基于AHP-FCE鑫達(dá)金礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)選

劉偉強(qiáng),袁梅芳,申 延

(湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院,湖南長沙 410014)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案優(yōu)化是在原有礦井開拓、采準(zhǔn)、開采設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,合理布置及選擇通風(fēng)網(wǎng)絡(luò),通過對系統(tǒng)各種影響因素的定性和定量分析,從眾多方案中確定技術(shù)先進(jìn)、安全可靠和經(jīng)濟(jì)效益好的礦井通風(fēng)系統(tǒng)[1]。礦井通風(fēng)系統(tǒng)具有復(fù)雜、多變、隨機(jī)等內(nèi)涵明確、外延模糊的特點(diǎn)[1]。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中模糊綜合評價(jià)方法對這種多因素、多層次的問題進(jìn)行模型的建立和穩(wěn)定性評定,能取得傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以替代的效果[2]。應(yīng)用這種評價(jià)方法,各指標(biāo)權(quán)重具有關(guān)鍵地位,是由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出,帶有個(gè)人主觀性[3]。層次分析法將定量與定性結(jié)合,充分利用專家經(jīng)驗(yàn)與判斷,盡量減少個(gè)人主觀臆斷,但因素較多時(shí),會引起標(biāo)度專家反感和判斷混亂。AHP -FCE綜合兩種方法優(yōu)點(diǎn),克服各自缺點(diǎn),并成功應(yīng)用在許多領(lǐng)域[4,5]。

內(nèi)蒙古包頭鑫達(dá)黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司,坐落在包頭市九原區(qū)阿嘎如泰蘇木境內(nèi)110國道759 km處,隸屬中國黃金集團(tuán)公司,是一個(gè)集采、選于一身的黃金生產(chǎn)企業(yè)。東柏樹溝坑口井下生產(chǎn)范圍大,礦區(qū)范圍西起烏蘭不浪溝,東至哈德門溝,東西長16 km,南北寬5.5 km?？臻g上從1 118 m至418 m,井下生產(chǎn)分為東、西兩個(gè)區(qū),井巷及空區(qū)眾多,通風(fēng)復(fù)雜。東柏樹溝坑口井下目前的通風(fēng)系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)在生產(chǎn)的需要,同時(shí)與深部開采不相匹配,給安全生產(chǎn)留下了較大的隱患。為了滿足井下開采通風(fēng)安全的需要,必須對鑫達(dá)公司東柏樹溝坑口井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和調(diào)整,優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)的AHP-FCE模型

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)在定性方面要滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性,在定量上要體現(xiàn)系統(tǒng)各評價(jià)指標(biāo)的數(shù)值最優(yōu)?？紤]通風(fēng)系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)合理性、安全可靠性,選取11項(xiàng)評價(jià)指標(biāo),如圖1所示。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)

1.2 模糊綜合評價(jià)矩陣

通過構(gòu)造等級模糊子集對反映被評價(jià)事物的模糊指標(biāo)進(jìn)行量化,在論域 m個(gè)方案之間做出相對優(yōu)劣的比較,選擇相對最優(yōu)方案。設(shè)有 n個(gè)評價(jià)指標(biāo)組成對全體方案的評價(jià)指標(biāo)樣本數(shù)據(jù),各指標(biāo)均為非負(fù)值。對樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,消除各評價(jià)指標(biāo)的量綱效應(yīng),確定評價(jià)指標(biāo)相對隸屬度的模糊綜合評價(jià)矩陣[6]。由于各指標(biāo)量綱不統(tǒng)一,有些指標(biāo)越大越好,有些指標(biāo)越小越好。設(shè)樣本數(shù)據(jù)集為{f(i,j)},對于指標(biāo)越大越優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)化處理采用下式:

對于指標(biāo)越小越優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)化處理采用下式:

式中 x(i,j)為標(biāo)準(zhǔn)化后評價(jià)指標(biāo)值;fmax(i),fmin (i)為方案第i個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值。

1.3 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的判斷矩陣

用各評價(jià)指標(biāo)的樣本標(biāo)準(zhǔn)差S(i)來反應(yīng)各評價(jià)指標(biāo)對綜合評價(jià)的影響程度。

各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的判斷矩陣B=(bij)n×n可以按照下式計(jì)算:

式中bm=min{9,int[smax/smin+0.5]}為相對重要性程度參數(shù)值。

1.4 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)及其權(quán)重

由于人們認(rèn)識上存在多樣性、差異性、主觀不穩(wěn)定性,并且礦井通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)動態(tài)隨機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng),則判斷矩陣一致性條件在實(shí)際應(yīng)用中需要修正。設(shè)修正矩陣為 Y={yij}n×n,Y各要素的權(quán)重值記為{Wi|i=1,…,n},則最優(yōu)一致性判斷矩陣為

式中CIC(n)為一致性指標(biāo)系數(shù);d為非負(fù)數(shù),從[0.0,0.5]內(nèi)選取。

CIC(n)值越小,則判斷矩陣的一致性程度越高,當(dāng)CIC(n)=0時(shí),此時(shí)判斷矩陣與修正矩陣具有完全的一致性,并根據(jù)約束條件可知,全局最小值唯一。當(dāng)CIC(n)＜0.1時(shí),此時(shí)判斷矩陣具有滿意的一致性,據(jù)此采用迭代計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值wi是滿足的,否則需要提高參數(shù)d,直到具有滿意的一致性為止。

1.5 綜合指標(biāo)

將各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值 wi與各方案相應(yīng)評價(jià)指標(biāo)的相對隸屬度值x(i,j)相乘并累加,得到AHP -FCE評價(jià)的綜合指標(biāo)值。其值越大,方案越優(yōu)。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)選

2.1 鑫達(dá)金礦通風(fēng)系統(tǒng)概況

鑫達(dá)金礦建于1989年,經(jīng)過多年的開采活動,其井下井巷、采空區(qū)四通八達(dá),錯綜復(fù)雜。既有自己設(shè)計(jì)施工的開拓系統(tǒng),也有其它企業(yè)開采所遺留下來的開拓井巷及空區(qū)。目前礦區(qū)井下658中段～418中段為主要作業(yè)中段。

東柏樹坑口現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)為豎井進(jìn)風(fēng)兩翼對角抽出式通風(fēng)系統(tǒng),抽出主扇安裝在658中段西側(cè)108線和698中段東側(cè)179線位置。新鮮風(fēng)流主要從豎井進(jìn)入,經(jīng)由各中段運(yùn)輸大巷、穿脈,到達(dá)作業(yè)面; 658以下各中段污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)井由東、西主扇排至地表,658以上各中段在自然風(fēng)壓的作用下,一部分中段污風(fēng)部分經(jīng)豎井排出,另一部分隨新鮮風(fēng)流流入下部中段,污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)井排出。

2.2 方案制定

通過現(xiàn)場觀測了解,鑒于鑫達(dá)金礦目前通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題,參照《有色金屬礦山生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》、《冶金礦山地下開采安全規(guī)程》等有關(guān)規(guī)定以及結(jié)合東柏樹溝坑口井下的實(shí)際情況,制定選出兩種通風(fēng)方案,并從技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠三個(gè)方面分析比較。具體通風(fēng)方案如表1所示。各評價(jià)指標(biāo)具體值及其相對隸屬度值如表2所示。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)改造方案

表2 各方案評價(jià)指標(biāo)具體值及其相對隸屬度值

根據(jù)表2中兩個(gè)方案的相對隸屬度值,依據(jù)公式(3)可以得到各評價(jià)指標(biāo)的 S(i)值:0.004, 0.014,0.036,0.012,0.024,0.013,0.014,0.068, 0.018,0.008,0.018。相對重要參數(shù)bm=9,再由式(4)得到確定各指標(biāo)權(quán)重的判斷矩陣B。

2.3 方案優(yōu)選

借助計(jì)算機(jī)軟件Matlab編程,用AHP-FCE法計(jì)算判斷矩陣的權(quán)重,各權(quán)重的初始變化區(qū)間均取[0,1],參數(shù) d取0.25,得到各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值為:[0.094,0.102,0.042,0.032,0.071,0.078, 0.05,0.11,0.149,0.145,0.127],相應(yīng)的一致性指標(biāo)系數(shù)CIC(n)=0.039＜0.1,因此該判斷矩陣有滿意的一致性。由各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值可知,礦井風(fēng)壓、通風(fēng)井巷工程費(fèi)、風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性、用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)流的穩(wěn)定性和礦井抗災(zāi)能力權(quán)重相對較大。用權(quán)重值計(jì)算綜合評價(jià)指標(biāo),得到各方案的AHP-FCE綜合評價(jià)指標(biāo)值Z1=0.509,Z2=0.491。說明方案①為最優(yōu)方案。

3 結(jié) 論

1.應(yīng)用AHP-FCE數(shù)學(xué)模型,可以較為全面地考慮影響通風(fēng)系統(tǒng)的各種因素。既能體現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜多變的內(nèi)涵明確、外延模糊性,又盡量減少個(gè)人主觀臆斷造成的弊端,使評價(jià)結(jié)果更加客觀可靠。

2.運(yùn)用AHP-FCE數(shù)學(xué)模型對鑫達(dá)金礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)選,實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化,指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

3.實(shí)踐表明,該方法簡便通用,結(jié)果較為客觀準(zhǔn)確,該AHP-FCE模型在優(yōu)選方案中具有一定的推廣價(jià)值。

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