胡　崴　汪為平　婁廣文

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2. 金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

?

灰色層次分析法在趙案莊鐵礦采礦方法優(yōu)選中的應(yīng)用*

胡崴1,2,3汪為平1,2,3婁廣文1,2,3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2. 金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

摘要利用灰色層次分析法，對(duì)影響趙案莊鐵礦采礦方法選擇的定性、定量因素進(jìn)行綜合分析，得出了4種采礦方法的優(yōu)劣順序，為該礦采礦方法的優(yōu)化選擇提供了可靠依據(jù)，也為灰色層次分析法在采礦方法優(yōu)選中的應(yīng)用提供了工程實(shí)例。

關(guān)鍵詞采礦方法灰色層次分析法優(yōu)化選擇

趙案莊鐵礦是舞陽(yáng)礦業(yè)公司的重要生產(chǎn)礦山之一。該礦山工程地質(zhì)條件復(fù)雜，礦石品位低，礦體呈緩傾斜分布且礦石夾層較多，礦體直接頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)固性差，上盤(pán)冒頂較為嚴(yán)重。目前采用上向進(jìn)路分層充填法開(kāi)采，存在采礦工藝復(fù)雜、采準(zhǔn)工程量大、生產(chǎn)能力小等問(wèn)題，亟需對(duì)采礦方法優(yōu)化。由于采礦方案的選擇涉及眾多不同的定量和定性指標(biāo)，所以必須對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行全面、綜合分析，以免受個(gè)人主觀經(jīng)驗(yàn)的影響[1-3]。

利用灰色層次分析法，對(duì)定性、定量因素進(jìn)行綜合分析、比較，選擇相向進(jìn)路上向分層全尾砂膠結(jié)充填法開(kāi)采，在礦山現(xiàn)有開(kāi)采的基礎(chǔ)上進(jìn)行了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，減少采場(chǎng)支護(hù)工程量及采準(zhǔn)工程量，降低采礦成本，提高礦山生產(chǎn)效率和回采率，降低礦石貧化率[4]，實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采。

1灰色層次分析法綜合評(píng)判原理

(1)灰色關(guān)聯(lián)分析法。選取評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各因素的最優(yōu)指標(biāo)為參考序列，通過(guò)將比較序列指標(biāo)與參考序列指標(biāo)對(duì)比，得出評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各因素的關(guān)聯(lián)度系數(shù)，從而進(jìn)行優(yōu)化分析[2]。

(2)層次分析法。把復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等相互聯(lián)系的層次，通過(guò)層次單排序，確定每一層次中各因素的相對(duì)重要次序權(quán)值，并通過(guò)計(jì)算總排序進(jìn)行決策分析[1]。

(3)灰色層次分析法。在灰色關(guān)聯(lián)分析確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用層次分析法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行層次單排序，求出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，由灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)與權(quán)重得到綜合關(guān)聯(lián)度，從而對(duì)不同采礦方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2采礦方法的優(yōu)選模式

2.1層次分析法確定影響因素權(quán)重2.1.1構(gòu)造比較判斷矩陣

依據(jù)AHP法提出的1～9及其倒數(shù)標(biāo)度法，通過(guò)本層所有因素針對(duì)上一層某一因素的相對(duì)重要性比較，構(gòu)造比較判斷矩陣A。

2.1.2層次單排序

層次單排序是計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)層因素對(duì)于上層因素的相對(duì)重要性排序，通常是計(jì)算比較判斷矩陣最大特征根的特征向量，并將特征向量歸一化，即得到因素的排序權(quán)值。常用的方法有方根法、特征根法、和法等，本文采用和法(取列向量的算術(shù)平均)，具體計(jì)算步驟如下。

(1)對(duì)比較判斷矩陣A列向量歸一化,得到矩陣B=[W1，W2，…，Wn]。

(2)對(duì)矩陣B行求和,得到列向量W0=(W1+W2+…+Wn)。

(3)對(duì)列向量W0歸一化,得到特征向量W=[a1，a2，…，an]T,并計(jì)算得出AW=[b1，b2，…，bn]T。

(4)計(jì)算判斷矩陣最大特征根，根據(jù)AW=λW，構(gòu)造λ簡(jiǎn)化計(jì)算公式

(1)

(5)計(jì)算判斷矩陣的偏離一致性指標(biāo)

(2)

(6)計(jì)算判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率CRCR=CI/RI .

(3)

當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為比較判斷矩陣有滿意的一致性，否則要通過(guò)調(diào)整，降低不一致程度，直至通過(guò)一致性檢驗(yàn)為止。RI值見(jiàn)表1。

表1　隨機(jī)一致性指標(biāo)取值

2.2灰色關(guān)聯(lián)度分析2.2.1確定參考序列和比較序列

參考序列是評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各因素的最優(yōu)值，記為：X0=(X0(1)，X0(2)，…，X0(n));比較序列是評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各分析方案的指標(biāo)因素值，記為X1，X2，…，Xn，其中X1=(X1(1)，X1(2)，…，X1(n))，…，Xk=(Xk(1)，Xk(2)，…，Xk(n))。

2.2.2關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)系數(shù)可以通過(guò)參考序列與比較序列曲線間的差值來(lái)表示，但是關(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)量多，不便于直觀判斷關(guān)聯(lián)性大小。關(guān)聯(lián)度是將各指標(biāo)因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)集中處理為一個(gè)值，即求平均值[5]。本文利用指標(biāo)因素的權(quán)值對(duì)關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行處理，得出比較序列與參考序列之間的綜合關(guān)聯(lián)度。對(duì)于參考序列X0與比較序列X1，X2，…Xn的灰色關(guān)聯(lián)度分析，其灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)可以表示為

(4)

式中，ξ為分辨系數(shù)，一般取0.5。

由不同采礦方法指標(biāo)序列與參考序列比較，得出灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)vi(k)，組成灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣C，即采礦方法評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值。

2.3綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算

將層次分析法與灰色關(guān)聯(lián)分析法的分析結(jié)果相結(jié)合，根據(jù)采礦方法評(píng)判的權(quán)重集W和灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣C，得出綜合關(guān)聯(lián)度系數(shù)V：

(5)

3工程實(shí)例

根據(jù)趙案莊鐵礦的礦體特性，初選階段選出4種采礦方法，分別是：①上向水平分層尾砂膠結(jié)充填采礦法(Ⅰ)；②上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法(Ⅱ)；③上向水平分層盤(pán)區(qū)式尾砂交結(jié)充填采礦法(Ⅲ)；④相向進(jìn)路上向分層全尾砂膠結(jié)充填采礦方法(Ⅳ)。采礦方法評(píng)價(jià)指標(biāo)既有定量指標(biāo)，又有定性指標(biāo)。對(duì)于采礦方法綜合優(yōu)選過(guò)程中定性指標(biāo)的量化，根據(jù)1～9標(biāo)度法確定，其中采礦工藝越簡(jiǎn)單，重要度越高；安全性越高，重要度越高。采礦方法主要技術(shù)指標(biāo)值見(jiàn)表2。

表2　采礦方法主要技術(shù)指標(biāo)因素值

根據(jù)層次分析法,對(duì)采礦方法評(píng)價(jià)指標(biāo)的各因素進(jìn)行分析,得到層次單排序，采礦方法評(píng)判的權(quán)重集W=(0.27，0.09，0.27，0.14，0.14，0.09)。經(jīng)計(jì)算λ=6.0142，一致性檢驗(yàn)結(jié)果為RI=1.26，CI=0.0028，CR=0.0022<0.1，所以判斷矩陣滿足一致性要求。

用灰色關(guān)聯(lián)分析法,將表2中的4種采礦方法評(píng)價(jià)指標(biāo)的各因素值序列與參考值序列進(jìn)行比較，得出各因素的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，組成采礦方法評(píng)價(jià)值。采礦方法評(píng)價(jià)指標(biāo)值見(jiàn)表3。

表3　采礦方法評(píng)價(jià)指標(biāo)值

將采礦方法評(píng)判的權(quán)重集W與灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣C代入式(5)，可得綜合關(guān)聯(lián)度系數(shù)V=(0.764 9，0.763 9，0.831 0，0.861 5)，即運(yùn)用灰色層次分析法的采礦方法優(yōu)選，綜合考慮各定性、定量指標(biāo)，得出趙案莊鐵4種礦采礦方法的綜合關(guān)聯(lián)度系數(shù)。因此可以判斷,初選階段的4種采礦方法中最優(yōu)采礦方法為相向進(jìn)路上向分層全尾砂膠結(jié)充填采礦方法。

4結(jié)論

(1)采礦方法的優(yōu)化分析涉及眾多方案的眾多指標(biāo)的決策。利用灰色關(guān)聯(lián)度理論和層次分析理論，全面綜合分析了4種采礦方法的6種定性和定量指標(biāo)，得出了該礦初選階段4種采礦方法的綜合關(guān)聯(lián)度系數(shù)。

(2)判斷矩陣最大特征根和特征向量的計(jì)算比較，考慮到精確計(jì)算的復(fù)雜性和不必要性，利用和法進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，避免了復(fù)雜的矩陣運(yùn)算，簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果精度滿足分析要求。

(3)通過(guò)比較分析，相向進(jìn)路上向分層全尾砂膠結(jié)充填法開(kāi)采，在礦山現(xiàn)有上向進(jìn)路分層充填法開(kāi)采的基礎(chǔ)上進(jìn)行了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，具有采場(chǎng)支護(hù)工程量及采準(zhǔn)工程量小，礦塊生產(chǎn)能力大，礦山生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，說(shuō)明了灰色層次理論在采礦方法的優(yōu)選中可靠性高，實(shí)用性強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]王新民，趙彬，張欽禮.基于層次分析和模糊數(shù)學(xué)的采礦方法選擇[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，39(5)：875-880.

[2]程愛(ài)寶，王新民，劉洪強(qiáng).灰色層次分析法在地下采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2011，416(2)：17-21.

[3]劉文劍，吳湘濱，劉江龍.灰色層次理論在采礦方法優(yōu)選中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2007，375(9)：20-23.

[4]解世俊.金屬礦床地下開(kāi)采[M].2版.北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

[5]劉思峰.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

(收稿日期2015-09-18)

Application of Gray Analytic Hierarchy Process Method in the Optimization Selection of the Mining methods of Zhaoanzhuang Iron Mine

Hu Wai1,2,3Wang Weiping1,2,3Lou Guangwen1,2,3

(1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.; 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines; 3. Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.)

AbstractThe gray analytic hierarchy process method is adopted to conduct comprehensive analysis of the qualitative factors and quantitative factors that affect the selection of the mining method of Zhaojiazhuang iron mine,the preferential order of the four mining methods are obtained to provide reference for the optimization selection of the mining method,besides that,the research results in this paper can also provide engineering application example for the application of gray analytic hierarchy process method in the optimization selection of mining method.

KeywordsMining method, Gray analytic hierarchy method, Optimization method

*“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):2011BAB07B01～05)。

胡崴(1990—)，男，碩士研究生,243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。

·采礦工程·