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        安家?guī)X露天煤礦過背斜開采方案優(yōu)化及比選

        2021-10-26 03:41:00趙紅澤劉元旭杜海瑞邵志奔林澤辰
        煤炭工程 2021年10期
        關(guān)鍵詞:一致性程序優(yōu)化

        趙紅澤,劉元旭,郭 帥,杜海瑞,邵志奔,林澤辰

        (1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京 能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083;2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室,北京 100083;3.中煤平朔集團有限公司,山西 朔州 036800)

        礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用是推動我國經(jīng)濟發(fā)展的因素之一,在礦山的開采過程中,露天采礦是其中主要的開采方式[1]。隨著資源的不斷開發(fā)利用,原來的露天開采場地地質(zhì)條件逐漸進入復(fù)雜階段[2]。安家?guī)X露天礦在近幾年生產(chǎn)過程中遇到了大范圍逆斷層、背斜等地質(zhì)構(gòu)造,尤其東部的蘆子溝背斜東翼地層傾角較陡(15°~25°),不僅對露天礦生產(chǎn)造成了嚴重的影響,還對開采程序的優(yōu)化提出了更高的要求[3-5]。

        針對復(fù)雜地質(zhì)條件下開采程序的優(yōu)化國內(nèi)外有許多優(yōu)秀研究成果可供借鑒,國內(nèi)的張瑞新等人以系統(tǒng)工程理論為指導(dǎo),結(jié)合露天礦中實際生產(chǎn)問題,提出了遞階優(yōu)化的方法,即通過分范圍、分目標、逐步深入的方法實現(xiàn)露天礦開采程序的優(yōu)化[6];王韶輝、才慶祥等人以新疆天池能源南露天煤礦為例,結(jié)合煤層賦存條件、生產(chǎn)剝采比、綜合運距等因素,提出了四種開采轉(zhuǎn)向方案并進行對比分析,得出了最優(yōu)方案,縮短了采區(qū)轉(zhuǎn)向過渡時間,為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益[7];國外的O Litvin,M Tyulenev等人則針對露天礦在構(gòu)造擾動帶情況下開采時煤損的計算方法,提出斷層錯位區(qū)域反鏟挖掘采煤損失計算的模型以及錯位區(qū)煤層開采的技術(shù)方案[8]。本文在找出技術(shù)、經(jīng)濟可行的背斜區(qū)域生產(chǎn)開采方案基礎(chǔ)上,為露天煤礦實際生產(chǎn)提供一定的理論支持和決策依據(jù)。

        1 安家?guī)X露天礦基本概況

        目前安家?guī)X露天煤礦已經(jīng)進入蘆子溝背斜區(qū)域,由于背斜構(gòu)造的影響,露天礦坑底下部煤層傾角急劇增大,平均傾角達到8°~12°,局部最大傾角22°,煤層落差達到270m以上,地表和基巖面下降50~100m,首采區(qū)坡度分布及底板等值線如圖1所示。其中F12斷層以北降深速度尤為明顯,對于一直以近水平推進方式開采的安家?guī)X露天礦,煤層急劇下降會導(dǎo)致排土運距增加、內(nèi)排空間不足、連續(xù)生產(chǎn)難度加大、設(shè)備無法高效安全作業(yè)等一系列開采方面的問題[9],因此相應(yīng)的開采程序需要在開采現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上隨之做出優(yōu)化調(diào)整。

        圖1 首采區(qū)坡度分布及11煤底板等值線

        2 開采程序優(yōu)化方案研究

        2.1 現(xiàn)采區(qū)工作線直推方案

        安家?guī)X露天礦目前采區(qū)工作線大致沿南北方向布置,最下層11煤工作線約為1400m,該方案在此基礎(chǔ)上工作線由西向東推進,隨著邊界的變化做實時調(diào)整,直推到界。其優(yōu)點是可以按照現(xiàn)有開采程序不變,長工作線生產(chǎn)有利于大型設(shè)備能力的發(fā)揮,容易達到核定產(chǎn)能產(chǎn)量要求;缺點是長工作線推進,推進速度緩慢,背斜區(qū)域需要較長時間才能度過,會造成排土空間不足的問題?,F(xiàn)采區(qū)工作線直推方案如圖2所示。

        圖2 現(xiàn)采區(qū)工作線直推方案

        2.2 “直推+北部超前”方案

        為快速度過背斜區(qū)域同時考慮到北部區(qū)域的F12逆斷層,提出了“直推+北部超前”方案,以11煤F12斷層為界,迅速在北部超前推進,度過背斜影響區(qū),實現(xiàn)反向內(nèi)排,而南部作為北部產(chǎn)量不足的彌補,緩慢推進,以4煤工作線為界逐步靠幫。北部強推到界后,實現(xiàn)轉(zhuǎn)向橫采,采煤工作面沿斷層走向,從而避免了斷層對采煤影響?!爸蓖?北部超前”方案如圖3所示。

        圖3 “直推+北部超前”方案

        2.3 “L”型扇形轉(zhuǎn)向方案

        針對直推方案所存在的不足進行優(yōu)化,提出整體直推下的“L型”扇形轉(zhuǎn)向方案,即在南部工作線以某一點為圓心,呈扇形推進并逐漸旋轉(zhuǎn),在北部直推開采到平緩地帶即將到界時完成轉(zhuǎn)向,最終形成近似于“L型”的橫采工作線,從而在首采區(qū)結(jié)束后向南直推到二采區(qū)。“L”型扇形轉(zhuǎn)向方案如圖4所示。

        圖4 “L”型扇形轉(zhuǎn)向方案

        3 基于AHP-TOPSIS法的方案評價

        目前關(guān)于解決露天礦程序優(yōu)化問題的分析方法主要有動態(tài)規(guī)劃法、層次分析法、TOPSIS法及灰色關(guān)聯(lián)法等[10]。

        層次分析法(AHP法)是指將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標、準則、方案等層次,在此基礎(chǔ)之上進行定性和定量分析的決策方法。此法所需定量數(shù)據(jù)信息較少,且在每個層次中的每個因素對結(jié)果的影響程度都是量化的,非常清晰明確,容易為決策者了解和掌握;但此法只能從備選方案中選擇較優(yōu)者,不能為決策提供新方案,且指標過多時,數(shù)據(jù)統(tǒng)計量大,且權(quán)重難以確定[11];

        TOPSIS法,又稱優(yōu)劣解距離法,是根據(jù)有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序并在現(xiàn)有的對象中進行相對優(yōu)劣的評價的方法。該方法對數(shù)據(jù)分布及樣本含量沒有嚴格限制,數(shù)據(jù)計算簡單易行[12]。

        本文將層次分析法和TOPSIS法相結(jié)合,用AHP法得出不同方案下指標合理權(quán)重,再用TOPSIS法,建立一個基于AHP-TOPSIS法的綜合評價模型,確定最優(yōu)的開采程序方案[13]。

        3.1 構(gòu)建層次分析結(jié)構(gòu)模型

        根據(jù)對上述各方案的分析,選取生產(chǎn)成本、綜合運輸功、生產(chǎn)能力、綜合運距、生產(chǎn)均衡剝采比、新增排土空間、背斜過渡時間、開采難易程度以及構(gòu)造復(fù)雜程度這九個指標來構(gòu)建三個方案的評價指標體系,利用層次分析法進行綜合比選[14],層次結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

        圖5 開采程序優(yōu)化層次結(jié)構(gòu)模型

        3.2 AHP-TOPSIS法評價模型

        3.2.1 根據(jù)評價指標構(gòu)建規(guī)范化決策矩陣

        先建立決策矩陣:

        X=(xij)m×n

        再構(gòu)造規(guī)范化決策矩陣:

        Y=(yij)m×n

        文中所用指標存在極大、極小兩種類型:

        對于極大型指標,令:

        (1)

        對于極小型指標,令:

        (2)

        式中,xij為方案i的評估指標j的樣本數(shù)據(jù);yij為規(guī)范化后的xij值。

        根據(jù)上述公式構(gòu)造規(guī)范矩陣,其中極大型指標的數(shù)值越大,則方案越優(yōu);極小型指標的數(shù)值越小,則方案越優(yōu)。

        3.2.2 構(gòu)建判別矩陣

        采用一致性矩陣,將相同層元素兩兩進行比較,而不是采取同層共同比較,通過1—9級標度來構(gòu)造判斷矩陣。bij(i,j=1,2,3,…,n)表示的是第i個元素相對于第j個元素的比較結(jié)果,以1—9級標度及其倒數(shù)來具體取值,表示方法見表1。

        表1 判斷矩陣標度定義

        由上述標度得到初始判別矩陣:

        B=(bij)n×n

        式中,bij為矩陣B的第i行,第j列元素;n為矩陣階數(shù)。

        3.2.3 指標權(quán)重計算及一致性檢驗

        考慮到一致性的偏離可能是由于隨機原因造成的,因此在檢驗判斷矩陣是否具有滿意的一致性時,還需將CI和隨機一致性指標RI進行比較,得出檢驗系數(shù)CR,公式如下:

        (3)

        (4)

        式中,λmax為判斷矩陣最大特征值;n為判斷矩陣階數(shù);CI為一致性檢驗指標;RI為平均隨機一致性指標(其不同階數(shù)下的取值見表2)。

        表2 平均隨機一致性指標

        當CR<0.1時,則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗,否則就必須調(diào)整判斷矩陣,直到具有滿意的一致性為止。

        3.2.4 構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣

        運用層次分析法確定各評判指標權(quán)重為:

        W=(W1,W2,…,Wn)T

        則有:

        zij=Wj·yij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

        (5)

        3.2.5 確定正、負理想解Z*和Z0

        (6)

        (7)

        3.2.6 計算距離及相對接近度

        (8)

        (9)

        計算評估對象對應(yīng)點到正理想點的相對接近度:

        (10)

        3.3 開采程序方案綜合評價

        由上述評價模型對三種優(yōu)化方案進行評估,各方案的評價指標采用原始數(shù)據(jù),其中“C8”和“C9”兩個指標由施工人員現(xiàn)場判斷:“難”“復(fù)雜”取值9;“較難”“較復(fù)雜”取值6;“一般”取值4;“容易”“不復(fù)雜”取值2,數(shù)據(jù)見表3。

        表3 各方案評價指標原始數(shù)據(jù)

        將表3中數(shù)據(jù)按照式(1)和式(2)進行歸一化處理,得到結(jié)果見表4。

        表4 各方案評價指標歸一化后數(shù)據(jù)

        根據(jù)層次分析法基本原理對結(jié)構(gòu)模型中各因素按照1—9的比例標度法進行兩兩比較,得到表5的判斷矩陣,并且利用軟件Matlab計算各判別矩陣的最大特征值和其對應(yīng)的歸一化向量,然后利用式(3)和式(4)計算CR值用于一致性檢驗,最終確定權(quán)重結(jié)果,見表5—表8。

        表5 A-B判斷矩陣

        表6 B1-C判斷矩陣

        表7 B2-C判斷矩陣

        經(jīng)過總排序計算,得到各評價指標權(quán)重見表9。

        表9 評價指標權(quán)重表

        由式(5)對規(guī)范化后的指標進行賦權(quán)重,結(jié)果見表10。

        表10 各方案指標賦權(quán)重

        根據(jù)式(6)和式(7)計算出正理想解、負理想解,見表11。

        表11 各評價指標正、負理想解值

        由式(8)、式(9)、式(10)計算得到各方案與正負理想解之間的距離、貼近度以及排名,見表12。

        表12 各方案與正、負理想解的距離及貼近度

        由上述評價可知,“直推+北部超前”方案為最佳開采程序方案。

        4 結(jié) 論

        1)在露天礦推進度、降深速度和年產(chǎn)量的約束下,通過對背斜區(qū)煤層底板賦存規(guī)律、開采境界空間形態(tài)及生產(chǎn)現(xiàn)狀進行綜合分析,提出了三種基本可行的開采程序方案,分別為現(xiàn)采區(qū)直推方案、“直推+北部超前”方案和“L”型扇形轉(zhuǎn)向方案。

        2)運用AHP法對所確定的9個評價指標建立層次分析結(jié)構(gòu)模型,并計算出各指標滿足一致性檢驗的合理權(quán)重值,其中噸煤生產(chǎn)成本、生產(chǎn)能力和新增內(nèi)排空間三個指標所占權(quán)重較大,其余指標權(quán)重均小于0.1。

        3)基于AHP-TOPSIS法評價模型,對三種開采程序方案主要的技術(shù)、經(jīng)濟指標進行計算分析之后,得出各方案與正負理想解之間的距離及貼近度,最終確定“直推+北部超前”方案為最優(yōu)方案。

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