基于模糊层次分析法的多目标“三下”采搬决策

刘义生，陈世超，宋文辉，刘　伟

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083 ；2.开滦(集团)有限责任公司，河北 唐山 063018)



基于模糊层次分析法的多目标“三下”采搬决策

刘义生1，2，陈世超1，宋文辉1，刘伟1

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083 ；2.开滦(集团)有限责任公司，河北 唐山 063018)

[摘要]以地表采动影响最小、资源解放最多和经济效益最优作为基本目标，建立了“三下”采搬途径选择模型，采用模糊层次分析法，确定“三下”开采的途径。以某矿建筑物下开采为例，将搬迁开采、条带开采、全部充填开采以及“采-充-留”协调开采方式进行了对比，确定了该矿铁路煤柱区建筑物下压煤的采搬途径。

[关键词]模糊层次分析，多目标优化，“三下”采搬途径，村庄搬迁

目前我国80%以上的矿区存在“三下”开采问题，中东部矿区“三下”生产矛盾尤为突出，其压煤率一般为50%～80%，有的矿井甚至高达100%[1]。仅河北、河南、安徽、山东、江苏五省压煤村庄近1100个[2]。“三下”压煤已严重影响矿井发展，有的矿区甚至产生严重的工农矛盾和纠纷。为了减少或避免工农纠纷，许多矿区采用村庄搬迁措施、条带开采技术、充填开采技术和损坏补偿等方法进行“三下”资源的开发[1,3]。“三下”开采方案选择时，根据地表压煤对象特征和地下开采特点往往存在多种可选途径，常规方案设计时仅以技术可行、经济合理为选择依据，很少顾及开采技术因素间的相互影响。为了方案选择时兼顾地表采动影响、采出率和经济最优需建立“三下”开采的合理选择模型。

1“三下”开采基本途径及方案选择的一般原则

1.1“三下”开采的基本途径及其影响因素

“三下”开采的途径和方法主要有压煤对象的搬迁、部分开采、充填开采和协调式开采[4]。开采方案确定过程中，开采途径的选择是一个包含生产效率、成本、管理和工农关系等社会、经济和管理的问题[1]。

(1)村庄搬迁指将村庄搬迁到无煤区，从而彻底解放地下煤炭资源。村庄搬迁主要涉及到征地和搬迁周期问题，是一个政府是否支持、农民是否愿意的社会问题，资金是否充足的经济问题和地表潜水位高低的开采条件问题。其影响因素除社会环境、地质开采条件外，还涉及村庄大小与人口多少，新村址距原村址远近，交通、教育、医疗等基础设施的完善程度与新村址距离等。村庄搬迁的方式一般有政府负责企业出资、企业负责和企业一次性补偿。村庄搬迁周期一般为10a以上，对于接续紧张的矿井不适用；此外若地表潜水位较高，地表下沉易积水的村庄压煤区，常需采用搬迁方式解放压覆资源。

(2)条带开采部分开采包括条带开采、房柱式开采。其中条带开采是在被采煤层中沿走向、倾向或伪倾斜方向采一个尺寸较小的工作面，留设一条煤柱的开采措施，以留设煤柱支撑上覆岩层，从而达到既采出压覆资源又减小地表移动变形的目的。这种开采方法不适用于较软煤层和倾角较大煤层开采条件，工作面开采尺寸一般为平均采深的1/6～1/8；目前采深条件下，工作面长一般为60～100m，采出率一般为40%～60%。其主要影响因素是煤层及顶底板岩性、煤层倾角和开采深度。

(3)充填开采是一种置换开采方法，将煤层采空空间充入其他材料，以抑制顶板下沉，从而达到控制地表移动变形，减小采动影响的一种开采方法。按充填范围划分，可分为部分充填和全部充填；若按充填材料的不同，可分为膏体充填、高水材料充填以及固体材料充填。因初期成本和充填空间需要大量的充填材料，因此充填开采成本一般较高。充填效果的可靠性、充填体的压实率以及充填前顶底板移近量是影响地表采动影响的重要因素，充填前顶底板移近量越小、压实率越大地表移动变形控制效果越显著。

(4)“采-充-留”协调开采是基于极不充分原理[1]，兼顾地表采动影响和资源采出率的“采-充-留”协调开采岩层移动控制技术。它是一种留设窄煤柱、部分开采、部分充填的方法；是以开采面极不充分采动，采充面构成非充分开采单元，采动区构建以原煤柱为核心的柱充联合支撑体为基本思想，保证支撑体长期稳定和采充过程中上覆岩层发生有限协同变形；在设计煤层内布置多个独立的非充分采充单元，以达到减缓地表采动影响程度的目的。

(5)协调开采技术包括同煤层相邻工作面间的协调、同煤层不同分层工作面间协调或不同煤层工作面间的错距推进协调开采。利用同时开采空间相邻的工作面对地表产生性质相反的拉伸和压缩变形相互叠加，以达到相互抵消拉压变形，从而减小采动造成变形量的方法。这种方法虽可减小采动影响，但不减小地表下沉。一般用于中等采深、地表下沉不形成积水的丘陵地区。

1.2方案选择的一般原则

开采方案的确定步骤一般首先考虑技术上的可行性，而后再考虑经济上是否合理。按照此思路，通过对“三下”开采影响因素及存在问题的分析，把“三下”开采影响因素分为特殊影响因素、技术因素、经济因素和社会因素。一般主要影响因素有潜(洪)水位标高、基岩深厚比、构造复杂程度、采深、采厚、地层倾角、松散层厚度、顶底板完整性、覆岩岩性、预计破坏程度、矿井发展阶段、压煤量大小、煤炭采出率、吨煤效益、搬迁或补偿费用、征地难易程度、政府支持力度、农民搬迁意愿、新村址耕作影响。

任何一种开采或搬迁途径均有其适用条件和局限性，为了实现资源利用最大化，经济效益最优化和开采损害最小化，采用模糊层次分析方法选择最优的“三下”采搬方案。

2基于模糊层次分析法的“三下”采搬方案优选模型

2.1层次分析法的步骤

层次分析法的基本思想是先将系统分为几个等级层次，再根据层次分析法，采用两两比较的方法导出权重；然后对单准则排序后的层次，确定对与上一层次某元素而言本层次中与其他相关元素的重要性排序；最后再根据总排序结果，确定递接结构图中最底层各元素在总目标中的重要程度，根据相应的决策优选结果[5-6]。其步骤为：

(1)建立多层次阶梯结构，以递进的阶梯层次把系统划分为几个等级。

(2)构造比较判断矩阵，采用两两对比的方式导出各层次因素的权重。

(3)单准测排序，进行一致性检验；确定本层中相关元素的重要性排序，依据本层次中所有元素相对上一层次任一元素的重要性，并进行排序。

(4)确定最底层元素在总目标中的重要性指标，并进行总体排序。

对于“三下”压煤采搬方案的优选来讲，其目标是通过比选，确定最优“三下”压覆煤炭资源的采搬设计方案。其优选准则为受采动影响小、采出率和开采效率高及经济效益最大化。因此，在采搬方案选择时采用采动影响、采出率和开采效率、吨煤成本和效益等指标来体现。

2.2采搬方案的初选

“三下”压煤采搬方案设计时，可根据地质采矿条件和社会环境状况提出可行性方案。表1列出了“三下”资源几种基本途径。根据表1和具体条件进行途径排除和方案初选，排除方案不再列入方案层。

采搬方案的选择性指标体系的架构如图1所示，包括目标层、准则层和方案层。

准则层各要素相对于目标层的重要性不同，需要逐一进行比较。一般应根据经验或采取专家评价打分，依据模糊标度及含义，对各准则层要素进行比较，量化其相对重要性。模糊的标度及含义见表2。

表1　“三下”压煤采搬途径定性选择

注：〇表示比较合适；Δ表示有可能采用；×表示不宜采用。

图1　“三下”压煤采搬设计方案优选指标体系

按照量化的结果来构建模糊判断矩阵。设W=(W1，W2，…，Wn)T为A=(aij)m×n的排序向量，A=(aij)m×n为模糊互补判断矩阵；若aij=Wi-Wj+0.5，那么A就是模糊一致性判断矩阵。

2.3指标权重的确定

2.3.1各准则层因素相对于目标层权重的计算

由已建立的m×m阶模糊判断矩阵，进行准则层因素重要性权重计算。

设A=(aij)m×n为模糊互补判断矩阵，W=(W1，W2，…，Wn)T为A的排序向量，则W满足：

表2　模糊标度及其含义

(1)

2.3.2各方案相对于准则层因素权重的计算

2.4确定最优方案

由上述计算结果进行设计方案相对目标层的重要性的权重计算。设准则层各要素对于目标层而言的权重矩阵为A，各方案对于准则层各要素的权重为矩阵B，经矩阵B×A运算，得出最终权重的计算矩阵，通过权重比较，确定最优方案。

3“三下”压煤采搬设计优选模型的应用

3.1建筑物压煤区域概况

开滦某矿铁三区地表平坦，地面标高平均+17.5m。地表无岩石裸露。区域内无地面水系。地表建筑物众多，地下管线复杂。建(构)筑物有车站、商业区、厂房和居民区；管线包括供水、供暖、供电、路南区的污水管路等。据不完全统计地面企事业单位800多家。

该矿主采5煤、8煤、9煤、12-1煤和12-2煤，属低灰、低硫、高发热量煤种，各项指标接近肥煤，为优质的三分之一焦煤。区域开采上限标高-550m，下限标高-820m；本区北部地层倾角较小，一般10°左右；南部靠近断层地层的倾角较大，最大24°。8煤层、9煤层、12-1和12-2煤层沉积比较稳定，煤厚依次为3.7m，5.0m，2.4m和4.1m。8和9煤层在西南部为合区煤层，其余大部分为分区。

3.2采搬途径分析及方案优选

目前该矿解放“三下”资源的主要措施是村庄搬迁和条带开采，但大面积搬迁困难重重，若采用协调开采和长壁垮落法开采则会造成地表下沉量较大。为此，需采用采动影响和下沉较小的开采措施，如条带开采、充填开采或“采-充-留”协调开采。

3.2.1建立评价因素集合和方案集合

(1)建立评价因素集合(U1)

准则层各要素具体如下：u1为采动影响最小，u2为经济效益最高，u3为资源采出率最大。U1={u1，u2，u3}。

(2)建立方案集合(U2)

方案一：u1为条带开采； 方案二：u2为充填开采； 方案三：u3为“采-充-留”协调开采。U2={u1，u2，u3}。

3.2.2建立评价因素相对于目标层的评价集

给出模糊标度的含义表，邀请采矿、地质、力学、矿山工程管理、矿业工程经济等专业人员，对评价因素相对于目标层的重要性进行评价。因有多人参与该方案评价，方案中每一因素均有多个评价值，因此先进行标准化处理。假设第i个元素相对第j个元素的重要性评价，n个专家给出的评价得分为Xij1，Xij2，…，Xijn，那么最终得分即为Xij=1/n×∑Xijn，把计算结果进行四舍五入，小数保留一位。把单项评价结果进行汇总，建立评价集，并建立模糊判断矩阵。则准则层各要素相对于目标层的模糊判断矩阵为

3.2.3建立方案层相对于准则层的评价集

请采矿、地质、力学、矿山工程管理、矿业工程经济专业技术管理人员，对方案层各因素相对于准则层重要性进行评价，依据各单项评价结果来汇总，建立模糊判断矩阵。方案层相对于准则层的采动影响、经济效益、资源采出率的模糊判断矩阵分别用B1，B2，B3表示，则：

3.2.4计算准则层各要素相对于目标层的权重

用公式(1)计算准则层各要素相对于目标层的权重矩阵A。

3.2.5计算各方案相对于准则层各要素的权重

用公式(1)计算各方案相对于准则层各要素的权重矩阵B。

3.2.6确定最优方案

进行总排序计算，结果如下：

根据计算结果可知，从各方案整体经济效益、采动影响和资源采出率3个影响因素来看，方案1>方案3>方案2，可优选方案1，即“条带开采方案”优于“‘采-充-留’协调开采方案”优于“充填开采方案”。方案3可作为备选方案，设计时可对采、充、留宽进行进一步优化。

4结论

(1)分析了“三下”开采基本途径及其适应性。

(2)采用模糊层次分析法建立了建筑物压煤采搬指标层次结构，确定了评价指标的模糊互补判断矩阵，得到了指标权重。

(3)以开滦某矿建(构)筑物压煤为例，以采动影响程度、经济效益和采出率3个因素为准则，确定了煤柱条带开采的优选途径。

[参考文献]

[1]戴华阳，郭俊廷，阎跃观，等.“采-充-留”协调开采技术原理与应用[J].煤炭学报，2014，39(8):1602-1610.

[2]姚建国.中国矿业可持续发展与煤矿开采环境问题—21世纪初矿山岩石力学面临的新机遇和挑战[J].岩土力学，2003，24(S2):633-635.

[3]戴华阳，王金庄，刘天新，等．村庄下深部压煤开采的技术途径探讨[J]．矿山测量，2003(3)：15-17.

[4]何国清，杨伦，凌庚娣，等．矿山开采沉陷学[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[5]张吉军.模糊层次分析法(FAHP)[J].模糊系统与数学,2000，14(2):80-88.

[6]杨国勇，陈超，高树林，等.基于层次分析-模糊聚类分析法的导水裂隙带发育高度研究[J].采矿与安全工程学报，2015，32(2):206-212.

[责任编辑：施红霞]

Multiple Objectives Mining and Moving Decision of ‘Three Unders’Mining Based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process

LIU Yi-sheng1，2，CHEN Shi-chao1，SONG Wen-hui1，LIU Wei1

(1.Geoscience and Surveying Engineering College，China University of Mining & Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Kailuan(Group)Co.，Ltd.，Tangshan 063018，China)

Abstract：Mining and moving ways selection model of ‘three unders’ was built，its basic targets were the minimum surface movement，the maximal resource utilization and the optimum economic benefit，then mining method of ‘three unders’ was confirmed.It taking mining under buildings of one coal mine as example，and then some different mining method were compared，which included removal mining，strip mining，fully backfilling mining and mining coordinately mixed with backfill mining and setting pillars，the final mining and moving method of coal under buildings that around railway coal pillar areas was determined.

Key words：fuzzy analytic hierarchy process；multiple objectives optimization；‘three unders’ mining and moving method；village relocation

[收稿日期]2015-08-19

[基金项目]国家自然科学基金面上项目(51574242)

[作者简介]刘义生(1963-)，男，河北唐山人，高级工程师，博士研究生，研究方向为煤矿开采沉陷理论与技术。

[中图分类号]TD823.8

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)02-0041-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.012

[引用格式]刘义生，陈世超，宋文辉，等.基于模糊层次分析法的多目标“三下”采搬决策[J].煤矿开采，2016，21(2)：41-44，102.