地下礦山無(wú)軌與有軌聯(lián)合開(kāi)采的采礦工藝耦合協(xié)同度評(píng)價(jià)

李杰林 楊承業(yè) 周科平 李志宏

（1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083；2.云南錫業(yè)股份有限公司，云南個(gè)舊661000）

我國(guó)地下金屬礦山傳統(tǒng)上多采用有軌開(kāi)采方式，近年來(lái)隨著采礦技術(shù)與裝備的進(jìn)步，許多礦山開(kāi)始轉(zhuǎn)用無(wú)軌開(kāi)采，從而導(dǎo)致部分開(kāi)采區(qū)域出現(xiàn)無(wú)軌開(kāi)采與有軌開(kāi)采交替的局面，形成了無(wú)軌與有軌聯(lián)合開(kāi)采系統(tǒng)。無(wú)軌開(kāi)采系統(tǒng)與有軌開(kāi)采系統(tǒng)均屬于復(fù)合系統(tǒng)，且二者的采礦工藝之間存在較大差異，在聯(lián)合開(kāi)采過(guò)程中極易出現(xiàn)組織不協(xié)調(diào)、工序配合紊亂、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。隨著協(xié)同開(kāi)采理念［1-3］的提出，各大礦山愈發(fā)重視開(kāi)采過(guò)程中各工序之間的協(xié)同效應(yīng)，對(duì)復(fù)雜采礦工藝系統(tǒng)的協(xié)同度測(cè)評(píng)以及開(kāi)采工序的協(xié)同優(yōu)化研究已成為礦山安全高效開(kāi)采方向的重要研究課題。然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)采礦工藝系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的研究處于剛起步階段，已建立的理論模型和評(píng)價(jià)方法仍需在工程應(yīng)用中進(jìn)行驗(yàn)證。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的評(píng)價(jià)，即是對(duì)復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度的評(píng)價(jià)。協(xié)同度是用以表征系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)或子系統(tǒng)組成要素之間在發(fā)展、演化過(guò)程中，通過(guò)相互協(xié)調(diào)、合作作用，達(dá)到彼此協(xié)作一致的程度［4-7］，協(xié)同度的高低反映了系統(tǒng)運(yùn)行狀況，關(guān)系到子系統(tǒng)及其要素之間聯(lián)系的緊密程度、相互配合程度及協(xié)同目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可能性［8］。對(duì)于礦山開(kāi)采系統(tǒng)協(xié)同度的測(cè)度評(píng)價(jià)與優(yōu)化研究，陳慶發(fā)［9］運(yùn)用協(xié)同熵法對(duì)若干種協(xié)同采礦方法的協(xié)同度進(jìn)行了測(cè)度評(píng)價(jià)，結(jié)果表明協(xié)同采礦方法協(xié)同度的高低，是由采場(chǎng)結(jié)構(gòu)和采場(chǎng)回采工作兩大方面的協(xié)同共同決定的；陳陽(yáng)等［10］運(yùn)用復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度測(cè)度模型對(duì)程潮鐵礦不同采礦方案進(jìn)行了協(xié)同度計(jì)算，并對(duì)比得出了最優(yōu)采礦方案；張弛等［11］運(yùn)用數(shù)值模擬與復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度測(cè)度模型對(duì)某金屬礦體深部回采順序進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了最佳回采順序；李崇茂［12］構(gòu)建了煤炭資源開(kāi)采系統(tǒng)與水資源生態(tài)系統(tǒng)健康度的協(xié)同評(píng)價(jià)體系，總結(jié)出了煤炭資源開(kāi)采系統(tǒng)和水資源生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同的規(guī)律。目前，針對(duì)采礦工藝中各工序的協(xié)同效應(yīng)評(píng)價(jià)的研究甚少，且傳統(tǒng)的復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度測(cè)度模型也難以體現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各因素間的相互耦合關(guān)系，影響了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為評(píng)價(jià)無(wú)軌與有軌聯(lián)合開(kāi)采采礦工藝系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)，基于耦合協(xié)同度評(píng)價(jià)理論與耦合協(xié)同度測(cè)度模型，對(duì)云錫無(wú)軌與有軌聯(lián)合開(kāi)采的采礦工藝系統(tǒng)耦合協(xié)同度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，提出云錫礦山采礦工藝的相關(guān)優(yōu)化建議。

1 耦合協(xié)同度評(píng)價(jià)理論基礎(chǔ)

1.1 耦合協(xié)同評(píng)價(jià)機(jī)理

耦合是物理學(xué)中的概念，用來(lái)描述兩個(gè)及以上相關(guān)系統(tǒng)相互作用、相互影響的程度。耦合協(xié)同是指在由多個(gè)子系統(tǒng)以復(fù)雜方式構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)復(fù)合系統(tǒng)的總目標(biāo)，需要協(xié)調(diào)兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)之間相互協(xié)作，自發(fā)地形成時(shí)間與空間的有序結(jié)構(gòu)［13-14］。

對(duì)于礦山而言，其采礦工藝可視為復(fù)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)中存在多個(gè)子系統(tǒng)，如爆破工序、出礦工序、運(yùn)礦工序等。顯然，爆破工序與出礦工序兩個(gè)子系統(tǒng)間并非相互獨(dú)立，爆破工序中的孔網(wǎng)參數(shù)、炸藥單耗、爆破效果等指標(biāo)與崩落礦石的塊度以及出礦量密切相關(guān)；出礦工序中出礦設(shè)備的選取與礦石運(yùn)搬的路徑同樣影響了爆破參數(shù)和施工工藝的設(shè)計(jì)。同理，采礦工藝系統(tǒng)中其他要素也存在相互影響、協(xié)調(diào)發(fā)展的情況，即采礦工藝的各子系統(tǒng)間存在一定的耦合關(guān)系，因此采礦工藝系統(tǒng)符合耦合協(xié)同理論評(píng)價(jià)的基本條件范疇。

1.2 耦合協(xié)同度評(píng)價(jià)基本要素

一般來(lái)說(shuō)，耦合協(xié)同度評(píng)價(jià)的基本要素主要有協(xié)同評(píng)價(jià)體系、體系中各元素的權(quán)重系數(shù)、各影響指標(biāo)的協(xié)同貢獻(xiàn)度、耦合協(xié)同度測(cè)度模型等。其中，構(gòu)建協(xié)同評(píng)價(jià)體系、確定權(quán)重系數(shù)以及計(jì)算各影響指標(biāo)的協(xié)同貢獻(xiàn)度是構(gòu)建耦合協(xié)同度測(cè)度模型的基礎(chǔ)。

1.2.1 協(xié)同評(píng)價(jià)體系建立

系統(tǒng)的運(yùn)行或發(fā)展?fàn)顩r可用向量表示，向量中的每一個(gè)分量均從某一個(gè)側(cè)面反映該系統(tǒng)的現(xiàn)狀，故稱(chēng)該向量為系統(tǒng)的狀態(tài)向量，它構(gòu)成了系統(tǒng)協(xié)同的評(píng)價(jià)體系。協(xié)同評(píng)價(jià)體系基本框架如圖1所示。

假設(shè)復(fù)合系統(tǒng)S包含m個(gè)子系統(tǒng)，可記為S={U1，U2，…，Um}，m≥1；對(duì)于第m個(gè)子系統(tǒng)又包含有n個(gè)影響指標(biāo)，記為 Sm={um1，um2，…，umn}，n≥1。協(xié)同評(píng)價(jià)體系要視具體的協(xié)同對(duì)象而定，不同的復(fù)合系統(tǒng)之間所建立的評(píng)價(jià)體系存在差異，但各評(píng)價(jià)體系之間均遵守系統(tǒng)性、科學(xué)性、可比性、可測(cè)取性或可觀測(cè)性等原則。

1.2.2 權(quán)重系數(shù)的確定方法

相對(duì)于不同的協(xié)同目的，各子系統(tǒng)及指標(biāo)間的相對(duì)重要性不同，需用權(quán)重系數(shù)來(lái)刻畫(huà)各子系統(tǒng)及指標(biāo)的重要程度。目前，權(quán)重的確定方法可分為主觀權(quán)重法與客觀權(quán)重法兩大類(lèi)。對(duì)于礦山開(kāi)采系統(tǒng)而言，專(zhuān)家的主觀經(jīng)驗(yàn)不可忽視，本研究采用了主觀權(quán)重法中的層次分析法（AHP）［15］來(lái)確定各子系統(tǒng)及指標(biāo)的權(quán)重。

1.2.3 影響指標(biāo)的協(xié)同貢獻(xiàn)度

影響指標(biāo)的協(xié)同貢獻(xiàn)度即是各影響指標(biāo)對(duì)其所屬子系統(tǒng)協(xié)同作用的影響大小，通常取值為0～1，取值越接近1表明該指標(biāo)對(duì)子系統(tǒng)的影響越大。考慮到采礦工藝系統(tǒng)的復(fù)雜性，為了使協(xié)同效應(yīng)計(jì)算在具有科學(xué)性的前提下更簡(jiǎn)便且易于推廣，采用專(zhuān)家打分法來(lái)評(píng)價(jià)各影響指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的貢獻(xiàn)度，評(píng)價(jià)方法如表1所示。

假設(shè)子系統(tǒng)Um中存在3個(gè)影響指標(biāo)umi（i=1，2，3），本研究將上述3個(gè)影響指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的貢獻(xiàn)度平均分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個(gè)級(jí)別，即每個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)梯度范圍分別為0.75～1、0.5～0.75、0.25～0.5、0～0.25。專(zhuān)家評(píng)價(jià)表建立完畢后，由n位專(zhuān)家（n大小由具體評(píng)價(jià)項(xiàng)目確定，最大不應(yīng)超過(guò)20）進(jìn)行各影響指標(biāo)的評(píng)價(jià)，各專(zhuān)家需選擇每個(gè)影響指標(biāo)的級(jí)別并在該級(jí)別的分?jǐn)?shù)梯度范圍內(nèi)進(jìn)行打分。最后，對(duì)各專(zhuān)家所確定的分?jǐn)?shù)進(jìn)行平均取值，即可得到3個(gè)影響指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的貢獻(xiàn)度μmj（j=1，2，3）。值得注意的是，為減少打分結(jié)果受主觀性的影響，應(yīng)合理組織專(zhuān)家評(píng)分小組的人員結(jié)構(gòu)，建立科學(xué)有效的反饋機(jī)制，并采用統(tǒng)計(jì)處理手段降低數(shù)據(jù)的主觀性。

1.3 耦合協(xié)同度測(cè)度模型建立

在完成基本要素中的體系構(gòu)建、權(quán)重系數(shù)確定以及影響指標(biāo)的貢獻(xiàn)度計(jì)算后，即可用耦合協(xié)同度測(cè)度模型評(píng)價(jià)系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)。耦合協(xié)同度測(cè)度模型由效應(yīng)函數(shù)、耦合度函數(shù)與耦合協(xié)同度函數(shù)3個(gè)部分組成［16］。

（1）效應(yīng)函數(shù)。效應(yīng)函數(shù)用來(lái)衡量復(fù)合系統(tǒng)或子系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，各子系統(tǒng)的效應(yīng)函數(shù)值由它所包含的影響指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的貢獻(xiàn)度加權(quán)綜合而得，第i個(gè)子系統(tǒng)的效應(yīng)函數(shù)即為：

式中，Ei即為第i個(gè)子系統(tǒng)的效應(yīng)值；wij為第i個(gè)子系統(tǒng)中第j個(gè)影響指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；μij為第i個(gè)子系統(tǒng)中第j個(gè)影響指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的貢獻(xiàn)度；n為第i個(gè)子系統(tǒng)中所包含影響指標(biāo)的數(shù)量。

同理，復(fù)合系統(tǒng)的效應(yīng)函數(shù)即為各子系統(tǒng)效應(yīng)值的加權(quán)綜合，即：

式中，T為整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)的效應(yīng)值；Ei為第i個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)；m為子系統(tǒng)的數(shù)量。

（2）耦合度函數(shù)。系統(tǒng)中的子系統(tǒng)相互依賴(lài)、相互影響，形成交互耦合系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)整體趨同變化，其中子系統(tǒng)間發(fā)展的相互影響程度即為耦合度［17］。耦合度計(jì)算值區(qū)間一般為［0，1］，耦合度大，表明系統(tǒng)內(nèi)各要素配合有序；耦合度小，表明系統(tǒng)內(nèi)各要素配合紊亂。耦合度函數(shù)的表示形式為：

式中，C為系統(tǒng)的耦合度，i=1，2，3，…，m，j=1，2，3，…，m，i≠j。

（3）耦合協(xié)同度函數(shù)。效應(yīng)值T在一定程度上可反應(yīng)整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)，卻無(wú)法反映系統(tǒng)彼此間的相互影響作用；耦合度C可以衡量系統(tǒng)彼此間影響作用的強(qiáng)弱，卻無(wú)法反映系統(tǒng)及指標(biāo)間協(xié)同效應(yīng)的好壞［18］。因此，為了能更好地反映系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)部各要素間的發(fā)展趨勢(shì)，以及系統(tǒng)無(wú)序與有序發(fā)展趨勢(shì)間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，需引入耦合協(xié)同度函數(shù)D，即：

1.4 耦合協(xié)同度分級(jí)

由式（4）計(jì)算得到的耦合協(xié)同度大小處于0～1之間，因此可將采礦工藝系統(tǒng)的耦合協(xié)同度在［0，1］區(qū)間內(nèi)分為5個(gè)等級(jí)：非常不協(xié)同［0～0.3）、不協(xié)同［0.3～0.5）、基本協(xié)同［0.5～0.7）、協(xié)同［0.7～0.9）以及非常協(xié)同［0.9～1］，如圖2所示。根據(jù)耦合協(xié)同度計(jì)算值對(duì)應(yīng)的協(xié)同程度，即可對(duì)系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并為采礦工藝的協(xié)同研究與優(yōu)化提供依據(jù)。

2 采礦工藝耦合協(xié)同度評(píng)價(jià)應(yīng)用

2.1 工程概況

云南錫業(yè)股份有限公司下屬大屯錫礦、老廠分公司、卡房分公司3座主要礦山。傳統(tǒng)上3座礦山主要使用有軌開(kāi)采模式。隨著新工藝、新設(shè)備的投入使用，云錫公司旗下礦山逐漸增加無(wú)軌開(kāi)采系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，現(xiàn)已形成了1 800 m平臺(tái)以上以有軌系統(tǒng)為主、1 360～1 800 m為有軌和無(wú)軌聯(lián)合開(kāi)采的生產(chǎn)系統(tǒng)布置格局。由于無(wú)軌開(kāi)采與有軌開(kāi)采在工程布置、設(shè)備運(yùn)行、配套工程、采礦工藝、管理手段等方面存在較大差異，給礦山的安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了難題，亟需對(duì)無(wú)軌與有軌聯(lián)合開(kāi)采所形成的復(fù)合采礦工藝系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出采礦工序優(yōu)化建議。

2.2 無(wú)軌與有軌聯(lián)合開(kāi)采的耦合協(xié)同度評(píng)價(jià)

結(jié)合云錫無(wú)軌與有軌聯(lián)合開(kāi)采的工程概況以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研結(jié)果，本研究將采礦工藝系統(tǒng)劃分為鑿巖、爆破、通風(fēng)、支護(hù)、出礦、施工組織與設(shè)備利用率7個(gè)子系統(tǒng)，且針對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)，又進(jìn)一步考慮多項(xiàng)影響指標(biāo)，最終建立云錫無(wú)軌與有軌聯(lián)合開(kāi)采的采礦工藝協(xié)同評(píng)價(jià)總體系，并采用層次分析法計(jì)算出各子系統(tǒng)及影響指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，如表2所示。

基于所構(gòu)建的協(xié)同評(píng)價(jià)體系，以體系中各影響指標(biāo)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)專(zhuān)家打分表（表1），并將表格交給專(zhuān)家進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后再對(duì)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即可得到各影響指標(biāo)對(duì)云錫無(wú)軌與有軌開(kāi)采工藝系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的貢獻(xiàn)度，如表3所示。

跟據(jù)表1中的各項(xiàng)元素權(quán)重系數(shù)與表2中各影響指標(biāo)的貢獻(xiàn)度，運(yùn)用式（1）至式（4），最終計(jì)算得到云錫無(wú)軌與有軌聯(lián)合開(kāi)采區(qū)域的采礦工藝系統(tǒng)的效益值T為0.65，耦合度C為0.80，耦合協(xié)同度D為0.72。

2.3 云錫無(wú)軌與有軌協(xié)同采礦工藝優(yōu)化建議

根據(jù)圖2可知，云錫無(wú)軌與有軌復(fù)合采礦工藝的耦合協(xié)同度等級(jí)評(píng)定為“協(xié)同”，其中采礦工藝的耦合度C較高（0.8），但其耦合協(xié)同度D的分值（0.72）在所屬分值范圍內(nèi)［0.7～0.9）相對(duì)較低，說(shuō)明在開(kāi)采系統(tǒng)中各工序配合較為有序，但總體的效益值T只屬于偏中等水平（0.65）。因此，無(wú)軌與有軌協(xié)同采礦工藝系統(tǒng)在協(xié)同程度上仍有較大的提升空間。由表2中采礦工藝協(xié)同因素的權(quán)重分配值可以看出，權(quán)重最大的是施工組織（0.22），其次是設(shè)備匹配及利用率（0.17），鑿巖、爆破、出礦等工序的協(xié)同重要程度大致相等。所以，對(duì)于云錫各礦山而言，改進(jìn)施工組織與提升設(shè)備的匹配利用率，是提高無(wú)軌與有軌協(xié)同采礦工藝系統(tǒng)協(xié)同度的有效途徑。

2.3.1 施工組織優(yōu)化

施工組織是依據(jù)工程本身的特點(diǎn)，將人力、資金、材料、機(jī)械與施工方法這五要素進(jìn)行科學(xué)、合理的安排，使之在一定時(shí)間內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)有組織、有計(jì)劃、有秩序的施工，使得工程項(xiàng)目質(zhì)量好、進(jìn)度快、成本低。在施工組織方面，建議云錫公司從優(yōu)化施工方案、加強(qiáng)施工管理與提高人員素質(zhì)等方面進(jìn)行優(yōu)化，提高施工組織協(xié)同度。

（1）云錫公司原有的采礦施工方案主要是依次施工與流水施工，這類(lèi)施工方案的特點(diǎn)是浪費(fèi)人力、成本較高、效率低下。因此，可將施工方式改變?yōu)槠叫惺┕ぃ瑥亩岣呷肆?、資金、材料、機(jī)械的利用率以及采礦效率，進(jìn)一步增強(qiáng)采礦工藝的協(xié)同效應(yīng)。

（2）加強(qiáng)施工管理是提高施工組織協(xié)同度的另一個(gè)重要措施，通過(guò)加強(qiáng)管理可以提高施工人員的工作效率，資金、材料及機(jī)械等物的利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)施工效率提升。

（3）提高工作人員素質(zhì)對(duì)提高施工組織協(xié)同度具有重要意義，提高工作人員的技術(shù)水平、操作熟練程度、工作積極性都對(duì)施工效率的提高有明顯的促進(jìn)作用。

2.3.2 設(shè)備匹配及利用率

從云錫公司設(shè)備整體現(xiàn)狀分析，由于無(wú)軌與有軌系統(tǒng)在工程布置、設(shè)備運(yùn)行、配套工程、采礦工藝、管理手段等方面均存在較大差異，設(shè)備引進(jìn)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，導(dǎo)致設(shè)備工作條件與能力不能與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相耦合，給礦山的安全生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了難題。因此，對(duì)云錫公司設(shè)備匹配及利用率提升提出兩點(diǎn)建議：

（1）加強(qiáng)礦山各種設(shè)備間的匹配程度，提高現(xiàn)有設(shè)備的利用率是提高云錫公司采礦效率和采礦工藝協(xié)同度的有效措施。

（2）經(jīng)過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，云錫公司下屬各礦山均有不少設(shè)備處于閑置狀態(tài)，造成了設(shè)備利用率不高、設(shè)備資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，需要整合各種礦山設(shè)備資源，減少設(shè)備閑置，從而提高設(shè)備的利用率。

3 結(jié) 論

（1）對(duì)采礦工藝系統(tǒng)的耦合協(xié)同評(píng)價(jià)機(jī)理進(jìn)行了分析，闡述了耦合協(xié)同理論與耦合協(xié)同測(cè)度模型原理，并對(duì)耦合協(xié)同度的大小進(jìn)行了分級(jí)。

（2）以云錫公司為例，結(jié)合耦合協(xié)同度評(píng)價(jià)方法與云錫無(wú)軌與有軌聯(lián)合開(kāi)采概況，構(gòu)建了相應(yīng)的耦合協(xié)同評(píng)價(jià)體系，計(jì)算得出云錫礦山無(wú)軌與有軌聯(lián)合開(kāi)采的采礦工藝系統(tǒng)效益值T為0.65，耦合度C為0.80，耦合協(xié)同度D為0.72。

（3）云錫無(wú)軌與有軌聯(lián)合開(kāi)采的采礦工藝系統(tǒng)的協(xié)同度評(píng)價(jià)結(jié)果為“協(xié)同”。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，提出了優(yōu)化施工組織方案與優(yōu)化設(shè)備匹配，提高設(shè)備利用率的云錫無(wú)軌與有軌協(xié)同采礦工藝優(yōu)化建議。