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)

礦產資源的開發(fā)利用是推動我國經濟發(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條件逐漸進入復雜階段[2]。安家?guī)X露天礦在近幾年生產過程中遇到了大范圍逆斷層、背斜等地質構造，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]。

針對復雜地質條件下開采程序的優(yōu)化國內外有許多優(yōu)秀研究成果可供借鑒，國內的張瑞新等人以系統(tǒng)工程理論為指導，結合露天礦中實際生產問題，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，結合煤層賦存條件、生產剝采比、綜合運距等因素，提出了四種開采轉向方案并進行對比分析，得出了最優(yōu)方案，縮短了采區(qū)轉向過渡時間，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經濟效益[7]；國外的O Litvin，M Tyulenev等人則針對露天礦在構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、經濟可行的背斜區(qū)域生產開采方案基礎上，為露天煤礦實際生產提供一定的理論支持和決策依據。

1 安家?guī)X露天礦基本概況

目前安家?guī)X露天煤礦已經進入蘆子溝背斜區(qū)域，由于背斜構造的影響，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、內排空間不足、連續(xù)生產難度加大、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，長工作線生產有利于大型設備能力的發(fā)揮，容易達到核定產能產量要求；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)反向內排，而南部作為北部產量不足的彌補，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，在北部直推開采到平緩地帶即將到界時完成轉向，最終形成近似于“L型”的橫采工作線，從而在首采區(qū)結束后向南直推到二采區(qū)?！癓”型扇形轉向方案如圖4所示。

圖4 “L”型扇形轉向方案

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)據信息較少，且在每個層次中的每個因素對結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)據統(tǒng)計量大，且權重難以確定[11]；

TOPSIS法，又稱優(yōu)劣解距離法，是根據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)據分布及樣本含量沒有嚴格限制，數(shù)據計算簡單易行[12]。

本文將層次分析法和TOPSIS法相結合，用AHP法得出不同方案下指標合理權重，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 構建層次分析結構模型

根據對上述各方案的分析，選取生產成本、綜合運輸功、生產能力、綜合運距、生產均衡剝采比、新增排土空間、背斜過渡時間、開采難易程度以及構造復雜程度這九個指標來構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]，層次結構模型如圖5所示。

圖5 開采程序優(yōu)化層次結構模型

3.2 AHP-TOPSIS法評價模型

3.2.1 根據評價指標構建規(guī)范化決策矩陣

先建立決策矩陣：

X=(xij)m×n

再構造規(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；yij為規(guī)范化后的xij值。

根據上述公式構造規(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，否則就必須調整判斷矩陣，直到具有滿意的一致性為止。

3.2.4 構造加權規(guī)范化矩陣

運用層次分析法確定各評判指標權重為：

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，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)據見表3。

表3 各方案評價指標原始數(shù)據

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

表4 各方案評價指標歸一化后數(shù)據

根據層次分析法基本原理對結構模型中各因素按照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，最終確定權重結果，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

經過總排序計算，得到各評價指標權重見表9。

表9 評價指標權重表

由式(5)對規(guī)范化后的指標進行賦權重，結果見表10。

表10 各方案指標賦權重

根據式(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 論

1)在露天礦推進度、降深速度和年產量的約束下，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構模型，并計算出各指標滿足一致性檢驗的合理權重值，其中噸煤生產成本、生產能力和新增內排空間三個指標所占權重較大，其余指標權重均小于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。