露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方案評價研究

于海里，王兆剛，孫宇霆

（國家電投集團內(nèi)蒙古白音華煤電有限公司 露天礦，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026200）

我國露天礦山煤炭資源賦存的主要特征是多煤層、埋藏厚度較深且多為近水平賦存。對于此類露天礦來說，受限于產(chǎn)量規(guī)模、設備規(guī)格、開采強度和經(jīng)濟等因素，普遍采用分區(qū)開采方式[1-3]，即將開采礦田劃分為若干采區(qū)，從首采區(qū)一次進行開采。采區(qū)劃分和開采順序并非一成不變，多數(shù)情況是需要隨著開采過程被揭露的礦床地質(zhì)條件而進行修改，以獲得最佳開采方式。但影響露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方式確定的因素并非單一，個別因素之間可能存在相互制約關系，是典型的多指標決策分析問題，但目前對露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向的研究多為單一指標評價方案，即通過某一個主要因素的優(yōu)劣來進行合理轉(zhuǎn)向方式的確定，單一指標評價方法往往無法得出最優(yōu)結果。因此，采用多指標評價體系確定露天礦轉(zhuǎn)向方式，具有十分重要的意義。

1 露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方式

按照露天礦采區(qū)過渡期間是否需要重新進行拉溝，可將采區(qū)過渡方式分為連續(xù)式采區(qū)過渡（不需要重新拉溝）和間斷式采區(qū)過渡（需要重新拉溝）。

1）緩幫留溝轉(zhuǎn)向方式。緩幫留溝轉(zhuǎn)向方式是指將舊采區(qū)的端幫恢復成為新采區(qū)的工作幫，具有轉(zhuǎn)向基建工程量小、轉(zhuǎn)向期間不需另購生產(chǎn)設備、內(nèi)排需要留溝和無法實現(xiàn)雙環(huán)內(nèi)排等特點。

2）扇形轉(zhuǎn)向方式。扇形轉(zhuǎn)向方式是指工作面圍繞某一個中心進行扇形的推進，具有可以實現(xiàn)雙環(huán)內(nèi)排、生產(chǎn)剝采比波動較大、內(nèi)排空間利用充分和生產(chǎn)組織難度加大等特點。

3）“L”型采區(qū)過渡方式。所謂“L”型采區(qū)過渡是一種將緩幫留溝和扇形采區(qū)過渡組合在一起的采區(qū)過渡方式，同時具備了緩幫留溝和扇形采區(qū)過渡的特點。

4）重新拉溝轉(zhuǎn)向方式。重新拉溝轉(zhuǎn)向方式是指在舊采區(qū)臨近到界前，在露天礦開采境界內(nèi)選擇初期生產(chǎn)剝采比小、運輸距離近的地方重新拉溝進行基建，具有新采區(qū)可選位置靈活性大、轉(zhuǎn)向期間運輸系統(tǒng)容易布置、新舊采區(qū)相互獨立和采區(qū)轉(zhuǎn)向基建工程大等特點。連續(xù)式采區(qū)過渡又可分為緩幫留溝轉(zhuǎn)向方式、扇形轉(zhuǎn)向方式和“L”型采區(qū)轉(zhuǎn)向3 種方式[4-7]。

2 露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方式影響因素

露天礦采區(qū)過渡方式的選擇直接關系到采區(qū)過渡期間生產(chǎn)能否正常運行并對后續(xù)生產(chǎn)影響巨大，也是露天礦生產(chǎn)設計重要環(huán)節(jié)[8-10]。一般來說，露天礦采區(qū)過渡方式的選擇主要影響因素如下：

1）露天礦開采工藝。露天礦開采工藝是露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向的重要影響因素，露天礦工藝設備、運輸方式和開采參數(shù)等對采區(qū)過渡方式至關重要，不同開采工藝對采區(qū)過渡方式的適應程度見表1。

表1 不同開采工藝對采區(qū)過渡方式的適應程度

2）露天礦內(nèi)排方式。扇形采區(qū)過渡和重新拉溝采區(qū)過渡方式可實現(xiàn)全壓幫內(nèi)排方式，緩幫留溝要求的新采區(qū)動工時間較晚，為及時形成正常采掘工作面，采區(qū)轉(zhuǎn)向期間只能采用不壓幫或半壓幫方式。

3）過渡期間資源賦存情況。重新拉溝方式的選擇地點為新采區(qū)初期生產(chǎn)剝采比小、煤質(zhì)好、距離工業(yè)廠區(qū)和外排土場較近的地方，一般情況會與舊采區(qū)末端距離較遠，會造成煤質(zhì)波動較大，影響露天礦的煤質(zhì)搭配，而連續(xù)式采區(qū)過渡方式新、舊采區(qū)工作幫距離較近，則不存在以上問題。

4）土巖外排量。理論上重新拉溝采區(qū)過渡方式所產(chǎn)生的外排量最大，緩幫留溝采區(qū)過渡產(chǎn)生的外排量最小，扇形采區(qū)過渡和“L”型采區(qū)過渡介于兩者之間。

5）其他因素。對于采用帶式輸送機采煤系統(tǒng)的露天礦，端幫采煤系統(tǒng)的布置情況也是影響采區(qū)過渡方式選擇的重要因素。在采區(qū)過渡期間不僅要考慮采煤系統(tǒng)的布置情況，同時也要考慮采區(qū)過渡期間運輸通道和臨時存煤場的設置。

3 采區(qū)轉(zhuǎn)向方案評價方法

優(yōu)劣系數(shù)法是一種較為有效的多目標決策分析方法，它的核心思想為通過計算各方案的優(yōu)系數(shù)和劣系數(shù)，然后根據(jù)優(yōu)、劣系數(shù)的大小，逐步淘汰決策方案，最后所剩方案即為最優(yōu)方案。

1）目標權數(shù)確定。常用的目標權數(shù)確定方法有簡單編碼法、環(huán)比法和優(yōu)序圖法，本次研究采用優(yōu)序圖法進行分析。優(yōu)序圖法是一個棋盤式表格，將各方案目標的重要性兩兩對比后在表格上填寫相應的數(shù)字，重要性用0～5 的整數(shù)表示，數(shù)值越大，則目標的重要程度也就越大，兩目標對比時所填寫的數(shù)字之和為5。數(shù)值填寫完畢后，將各行數(shù)值相加，歸一后所得數(shù)值為各目標值得權數(shù)。

2）目標值標準化。將各方案最優(yōu)目標值定為100，最劣目標值定為1，其余目標值標準化按如下式（1）計算：

式中：X為目標標準化數(shù)值，X∈（1，100）；A 為最優(yōu)方案的目標值；B 為最劣方案的目標值；C 為待評估方案的目標值；

3）優(yōu)系數(shù)確定。所謂優(yōu)系數(shù)，是指一個方案優(yōu)于另一個方案的所有目標權數(shù)之和。優(yōu)系數(shù)反應了該方案優(yōu)的目標個數(shù)以及這些目標的重要性，但無法反應該方案優(yōu)的程度。

4）劣系數(shù)確定。由于優(yōu)系數(shù)無法反應某個方案優(yōu)的具體程度，因此還需要計算各個方案的劣系數(shù)。劣系數(shù)是通過對比2 個方案的優(yōu)極差和劣極差進行計算，劣系數(shù)＝劣極差/（劣極差＋優(yōu)極差）。優(yōu)極差為方案兩兩對比時，所對應的優(yōu)勢目標中目標值相差值的最大者。同理，劣極差為劣勢目標中目標值相差的最大者。

5）最優(yōu)方案確定。優(yōu)劣系數(shù)法是根據(jù)優(yōu)劣系數(shù)逐步淘汰不理想方案。優(yōu)系數(shù)最好標準為1，劣系數(shù)最好標準為0，但在實際決策過程中，很難達到上述標準，因此在實際操作過程中，通過逐步降低標準而不斷的淘汰方案。最終所剩方案即為最優(yōu)方案。

4 實例分析

白音華二號礦核定生產(chǎn)能力為1 500 萬t/a，剝離生產(chǎn)工藝為單斗-卡車間斷工藝和單斗-自移式破碎機-排土機半連續(xù)工藝，采煤工藝為單斗-卡車-半固定破碎站和單斗-自移式破碎機半連續(xù)工藝。

4.1 方案初選及目標評價

按照內(nèi)蒙古設計院設計，白音華二號礦共有2個采區(qū)。目前，白音華二號礦首采區(qū)服務年限不足5年，轉(zhuǎn)向方式的確定迫在眉睫，通過對現(xiàn)場實際情況進行分析，提出了如下3 個轉(zhuǎn)向過渡方案。

1）方案1：重新拉溝轉(zhuǎn)向方案。在二采區(qū)南部拉溝，拉溝長度4 000 m，由南向北推進。重新拉溝轉(zhuǎn)向方式示意圖如圖1。

圖1 重新拉溝轉(zhuǎn)向方式示意圖

2）方案2：緩幫留溝采區(qū)過渡方式。在首采區(qū)東部進行緩幫，緩幫區(qū)域長度約2 900 m，由西向東推進。緩幫留溝采區(qū)過渡方式示意圖如圖2。

圖2 緩幫留溝采區(qū)過渡方式示意圖

3）方案3：扇形采區(qū)過渡方式。工作幫以每年10°～15°的角度向東進行旋轉(zhuǎn)，開采至二采區(qū)時，由西向東進行推進。扇形轉(zhuǎn)向過渡方式示意圖如圖3。

圖3 扇形轉(zhuǎn)向過渡方式示意圖

考慮到白音華二號礦實際作業(yè)情況，確立了7個評價目標，白音華二號礦轉(zhuǎn)方向方案目標值評價模型見表2。

表2 白音華二號礦轉(zhuǎn)向方案目標值評價模型表

4.2 評價目標值處理

1）確定目標權數(shù)。根據(jù)優(yōu)序圖法確定各目標權數(shù)，轉(zhuǎn)向方案各目標權數(shù)值表見表3。

表3 轉(zhuǎn)向方案各目標權數(shù)值表

2）目標值標準化。外排量、剝離物平均運距、過渡時間、轉(zhuǎn)向期間平均剝采比、重復剝離量數(shù)值越小，表示目標值越優(yōu)，平均工作線長度和內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)數(shù)值越大，表示目標值越優(yōu)。轉(zhuǎn)向方案目標值進行標準化處理，轉(zhuǎn)向方案目標值標準化表見表4。

3）優(yōu)系數(shù)。根據(jù)表4 的結果，將3 個轉(zhuǎn)向方案兩兩相比，可得出某一方案相對于另外2 個方案的優(yōu)勢項目，在將優(yōu)勢項目所對應的權數(shù)進行求和，可以得出各轉(zhuǎn)向方案的優(yōu)系數(shù)，轉(zhuǎn)向方案優(yōu)系數(shù)匯總表見表5。

表4 轉(zhuǎn)向方案目標值標準化表

表5 轉(zhuǎn)向方案優(yōu)系數(shù)匯總表

4）劣系數(shù)。根據(jù)表4 的結果，將3 個轉(zhuǎn)向方案兩兩相比，可分別求出某一方案相對于另外2 個方案的優(yōu)極差和劣極差，由此可求得該方案相對于另外2 個方案的劣系數(shù)。轉(zhuǎn)向方案劣系數(shù)匯總表如表6。

表6 轉(zhuǎn)向方案劣系數(shù)匯總表

5）最優(yōu)方案確定。通過分析表5 和表6 數(shù)據(jù)，未出現(xiàn)優(yōu)系數(shù)為1 和劣系數(shù)為0 的標準。因此在決策時，需要相應降低評價標準，所選標準為優(yōu)系數(shù)為0.9，劣系數(shù)為0.1，由于緩幫過渡方案和扇形過渡方案與重新拉溝方案相比，優(yōu)系數(shù)均大于0.9，則首先排除重新拉溝方案。再次降低評價標準，所選標準為優(yōu)系數(shù)為0.7，劣系數(shù)為0.5，扇形過渡方式與緩幫過渡方式相比，優(yōu)系數(shù)大于0.7 并且劣系數(shù)小于0.5，則最優(yōu)方案為扇形過渡方式。

5 結語

以白音華二號礦采區(qū)轉(zhuǎn)向為例，建立了外排量、剝離物平均運距以及過渡時間等7 個評價目標模型，通過優(yōu)劣系數(shù)法，最終得出扇形過渡方式為該露天礦最優(yōu)轉(zhuǎn)向方式。