安家?guī)X露天煤礦過背斜開采方案優(yōu)化及比選

趙紅澤，劉元旭，郭 帥，杜海瑞，邵志奔，林澤辰

(1.中國礦業(yè)大學(北京 能源與礦業(yè)學院，北京 100083；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.中煤平朔集團有限公司，山西 朔州 036800)

礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用是推動我國經(jīng)濟發(fā)展的因素之一，在礦山的開采過程中，露天采礦是其中主要的開采方式[1]。隨著資源的不斷開發(fā)利用，原來的露天開采場地地質(zhì)條件逐漸進入復雜階段[2]。安家?guī)X露天礦在近幾年生產(chǎn)過程中遇到了大范圍逆斷層、背斜等地質(zhì)構(gòu)造，尤其東部的蘆子溝背斜東翼地層傾角較陡(15°～25°)，不僅對露天礦生產(chǎn)造成了嚴重的影響，還對開采程序的優(yōu)化提出了更高的要求[3-5]。

針對復雜地質(zhì)條件下開采程序的優(yōu)化國內(nèi)外有許多優(yōu)秀研究成果可供借鑒，國內(nèi)的張瑞新等人以系統(tǒng)工程理論為指導，結(jié)合露天礦中實際生產(chǎn)問題，提出了遞階優(yōu)化的方法，即通過分范圍、分目標、逐步深入的方法實現(xiàn)露天礦開采程序的優(yōu)化[6]；王韶輝、才慶祥等人以新疆天池能源南露天煤礦為例，結(jié)合煤層賦存條件、生產(chǎn)剝采比、綜合運距等因素，提出了四種開采轉(zhuǎn)向方案并進行對比分析，得出了最優(yōu)方案，縮短了采區(qū)轉(zhuǎn)向過渡時間，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益[7]；國外的O Litvin，M Tyulenev等人則針對露天礦在構(gòu)造擾動帶情況下開采時煤損的計算方法，提出斷層錯位區(qū)域反鏟挖掘采煤損失計算的模型以及錯位區(qū)煤層開采的技術方案[8]。本文在找出技術、經(jīng)濟可行的背斜區(qū)域生產(chǎn)開采方案基礎上，為露天煤礦實際生產(chǎn)提供一定的理論支持和決策依據(jù)。

1 安家?guī)X露天礦基本概況

目前安家?guī)X露天煤礦已經(jīng)進入蘆子溝背斜區(qū)域，由于背斜構(gòu)造的影響，露天礦坑底下部煤層傾角急劇增大，平均傾角達到8°～12°，局部最大傾角22°，煤層落差達到270m以上，地表和基巖面下降50～100m，首采區(qū)坡度分布及底板等值線如圖1所示。其中F12斷層以北降深速度尤為明顯，對于一直以近水平推進方式開采的安家?guī)X露天礦，煤層急劇下降會導致排土運距增加、內(nèi)排空間不足、連續(xù)生產(chǎn)難度加大、設備無法高效安全作業(yè)等一系列開采方面的問題[9]，因此相應的開采程序需要在開采現(xiàn)狀的基礎上隨之做出優(yōu)化調(diào)整。

圖1 首采區(qū)坡度分布及11煤底板等值線

2 開采程序優(yōu)化方案研究

2.1 現(xiàn)采區(qū)工作線直推方案

安家?guī)X露天礦目前采區(qū)工作線大致沿南北方向布置，最下層11煤工作線約為1400m，該方案在此基礎上工作線由西向東推進，隨著邊界的變化做實時調(diào)整，直推到界。其優(yōu)點是可以按照現(xiàn)有開采程序不變，長工作線生產(chǎn)有利于大型設備能力的發(fā)揮，容易達到核定產(chǎn)能產(chǎn)量要求；缺點是長工作線推進，推進速度緩慢，背斜區(qū)域需要較長時間才能度過，會造成排土空間不足的問題?，F(xiàn)采區(qū)工作線直推方案如圖2所示。

圖2 現(xiàn)采區(qū)工作線直推方案

2.2 “直推+北部超前”方案

為快速度過背斜區(qū)域同時考慮到北部區(qū)域的F12逆斷層，提出了“直推+北部超前”方案，以11煤F12斷層為界，迅速在北部超前推進，度過背斜影響區(qū)，實現(xiàn)反向內(nèi)排，而南部作為北部產(chǎn)量不足的彌補，緩慢推進，以4煤工作線為界逐步靠幫。北部強推到界后，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向橫采，采煤工作面沿斷層走向，從而避免了斷層對采煤影響?！爸蓖?北部超前”方案如圖3所示。

圖3 “直推+北部超前”方案

2.3 “L”型扇形轉(zhuǎn)向方案

針對直推方案所存在的不足進行優(yōu)化，提出整體直推下的“L型”扇形轉(zhuǎn)向方案，即在南部工作線以某一點為圓心，呈扇形推進并逐漸旋轉(zhuǎn)，在北部直推開采到平緩地帶即將到界時完成轉(zhuǎn)向，最終形成近似于“L型”的橫采工作線，從而在首采區(qū)結(jié)束后向南直推到二采區(qū)。“L”型扇形轉(zhuǎn)向方案如圖4所示。

圖4 “L”型扇形轉(zhuǎn)向方案

3 基于AHP-TOPSIS法的方案評價

目前關于解決露天礦程序優(yōu)化問題的分析方法主要有動態(tài)規(guī)劃法、層次分析法、TOPSIS法及灰色關聯(lián)法等[10]。

層次分析法(AHP法)是指將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法。此法所需定量數(shù)據(jù)信息較少，且在每個層次中的每個因素對結(jié)果的影響程度都是量化的，非常清晰明確，容易為決策者了解和掌握；但此法只能從備選方案中選擇較優(yōu)者，不能為決策提供新方案，且指標過多時，數(shù)據(jù)統(tǒng)計量大，且權(quán)重難以確定[11]；

TOPSIS法，又稱優(yōu)劣解距離法，是根據(jù)有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序并在現(xiàn)有的對象中進行相對優(yōu)劣的評價的方法。該方法對數(shù)據(jù)分布及樣本含量沒有嚴格限制，數(shù)據(jù)計算簡單易行[12]。

本文將層次分析法和TOPSIS法相結(jié)合，用AHP法得出不同方案下指標合理權(quán)重，再用TOPSIS法，建立一個基于AHP-TOPSIS法的綜合評價模型，確定最優(yōu)的開采程序方案[13]。

3.1 構(gòu)建層次分析結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)對上述各方案的分析，選取生產(chǎn)成本、綜合運輸功、生產(chǎn)能力、綜合運距、生產(chǎn)均衡剝采比、新增排土空間、背斜過渡時間、開采難易程度以及構(gòu)造復雜程度這九個指標來構(gòu)建三個方案的評價指標體系，利用層次分析法進行綜合比選[14]，層次結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 開采程序優(yōu)化層次結(jié)構(gòu)模型

3.2 AHP-TOPSIS法評價模型

3.2.1 根據(jù)評價指標構(gòu)建規(guī)范化決策矩陣

先建立決策矩陣：

X=(xij)m×n

再構(gòu)造規(guī)范化決策矩陣：

Y=(yij)m×n

文中所用指標存在極大、極小兩種類型：

對于極大型指標，令：

(1)

對于極小型指標，令：

(2)

式中，xij為方案i的評估指標j的樣本數(shù)據(jù)；yij為規(guī)范化后的xij值。

根據(jù)上述公式構(gòu)造規(guī)范矩陣，其中極大型指標的數(shù)值越大，則方案越優(yōu)；極小型指標的數(shù)值越小，則方案越優(yōu)。

3.2.2 構(gòu)建判別矩陣

采用一致性矩陣，將相同層元素兩兩進行比較，而不是采取同層共同比較，通過1—9級標度來構(gòu)造判斷矩陣。bij(i，j=1，2，3，…，n)表示的是第i個元素相對于第j個元素的比較結(jié)果，以1—9級標度及其倒數(shù)來具體取值，表示方法見表1。

表1 判斷矩陣標度定義

由上述標度得到初始判別矩陣：

B=(bij)n×n

式中，bij為矩陣B的第i行，第j列元素；n為矩陣階數(shù)。

3.2.3 指標權(quán)重計算及一致性檢驗

考慮到一致性的偏離可能是由于隨機原因造成的，因此在檢驗判斷矩陣是否具有滿意的一致性時，還需將CI和隨機一致性指標RI進行比較，得出檢驗系數(shù)CR，公式如下：

(3)

(4)

式中，λmax為判斷矩陣最大特征值；n為判斷矩陣階數(shù)；CI為一致性檢驗指標；RI為平均隨機一致性指標(其不同階數(shù)下的取值見表2)。

表2 平均隨機一致性指標

當CR<0.1時，則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗，否則就必須調(diào)整判斷矩陣，直到具有滿意的一致性為止。

3.2.4 構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣

運用層次分析法確定各評判指標權(quán)重為：

W=(W1，W2，…，Wn)T

則有：

zij=Wj·yij(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)

(5)

3.2.5 確定正、負理想解Z*和Z0

(6)

(7)

3.2.6 計算距離及相對接近度

(8)

(9)

計算評估對象對應點到正理想點的相對接近度：

(10)

3.3 開采程序方案綜合評價

由上述評價模型對三種優(yōu)化方案進行評估，各方案的評價指標采用原始數(shù)據(jù)，其中“C8”和“C9”兩個指標由施工人員現(xiàn)場判斷：“難”“復雜”取值9；“較難”“較復雜”取值6；“一般”取值4；“容易”“不復雜”取值2，數(shù)據(jù)見表3。

表3 各方案評價指標原始數(shù)據(jù)

將表3中數(shù)據(jù)按照式(1)和式(2)進行歸一化處理，得到結(jié)果見表4。

表4 各方案評價指標歸一化后數(shù)據(jù)

根據(jù)層次分析法基本原理對結(jié)構(gòu)模型中各因素按照1—9的比例標度法進行兩兩比較，得到表5的判斷矩陣，并且利用軟件Matlab計算各判別矩陣的最大特征值和其對應的歸一化向量，然后利用式(3)和式(4)計算CR值用于一致性檢驗，最終確定權(quán)重結(jié)果，見表5—表8。

表5 A-B判斷矩陣

表6 B1-C判斷矩陣

表7 B2-C判斷矩陣

經(jīng)過總排序計算，得到各評價指標權(quán)重見表9。

表9 評價指標權(quán)重表

由式(5)對規(guī)范化后的指標進行賦權(quán)重，結(jié)果見表10。

表10 各方案指標賦權(quán)重

根據(jù)式(6)和式(7)計算出正理想解、負理想解，見表11。

表11 各評價指標正、負理想解值

由式(8)、式(9)、式(10)計算得到各方案與正負理想解之間的距離、貼近度以及排名，見表12。

表12 各方案與正、負理想解的距離及貼近度

由上述評價可知，“直推+北部超前”方案為最佳開采程序方案。

4 結(jié) 論

1)在露天礦推進度、降深速度和年產(chǎn)量的約束下，通過對背斜區(qū)煤層底板賦存規(guī)律、開采境界空間形態(tài)及生產(chǎn)現(xiàn)狀進行綜合分析，提出了三種基本可行的開采程序方案，分別為現(xiàn)采區(qū)直推方案、“直推+北部超前”方案和“L”型扇形轉(zhuǎn)向方案。

2)運用AHP法對所確定的9個評價指標建立層次分析結(jié)構(gòu)模型，并計算出各指標滿足一致性檢驗的合理權(quán)重值，其中噸煤生產(chǎn)成本、生產(chǎn)能力和新增內(nèi)排空間三個指標所占權(quán)重較大，其余指標權(quán)重均小于0.1。

3)基于AHP-TOPSIS法評價模型，對三種開采程序方案主要的技術、經(jīng)濟指標進行計算分析之后，得出各方案與正負理想解之間的距離及貼近度，最終確定“直推+北部超前”方案為最優(yōu)方案。