CN110080818B - 一种矿山遗留矿柱分级分类充填回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿山遗留矿柱分级分类充填回收方法，适用矿山遗留矿柱分级分类的充填回收。首先建立矿山遗留矿柱充填回收分级分类方法分层结构模型，然后对矿井概况进行调研，明确矿井地质、技术与经济条件，为充填回收方法的决策提供依据，基于分层结构模型建立遗留矿柱充填回收方法评价模型，并由评价模型初步确定若干个可行充填回收方法；采用层次分析法对步骤三得到的若干个可行充填回收方法进行优选，确定最终充填回收方法。本发明将专家主观经验与层次分析法结合，对评价指标权重与评价指标存在的客观不确定性进行定性的分析与定量的数学描述，构建了更合理化、准确化、综合化的评价指标体系。
Description
技术领域
本发明涉及一种充填回收方法，尤其是一种适用矿山遗留矿柱分级分类的充填回收方法，属于矿山充填开采技术领域。
背景技术
矿产资源为我国的经济发展做出了巨大贡献。但是资源持续大规模开采的同时，也带来了资源枯竭和矿区生态破坏等问题。受开采方法和回采工艺等条件限制，在过去相当长一段时间内，我国矿产采出率较低，导致大量矿柱遗留于井下。这些遗留矿柱不仅造成了优质资源的流失与浪费，同时容易引发矿震、采空区火灾等灾害，因此如何在保护矿区脆弱生态的前提下，高效回收遗留矿柱对于矿井的可持续发展、绿色发展具有重要的现实意义。
长期以来，围岩变形机理复杂、矿柱容易垮塌等技术难点制约着矿井对遗留矿柱的回收与利用，而充填开采技术在我国的发展和成熟为回收遗留矿柱资源提供了有效的技术途径。但是目前对于不同条件下、不同类型的遗留矿柱应该选择哪一种充填技术回收还没有一个标准的、科学的评价设计体系。对于具体矿井的特定遗留矿柱，需要根据矿层地质条件、经济效益和社会效益等因素综合考虑，这些在决策时需要考虑的因素中，有的属于定量指标，但有的只能定性分析，导致结果往往偏向于主观或者客观方面的单一评价，评价结果缺乏综合性和准确性；在指标选取方面，现有矿井遗留矿柱充填回收评价指标的选取是针对区域性的多类型的综合评价，但就单一矿井遗留矿柱的评价，指标体系应当更具有针对性和科学性。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对现有技术中存在的不足之处，提供一种操作方便、科学化、综合化、选择合理化、准确化的矿山遗留矿柱分级分类充填回收方法。
技术方案：本发明的一种矿山遗留矿柱分级分类充填回收方法，包括如下步骤：
步骤一、建立矿山遗留矿柱充填回收的分层结构模型；
步骤二、对矿井概况进行调研，明确矿井的地质、技术与经济条件信息，为分级分类充填回收方法的决策提供依据；
步骤三、基于步骤一的分层结构模型，建立遗留矿柱充填回收方法的评价模型，并由评价模型初步确定若干个可行充填回收方法；
步骤四、采用层次分析法对步骤三中初步确定的若干个可行充填回收方法进行筛选，确定最终充填回收方法。
步骤一中，所述建立矿山遗留矿柱充填回收的分层结构模型包括三层，分别为目标层a、因素层b、方案层c；
所述目标层a为矿山遗留矿柱充填回收方法的选择；
所述因素层b包括矿井地质条件b1、技术与装备条件b2和经济管理条件b3，每一条件又包括若干个次级因素，其中，矿井地质条件b1包括岩层控制需求b11、资源赋存特征b12和可回收煤柱量b13三个次级因素；技术与装备条件b2包括废石处理能力b21、充填产能定位b22、现有装备水平b23和生产系统改造b24四个次级因素；经济管理条件b3包括充填材料来源b31、投资成本估算b32和相关政策扶持b33三个次级因素，因素层b共包含十个次级因素；
所述方案层c包括固体抛投充填c1、固体泵送充填c2、固体夯实充填c3、膏体泵送充填c4、超高水泵送充填c5和胶结料泵送充填c6共六种充填方法。
所述的分层结构模型中，基于分层结构模型方案层c包括的六种充填开采方法，将因素层b的所有十个次级因素划分为A、B、C三个评价等级，每一个评价等级对应着适用的一个或若干个充填开采方法；根据矿井遗留矿柱的条件信息，依次判断每一个次级因素所能满足的一个或两个等级，列出十个次级因素的评价等级表，根据评价等级表初步确定若干个可行充填方法。
步骤四中，所述的采用层次分析法对步骤三得到的若干个可行充填回收方法进行优选，确定最终充填回收方法包括如下步骤：
a.根据矿山遗留矿柱分级分类充填回收方法分层结构模型，从分层结构模型的因素层b开始，直到方案层c，用1-9标度法构造每一层元素对于上一层每个元素的判断矩阵；
b.计算层次单排序，即计算各元素在层次内的权重，并检验权重分布是否合理，对每个判断矩阵计算最大特征值及其对应的特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检测，若检测通过，归一化处理后的特征向量即为层次单排序，若不通过，重复步骤a，重新构造判断矩阵；
c.计算层次总排序，根据层次单排序结果，逐层计算各层次对于系统的总排序权重，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检测，若检测通过，则层次总排序结果为最终结果，即可确定最终充填回收方法；若不通过，重复步骤a、b，重新构造层次分析模型或重新构造一致性比率较小的判断矩阵，重新计算层次总排序。
有益效果：遗留矿柱的回收是矿井一项庞大复杂的系统工程，充填回收方法的选择评价也是一项涉及因素众多的复杂评价，本发明结合矿井遗留矿柱回收的工程特点和评价的内容，并考虑到科学性、全面性、代表性和相对独立性等原则，通过咨询专家意见，建立了能客观、正确地反映矿井遗留矿柱充填回收工作的分层结构模型。将采矿经验与层次分析法紧密结合，完整体现了矿井遗留矿柱充填回收方法选择的主观意愿和客观实际相融合的过程，尤其在评价指标权重选择衡量上，对评价指标权重与评价指标存在的客观不确定性进行了数学描述。对于具体矿井的特定遗留矿柱，需要根据矿层地质条件、经济效益和社会效益等因素综合考虑，本发明将使矿山遗留矿柱充填回收方法选择更加合理化、操作方便、科学化，可以解决遗留矿柱造成的优质煤炭资源的流失与浪费问题，避免遗留矿柱引发的矿震、采空区火灾等灾害问题，为决策时需要考虑的诸多因素、定量指标、定性分析、综合性和准确性提供了依据，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的矿山遗留矿柱充填回收方法分层结构模型图；
图2是本发明的矿山遗留矿柱充填回收设计工作流程图；
图3是本发明的矿山遗留矿柱充填回收方法评价模型图。
具体实施方式：
下面结合附图中实施例对本发明作进一步的描述：
如图1所示，本发明的矿山遗留矿柱分级分类充填回收方法，包括：
步骤一，建立矿山遗留矿柱分级分类充填回收的分层结构模型；所述的建立矿山遗留矿柱充填回收的分层结构模型包括三层，分别为目标层a、因素层b和方案层c，如图2所示；
所述目标层a为矿山遗留矿柱充填回收方法选择；
所述因素层b包括矿井地质条件b1、技术与装备条件b2和经济管理条件b3，每一条件又包括若干个次级因素，其中，矿井地质条件b1包括岩层控制需求b11、资源赋存特征b12和可回收煤柱量b13三个次级因素；技术与装备条件b2包括废石处理能力b21、充填产能定位b22、现有装备水平b23和生产系统改造b24四个次级因素；经济管理条件b3包括充填材料来源b31、投资成本估算b32和相关政策扶持b33三个次级因素，因素层b共包含十个次级因素；
所述方案层c包括固体抛投充填c1、固体泵送充填c2、固体夯实充填c3、膏体泵送充填c4、超高水泵送充填c5和胶结料泵送充填c6共六种充填方法。
步骤二，对矿井概况进行调研，明确矿井的地质、技术与经济条件信息，为充填回收方法的决策提供依据；对矿井概况进行调研，主要是针对遗留矿柱的矿井概况，需了解掌握矿井实际情况，包括矿井充填回收遗留矿柱预期达到的目标，和矿井应用某种充填技术的可行性；
步骤三，基于步骤一的分层结构模型，建立遗留矿柱充填回收方法评价模型，并由评价模型初步确定若干个可行充填回收方法；
步骤四，采用层次分析法对步骤三得到的若干个可行充填回收方法进行优选，确定最终充填回收方法。
所述的分层结构模型中，基于分层结构模型方案层c包括的六种充填开采方法，将因素层b的所有十个次级因素划分为A、B、C三个评价等级，每一个评价等级对应着适用的一个或若干个充填开采方法；根据矿井遗留矿柱的条件信息，依次判断每一个次级因素所能满足的一个或两个等级，列出十个次级因素的评价等级表，根据评价等级表初步确定若干个可行充填方法。
所述的采用层次分析法对步骤三得到的若干个可行充填回收方法进行优选，确定最终充填回收方法包括如下步骤：
a.根据矿山遗留矿柱分级分类充填回收方法分层结构模型，从分层结构模型的因素层b开始，直到方案层c，用1-9标度法构造每一层元素对于上一层每个元素的判断矩阵；
b.计算层次单排序，即计算各元素在层次内的权重，并检验权重分布是否合理，对每个判断矩阵计算最大特征值及其对应的特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检测，若检测通过，归一化处理后的特征向量即为层次单排序，若不通过，重复步骤a，重新构造判断矩阵；
c.计算层次总排序，根据层次单排序结果，逐层计算各层次对于系统的总排序权重，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检测，若检测通过，则层次总排序结果为最终结果，即可确定最终充填回收方法；若不通过，重复步骤a、b，重新构造层次分析模型或重新构造一致性比率较小的判断矩阵，重新计算层次总排序。
实施例1：某煤矿计划对条带开采遗留孤岛煤柱进行充填回收，工作面宽110m，长960m，埋深460m、平均采厚为2.9m，倾角约5°，煤体单轴抗压强度11.09MPa，煤与顶底板有冲击倾向，工作面左侧为2个相邻的垮落面采空区，工作面右侧为条带面采空区，工作面上方有村庄等建筑物。
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，对于矿区农村自建砖石和砖混结构的低层房屋，其损坏等级应控制在I级，即允许地表变形值一般为水平变形ε＝±2mm/m，倾斜i＝±3mm/m，曲率K＝±0.2×10-3/m。
所述的遗留矿柱充填回收方法评价模型，基于分层结构模型方案层的六种充填开采方法，将因素层b的所有十个次级因素划分为A、B、C三个评价等级，每一个评价等级对应着适用的一个或若干个充填开采方法；根据调研得到的矿井遗留矿柱的条件，依次判断每一个次级因素所能满足的一个或两个等级，列出十个次级因素的评价等级表，根据评价等级表初步确定若干个可行充填方法。
根据该矿实际情况列出遗留矿柱分级分类方法判别等级表，见表1。
表1评价等级表
根据所得的判别等级表对应图3的遗留矿柱分级分类方法，将10个指标的判别等级代入，最后得出满足所有判别等级的充填方法，初步确定采用膏体泵送充填和胶结料泵送充填两种充填方案。
具体的，所述的采用层次分析法对得到的可行充填回收方法进行优选，确定最终充填回收方法，包括：
①根据图2所示的矿山遗留矿柱分级分类充填回收方法分层结构模型，从分层结构模型的因素层b开始，直到方案层c，用1-9标度法构造每一层对于上一层每个元素的判断矩阵；
其中1-9标度法即根据两个因素的相对重要性程度进判别取值，如元素i相对于元素j的重要性为5，则元素i相对于元素j的重要性为1/5，其具体取值意义见表2。
表2(1-9标度法取值表)
②进一步，计算层次单排序，即计算各元素在层次内的权重，并检验权重分布是否合理。对每个判断矩阵计算最大特征值及其对应的特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检测，若检测通过，归一化后的特征向量即为层次单排序，若不通过，需要重新构造判断矩阵；
其中，最大特征值对应的特征向量采用和积法求得，其计算公式为：
所述判断矩阵一致性检验，是由于评价指标的权重的选择主要是基于主观的经验评判，难免会存在经验判断上的不合理性，可能会造成评价指标的权重分配存在不合理性或者脱离实际性，为了消除权重分配可能存在的不平衡性，必须对权重的分配合理性进行判断。
一致性检验包括：计算，查找，计算一致性比率CR，当则CR＜0.1时，认为矩阵具有满意的一致性，否则应对判断矩阵作适当修改，直到满足一致性检验；
一致性指标CI计算公式为：
其中，λmax为判断矩阵最大特征值，n为矩阵阶数，CI＝0，则此矩阵通过一致性检验，CI不等于0，则进一步检验矩阵一致性；
λmax可通过以下公式得到：
随机一致性指标RI与矩阵阶数有关，可通过查表得到其数值，见表3。
表3(随机一致性指标取值表)
在本实施例中，初步确定采用膏体泵送充填和胶结料泵送充填两种充填方案，而固体抛投充填c1和固体泵送充填c2明显不能满足地表变形的控制要求，为了检验遗留矿柱充填回收方法评价模型的合理性，在层次分析法中方案层c考虑固体夯实充填c3、膏体泵送充填c4、超高水泵送充填c5和胶结料泵送充填c6四种充填方法。
分别根据1-9标度法构造每一层元素对于上一层元素的判断矩阵，并对所得的14个判断矩阵进行了一致性检验，修改了某些矩阵以满足其一致性，得到的判断矩阵及层次单排序如表4-表17所示。
③进一步，计算层次总排序，根据层次单排序结果，逐层计算各层次对于系统的总排序权重，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检测，若检测通过，则层次总排序结果为最终结果，即可确定最终充填回收方法；若不通过，需要重新构造层次分析模型或重新构造一致性比率较小的判断矩阵，重新计算层次总排序。
具体的，设第k层第n个因素对于第k-1层第j个因素的层次单排序一致性指标为CIj，随机一致性指标为RIj，则层次总排序的一致性比率为CR，其计算公式为：
当CR＜0.1时，认为层次总排序通过一致性检测，否则，需要重新构造层次分析模型或重新构造一致性比率较小的判断矩阵。
在本发明的实施例中，得到的层次总排序如表18和表19所示；
根据c层次总排序，可知c4＞c6＞c3＞c5，即膏体泵送充填优于胶结料泵送充填、固体夯实充填和超高水泵送充填三种充填方法，按照权值Wi排序，最终确定采用c4即膏体泵送充填方法回收本发明实施例中的条带开采遗留孤岛煤柱。
在本实施例中，步骤三所述的遗留矿柱充填回收方法评价模型初步确定的方法为膏体泵送充填和胶结料泵送充填，表明了该评价模型的准确性，在实际应用过程中可以直接对步骤三的结果进行优选。
Claims (2)
1.一种矿山遗留矿柱分级分类充填回收方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、建立矿山遗留矿柱充填回收的分层结构模型；
步骤二、对矿井概况进行调研，明确矿井的地质、技术与经济条件信息，为分级分类充填回收方法的决策提供依据；
步骤三、基于步骤一的分层结构模型，建立遗留矿柱充填回收方法的评价模型，并由评价模型初步确定若干个可行充填回收方法；
步骤四、采用层次分析法对步骤三中初步确定的若干个可行充填回收方法进行筛选，确定最终充填回收方法；
步骤一中，所述建立矿山遗留矿柱充填回收的分层结构模型包括三层，分别为目标层a、因素层b、方案层c；
所述目标层a为矿山遗留矿柱充填回收方法的选择；
所述因素层b包括矿井地质条件b1、技术与装备条件b2和经济管理条件b3，每一条件又包括若干个次级因素，其中，矿井地质条件b1包括岩层控制需求b11、资源赋存特征b12和可回收煤柱量b13三个次级因素；技术与装备条件b2包括废石处理能力b21、充填产能定位b22、现有装备水平b23和生产系统改造b24四个次级因素；经济管理条件b3包括充填材料来源b31、投资成本估算b32和相关政策扶持b33三个次级因素，因素层b共包含十个次级因素；
所述方案层c包括固体抛投充填c1、固体泵送充填c2、固体夯实充填c3、膏体泵送充填c4、超高水泵送充填c5和胶结料泵送充填c6共六种充填方法；
所述的分层结构模型中，基于分层结构模型方案层c包括的六种充填开采方法，将因素层b的所有十个次级因素划分为A、B、C三个评价等级，每一个评价等级对应着适用的一个或若干个充填开采方法；根据矿井遗留矿柱的条件信息，依次判断每一个次级因素所能满足的一个或两个等级，列出十个次级因素的评价等级表，根据评价等级表初步确定若干个可行充填方法；
根据该矿实际情况列出遗留矿柱分级分类方法判别等级表，见表1：
表1：评价等级表
根据所得的判别等级表对应遗留矿柱分级分类方法，将10个指标的判别等级代入，最后得出满足所有判别等级的充填方法，初步确定采用膏体泵送充填和胶结料泵送充填两种充填方案；
具体的，所述的采用层次分析法对得到的可行充填回收方法进行优选，确定最终充填回收方法，包括：
①根据分层结构模型，从分层结构模型的因素层b开始，直到方案层c，用1-9标度法构造每一层对于上一层每个元素的判断矩阵；
其中1-9标度法即根据两个因素的相对重要性程度进判别取值，如元素i相对于元素j的重要性为5，则元素i相对于元素j的重要性为1/5，其具体取值意义见表2：
表2：1-9标度法取值表
②进一步，计算层次单排序，即计算各元素在层次内的权重，并检验权重分布是否合理；对每个判断矩阵计算最大特征值及其对应的特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检测，若检测通过，归一化后的特征向量即为层次单排序，若不通过，需要重新构造判断矩阵；
其中，最大特征值对应的特征向量采用和积法求得，其计算公式为：
所述判断矩阵一致性检验，是由于评价指标的权重的选择主要是基于主观的经验评判，难免会存在经验判断上的不合理性，可能会造成评价指标的权重分配存在不合理性或者脱离实际性，为了消除权重分配可能存在的不平衡性，必须对权重的分配合理性进行判断；
一致性检验包括：计算，查找，计算一致性比率CR，当则CR<0.1时，认为矩阵具有满意的一致性，否则应对判断矩阵作适当修改，直到满足一致性检验；
一致性指标CI计算公式为：
其中，λmax为判断矩阵最大特征值，n为矩阵阶数，CI＝0，则此矩阵通过一致性检验，CI不等于0，则进一步检验矩阵一致性；
λmax可通过以下公式得到：
随机一致性指标RI与矩阵阶数有关，可通过查表得到其数值，见表3：
表3：随机一致性指标取值表
③进一步，计算层次总排序，根据层次单排序结果，逐层计算各层次对于系统的总排序权重，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检测，若检测通过，则层次总排序结果为最终结果，即可确定最终充填回收方法；若不通过，需要重新构造层次分析模型或重新构造一致性比率较小的判断矩阵，重新计算层次总排序；
具体的，设第k层第n个因素对于第k-1层第j个因素的层次单排序一致性指标为CIj，随机一致性指标为RIj，则层次总排序的一致性比率为CR，其计算公式为：
当CR<0.1时，认为层次总排序通过一致性检测，否则，需要重新构造层次分析模型或重新构造一致性比率较小的判断矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种矿山遗留矿柱分级分类充填回收方法，其特征在于：步骤四中，所述的采用层次分析法对步骤三得到的若干个可行充填回收方法进行优选，确定最终充填回收方法包括如下步骤：
a.根据矿山遗留矿柱分级分类充填回收方法分层结构模型，从分层结构模型的因素层b开始，直到方案层c，用1-9标度法构造每一层元素对于上一层每个元素的判断矩阵；
b.计算层次单排序，即计算各元素在层次内的权重，并检验权重分布是否合理，对每个判断矩阵计算最大特征值及其对应的特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检测，若检测通过，归一化处理后的特征向量即为层次单排序，若不通过，重复步骤a，重新构造判断矩阵；
c.计算层次总排序，根据层次单排序结果，逐层计算各层次对于系统的总排序权重，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检测，若检测通过，则层次总排序结果为最终结果，即可确定最终充填回收方法；若不通过，重复步骤a、b，重新构造层次分析模型或重新构造一致性比率较小的判断矩阵，重新计算层次总排序。
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