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        露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方案評價研究

        2021-10-05 06:31:04于海里王兆剛孫宇霆
        露天采礦技術(shù) 2021年5期

        于海里,王兆剛,孫宇霆

        (國家電投集團內(nèi)蒙古白音華煤電有限公司 露天礦,內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026200)

        我國露天礦山煤炭資源賦存的主要特征是多煤層、埋藏厚度較深且多為近水平賦存。對于此類露天礦來說,受限于產(chǎn)量規(guī)模、設(shè)備規(guī)格、開采強度和經(jīng)濟等因素,普遍采用分區(qū)開采方式[1-3],即將開采礦田劃分為若干采區(qū),從首采區(qū)一次進行開采。采區(qū)劃分和開采順序并非一成不變,多數(shù)情況是需要隨著開采過程被揭露的礦床地質(zhì)條件而進行修改,以獲得最佳開采方式。但影響露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方式確定的因素并非單一,個別因素之間可能存在相互制約關(guān)系,是典型的多指標決策分析問題,但目前對露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向的研究多為單一指標評價方案,即通過某一個主要因素的優(yōu)劣來進行合理轉(zhuǎn)向方式的確定,單一指標評價方法往往無法得出最優(yōu)結(jié)果。因此,采用多指標評價體系確定露天礦轉(zhuǎn)向方式,具有十分重要的意義。

        1 露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方式

        按照露天礦采區(qū)過渡期間是否需要重新進行拉溝,可將采區(qū)過渡方式分為連續(xù)式采區(qū)過渡(不需要重新拉溝)和間斷式采區(qū)過渡(需要重新拉溝)。

        1)緩幫留溝轉(zhuǎn)向方式。緩幫留溝轉(zhuǎn)向方式是指將舊采區(qū)的端幫恢復(fù)成為新采區(qū)的工作幫,具有轉(zhuǎn)向基建工程量小、轉(zhuǎn)向期間不需另購生產(chǎn)設(shè)備、內(nèi)排需要留溝和無法實現(xiàn)雙環(huán)內(nèi)排等特點。

        2)扇形轉(zhuǎn)向方式。扇形轉(zhuǎn)向方式是指工作面圍繞某一個中心進行扇形的推進,具有可以實現(xiàn)雙環(huán)內(nèi)排、生產(chǎn)剝采比波動較大、內(nèi)排空間利用充分和生產(chǎn)組織難度加大等特點。

        3)“L”型采區(qū)過渡方式。所謂“L”型采區(qū)過渡是一種將緩幫留溝和扇形采區(qū)過渡組合在一起的采區(qū)過渡方式,同時具備了緩幫留溝和扇形采區(qū)過渡的特點。

        4)重新拉溝轉(zhuǎn)向方式。重新拉溝轉(zhuǎn)向方式是指在舊采區(qū)臨近到界前,在露天礦開采境界內(nèi)選擇初期生產(chǎn)剝采比小、運輸距離近的地方重新拉溝進行基建,具有新采區(qū)可選位置靈活性大、轉(zhuǎn)向期間運輸系統(tǒng)容易布置、新舊采區(qū)相互獨立和采區(qū)轉(zhuǎn)向基建工程大等特點。連續(xù)式采區(qū)過渡又可分為緩幫留溝轉(zhuǎn)向方式、扇形轉(zhuǎn)向方式和“L”型采區(qū)轉(zhuǎn)向3 種方式[4-7]。

        2 露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方式影響因素

        露天礦采區(qū)過渡方式的選擇直接關(guān)系到采區(qū)過渡期間生產(chǎn)能否正常運行并對后續(xù)生產(chǎn)影響巨大,也是露天礦生產(chǎn)設(shè)計重要環(huán)節(jié)[8-10]。一般來說,露天礦采區(qū)過渡方式的選擇主要影響因素如下:

        1)露天礦開采工藝。露天礦開采工藝是露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向的重要影響因素,露天礦工藝設(shè)備、運輸方式和開采參數(shù)等對采區(qū)過渡方式至關(guān)重要,不同開采工藝對采區(qū)過渡方式的適應(yīng)程度見表1。

        表1 不同開采工藝對采區(qū)過渡方式的適應(yīng)程度

        2)露天礦內(nèi)排方式。扇形采區(qū)過渡和重新拉溝采區(qū)過渡方式可實現(xiàn)全壓幫內(nèi)排方式,緩幫留溝要求的新采區(qū)動工時間較晚,為及時形成正常采掘工作面,采區(qū)轉(zhuǎn)向期間只能采用不壓幫或半壓幫方式。

        3)過渡期間資源賦存情況。重新拉溝方式的選擇地點為新采區(qū)初期生產(chǎn)剝采比小、煤質(zhì)好、距離工業(yè)廠區(qū)和外排土場較近的地方,一般情況會與舊采區(qū)末端距離較遠,會造成煤質(zhì)波動較大,影響露天礦的煤質(zhì)搭配,而連續(xù)式采區(qū)過渡方式新、舊采區(qū)工作幫距離較近,則不存在以上問題。

        4)土巖外排量。理論上重新拉溝采區(qū)過渡方式所產(chǎn)生的外排量最大,緩幫留溝采區(qū)過渡產(chǎn)生的外排量最小,扇形采區(qū)過渡和“L”型采區(qū)過渡介于兩者之間。

        5)其他因素。對于采用帶式輸送機采煤系統(tǒng)的露天礦,端幫采煤系統(tǒng)的布置情況也是影響采區(qū)過渡方式選擇的重要因素。在采區(qū)過渡期間不僅要考慮采煤系統(tǒng)的布置情況,同時也要考慮采區(qū)過渡期間運輸通道和臨時存煤場的設(shè)置。

        3 采區(qū)轉(zhuǎn)向方案評價方法

        優(yōu)劣系數(shù)法是一種較為有效的多目標決策分析方法,它的核心思想為通過計算各方案的優(yōu)系數(shù)和劣系數(shù),然后根據(jù)優(yōu)、劣系數(shù)的大小,逐步淘汰決策方案,最后所剩方案即為最優(yōu)方案。

        1)目標權(quán)數(shù)確定。常用的目標權(quán)數(shù)確定方法有簡單編碼法、環(huán)比法和優(yōu)序圖法,本次研究采用優(yōu)序圖法進行分析。優(yōu)序圖法是一個棋盤式表格,將各方案目標的重要性兩兩對比后在表格上填寫相應(yīng)的數(shù)字,重要性用0~5 的整數(shù)表示,數(shù)值越大,則目標的重要程度也就越大,兩目標對比時所填寫的數(shù)字之和為5。數(shù)值填寫完畢后,將各行數(shù)值相加,歸一后所得數(shù)值為各目標值得權(quán)數(shù)。

        2)目標值標準化。將各方案最優(yōu)目標值定為100,最劣目標值定為1,其余目標值標準化按如下式(1)計算:

        式中:X為目標標準化數(shù)值,X∈(1,100);A 為最優(yōu)方案的目標值;B 為最劣方案的目標值;C 為待評估方案的目標值;

        3)優(yōu)系數(shù)確定。所謂優(yōu)系數(shù),是指一個方案優(yōu)于另一個方案的所有目標權(quán)數(shù)之和。優(yōu)系數(shù)反應(yīng)了該方案優(yōu)的目標個數(shù)以及這些目標的重要性,但無法反應(yīng)該方案優(yōu)的程度。

        4)劣系數(shù)確定。由于優(yōu)系數(shù)無法反應(yīng)某個方案優(yōu)的具體程度,因此還需要計算各個方案的劣系數(shù)。劣系數(shù)是通過對比2 個方案的優(yōu)極差和劣極差進行計算,劣系數(shù)=劣極差/(劣極差+優(yōu)極差)。優(yōu)極差為方案兩兩對比時,所對應(yīng)的優(yōu)勢目標中目標值相差值的最大者。同理,劣極差為劣勢目標中目標值相差的最大者。

        5)最優(yōu)方案確定。優(yōu)劣系數(shù)法是根據(jù)優(yōu)劣系數(shù)逐步淘汰不理想方案。優(yōu)系數(shù)最好標準為1,劣系數(shù)最好標準為0,但在實際決策過程中,很難達到上述標準,因此在實際操作過程中,通過逐步降低標準而不斷的淘汰方案。最終所剩方案即為最優(yōu)方案。

        4 實例分析

        白音華二號礦核定生產(chǎn)能力為1 500 萬t/a,剝離生產(chǎn)工藝為單斗-卡車間斷工藝和單斗-自移式破碎機-排土機半連續(xù)工藝,采煤工藝為單斗-卡車-半固定破碎站和單斗-自移式破碎機半連續(xù)工藝。

        4.1 方案初選及目標評價

        按照內(nèi)蒙古設(shè)計院設(shè)計,白音華二號礦共有2個采區(qū)。目前,白音華二號礦首采區(qū)服務(wù)年限不足5年,轉(zhuǎn)向方式的確定迫在眉睫,通過對現(xiàn)場實際情況進行分析,提出了如下3 個轉(zhuǎn)向過渡方案。

        1)方案1:重新拉溝轉(zhuǎn)向方案。在二采區(qū)南部拉溝,拉溝長度4 000 m,由南向北推進。重新拉溝轉(zhuǎn)向方式示意圖如圖1。

        圖1 重新拉溝轉(zhuǎn)向方式示意圖

        2)方案2:緩幫留溝采區(qū)過渡方式。在首采區(qū)東部進行緩幫,緩幫區(qū)域長度約2 900 m,由西向東推進。緩幫留溝采區(qū)過渡方式示意圖如圖2。

        圖2 緩幫留溝采區(qū)過渡方式示意圖

        3)方案3:扇形采區(qū)過渡方式。工作幫以每年10°~15°的角度向東進行旋轉(zhuǎn),開采至二采區(qū)時,由西向東進行推進。扇形轉(zhuǎn)向過渡方式示意圖如圖3。

        圖3 扇形轉(zhuǎn)向過渡方式示意圖

        考慮到白音華二號礦實際作業(yè)情況,確立了7個評價目標,白音華二號礦轉(zhuǎn)方向方案目標值評價模型見表2。

        表2 白音華二號礦轉(zhuǎn)向方案目標值評價模型表

        4.2 評價目標值處理

        1)確定目標權(quán)數(shù)。根據(jù)優(yōu)序圖法確定各目標權(quán)數(shù),轉(zhuǎn)向方案各目標權(quán)數(shù)值表見表3。

        表3 轉(zhuǎn)向方案各目標權(quán)數(shù)值表

        2)目標值標準化。外排量、剝離物平均運距、過渡時間、轉(zhuǎn)向期間平均剝采比、重復(fù)剝離量數(shù)值越小,表示目標值越優(yōu),平均工作線長度和內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)數(shù)值越大,表示目標值越優(yōu)。轉(zhuǎn)向方案目標值進行標準化處理,轉(zhuǎn)向方案目標值標準化表見表4。

        3)優(yōu)系數(shù)。根據(jù)表4 的結(jié)果,將3 個轉(zhuǎn)向方案兩兩相比,可得出某一方案相對于另外2 個方案的優(yōu)勢項目,在將優(yōu)勢項目所對應(yīng)的權(quán)數(shù)進行求和,可以得出各轉(zhuǎn)向方案的優(yōu)系數(shù),轉(zhuǎn)向方案優(yōu)系數(shù)匯總表見表5。

        表4 轉(zhuǎn)向方案目標值標準化表

        表5 轉(zhuǎn)向方案優(yōu)系數(shù)匯總表

        4)劣系數(shù)。根據(jù)表4 的結(jié)果,將3 個轉(zhuǎn)向方案兩兩相比,可分別求出某一方案相對于另外2 個方案的優(yōu)極差和劣極差,由此可求得該方案相對于另外2 個方案的劣系數(shù)。轉(zhuǎn)向方案劣系數(shù)匯總表如表6。

        表6 轉(zhuǎn)向方案劣系數(shù)匯總表

        5)最優(yōu)方案確定。通過分析表5 和表6 數(shù)據(jù),未出現(xiàn)優(yōu)系數(shù)為1 和劣系數(shù)為0 的標準。因此在決策時,需要相應(yīng)降低評價標準,所選標準為優(yōu)系數(shù)為0.9,劣系數(shù)為0.1,由于緩幫過渡方案和扇形過渡方案與重新拉溝方案相比,優(yōu)系數(shù)均大于0.9,則首先排除重新拉溝方案。再次降低評價標準,所選標準為優(yōu)系數(shù)為0.7,劣系數(shù)為0.5,扇形過渡方式與緩幫過渡方式相比,優(yōu)系數(shù)大于0.7 并且劣系數(shù)小于0.5,則最優(yōu)方案為扇形過渡方式。

        5 結(jié)語

        以白音華二號礦采區(qū)轉(zhuǎn)向為例,建立了外排量、剝離物平均運距以及過渡時間等7 個評價目標模型,通過優(yōu)劣系數(shù)法,最終得出扇形過渡方式為該露天礦最優(yōu)轉(zhuǎn)向方式。

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