基于層次分析與模糊綜合評判的回采方案優(yōu)選

鄧飛， 陶明， 羅福友， 羅福龍， 尹麗冰

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西國泰五洲爆破工程有限公司，南昌 330038；3.江西蕩坪鎢業(yè)有限公司，江西 贛州341500）

0 引 言

回采方法是決定礦塊生產(chǎn)能力的主要因素之一，優(yōu)越的回采方案是較高經(jīng)濟(jì)效益，以及安全開采的保障.不同的經(jīng)濟(jì)技術(shù)、設(shè)備、生產(chǎn)要求及礦體賦存條件等，回采設(shè)計(jì)就會有所不同.經(jīng)驗(yàn)類比法、盈利分析法是傳統(tǒng)礦山開采設(shè)計(jì)優(yōu)選最常用的方法，然而這2種方法受人為主觀因素影響較大，并且不同礦山之間的類比不具有普遍性，因此優(yōu)選結(jié)果存在局限性，難以令人信服.近幾年，隨著近現(xiàn)代數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)的快速發(fā)展，層次分析法[1]、灰色關(guān)聯(lián)法[2]、未確知測度理論[3]、模糊綜合評價(jià)法[4-6]、雙基點(diǎn)法[7]、優(yōu)序法[8]、密切值法[9]和價(jià)值工程法[10]等諸多方法被引入進(jìn)行優(yōu)選決策，取得了一定成效.然而回采方案選擇的難點(diǎn)，在于各個(gè)方案間優(yōu)越性交叉和多因素的不確定性、隱蔽性，并且有些指標(biāo)只能定性表述，如何解決這個(gè)難點(diǎn)是一個(gè)值得研究的問題.

針對這個(gè)難點(diǎn)問題，結(jié)合層次分析法和模糊數(shù)學(xué)原理，綜合考慮了影響回采方法的各項(xiàng)因素，并合理分配各因素的權(quán)重，建立模糊評價(jià)模型，該方法不僅避免了因個(gè)人主觀認(rèn)識差異而產(chǎn)生的偏差，而且使優(yōu)選過程更合理，優(yōu)選得出的方案更符合實(shí)際，評價(jià)結(jié)果更科學(xué)可靠.

1 礦塊開采條件

圖1 720 m中段平面圖

圖2 670 m中段平面圖

礦塊位于670 m中段8～10線W17 m至8～10線E18 m；平面上，西到 8～10線W17 m，東到 8～10線E18 m，走向長35 m，水平均寬12 m；剖面上，上到720 m中段巷道底板，下至713 m標(biāo)高，垂直高12 m，見圖1、圖2.生產(chǎn)探礦方法為坑鉆聯(lián)合勘探法，選擇40 m×50 m的勘探網(wǎng)度，在平面上一般采用40 m間隔的坑道控制，在剖面上選用鉆孔進(jìn)行控制，儲量類別為111b.礦山一般根據(jù)上、下中段坑道揭露的資料和鉆孔探礦的資料按工業(yè)指標(biāo)進(jìn)行礦體圈定.礦體產(chǎn)狀：礦體總體走向 NE70°，傾向 ES，傾角 70°.礦塊范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)涌水現(xiàn)象，屬簡單的水文地質(zhì)條件.礦塊范圍內(nèi)，部分地段裂隙發(fā)育，但對開采影響較小，礦體上盤為花崗巖和F1破碎帶，670 m中段礦體距破碎帶較遠(yuǎn)，至720 m中段時(shí)礦體開始與破碎帶接觸，對回采會造成一定的影響.

礦塊為670 m中段原3號采場范圍礦塊，由于3號采場會比720 m中段8～10線5號裝礦機(jī)道采場先回采完，考慮到回采的安全性與可行性，原3號采場暫留12 m厚的頂柱，即為本礦塊.該礦采用分段鑿巖階段礦房法進(jìn)行采礦，礦塊下方為3號采場采空區(qū)，上中段對應(yīng)10線大采（回采未結(jié)束）、5號裝礦機(jī)道采場（還未上采）和1號采場采空區(qū)；東為670 m中段2號電耙道采場（還未上采），西暫無采場設(shè)計(jì)；上盤為F1破碎帶，下盤無工程.在采空區(qū)北幫巖石移動(dòng)界限外布置鑿巖巷道，鑿巖巷道東頭人行井與720 m中段5號采場裝礦進(jìn)路東貫穿，用于上下行人及通風(fēng).

2 回采方案及工程布置

2.1 施工方案

在確保掘進(jìn)施工的合理、安全的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了2個(gè)回采方案，研究的主要內(nèi)容為采場布置形式及爆破參數(shù)2個(gè)方面.

1）方案1.礦塊設(shè)計(jì)采用YGZ90型號鉆機(jī)(下文簡稱90鉆)鑿巖爆破落礦回采，1～4排崩礦方向?yàn)樵?號采場采空區(qū)，5～32排向1～4排爆破后形成的補(bǔ)償空間崩礦.考慮到本采場回采的時(shí)間需等上中段相關(guān)采場結(jié)束回采后方可開始，時(shí)間較長，為保證今后的回采安全，鑿巖巷道布置在巖石移動(dòng)界限外，保證工程不受采空區(qū)的影響，巖石移動(dòng)角為68°，相關(guān)工程布置見圖3.

圖3 方案1回采布置

采場的工程布置、做法及空間位置關(guān)系：施工時(shí)先從670 m中段3號采場東邊界和8～10線向北掘短的穿脈，再從采場東的短穿脈北邊向720 m中段掘人行井，同時(shí)可安排從8～10線向西掘進(jìn)鑿巖巷道，所有采準(zhǔn)工程完成后，670 m中段3號采場可大量放礦.待上中段采場結(jié)束回采后用90鉆鑿眼，1～4排排間距為0.8 m，崩礦方向向下，最小抵抗線控制在1 m以內(nèi)，5～32排排距為1.2 m，孔底距為1.8～2 m.

2）方案2.礦塊設(shè)計(jì)采用90鉆鑿巖爆破落礦回采，以切割槽為自由面崩礦.考慮到本采場回采的時(shí)間需等上中段相關(guān)采場結(jié)束回采后方可開始，時(shí)間較長，為保證今后的回采安全，鑿巖巷道布置在巖石移動(dòng)界限外，保證工程不受采空區(qū)的影響，巖石移動(dòng)角為68°，相關(guān)工程布置見圖4.

圖4 方案2回采布置

采場的工程布置、做法及空間位置關(guān)系：本設(shè)計(jì)在采場空區(qū)北幫巖石移動(dòng)界限外布置一鑿巖巷道，鑿巖巷道東頭人行井與720 m中段5號采場裝礦進(jìn)路東貫穿，用于上下行人及通風(fēng)；在采場西頭布置切割槽，今后放大爆破崩礦時(shí)用作補(bǔ)償空間.施工時(shí)切割天井與短的穿脈可同時(shí)施工，天井?dāng)U幫鑿眼與人行天井掘進(jìn)可同時(shí)進(jìn)行.切割立槽形成、人行井與上中段貫穿支護(hù)好后，670 m中段3號采場可大量放礦，后期再從短的穿脈向西掘進(jìn)鑿巖巷道.鑿巖巷道施工完成后90鉆在鑿巖巷道內(nèi)鑿眼，控制排距為1.2 m，孔底距1.8～2 m；天井?dāng)U幫時(shí)排距1 m，孔間距0.8～1 m.

2.2 回采順序

考慮到本礦塊空間關(guān)系復(fù)雜，回采時(shí)一定要按照正確的順序回采.2方案回采順序都為：10線大采、8～10線電耙道大采→5號裝礦機(jī)道采場→本礦柱回采.

2.3 工程指標(biāo)

根據(jù)該礦現(xiàn)場實(shí)際情況，計(jì)算、評價(jià)2方案相關(guān)工程量、礦量、采掘比、貧化率、損失率、安全性等主要指標(biāo)，其結(jié)果見表1.

表1 設(shè)計(jì)工程主要指標(biāo)表

3 層次分析-模糊綜合評價(jià)分析

3.1 確定評價(jià)集和因素集

根據(jù)前文分析，建立備選方案集，即評價(jià)集V，V={v1（方案 1），v2（方案 2）}.綜合考慮礦體的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及安全等因素，并選取以下10個(gè)指標(biāo)作為影響因素，即：①技術(shù)指標(biāo)：礦塊生產(chǎn)能力、采場工效、貧化率、損失率、采掘比、炸藥單耗、通風(fēng)條件、施工難易程度；②安全指標(biāo)：安全性；③經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：采礦直接成本．從而建立因素集 U＝｛u1，u2，…，u9｝．

3.2 各因素權(quán)重的確定及評價(jià)指標(biāo)的量化

每個(gè)影響因素相對于決策的重要性各不相同，針對這10項(xiàng)指標(biāo)通過層次分析法構(gòu)造判斷矩陣，把每一個(gè)具有向下隸屬性的元素Y作為第一個(gè)元素放在矩陣的左上角，隸屬于它的其他元素分別置于其后第一行和第一列，并對這些元素采用 (1～9)9個(gè)標(biāo)度[11]（表2）進(jìn)行賦值，它們兩兩之間進(jìn)行比較，得出的矩陣就是判斷矩陣X，如式(1)．

表2 9級標(biāo)度法及其含義

判斷矩陣最大特征根λmax對應(yīng)向量（歸一化）（w1，w2，…，wn）中 w1，w2，w3，…，wn即為元素 x1，x2，…，xn對應(yīng)隸屬指標(biāo)Y的權(quán)值．

一般來說，由于事物的復(fù)雜性和不確定性，矩陣不可能完全滿足一致性，因而只能說矩陣在一定范圍及程度上滿足一致性，即矩陣滿足一定程度的一致性[12]，檢驗(yàn)就通過．一般來說當(dāng) CR＜0．1時(shí)，檢驗(yàn)通過，否則不通過，需要重新構(gòu)造判斷矩陣，直到檢驗(yàn)通過為止．檢驗(yàn)公式如下所示．

其中：CⅠ為判斷矩陣的一致性指標(biāo)；RⅠ為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可查表3[13]；λmax為矩陣的最大特征根；n為成對比較因子的個(gè)數(shù)．

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

依據(jù)上述，構(gòu)造準(zhǔn)則層對應(yīng)目標(biāo)層的判斷矩陣（表4），子準(zhǔn)則層對應(yīng)準(zhǔn)則層的判斷矩陣(表5)，并做一致性檢驗(yàn)．

表4 O-B判斷矩陣

一致性檢驗(yàn)：CⅠ=0．026 8，RⅠ=0．52，CR=0．046 2＜0．1，通過一致性檢驗(yàn)．

表5 B1-v判斷矩陣

一致性檢驗(yàn)：CⅠ=0．008 5，RⅠ=1．41，CR=0．006 0＜0．1，通過一致性檢驗(yàn)，層次總排序見表6．

表6 層次總排序表

一致 性 檢 驗(yàn) ：CⅠ=0．195 8×0．008 5=0．001 66，RⅠ=1．41×0．195 8=0．276 1，CR=0．006 0＜0．1，通過一致性檢驗(yàn)．因此各因素指標(biāo)的綜合權(quán)重為W=（0．048 0，0．027 0， 0．009 0， 0．027 0， 0．015 0， 0．027 0， 0．028 8，0．014 0， 0．493 4， 0．310 8）．

3.3 指標(biāo)值的確定

對于不定量指標(biāo)安全性及施工難易程度按表7進(jìn)行賦值，其他定量指標(biāo)按實(shí)際值賦值．賦值后的指標(biāo)值見表8．

表7 定性指標(biāo)9級標(biāo)準(zhǔn)賦值

表8 綜合評價(jià)指標(biāo)表

3.4 構(gòu)造隸屬度矩陣

由于各個(gè)影響指標(biāo)的性質(zhì)各不相同，不能直接對其進(jìn)行比較，利用模糊數(shù)學(xué)原理無量綱化各指標(biāo)，計(jì)算出各指標(biāo)的相對隸屬度，量化結(jié)果都在0～1之間[14]，具體處理方法如下：

Ⅰ1：效益型指標(biāo)的集合，效益型指標(biāo)，越大越好；Ⅰ2：成本型指標(biāo)的集合，成本型指標(biāo)，越小越好；Ⅰ3：固定型指標(biāo)的集合，固定型指標(biāo)，既不能太大，也不能太小[15]．

3.5 綜合性評價(jià)及結(jié)果

模糊(矩陣)運(yùn)算：

因?yàn)閎1＞b2，所以各方案的優(yōu)劣順序?yàn)椋悍桨?1＞方案2，即第1種方案優(yōu)于第2種方案．

4 結(jié) 論

1）回采方案的選擇是一個(gè)受諸多因素影響的目標(biāo)決策問題，利用層次分析與模糊數(shù)學(xué)綜合法對其進(jìn)行分析可以科學(xué)合理的選出最佳方案．通過此法對某礦區(qū)回采方案進(jìn)行分析選擇，得出綜合評判矩陣B=[0．791 0，0．748 1]，即方案 1 優(yōu)于方案 2．

2）應(yīng)用層次分析法與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法對某礦回采方案進(jìn)行分析，能充分和全面考慮影響回采方案決策的各種因素，并通過專家評定和一致性檢驗(yàn)?zāi)茌^好地確定各評價(jià)因素權(quán)重，最后通過模糊數(shù)學(xué)原理建立模糊評價(jià)模型進(jìn)行綜合評判。這種綜合法不僅避免了因個(gè)人主觀判斷、個(gè)人偏好而產(chǎn)生的弊端，也解決了權(quán)重分配的難題，為科學(xué)決策提供依據(jù)，也為其他系統(tǒng)工程優(yōu)化提供了新的思路．

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