基于AHP-GRAP法的露天矿采排方案优选

2019-06-22王祥生陈再明

煤炭工程 2019年6期

王祥生，陈再明

(中煤平朔集团有限公司，山西朔州 036006)

露天开采实质上是大规模剥离物的搬运过程，其剥离物运费占露天矿生产总费用的40%以上，剥离物运距和提升高度是决定剥离物运费大小的主要因素，而排土场的布置和发展规划合理与否直接影响着剥离运距、提升高度。随着矿山工程的发展，剥离物外排运距不断加大，内排空间逐步释放。因此，综合考虑外排土场布局和建设条件、剥采程序对内排空间释放的影响、内排土场建设发展方式、开拓运输系统布置方案等因素，优化排土场的布置和发展规划，最大限度的释放和利用内排空间，降低剥离物提升高度、缩短剥离运距，对优化露天矿山工程协调发展、提高露天矿的经济效益具有重要意义。

对于内排土场发展程序的研究，国内专家进行了大量的研究与实践，取得了丰硕的成果，紫金矿业有限公司的王培武等人详细分析露天矿压坡脚排土、覆盖排土及压脚和覆盖相结合的三种排弃方式优缺点及适用条件，结合露天矿实际情况，对原有排弃方式进行改造，重新确定排土场结构参数及堆置计划，提出了相应的排土场安全和生态综合治理措施。辽宁工程技术大学的白润才教授等人基于平庄西露天矿矿体赋存特点，结合边坡工程地质条件及开采现状，提出了在深部陡帮横采内排压帮方案，提前实现内排，显著缩短排土运距，有效降低深部煤炭的开采成本。黑岱沟露天矿的王海清等人在详细分析黑岱沟露天矿排土系统的前提下，提出针对西排土场排土境界调整及排土程序优化的方案，通过分析比较各方案排弃物综合运距、排土场征地面积，最终得出对现有排土场境界的调整方案以及排土程序优化方案[2-4]。然而上述研究中对提出布置方案进行比较时，主要以人主观经验进行评判，未综合考虑评判指标对其目标重要性的权重，导致决策缺乏科学性。

本文针对露天矿采排方案优化具有多目标、多因素且部分因素不可量化等特点，提出了一种基于AHP-GRAP的采排方案优选方法，该方法首先运用AHP法构建层次结构关系图，并依据判断矩阵定量计算出准则层和方案层中各因素的相对权重，然后结合GRAP综合评价法构建AHP-GRAP综合评判模型[5]，对采排方案进行优选。该方法在对各层次子系统进行评估的基础上，对采排方案进行综合评估，减少了决策过程中的主观臆断成分，提高了决策的科学性，经实际工程应用表明，本文所提出的方法先进、有效。

1 AHP-GRAP方法的基本原理

首先根据目标确定其评价指标并运用AHP法建立层次结构关系图，根据决策管理层与相关技术专家共同组成的专家委员会对评价指标、方案进行评判，根据评判结果构造判断矩阵计算分析出准则层和方案层中各因素的相对权重并对其进行一致性检验。而后根据AHP法得到的评价指标对目标影响的重要性权重进行灰色系统建模。设有K种方案，每种方案可以由几个评价指标构成一个特征向量，由这K个方案优选特征向量构成一个方案优选特征矩阵：

同理通过准则层评价指标权重可以得到一组待检向量{Xn}。

通过{Xn}与方案优选特征向量{TK}之间的灰色关联度计算可以得出关联序列。把关联度从大到小一次排列，即可得出方案优劣顺序。原理如图1所示。

图1 灰色评价基本原理图

2 基于AHP-GRAP的采排方案评价体系构建

2.1 建立层次结构模型

依据露天矿排土的影响因素，构造分层的递阶式层次结构模型，将这一系统性问题分解为多个单一元素，这些元素根据其自身属性及相互之间的关联形成每个层次，位于上层的元素为位于下层的元素提供准则，由上到下分为目标层、准则层、方案层。

目标层：表示确定在技术可行、经济上合理的露天煤矿采排方案A；准则层：表示在技术可行、经济上合理的露天煤矿采排方案的确定所涉及的技术评判指标或经济评判指标Bj(j=1，2，…，m，m≤9)；方案层：表示为确定在技术可行、经济上合理的露天煤矿采排方案所设计的具体可行方案Ci(i=1，2，…，n，n≤9)。

2.2 构造判断矩阵

由露天矿决策管理层与从事露天采矿技术专家共同组成的专家委员会，根据表1对各个判断矩阵的每个元素进行量化。

依次沿递阶层次结构由上而下构造出判断矩阵X(判断矩阵表示针对上一层次因素，本层次与之有关因素之间相对重要性的比较)；以目标层A(确定在技术可行、经济上合理的露天矿采排方案)作为准则，构造准则层中各指标Bj之间的判断矩阵：

AB1B2…BmB1b11b12…b1mB2b21b22…b2m……………Bmbm1bm2…bmm

以准则层各指标Bi作为准则，分别构造方案层中与之有关方案Ci之间的判断矩阵：

BiC1C2…CnC1c11c12…c1nC2c21c22…c2n……………Cncn1cn2…cnn

2.3 一致性检验

依次进行各个判断矩阵的一致性检验。

计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi：

式中，xij为判断矩阵的第i行第j列元素，k为判断矩阵的阶数。

取判断矩阵的特征向量为：

计算判断矩阵的最大特征根λmax：

其中，X泛指判断矩阵；(XW)i表示向量XW第i个元素。

计算判断矩阵的一致性指标CI：

当n>2时，计算随机一致性比率CR：

其中，RI为判断矩阵的平均随机一致性指标，对于3～9阶判断矩阵，RI的值分别列于表2中[5，6]。

表2 平均随机一致性指标

一致性判断，若k≤2，当CR=0，即λmax=k时，认为判断矩阵具有完全一致性；若k>2，当CR≤0.1时，认为判断矩阵具有满意的一致性。当某一判断矩阵不具有满意的一致性时，则调整该判断矩阵各元素的取值，重新计算，直到判断矩阵具有满意的一致性[7]。

针对目标层A，准则层各指标Bj的重要性权值分别记为uj；针对准则层某一指标Bj，方案层各方案Ci的重要性权值记为v(j)i；各重要性权值见表3。

表3 露天矿采排方案权重表

2.4 灰色关联系数

分别计算第i个比较数列第j个元素与参考数列第j个元素的关联系数ξ(i)j，即：

式中，ρ=0.5。

计算每个比较数列与参考数列之间的关联度：

2.5 灰色关联分析

ri的值分别对应于方案层C中的方案Ci(i=1，2，…，n)，ri值越大，则表明所对应的方案Ci越好[9-12]。根据各方案相对应的ri值，取ri的最大值所应对的方案Ci作为最优的露天煤矿采排方案。

3 工程实例

3.1 露天矿工程概况

论文以安太堡露天煤矿为工程背景，对安太堡露天煤矿过背斜期间采排方案进行研究，目前安太堡露天煤矿剥、采、排工程已进入芦子沟背斜构造区域。背斜延伸距离约1200m，11#煤层落差高达270m左右，背斜区北部煤层倾角12°、南部16°，最大达到22°。安太堡露天煤矿采用单斗卡车工艺纵向开采，遭遇芦子沟强背斜构造后，由于煤底板倾角突然增大，背斜大倾角区域难以进行内排，只能通过加高内排土场和增加外排来解决内排空间严重不足的问题。自2014年以来，剥采工程进入背斜区运距和高差不断增加。经初步预测未来几年过背斜期间运距会达到6.06km，运输高差会达到270m左右。煤层倾角的变大、内排土场的加高、运距和运输高差的显著增加，致使安太堡露天矿过背斜期间面临诸多困难。通过构建三维地质地形、采场、排土场模型，结合开采现状，对资源开采条件作出分析评价，进一步明确安太堡露天矿过背斜期间面临的实际困难和技术问题，以及剥、采、排程序、运输系统布置等在矿山工程发展过程中的时空制约关系，充分考虑已形成的现状条件、地形条件、征地条件的基础上，提出技术可行的采排方案：过背斜北部超前开采方案、过背斜纵采方案及伪纵采方案。

3.2 采采排方案设计

安太堡露天煤矿过背斜期间剥采比增加，剥离成本增加，内排土场基底倾角逐渐增大，内排土场建设发展困难，内排空间严重不足，综合考虑安太堡露天矿外排条件、内排条件、开拓运输系统布置、内排土场边坡稳定性等因素，以及矿山工程发展过程中的时空制约关系，在剥采排现状条件的基础上，提出三种技术可行的采排方案：过背斜纵采方案、过背斜伪纵采方案、过背斜北部超前开采方案。

主要针对过芦子沟强背斜构造期间，排土容量紧张的问题，煤底板倾角大，内排困难等问题，在内排土场建设与发展方式、排弃参数、内排运输通道布置、排弃空间接续方面的研究基础上，提出纵采过芦子沟强背斜构造期间剥、采、排工程接续方案如图2所示。

图2 纵采方案示意图伪纵采方案

针对过背斜区为加快推进北部作业面，以充分释放并利用背斜区内排空间。提出伪纵采过芦子沟强背斜构造期间剥、采、排工程接续方案如图3所示。

图3 伪纵采方案示意图北部超前开采方案

在分析开采现状、地质、地形条件的基础上，采用采煤工作帮Z形布置的开采方式如图4所示，北部超前开采方案可利用北部煤层较南部先走平的地质条件，加快推进北部作业分释放并利用背斜区内排空间。

图4 北部超前开采方案示意图

3.3 基于AHP-GRAP的采排方案评价与选择

影响露天矿采排方案的因素主要包括个生产剥采比、采煤运距、剥离运距、剥离提升高度、内排土场边坡稳定性安全系数等。因此选择上述5个因素作为此次评判指标。应用自主研发的矿山辅助设计软件SMCAD遵照多层数字高程模型(DEM)的原理建立露天矿模拟开采模型，根据北部超前开采方案、纵采方案和伪纵采方案的工程推演，通过对三方案剥采排3年进度计划的编制，对每个方案各个因素进行加权计算，最后汇总三方案指标，确定的各个定量因素的参数见表4。