基于模糊層次分析法的多目標(biāo)“三下”采搬決策

劉義生，陳世超，宋文輝，劉　偉

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083 ；2.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018)

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基于模糊層次分析法的多目標(biāo)“三下”采搬決策

劉義生1，2，陳世超1，宋文輝1，劉偉1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083 ；2.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018)

[摘要]以地表采動影響最小、資源解放最多和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)作為基本目標(biāo)，建立了“三下”采搬途徑選擇模型，采用模糊層次分析法，確定“三下”開采的途徑。以某礦建筑物下開采為例，將搬遷開采、條帶開采、全部充填開采以及“采-充-留”協(xié)調(diào)開采方式進(jìn)行了對比，確定了該礦鐵路煤柱區(qū)建筑物下壓煤的采搬途徑。

[關(guān)鍵詞]模糊層次分析，多目標(biāo)優(yōu)化，“三下”采搬途徑，村莊搬遷

目前我國80%以上的礦區(qū)存在“三下”開采問題，中東部礦區(qū)“三下”生產(chǎn)矛盾尤為突出，其壓煤率一般為50%～80%，有的礦井甚至高達(dá)100%[1]。僅河北、河南、安徽、山東、江蘇五省壓煤村莊近1100個[2]?！叭隆眽好阂褔?yán)重影響礦井發(fā)展，有的礦區(qū)甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的工農(nóng)矛盾和糾紛。為了減少或避免工農(nóng)糾紛，許多礦區(qū)采用村莊搬遷措施、條帶開采技術(shù)、充填開采技術(shù)和損壞補(bǔ)償?shù)确椒ㄟM(jìn)行“三下”資源的開發(fā)[1,3]?！叭隆遍_采方案選擇時，根據(jù)地表壓煤對象特征和地下開采特點往往存在多種可選途徑，常規(guī)方案設(shè)計時僅以技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理為選擇依據(jù)，很少顧及開采技術(shù)因素間的相互影響。為了方案選擇時兼顧地表采動影響、采出率和經(jīng)濟(jì)最優(yōu)需建立“三下”開采的合理選擇模型。

1“三下”開采基本途徑及方案選擇的一般原則

1.1“三下”開采的基本途徑及其影響因素

“三下”開采的途徑和方法主要有壓煤對象的搬遷、部分開采、充填開采和協(xié)調(diào)式開采[4]。開采方案確定過程中，開采途徑的選擇是一個包含生產(chǎn)效率、成本、管理和工農(nóng)關(guān)系等社會、經(jīng)濟(jì)和管理的問題[1]。

(1)村莊搬遷指將村莊搬遷到無煤區(qū)，從而徹底解放地下煤炭資源。村莊搬遷主要涉及到征地和搬遷周期問題，是一個政府是否支持、農(nóng)民是否愿意的社會問題，資金是否充足的經(jīng)濟(jì)問題和地表潛水位高低的開采條件問題。其影響因素除社會環(huán)境、地質(zhì)開采條件外，還涉及村莊大小與人口多少，新村址距原村址遠(yuǎn)近，交通、教育、醫(yī)療等基礎(chǔ)設(shè)施的完善程度與新村址距離等。村莊搬遷的方式一般有政府負(fù)責(zé)企業(yè)出資、企業(yè)負(fù)責(zé)和企業(yè)一次性補(bǔ)償。村莊搬遷周期一般為10a以上，對于接續(xù)緊張的礦井不適用；此外若地表潛水位較高，地表下沉易積水的村莊壓煤區(qū)，常需采用搬遷方式解放壓覆資源。

(2)條帶開采部分開采包括條帶開采、房柱式開采。其中條帶開采是在被采煤層中沿走向、傾向或偽傾斜方向采一個尺寸較小的工作面，留設(shè)一條煤柱的開采措施，以留設(shè)煤柱支撐上覆巖層，從而達(dá)到既采出壓覆資源又減小地表移動變形的目的。這種開采方法不適用于較軟煤層和傾角較大煤層開采條件，工作面開采尺寸一般為平均采深的1/6～1/8；目前采深條件下，工作面長一般為60～100m，采出率一般為40%～60%。其主要影響因素是煤層及頂?shù)装鍘r性、煤層傾角和開采深度。

(3)充填開采是一種置換開采方法，將煤層采空空間充入其他材料，以抑制頂板下沉，從而達(dá)到控制地表移動變形，減小采動影響的一種開采方法。按充填范圍劃分，可分為部分充填和全部充填；若按充填材料的不同，可分為膏體充填、高水材料充填以及固體材料充填。因初期成本和充填空間需要大量的充填材料，因此充填開采成本一般較高。充填效果的可靠性、充填體的壓實率以及充填前頂?shù)装逡平渴怯绊懙乇聿蓜佑绊懙闹匾蛩兀涮钋绊數(shù)装逡平吭叫?、壓實率越大地表移動變形控制效果越顯著。

(4)“采-充-留”協(xié)調(diào)開采是基于極不充分原理[1]，兼顧地表采動影響和資源采出率的“采-充-留”協(xié)調(diào)開采巖層移動控制技術(shù)。它是一種留設(shè)窄煤柱、部分開采、部分充填的方法；是以開采面極不充分采動，采充面構(gòu)成非充分開采單元，采動區(qū)構(gòu)建以原煤柱為核心的柱充聯(lián)合支撐體為基本思想，保證支撐體長期穩(wěn)定和采充過程中上覆巖層發(fā)生有限協(xié)同變形；在設(shè)計煤層內(nèi)布置多個獨立的非充分采充單元，以達(dá)到減緩地表采動影響程度的目的。

(5)協(xié)調(diào)開采技術(shù)包括同煤層相鄰工作面間的協(xié)調(diào)、同煤層不同分層工作面間協(xié)調(diào)或不同煤層工作面間的錯距推進(jìn)協(xié)調(diào)開采。利用同時開采空間相鄰的工作面對地表產(chǎn)生性質(zhì)相反的拉伸和壓縮變形相互疊加，以達(dá)到相互抵消拉壓變形，從而減小采動造成變形量的方法。這種方法雖可減小采動影響，但不減小地表下沉。一般用于中等采深、地表下沉不形成積水的丘陵地區(qū)。

1.2方案選擇的一般原則

開采方案的確定步驟一般首先考慮技術(shù)上的可行性，而后再考慮經(jīng)濟(jì)上是否合理。按照此思路，通過對“三下”開采影響因素及存在問題的分析，把“三下”開采影響因素分為特殊影響因素、技術(shù)因素、經(jīng)濟(jì)因素和社會因素。一般主要影響因素有潛(洪)水位標(biāo)高、基巖深厚比、構(gòu)造復(fù)雜程度、采深、采厚、地層傾角、松散層厚度、頂?shù)装逋暾?、覆巖巖性、預(yù)計破壞程度、礦井發(fā)展階段、壓煤量大小、煤炭采出率、噸煤效益、搬遷或補(bǔ)償費用、征地難易程度、政府支持力度、農(nóng)民搬遷意愿、新村址耕作影響。

任何一種開采或搬遷途徑均有其適用條件和局限性，為了實現(xiàn)資源利用最大化，經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)化和開采損害最小化，采用模糊層次分析方法選擇最優(yōu)的“三下”采搬方案。

2基于模糊層次分析法的“三下”采搬方案優(yōu)選模型

2.1層次分析法的步驟

層次分析法的基本思想是先將系統(tǒng)分為幾個等級層次，再根據(jù)層次分析法，采用兩兩比較的方法導(dǎo)出權(quán)重；然后對單準(zhǔn)則排序后的層次，確定對與上一層次某元素而言本層次中與其他相關(guān)元素的重要性排序；最后再根據(jù)總排序結(jié)果，確定遞接結(jié)構(gòu)圖中最底層各元素在總目標(biāo)中的重要程度，根據(jù)相應(yīng)的決策優(yōu)選結(jié)果[5-6]。其步驟為：

(1)建立多層次階梯結(jié)構(gòu)，以遞進(jìn)的階梯層次把系統(tǒng)劃分為幾個等級。

(2)構(gòu)造比較判斷矩陣，采用兩兩對比的方式導(dǎo)出各層次因素的權(quán)重。

(3)單準(zhǔn)測排序，進(jìn)行一致性檢驗；確定本層中相關(guān)元素的重要性排序，依據(jù)本層次中所有元素相對上一層次任一元素的重要性，并進(jìn)行排序。

(4)確定最底層元素在總目標(biāo)中的重要性指標(biāo)，并進(jìn)行總體排序。

對于“三下”壓煤采搬方案的優(yōu)選來講，其目標(biāo)是通過比選，確定最優(yōu)“三下”壓覆煤炭資源的采搬設(shè)計方案。其優(yōu)選準(zhǔn)則為受采動影響小、采出率和開采效率高及經(jīng)濟(jì)效益最大化。因此，在采搬方案選擇時采用采動影響、采出率和開采效率、噸煤成本和效益等指標(biāo)來體現(xiàn)。

2.2采搬方案的初選

“三下”壓煤采搬方案設(shè)計時，可根據(jù)地質(zhì)采礦條件和社會環(huán)境狀況提出可行性方案。表1列出了“三下”資源幾種基本途徑。根據(jù)表1和具體條件進(jìn)行途徑排除和方案初選，排除方案不再列入方案層。

采搬方案的選擇性指標(biāo)體系的架構(gòu)如圖1所示，包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。

準(zhǔn)則層各要素相對于目標(biāo)層的重要性不同，需要逐一進(jìn)行比較。一般應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗或采取專家評價打分，依據(jù)模糊標(biāo)度及含義，對各準(zhǔn)則層要素進(jìn)行比較，量化其相對重要性。模糊的標(biāo)度及含義見表2。

表1　“三下”壓煤采搬途徑定性選擇

注：〇表示比較合適；Δ表示有可能采用；×表示不宜采用。

圖1　“三下”壓煤采搬設(shè)計方案優(yōu)選指標(biāo)體系

按照量化的結(jié)果來構(gòu)建模糊判斷矩陣。設(shè)W=(W1，W2，…，Wn)T為A=(aij)m×n的排序向量，A=(aij)m×n為模糊互補(bǔ)判斷矩陣；若aij=Wi-Wj+0.5，那么A就是模糊一致性判斷矩陣。

2.3指標(biāo)權(quán)重的確定

2.3.1各準(zhǔn)則層因素相對于目標(biāo)層權(quán)重的計算

由已建立的m×m階模糊判斷矩陣，進(jìn)行準(zhǔn)則層因素重要性權(quán)重計算。

設(shè)A=(aij)m×n為模糊互補(bǔ)判斷矩陣，W=(W1，W2，…，Wn)T為A的排序向量，則W滿足：

表2　模糊標(biāo)度及其含義

(1)

2.3.2各方案相對于準(zhǔn)則層因素權(quán)重的計算

2.4確定最優(yōu)方案

由上述計算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計方案相對目標(biāo)層的重要性的權(quán)重計算。設(shè)準(zhǔn)則層各要素對于目標(biāo)層而言的權(quán)重矩陣為A，各方案對于準(zhǔn)則層各要素的權(quán)重為矩陣B，經(jīng)矩陣B×A運(yùn)算，得出最終權(quán)重的計算矩陣，通過權(quán)重比較，確定最優(yōu)方案。

3“三下”壓煤采搬設(shè)計優(yōu)選模型的應(yīng)用

3.1建筑物壓煤區(qū)域概況

開灤某礦鐵三區(qū)地表平坦，地面標(biāo)高平均+17.5m。地表無巖石裸露。區(qū)域內(nèi)無地面水系。地表建筑物眾多，地下管線復(fù)雜。建(構(gòu))筑物有車站、商業(yè)區(qū)、廠房和居民區(qū)；管線包括供水、供暖、供電、路南區(qū)的污水管路等。據(jù)不完全統(tǒng)計地面企事業(yè)單位800多家。

該礦主采5煤、8煤、9煤、12-1煤和12-2煤，屬低灰、低硫、高發(fā)熱量煤種，各項指標(biāo)接近肥煤，為優(yōu)質(zhì)的三分之一焦煤。區(qū)域開采上限標(biāo)高-550m，下限標(biāo)高-820m；本區(qū)北部地層傾角較小，一般10°左右；南部靠近斷層地層的傾角較大，最大24°。8煤層、9煤層、12-1和12-2煤層沉積比較穩(wěn)定，煤厚依次為3.7m，5.0m，2.4m和4.1m。8和9煤層在西南部為合區(qū)煤層，其余大部分為分區(qū)。

3.2采搬途徑分析及方案優(yōu)選

目前該礦解放“三下”資源的主要措施是村莊搬遷和條帶開采，但大面積搬遷困難重重，若采用協(xié)調(diào)開采和長壁垮落法開采則會造成地表下沉量較大。為此，需采用采動影響和下沉較小的開采措施，如條帶開采、充填開采或“采-充-留”協(xié)調(diào)開采。

3.2.1建立評價因素集合和方案集合

(1)建立評價因素集合(U1)

準(zhǔn)則層各要素具體如下：u1為采動影響最小，u2為經(jīng)濟(jì)效益最高，u3為資源采出率最大。U1={u1，u2，u3}。

(2)建立方案集合(U2)

方案一：u1為條帶開采； 方案二：u2為充填開采； 方案三：u3為“采-充-留”協(xié)調(diào)開采。U2={u1，u2，u3}。

3.2.2建立評價因素相對于目標(biāo)層的評價集

給出模糊標(biāo)度的含義表，邀請采礦、地質(zhì)、力學(xué)、礦山工程管理、礦業(yè)工程經(jīng)濟(jì)等專業(yè)人員，對評價因素相對于目標(biāo)層的重要性進(jìn)行評價。因有多人參與該方案評價，方案中每一因素均有多個評價值，因此先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。假設(shè)第i個元素相對第j個元素的重要性評價，n個專家給出的評價得分為Xij1，Xij2，…，Xijn，那么最終得分即為Xij=1/n×∑Xijn，把計算結(jié)果進(jìn)行四舍五入，小數(shù)保留一位。把單項評價結(jié)果進(jìn)行匯總，建立評價集，并建立模糊判斷矩陣。則準(zhǔn)則層各要素相對于目標(biāo)層的模糊判斷矩陣為

3.2.3建立方案層相對于準(zhǔn)則層的評價集

請采礦、地質(zhì)、力學(xué)、礦山工程管理、礦業(yè)工程經(jīng)濟(jì)專業(yè)技術(shù)管理人員，對方案層各因素相對于準(zhǔn)則層重要性進(jìn)行評價，依據(jù)各單項評價結(jié)果來匯總，建立模糊判斷矩陣。方案層相對于準(zhǔn)則層的采動影響、經(jīng)濟(jì)效益、資源采出率的模糊判斷矩陣分別用B1，B2，B3表示，則：

3.2.4計算準(zhǔn)則層各要素相對于目標(biāo)層的權(quán)重

用公式(1)計算準(zhǔn)則層各要素相對于目標(biāo)層的權(quán)重矩陣A。

3.2.5計算各方案相對于準(zhǔn)則層各要素的權(quán)重

用公式(1)計算各方案相對于準(zhǔn)則層各要素的權(quán)重矩陣B。

3.2.6確定最優(yōu)方案

進(jìn)行總排序計算，結(jié)果如下：

根據(jù)計算結(jié)果可知，從各方案整體經(jīng)濟(jì)效益、采動影響和資源采出率3個影響因素來看，方案1>方案3>方案2，可優(yōu)選方案1，即“條帶開采方案”優(yōu)于“‘采-充-留’協(xié)調(diào)開采方案”優(yōu)于“充填開采方案”。方案3可作為備選方案，設(shè)計時可對采、充、留寬進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

4結(jié)論

(1)分析了“三下”開采基本途徑及其適應(yīng)性。

(2)采用模糊層次分析法建立了建筑物壓煤采搬指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，確定了評價指標(biāo)的模糊互補(bǔ)判斷矩陣，得到了指標(biāo)權(quán)重。

(3)以開灤某礦建(構(gòu))筑物壓煤為例，以采動影響程度、經(jīng)濟(jì)效益和采出率3個因素為準(zhǔn)則，確定了煤柱條帶開采的優(yōu)選途徑。

[參考文獻(xiàn)]

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Multiple Objectives Mining and Moving Decision of ‘Three Unders’Mining Based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process

LIU Yi-sheng1，2，CHEN Shi-chao1，SONG Wen-hui1，LIU Wei1

(1.Geoscience and Surveying Engineering College，China University of Mining & Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Kailuan(Group)Co.，Ltd.，Tangshan 063018，China)

Abstract：Mining and moving ways selection model of ‘three unders’ was built，its basic targets were the minimum surface movement，the maximal resource utilization and the optimum economic benefit，then mining method of ‘three unders’ was confirmed.It taking mining under buildings of one coal mine as example，and then some different mining method were compared，which included removal mining，strip mining，fully backfilling mining and mining coordinately mixed with backfill mining and setting pillars，the final mining and moving method of coal under buildings that around railway coal pillar areas was determined.

Key words：fuzzy analytic hierarchy process；multiple objectives optimization；‘three unders’ mining and moving method；village relocation

[收稿日期]2015-08-19

[基金項目]國家自然科學(xué)基金面上項目(51574242)

[作者簡介]劉義生(1963-)，男，河北唐山人，高級工程師，博士研究生，研究方向為煤礦開采沉陷理論與技術(shù)。

[中圖分類號]TD823.8

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)02-0041-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.012

[引用格式]劉義生，陳世超，宋文輝，等.基于模糊層次分析法的多目標(biāo)“三下”采搬決策[J].煤礦開采，2016，21(2)：41-44，102.