基于多層次灰色關聯(lián)分析的金屬礦山總圖方案優(yōu)選

魏兵兵 張傳信 葉振華

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

基于多層次灰色關聯(lián)分析的金屬礦山總圖方案優(yōu)選

魏兵兵1,2,3張傳信1,2,3葉振華1,2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

為了加強礦山總圖布置的客觀性，著眼于礦山總圖布置及其方案的優(yōu)選，以某金屬礦山的總圖布置作為實例論證的數(shù)據(jù)采集源，采用多層次灰色關聯(lián)綜合評價法(AHP-GRAP)，選取平面豎向布置、運輸布置、經(jīng)濟合理性等對礦山總圖布置影響較大的因素作為評價體系的準則層，建立多層次灰色關聯(lián)綜合評價模型，按層次順序分層評價，求出各備選方案關聯(lián)度。結果表明：模型優(yōu)選出的最佳方案與工程實際中所采取方案一致，多層次灰色關聯(lián)綜合評價法在礦山總圖布置方案優(yōu)選中具有良好的工程實用性。

金屬礦山 總圖布置 多層次灰色關聯(lián)綜合評價法 關聯(lián)度

礦產(chǎn)是關系國民經(jīng)濟與社會發(fā)展的戰(zhàn)略性資源，礦業(yè)是支撐國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎產(chǎn)業(yè)[1]。設備大型化、工藝連續(xù)化、生產(chǎn)自動化、運輸多樣化已經(jīng)成為現(xiàn)代大型礦山的顯著標志。而總圖布置作為礦山前期建設的一個重要環(huán)節(jié)，在保證安全生產(chǎn)、滿足工藝和運輸要求以及國家相關政策的前提下，需要結合礦區(qū)場地的自然條件，合理確定采礦工業(yè)場地、選礦工業(yè)場地、輔助工業(yè)場地、排土場、生活區(qū)及銜接各個區(qū)域的廠礦道路等設施的平面位置以及豎向數(shù)據(jù)，使得各設施能成為統(tǒng)一的有機整體[2]。由于總圖布置自身的復雜性和重要性，目前國內(nèi)關于總圖布置方案的優(yōu)選已經(jīng)發(fā)展出很多方法，張琦等將可拓工程理論應用到工業(yè)企業(yè)總圖設計方案評價中[3]。楊秋俠等利用改進自主式綜合評價法建立模型，對鋼鐵廠的總圖設計方案進行優(yōu)選評價[4]。盡管如此，關于金屬礦山總圖布置的優(yōu)選研究至今很少見文獻報道。多層次灰色關聯(lián)綜合評價法將層次分析法和灰色關聯(lián)度分析法有效集成，通過層次分析法確定評價體系組成指標的權值[5]，克服了灰色關聯(lián)分析法確定權重時的主觀性，實現(xiàn)對各指標客觀的優(yōu)先排序，保證了綜合評價結果的科學性。鑒于此，將多層次灰色關聯(lián)綜合評價法引入到礦山總圖布置中，結合某金屬礦山的總圖布置方案實例數(shù)據(jù)，建立適合該金屬礦山的多層次灰色關聯(lián)綜合評價模型，并應用模型對該礦山的3個總圖布置方案進行優(yōu)選，得出最佳方案。

1 多層次灰色關聯(lián)綜合評價模型的建立

1.1 單層次灰色關聯(lián)綜合評價模型

1.1.1 最優(yōu)指標集(X0k)確定

設X0k=[X01,X02,…,X0m]，X0k(k=1,2,…,m)為第k個評價指標在n個方案中的最優(yōu)值。

1.1.2 指標值的規(guī)范化處理

通常選取的各評價因素具有不同的量綱和數(shù)量級，需對其原始數(shù)值進行規(guī)范化處理：

(1)

式中,λik為第i個方案的第k個指標Xik的規(guī)范化數(shù)值；Ximin為第k個指標在所有方案中的最小值；Ximax為第k個指標在所有方案中的最大值。

進行規(guī)范化處理后得到如下矩陣：

1.1.3 關聯(lián)度系數(shù)計算

將最優(yōu)指標集{λ0k}=[λ01,λ02,…,λ0m]作為參考數(shù)列，經(jīng)規(guī)范化處理后方案的指標值{λik}=[λi1,λi2,…,λim]作為被比較數(shù)列，用下式分別求得第i個方案第k個指標與第k個最優(yōu)指標的關聯(lián)系數(shù)ξi(k)：

(2)

式中，ρ為分辨率，取0.5。

得到關聯(lián)系數(shù)矩陣E：

1.1.4 單層次灰色關聯(lián)評價模型建立

數(shù)學模型：

R=PE ，

(3)

第i個方案的綜合評判結果即關聯(lián)度ri可由下式求得：

(4)

若關聯(lián)度ri最大，則說明{λik}與最優(yōu)指標集{λ0k}最接近，據(jù)此可排出各方案的優(yōu)劣次序。

1.2 多層次灰色關聯(lián)綜合評價模型

當系統(tǒng)中的評價指標被分為不同層次時，則需建立多層次灰色關聯(lián)綜合評價模型。模型以單層次灰色關聯(lián)評判模型為基礎[6]，首先對該模型基礎層的各指標進行單層次評價，把這一層次的評判結果Rk(PkEk)作為下一層次的評價原始指標，再重復對下一層進行單層評判，以此類推至最高層。

2 多層次灰色關聯(lián)綜合評價模型的應用

某鐵礦位于安徽省霍邱鐵礦區(qū)北部，為一大型鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床。礦區(qū)西部緊鄰105國道，距六—阜高速公路約5 km，北部與淮河相鄰，距周集港碼頭約1 km。礦山采用豎井開拓和進風井下盤集中布置，南回風井布置在礦體南端下盤，北風井布置在礦體北端上盤，采選工業(yè)場地集中布置在大朱臺北部，選礦廠工藝車間主要由破碎篩分部分、高壓輥磨廠房、主廠房、尾礦濃縮及輸送部分等組成。破碎篩分部分由地表粗破碎廠房、中細碎廠房、篩分廠房組成，主廠房部分由粉礦倉、磨礦跨間、選別跨間、精礦過濾系統(tǒng)及精礦倉構成，尾礦脫水主要由尾礦濃密機和泵房構成。此外，有實驗室、化驗室、技術質(zhì)量檢查站、機修車間、變配電所以及倉庫等輔助設備。

2.1 礦山總圖布置

根據(jù)該礦山的開拓方案、選礦場地要求，結合地形、外部條件以及相關規(guī)范和標準，考慮防火、防爆及安全技術間距，提出3種總圖布置方案。

(1)方案A1。在現(xiàn)有場地內(nèi)新建破碎、篩分、干選系統(tǒng)，中間產(chǎn)品進粉礦倉，經(jīng)長距離膠帶運輸至礦區(qū)西側的選礦廠球磨機磨選，最終進入磁選機得到精礦。礦區(qū)的主要構成有采礦工業(yè)場地、選礦破碎系統(tǒng)、風井工業(yè)場地、充填站、行政生活區(qū)等。

(2)方案A2。與方案A1部分相同，不新建破碎、篩分廠房，改造礦區(qū)西側選礦廠已有的破碎、篩分系統(tǒng)，礦石經(jīng)主井提升至地表后初步干選，再經(jīng)皮帶通廊運到改造完成的選礦廠提取精礦。

(3)方案A3。不依賴于礦區(qū)西側的選礦廠，在已有的工業(yè)場地內(nèi)新建選礦廠，礦區(qū)的主要構成有采礦工業(yè)場地、破碎篩分車間、主廠房、選礦廠房、風井工業(yè)場地、尾礦濃縮及輸送系統(tǒng)、行政生活區(qū)等。

2.2 評價指標體系建立

根據(jù)該礦山在總圖布置過程中涉及的主要因素，將優(yōu)選評價指標分為3部分，分別為平面豎向布置B1、礦山運輸布置B2及礦山建設經(jīng)濟合理性B3。平面豎向布置的主要影響因素為礦山占地面積C1、土石方工程量C2、選礦廠及生活區(qū)綠化率C3、排水管線明溝長度C4，礦山運輸布置的主要影響因素為礦區(qū)內(nèi)運輸?shù)缆返拿娣eC5、皮帶通廊的長度C6、副井地表窄軌運輸長度C7，礦山建設經(jīng)濟合理性的主要影響因素為總降變電所工程費用C8、膠帶運輸機年消耗費用C9、總圖工程建設費用C10、選礦工程建設費用C11、尾礦庫設備改造費用C12、征地拆遷費用C13。該礦山總圖布置方案優(yōu)選評價指標體系層次結構見圖1。

圖1 方案優(yōu)選評價指標體系

2.3 各指標權重確定

根據(jù)該礦山指標體系結構圖，在此實例中使用1～9標度法定量化評判指標[7]，形成初始判斷矩陣，通過計算判斷矩陣的最大特征根及其對應的特征向量，得到基礎層元素的相對權值，加權綜合上一層元素本身的權值，計算出層次總排序權值。

經(jīng)綜合整理分析，分別取得A-B層、B1-C層、B2-C層、B3-C層判斷矩陣(表1～表4)。

表1 A-B層判斷矩陣

表2 B1-C層判斷矩陣

表3 B2-C層判斷矩陣

表4 B3-C層判斷矩陣

隨機一致性比率公式為[9]

(5)

式中，CR為隨機一致性比率；CI為一致性指標；RI為隨機一致性指標。

計算得出：A-B層隨機一致性比率CRA-B=0.031<0.10,具有一致性;B1-C層隨機一致性比率CRB1-C=0.049<0.10，具有一致性；B2-C層隨機一致性比率CRB2-C=0.033<0.10，具有一致性；B3-C層隨機一致性比率CRB3-C=0.069<0.10，具有一致性。

以該礦山方案優(yōu)選評價指標體系的結構圖由上而下分層判斷，即可得到基礎指標層相對于總目標的權值，計算結果見表5。

2.4 方案比選

遞階層次結構圖將該模型分成了不同層次(圖1)，利用表6中3個方案層次結構中的基礎層各指標實際數(shù)值，結合多層次灰色關聯(lián)分析法分析計算。

表5 層次總排序

表6 方案原始數(shù)據(jù)

將表6方案原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得到規(guī)范化指標值,帶入式(2)計算出各指標的關聯(lián)度系數(shù)，見表7。

表7 各指標關聯(lián)度系數(shù)

由此對基礎層指標按總圖布置、運輸設計、經(jīng)濟合理性分別進行單層次綜合評判。對平面豎向布置部分的4個分指標進行單層次灰色綜合評判，評判結果視為第二層(準則層)的初始數(shù)值，即為影響該礦山總圖布置綜合評判的一個分量R1。以同樣的方法分別確定運輸設計指標和經(jīng)濟合理性指標的單層次綜合評判結果R2和R3。根據(jù)公式(4)把R1、R2、和R3作為指標體系準則層的原始指標[9]，對總目標層進行單層次灰色關聯(lián)綜合評判，得出3個方案的關聯(lián)度值，即為各方案最終的評價結果。

方案A1的關聯(lián)度數(shù)值為

RA1=

方案A2的關聯(lián)度數(shù)值為

RA2=

方案A3的關聯(lián)度數(shù)值為

RA3=

由上述計算結果可知，3個方案關聯(lián)度值的排序為RA2>RA1>RA3，方案A2所構成的數(shù)列曲線與理想數(shù)列所構成的曲線最為接近，說明方案A2為最優(yōu)方案。

3 結 論

(1)將多層次灰色關聯(lián)綜合評價法應用到礦山總圖方案優(yōu)選評價中，選取占地面積、土石方工程量、排水管線長度、道路面積等對于礦山總圖布置影響較大的因素作為評價指標體系的基礎層，新建立的評價指標體系優(yōu)選出的最佳方案與實際設計過程中所采用的設計方案一致，與實際工程情況耦合良好，為礦山總圖布置方案的優(yōu)選提供了一條新的途徑。

(2)多層次灰色關聯(lián)綜合評價法不僅汲取了層次分析法和灰關聯(lián)分析法的優(yōu)點，而且有效克服了各自的不足。這種組合評價法提升了單一評價法的可信性，評價結果也更科學、準確。

(3)對于不同類型的礦山，總圖布置過程中影響因素也會有所差別。因此,在建立評價體系時，除了考慮指標體系的精簡性外，還應根據(jù)實際情況靈活選取各評價指標，這樣才能保證優(yōu)選的過程更加科學，結果更加可靠。

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Optimization Selection of the Metal Mine General Layout Scheme Based on Multi-level Grey Correlation Analysis Method

Wei Bingbing1,2,3Zhang Chuanxin1,2,3Ye Zhenhua1,2,3

(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.)

In order to strengthen the objectivity of mine general layout, it is necessary to conduct optimization selection of the mine general layout scheme. Taken the general layout of a metal mine as the research example, the data source of the general layout of a metal mine is demonstrated, the multi-level grey relational comprehensive evaluation method (AHP-GRAP) is adopted. The vertical layout, transportation arrangement and economic rationality are the factors that have great influence on the general layout, which they are selected as the criterion layer of the evaluation system to establish the multi-level grey relative comprehensive evaluation model, the correlation degree values of the alternative schemes are calculated by layered evaluation in hierarchical order. The results show that the optimal scheme selected by the multi-level grey relative comprehensive evaluation model is consistent to the adoption scheme in practical engineering, therefore, the engineering practicability of the multi-level grey relational comprehensive evaluation method in the optimization selection of mine general layout scheme is good.

Metal mine, General layout, Multi-level grey relational comprehensive evaluation method, Correlation degree

2015-06-29)

魏兵兵(1988—)，男，碩士研究生，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)西塘路666號。