r i b u t i o np l a n a rg r a p ho fp r o s p e c t i n gl i n e sa b o u t t h ew e s t e r no fw u l o n g q u a nm i n e 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 ( 1 ) 白云岩矿床( i 号矿床) 矿床出露于矿区北部边缘一带。其北部主要赋存在4 3 m 标高以上，中部主要赋存在 0 m 标高以上，南部主要赋存在0 m 标高以下。 矿床由c i 9 和c i 8 、c i 5 硅质层及其形成的夹层可大致分为上、中、下三部分。矿床中 夹有1 0 层硅质层，多形成夹石，但局部被圈入矿床之中。硅质层有相对的稳定层位，以 c i 9 、c i 8 、c i 5 分布最稳定，其次为c i 3 、c i 4 。其它夹层多为低镁白云岩，分布不稳定，规 律极差。 i 号矿床( 包括夹石) 最大厚度8 0 3 5 m ，最小厚度2 3 7 5 m ，平均厚度4 5 2 0 m ，沿走 向自东向西有变厚的趋势。由于受断裂破坏和剥蚀作用的影响，局部断块矿床厚度变薄， 一般厚度2 3 一- , 5 0 m ，个别厚度在8 m 左右。 ( 2 ) 浅色石灰岩矿床( i i 号矿床) 矿床在工作区内大面积出露，为主要矿床。北部主要赋存在4 3 m 标高以上，南部主要 赋存在o m 标高以上。 矿床上部为石灰岩矿岩，中、下部为优质石灰岩矿床。矿床中夹有6 层硅质层，其中 以j 2 5 夹层最为稳定。矿床厚度1 3 6 0 - - - 9 8 9 8 m ，平均厚度6 3 2 5 m 。 根据矿石的工业类型和标志层( 即j 2 5 夹层) 进一步将矿床划分为三个分矿床。 i i 1 号分矿床 矿床位于j 2 s 夹层之下，为优质石灰岩下矿床。矿床呈厚层状分布于矿区，由浅色石灰 岩组成。矿床内夹有透镜状石灰岩矿床( i i 1 l ) ，主要位于矿床底部及顶部，分布特征见 表2 1 。 矿床夹有c i 2 3 、c i 2 4 硅质层，它们分别形成相应的j 2 3 、j 2 4 夹石；由于c a o 含量偏低 而形成的石灰岩夹层( j 1 ) ，在矿床下部零星分布。矿床最大厚度3 9 5 0 m ，最小厚度8 8 6 m ， 一般为2 2 - - 一2 7 m ，平均2 5 9 5 m ，沿走向厚度变化系数为3 3 7 7 。 表2 1i i 1 l 矿床分布特征一览表 t a b l e 2 1c h a r a c t e r sa b o u ti i 1 lo r es e a m i i 2 号分矿床 矿床位于j 2 5 夹层之上，为优质石灰岩上矿床。矿床呈厚层状分布于全矿区，由浅色石 灰岩组成。矿床中下部夹有透镜状石灰岩矿床( i i 一2 1 ) ，其分布特征见表2 2 。矿床中夹有 c i 2 6 、c i 2 7 硅质层，它们形成大小不等的透镜状夹石，分布在一定层位上。由于c a o 含量 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 偏低形成的石灰岩夹层( j 2 ) ，零星分布于矿床中部。矿床最大厚度3 9 4 3 m ，最小厚度 1 3 8 3 m ，一般2 4 - - 一3 0 m ，平均厚度2 8 0 6 m ，沿走向变化系数为1 7 2 。 表2 2i i 2 - l 矿床分布特征一览表 t a b l e 2 2c h a r a c t e r sa b o u ti i 2 lo r es e a m i i 3 号分矿床 矿床位于i i 号矿床上部，为石灰岩矿床，矿床上部为豆状石灰岩，下部为浅色石灰岩。 矿床与下伏优质石狄岩矿床无明显界线，主要依靠化学分析结果圈定。矿床内基本上无夹 层，仅在局部地段见透镜状夹石( j 2 8 ) ，矿床厚度变化较大，为1 9 5 - - 一2 2 4 1 m ，平均1 1 2 5 m 。 沿走向厚度变化系数2 3 ，沿倾向变化系数1 5 1 0 8 。 ( 3 ) 深色石灰岩( i i i 号矿床) 矿床零星分布于矿区南部的山脊和山坡上，呈中厚层状产出，单层厚度0 4 - - 一3 m 。矿 床主要赋存在4 3 m 标高以上，南部部分赋存在4 3 m 标高以下。矿床央有少量薄层炭质页 岩，呈扁豆体零星分布；在矿床底部有l 3 层黄褐色和黑灰色钙质页岩，厚3 1 5 c m ，局 部形成透镜状夹石。矿床厚度为2 8 - - 一5 0 1 9 m ，平均4 1 5 6 m ，矿床厚度沿走向和倾向变化 幅度不大，其变化系数分别为2 7 和1 2 。矿床因受破坏和剥蚀等影响，使完整的矿床残 缺不全。据统计结果表明，残留厚度平均为19 8 9 m 。 2 1 2 矿床围岩及矿床夹石 矿床顶板岩性为下二叠统栖霞组上段( p l q 2 ) 燧石结核灰岩，呈中厚层状产出。岩石 主要化学成分平均含量为：c a 0 4 4 9 5 、m 9 0 1 0 6 、s i 0 2 1 6 6 4 。 矿床底板岩性为石英砂岩和白云岩，呈中厚层状产出。石英砂岩主要化学成分平均含 量为：c a 0 5 3 5 5 、m 9 0 1 3 1 5 、s i 0 2 6 7 ；白云岩的矿物成分和化学组分与白云 岩矿床相同，只因m g o 含量低于1 6 或s i 0 2 含量大于3 ，而将其划为矿床底板围岩。 矿床内央石特别发育，i 号矿床中央层主要为硅质层、低镁白云岩以及断裂活动形成 的破碎岩和角砾岩，i i 号矿床中的夹层主要为硅质层、白云岩以及c a o 含量偏低或s i 0 2 含量偏高的浅色石灰岩，而i i i 号矿床的夹石为炭质页岩、钙质页岩及深色石灰岩。夹层一 般呈层状、透镜状产出，形成条带状或不规则状断续分布于矿床中。厚度的变化比较大， 是影响矿石质量、加大矿石的损失率的主要因素。矿床问最大的央层为中石炭统黄龙组中 段( c 2 h 2 ) 的灰岩与白云岩互层，它稳定地分布在i 、1 i 号矿床之间，该层厚度为1 0 7 5 2 5 0 9 m ，平均厚度1 4 7 3 m 。该层中、上部由4 - - - 6 层石狄岩和白云岩组成的互层，单层厚 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 度0 1 3 2 2 m ，部分达4 - - - 8 m ，其问夹有硅质层。下部则为呈条带状石灰岩与白云岩互层， 厚度2 - 3 m ，顶部有一层稳定的硅质层，厚度为0 0 7 - - 6 2 5 m 。石灰岩白云岩互层主要化 学成分平均含量为：c a 0 4 9 6 3 、m 9 0 4 8 5 、s i 0 2 0 9 5 o , 6 。 2 1 3 矿区岩溶充填物 矿区岩溶较为发育，在部分岩溶中充填黄泥，有时见有极少量碎石，均呈全充填和半 充填。各矿床的岩溶率和充填率见表2 3 。 表2 _ 3 矿床岩溶率、充填率一览表 t a b l e 2 3k a r s ta n df i l l i n gr a t ea b o u to r es e a m 2 2 矿床开采技术条件 2 2 1 工程地质 ( 1 ) 矿、岩石的稳固性 矿床的项板岩石为燧石结核灰岩，呈中厚层状产出，岩石致密坚硬、性脆，与矿床界 线清楚呈整合接触，产状较稳定，岩层的稳固性好。且易于剥离，因受风化剥蚀局部形成 溶沟、溶槽，部分结核剥落。 矿床上部的第四系松散覆盖层，多分布在矿区南部及北部低洼处，厚度一般为3 - - 5 m ， 最厚达1 3 m ，主要为粘土夹岩石碎块，结构松散，稳固性较差。 矿床底板岩石为石英砂岩，中厚层状产出，岩石固结较紧，不易风化，与矿床界线清 楚。稳固性好。 在上部的深色石灰岩矿床中，见有1 - - - 3 层薄层状或扁豆状钙质页岩和含炭质页岩软 弱夹层，单层厚度为3 1 5 c m ，风化后容易形成碎块，故稳固性较差。 矿区内断裂极为发育，不同方向的断层将原来连续的矿( 岩) 层切割成支离破碎的断 块，矿( 岩) 层变形强烈，裂隙发育，加之地下水长期的溶蚀作用，造成岩溶发育，泥化 程度较高，破坏了矿床的连续性，从而导致了矿、岩层的稳固程度显著降低。 ( 2 ) 矿石和围岩的物理机械性质 岩物理机械性质见表2 4 。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 表2 4 矿、岩物理机械性质参数表 t a b l e 2 4p h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c k s 垫竺塑竺! 竺! ! !垫垫塑竺! 竺! ! !垫望塑些! 竺! ! ! 松散 安息 矿、岩名称 垂直平行垂直平行垂直平行 系数 角( 。) 层理层理层理层理层理层理 燧石结核 灰岩 石灰岩矿石 白云岩矿石 1 3 0 4 1 5 1 4 3 8 4 1 8 5 1 6 0 1 3 2 8 1 1 4 9 1 4 9 7 3 肛 1 8 6 7 5 5 5 1 3 1 5 4 2 3 5 9 3 6 51 3 7 3 32 3 9 61 0 31 3 l4 0 1 2 8 |40 1 3 0 ( 3 ) 露采边坡稳定性影响因素分析 矿区工程地质岩组可分为坚硬岩组、软弱半坚硬岩组和松散岩组三类。 以碳酸盐岩类为主的坚硬岩组：岩性为石狄岩、白云岩和硅质岩，主要呈层状产 出。石灰岩、白云岩中溶洞和溶蚀孔均较发育，硅质岩中见少量的岩溶裂隙。风化层厚度 一般为o 5 m 。该岩组是矿区主要的含水层，为裂隙、裂隙潜水类型。 以碎屑岩为主的坚硬岩组：以层状产出为主，岩性为石英砂岩，裂隙不发育。 碎屑岩软弱半坚硬岩组：岩性为泥质页岩，层状产出，表层松软，风化层厚 度一般为0 5 3 m ，风化裂隙发育，属良好的隔水岩层。 松散岩组：主要由粘土和砾石组成，呈松散状。表层粘土隔水性好，下部粘土、 砾石层为孔隙含水层，稳固性差。 矿山目前j 下在大规模机械化露天开采，台阶高度为1 2 m ，采场边坡不良工程地质现象 少见，仅在个别地段因节理、裂隙发育、岩溶溶蚀作用显著并充填有较多泥质的地段，在 雨季特别是暴雨期间的泥化及岩石软化，导致基座蠕动而形成局部边坡崩塌。 矿区存在的崩塌均是在软弱结构面及边坡岩体自重力影响下发生的。在诱发边坡变形 破坏的过程中，结构面( 尤其是弱结构面) 是导致岩体滑动的主要因素，而大气降水则是 边坡变形破坏的外在原因，矿区内崩塌的发生和发展均与大气降水有关，特别是暴雨的影 响更大。采场北帮在众多大型纵向、斜交断层的交切部位，岩石裂隙相当发育，泥化程度 较高，构成破裂结构散体结构边坡，尤其应引起关注。此外，矿山采掘的爆破对边坡 岩体稳定性的影响办不能忽视。 矿区断裂构造发育而复杂，部分地段边坡处于断裂带上，会危及边坡的稳定性，因此， 对这些地段的边坡应注意监测，同时适当放缓边坡角。 2 2 2 水文地质 矿区属低i _ 【i 丘陵地带，山间多为平地，山脉平缓，呈东西向延伸，地势西高东低。最 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 高点位于西区鸽子山顶，海拨标高1 9 2 1 0 m ，最低处位于东区边缘海拨标高3 1 6 3 m 。4 3 m 标高以上矿体位于苗当地侵蚀基准面以上，露天开采时地形有利于自流排水。 矿区地表水系极不发育，仅在矿区外围有山间小溪分布，雨季迳流量变化在1 3 5 - - 2 7 8 9 l s 之间，干旱季节则干枯。地表水塘小型水库零星散布于矿区边缘。 矿区属亚热带湿润季风气候，历年降雨量为1 2 8 0 9 m m ，年最大降雨量为1 8 6 2 6 m m 。 每年4 8 月为雨季，降雨量为7 8 0 6 7 m m ，占平均年降雨量的6 0 9 5 ，日最大降雨量为 2 1 1 5 m m 。 矿区矿体为含水层，由二叠系的燧石结核灰岩、深色灰岩和石炭系的豆状灰岩、浅色 灰岩与白云岩互层组成。其中石炭系地层含水层、含水层岩溶、断裂均较发育。 矿区隔水层为志留、泥盆系的页岩和石英砂岩。矿区水文地质条件属简单中等类 型矿床。 2 3 矿区生产现状 乌龙泉矿以2 2 勘探线为界分为东、西两区，o 2 2 勘探线为东区，2 2 - 4 4 线为谣区。 东区露天开采已五十多年，由原来的山坡露天开采转为凹陷露天开采。长期以来，为了满 足武钢对优质石灰石的需要，矿山对优质石灰石进行了强化开采，造成了优质石灰石开拓 矿量严重不足的不利局面。现主要开采水平为6 7 m 和5 5 m 水平。为多采优石以满足武钢 需要，目前，矿山已完成了4 3 m 水平部分的开沟工程。生产能力维持在年产原矿石1 6 0 0 - - 18 0 0 k t 。 表2 5 乌龙泉矿现有采装设备表 t a b l e 2 5e x c a v a t ee q u i p m e n t so fw u l o n g q u a nm i n e 西区长约1 0 0 0 m ，地形为山丘地形。在2 0 0 3 年5 月以自订，采区内有3 0 多个民采点进 行过不j 下规的开采，民采开采范围主要分布在2 2 - 4 4 勘探线之间，在采区的南北面沿着 矿体的走向全线开采，现己采出矿石3 8 0 0 k t