基于AHP-FCE鑫达金矿矿井通风系统优选

2012-03-17刘伟强袁梅芳

湖南有色金属 2012年6期

刘伟强,袁梅芳,申延

(湖南有色冶金劳动保护研究院,湖南长沙 410014)

矿井通风系统方案优化是在原有矿井开拓、采准、开采设计的基础上,合理布置及选择通风网络,通过对系统各种影响因素的定性和定量分析,从众多方案中确定技术先进、安全可靠和经济效益好的矿井通风系统[1]。矿井通风系统具有复杂、多变、随机等内涵明确、外延模糊的特点[1]。应用模糊数学中模糊综合评价方法对这种多因素、多层次的问题进行模型的建立和稳定性评定,能取得传统数学模型难以替代的效果[2]。应用这种评价方法,各指标权重具有关键地位,是由专家根据经验给出,带有个人主观性[3]。层次分析法将定量与定性结合,充分利用专家经验与判断,尽量减少个人主观臆断,但因素较多时,会引起标度专家反感和判断混乱。AHP -FCE综合两种方法优点,克服各自缺点,并成功应用在许多领域[4,5]。

内蒙古包头鑫达黄金矿业有限责任公司,坐落在包头市九原区阿嘎如泰苏木境内110国道759 km处,隶属中国黄金集团公司,是一个集采、选于一身的黄金生产企业。东柏树沟坑口井下生产范围大,矿区范围西起乌兰不浪沟,东至哈德门沟,东西长16 km,南北宽5.5 km。空间上从1 118 m至418 m,井下生产分为东、西两个区,井巷及空区众多,通风复杂。东柏树沟坑口井下目前的通风系统已不能满足现在生产的需要,同时与深部开采不相匹配,给安全生产留下了较大的隐患。为了满足井下开采通风安全的需要,必须对鑫达公司东柏树沟坑口井下通风系统进行重新设计和调整,优化通风系统。

1 矿井通风系统的AHP-FCE模型

1.1 通风系统评价指标

矿井通风系统在定性方面要满足系统稳定性、安全性、经济性和科学性,在定量上要体现系统各评价指标的数值最优。考虑通风系统的技术先进性、经济合理性、安全可靠性,选取11项评价指标,如图1所示。

图1 通风系统评价指标

1.2 模糊综合评价矩阵

通过构造等级模糊子集对反映被评价事物的模糊指标进行量化,在论域 m个方案之间做出相对优劣的比较,选择相对最优方案。设有 n个评价指标组成对全体方案的评价指标样本数据,各指标均为非负值。对样本数据集进行标准化处理,消除各评价指标的量纲效应,确定评价指标相对隶属度的模糊综合评价矩阵[6]。由于各指标量纲不统一,有些指标越大越好,有些指标越小越好。设样本数据集为{f(i,j)},对于指标越大越优的标准化处理采用下式:

对于指标越小越优的标准化处理采用下式:

式中 x(i,j)为标准化后评价指标值;fmax(i),fmin (i)为方案第i个指标的最大值和最小值。

1.3 评价指标权重的判断矩阵

用各评价指标的样本标准差S(i)来反应各评价指标对综合评价的影响程度。

各评价指标权重的判断矩阵B=(bij)n×n可以按照下式计算:

式中bm=min{9,int[smax/smin+0.5]}为相对重要性程度参数值。

1.4 判断矩阵一致性检验及其权重

由于人们认识上存在多样性、差异性、主观不稳定性,并且矿井通风系统是一个动态随机的复杂系统,则判断矩阵一致性条件在实际应用中需要修正。设修正矩阵为 Y={yij}n×n,Y各要素的权重值记为{Wi|i=1,…,n},则最优一致性判断矩阵为

式中CIC(n)为一致性指标系数;d为非负数,从[0.0,0.5]内选取。

CIC(n)值越小,则判断矩阵的一致性程度越高,当CIC(n)=0时,此时判断矩阵与修正矩阵具有完全的一致性,并根据约束条件可知,全局最小值唯一。当CIC(n)＜0.1时,此时判断矩阵具有满意的一致性,据此采用迭代计算各评价指标的权重值wi是满足的,否则需要提高参数d,直到具有满意的一致性为止。

1.5 综合指标

将各评价指标的权重值 wi与各方案相应评价指标的相对隶属度值x(i,j)相乘并累加,得到AHP -FCE评价的综合指标值。其值越大,方案越优。

2 矿井通风系统优选

2.1 鑫达金矿通风系统概况

鑫达金矿建于1989年,经过多年的开采活动,其井下井巷、采空区四通八达,错综复杂。既有自己设计施工的开拓系统,也有其它企业开采所遗留下来的开拓井巷及空区。目前矿区井下658中段～418中段为主要作业中段。

东柏树坑口现有通风系统为竖井进风两翼对角抽出式通风系统,抽出主扇安装在658中段西侧108线和698中段东侧179线位置。新鲜风流主要从竖井进入,经由各中段运输大巷、穿脉,到达作业面; 658以下各中段污风经回风井由东、西主扇排至地表,658以上各中段在自然风压的作用下,一部分中段污风部分经竖井排出,另一部分随新鲜风流流入下部中段,污风经回风井排出。

2.2 方案制定

通过现场观测了解,鉴于鑫达金矿目前通风系统存在的问题,参照《有色金属矿山生产技术规程》、《冶金矿山地下开采安全规程》等有关规定以及结合东柏树沟坑口井下的实际情况,制定选出两种通风方案,并从技术先进、经济合理、安全可靠三个方面分析比较。具体通风方案如表1所示。各评价指标具体值及其相对隶属度值如表2所示。

表1 通风系统改造方案

表2 各方案评价指标具体值及其相对隶属度值

根据表2中两个方案的相对隶属度值,依据公式(3)可以得到各评价指标的 S(i)值:0.004, 0.014,0.036,0.012,0.024,0.013,0.014,0.068, 0.018,0.008,0.018。相对重要参数bm=9,再由式(4)得到确定各指标权重的判断矩阵B。

2.3 方案优选

借助计算机软件Matlab编程,用AHP-FCE法计算判断矩阵的权重,各权重的初始变化区间均取[0,1],参数 d取0.25,得到各评价指标的权重值为:[0.094,0.102,0.042,0.032,0.071,0.078, 0.05,0.11,0.149,0.145,0.127],相应的一致性指标系数CIC(n)=0.039＜0.1,因此该判断矩阵有满意的一致性。由各评价指标权重值可知,矿井风压、通风井巷工程费、风机运转的稳定性、用风地点风流的稳定性和矿井抗灾能力权重相对较大。用权重值计算综合评价指标,得到各方案的AHP-FCE综合评价指标值Z1=0.509,Z2=0.491。说明方案①为最优方案。