基于 TOPSIS算法的煤礦井口及工業(yè)場(chǎng)地位置選擇優(yōu)化

田彥武

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治 046100)

新建煤礦井口及工業(yè)場(chǎng)地位置選擇需要考慮眾多因素,是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題,其位置的選擇是否合理,將影響整個(gè)礦井的開(kāi)拓方式和生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并對(duì)今后礦井的高效安全生產(chǎn)產(chǎn)生重要的影響。TOPSIS 算法具有進(jìn)行有限方案目標(biāo)優(yōu)化決策的優(yōu)勢(shì),對(duì)于新建煤礦井口及工業(yè)場(chǎng)地位置選擇優(yōu)化問(wèn)題,可以運(yùn)用其算法進(jìn)行優(yōu)化決策,使其布置位置最優(yōu)化。

1　TOPSIS算法基本原理分析

TOPSIS 算法又稱(chēng)逼近理想解法,是進(jìn)行方案綜合評(píng)價(jià)分析的有效計(jì)算方法,屬于綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題中有限方案決策優(yōu)化的算法。其運(yùn)用線性代數(shù)的基本數(shù)學(xué)原理,來(lái)進(jìn)行非線性問(wèn)題的線性解。其基本的數(shù)學(xué)原理為,先對(duì)評(píng)價(jià)問(wèn)題的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行矩陣歸一化處理,然后構(gòu)造規(guī)范化矩陣,以進(jìn)行所評(píng)價(jià)問(wèn)題最優(yōu)解和最劣解的確定分析。如果m個(gè)問(wèn)題可行方案,n個(gè)決策指標(biāo),專(zhuān)家對(duì)其中第i個(gè)方案的第j個(gè)指標(biāo)的評(píng)估值為aij,則構(gòu)成如下指標(biāo)矩陣[1-3]:

(1)

對(duì)決策矩陣A=(aij)m×n進(jìn)行向量歸一化處理,令:

bij=aij(當(dāng)Gj為正向指標(biāo)時(shí))；bij=-aij(當(dāng)Gj為負(fù)向指標(biāo)時(shí))。

從而:

得到歸一化標(biāo)準(zhǔn)矩陣[4]:

(2)

U=(uij)m×n.

(3)

2　井口及工業(yè)場(chǎng)地位置綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)確定分析

通過(guò)對(duì)TOPSIS 算法原理分析可知,對(duì)于問(wèn)題的評(píng)價(jià)需要先進(jìn)行問(wèn)題評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定。評(píng)價(jià)指標(biāo)確定的合理性,會(huì)對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。井口及工業(yè)場(chǎng)地位置的選擇需要考慮的因素較多,必須結(jié)合問(wèn)題本身的特征進(jìn)行分析,通過(guò)井口及工業(yè)場(chǎng)地位置選擇的主要技術(shù)原則的確定,來(lái)分析選取其綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

井口及工業(yè)場(chǎng)地位置選取的主要技術(shù)原則為:

1)井口及工業(yè)場(chǎng)地位置選取需要適應(yīng)建設(shè)安全高效現(xiàn)代化礦井的要求,提高礦井生產(chǎn)效率,改革礦井設(shè)計(jì)思路,實(shí)現(xiàn)礦井開(kāi)拓方式的合理化和最優(yōu)化;

2)適合先進(jìn)提升運(yùn)輸設(shè)備的使用,提高礦井生產(chǎn)集約化水平,簡(jiǎn)化生產(chǎn)環(huán)節(jié),為先進(jìn)采掘設(shè)備的使用提供有效條件;

3)井口及工業(yè)場(chǎng)地位置選取需要協(xié)調(diào)井下開(kāi)拓巷道布置,為井下采區(qū)設(shè)計(jì)的合理性以及開(kāi)拓巷道的布置方式提供有效條件;

4)應(yīng)使首采區(qū)具有一定的服務(wù)年限,避免短時(shí)間內(nèi)即進(jìn)行采區(qū)接替或村莊搬遷,以提高礦井建設(shè)的工程經(jīng)濟(jì)性;

5)礦井通風(fēng)應(yīng)采用分區(qū)通風(fēng)方式,以適應(yīng)井田面積大、瓦斯高的特點(diǎn),以利于通風(fēng)設(shè)備性能的充分發(fā)揮和降低能耗。

通過(guò)井口及工業(yè)場(chǎng)地位置選取主要技術(shù)原則的分析可知,此問(wèn)題的綜合評(píng)價(jià)分析指標(biāo),可以選取高效礦井的適應(yīng)性、先進(jìn)設(shè)備的適應(yīng)性、井下開(kāi)拓巷道布置的協(xié)調(diào)性、工程經(jīng)濟(jì)性、通風(fēng)安全協(xié)調(diào)性五個(gè)指標(biāo)。

3　礦井建設(shè)概況分析

某井田(包括北區(qū))南北走向長(zhǎng)10.1 km～13.7 km,東西傾斜寬8 km,為梯形狀;本次設(shè)計(jì)井田南區(qū)南北走向長(zhǎng)約4.2 km,東西傾斜寬8 km,呈矩形狀;3號(hào)煤埋藏深,達(dá)510 m以上;井田地形中部高,東西低,南區(qū)村莊21個(gè);井田南區(qū)已有地質(zhì)勘探,且南區(qū)東部勘探程度高,西部低。本井田采用立井開(kāi)拓方式。

因此,影響井田開(kāi)拓布置的主要因素是:密集的村莊布局、較大的走向和傾斜長(zhǎng)度、井田傾斜中部地形復(fù)雜、南北兩區(qū)勘探程度不一、煤層褶曲變化較大、傾角較大等。

4　井口及工業(yè)場(chǎng)地位置選取綜合評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)院對(duì)井口及工業(yè)場(chǎng)地位置提出了四個(gè)方案,現(xiàn)就各方案敘述如下。

Ⅰ方案:井口及工業(yè)場(chǎng)地位于南李村村北100 m處,該位置在屯龍二級(jí)公路附近,施工場(chǎng)地標(biāo)高在+937.000 m，本方案設(shè)計(jì)在場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置主、副、風(fēng)三個(gè)立井井筒,在+370.000 m水平設(shè)置井底車(chē)場(chǎng)。

Ⅱ方案:井口及工業(yè)場(chǎng)地位于小堡頭、大堡頭、公義莊三個(gè)村莊之間，該位置地形平坦,施工場(chǎng)地標(biāo)高+957.000 m，本方案設(shè)計(jì)在場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置主、副、風(fēng)三個(gè)立井井筒,在+400.000 m水平設(shè)置井底車(chē)場(chǎng)。

Ⅲ方案:井口及工業(yè)場(chǎng)地位于堯神溝村村東500 m處,該位置地形適于施工,施工標(biāo)高在+955.000 m～+959.000 m范圍之內(nèi)，本方案設(shè)計(jì)在場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置主、副、風(fēng)三個(gè)立井井筒,在+385.000 m標(biāo)高布置井底車(chē)場(chǎng)。

Ⅳ方案:井口及工業(yè)場(chǎng)地位于河頭村村西500 m處，場(chǎng)地標(biāo)高+937.000 m，工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)開(kāi)鑿主、副、風(fēng)三個(gè)立井井筒,井筒到底后即南北向布置井底車(chē)場(chǎng),井底車(chē)場(chǎng)標(biāo)高為+370.000 m，由井底車(chē)場(chǎng)向南布置南翼大巷和南翼集中運(yùn)輸大巷。

表1-表3分別為三位專(zhuān)家的評(píng)分表。

表2　專(zhuān)家2評(píng)價(jià)表Table 2　Evaluation of Expert 2

表3　專(zhuān)家3評(píng)價(jià)表Table 3　Evaluation of Expert 3

1)確定判斷矩陣。在確定判斷矩陣之前,需要設(shè)置專(zhuān)家評(píng)價(jià)權(quán)重,使得專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理化。本次評(píng)價(jià)問(wèn)題,根據(jù)專(zhuān)家專(zhuān)業(yè)背景以及能力,評(píng)價(jià)權(quán)重分別設(shè)置為0.5、0.3及0.2,經(jīng)過(guò)權(quán)重的修整后得出修正后的判斷矩陣,如表4所示。

表4　判斷矩陣Table 4　Judgment Matrix

2)確定最優(yōu)方案和最劣方案。最優(yōu)方案 (0.56 -0.47 -0.42 -0.36 0.61);最劣方案 (0.43 -0.50-0.59 -0.59 0.41)。

3)確定每一加固方案與最優(yōu)方案和最劣方案的距離，如表5所示。

表5　加固方案與最優(yōu)方案和最劣方案的距離Table 5　Distance between the reinforcement scheme and the optimal/worst scheme

4)計(jì)算各加固方案與最優(yōu)方案的接近程度?i：

=0.014 4；

=0.998 7；

=0.884 6；

=0.152 5.

由上述計(jì)算可得,Ⅱ方案與最優(yōu)方案的接近程度最大,即方案最優(yōu);其次是Ⅲ方案,此礦井井口及工業(yè)場(chǎng)地位置可以選擇Ⅱ方案。

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)TOPSIS 法原理進(jìn)行分析,確定了此方法對(duì)于解決相關(guān)礦井開(kāi)拓方案中多目標(biāo)選擇問(wèn)題的可行性。根據(jù)礦井井口及工業(yè)場(chǎng)地位置選擇問(wèn)題的特征,確定了對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化選擇的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。按照TOPSIS 法基本步驟,對(duì)礦井井口及工業(yè)場(chǎng)地位置選擇問(wèn)題建立了數(shù)學(xué)模型,并按照礦井的基本特征進(jìn)行求解,證明了TOPSIS 法對(duì)礦井開(kāi)拓方法選擇有一定的優(yōu)勢(shì)。