基于熵权TOPSIS的露天矿坑泵排系统优选

黄国泉，罗黎明

（江西铜业集团有限公司 德兴铜矿，江西 德兴 334224）

1 引言

露天采矿排水工程贯穿整个开采周期，尤其是凹陷露天矿，其排水工程是采矿活动中的关键环节与技术［1-2］。大型凹陷露天矿山泵排系统的选择是露天采矿排水工程设计中至关重要的一环，其选择的得当与否，对于矿山均衡稳定的生产具有直接的影响，与此同时其决策选择是一个系统的过程，具有一定的复杂性［3-5］。传统的凹陷露天矿山泵排系统的选择基本以简单技术经济对比分析基础上的人工优选为主，在整个优选决策的过程中，存在片面性及人为主观性大等缺陷，致使选择结果容易受到个人经验及其他利益关系的影响而难以满足矿山生产的实际需要，或者所选择的泵排系统并非最优的方案。

近年来，随着国内外学者在数学方法优选领域研究的不断深入，诸如灰色关联法、熵权法、模糊数学法及逼近理想解排序法（TOPSIS）等数学优选方法得到大力的发展，极大的推动了方案优选科学决策的进程［6-7］。因此，本文采用基于熵权的逼近理想解排序法对露天矿坑泵排系统进行优选，为露天矿坑泵排系统的方案优选提供方法借鉴。

2 露天矿坑泵排系统综合评价指标体系的构建

对于凹陷露天矿山而言，泵排系统的选择是一个复杂的系统工程，不仅要考虑采区现有的开采现状以及涌水量情况，还应将经济、技术、安全和时间等多方面的影响因素进行全面分析研究［8］。因此，在充分考虑经济、技术、安全和时间四方面因素对露天矿坑泵排系统选择影响的基础上，构建了露天矿坑泵排系统方案选择的综合评价指标体系，如图1 所示。

图1 露天矿坑泵排系统综合评价指标体系

3 熵权TOPSIS 的方案优选原理及计算流程

熵权法是一种客观赋权求解指标权重的方法，通过数据矩阵的无量纲化、信息熵求解等相关步骤，能够客观的计算得到评价指标权重［9］。而逼近理想解排序法（TOPSIS）是经典的方案优选方法之一，对于有限方案多因素多指标的决策分析具有独特的优势［10］，其在评价指标权重数据获得的基础上，可以对各方案的综合优越度进行计算，以优越度数值为依据，对各方案进行优劣排序，从而实现方案的优选。基于熵权TOPSIS 的方案综合优越度计算流程如图2 所示。

图2 熵权TOPSIS 综合优越度计算流程

4 工程实例

4.1 工程概况

德兴铜矿富家坞采区的开采规模为5.4 万t/d，根据富家坞矿区露天开采最终境界图可知，采区的最低开采标高为-310m，封闭圈标高110m，最终露天坑内排水高度达420m。现在采区已经由山坡露天开采转化为凹陷开采，对于封闭圈以上的汇水，可以采用截排水系统将其自流排出，但是封闭圈以下的汇水则必须设置排水泵站将其外排，由于采坑深，且汇水面积大，以当前水泵技术，扬程及排水量无法实现一段排水，因此必须采用接力泵排的方式排水，最终形成坑底临时泵站→一级固定泵站→二级固定泵站→多级固定泵站→+110m 水平，多级泵站接力的露天坑排水系统，如图3 所示：

图3 排水模式示意

按采区现有的矿山开采境界，封闭圈以下凹陷露天坑汇水面积1.34km2。将最大允许淹没时间设定为7 天，以20 年一遇，连续7 日降雨644mm 计算汇水量，最大暴雨期间径流系数0.9，旱季日均降雨量2.8mm/d，径流系数为0.6，雨季日均降雨量8.2mm/d，平均径流系数0.65。地下涌水量以境界设计中的3000m3/d 进行设定，封闭圈（110m）标高以下采区截水系统的汇水区涌水量为：旱季正常水量5300m3/d；雨季正常水量10200m3/d；暴雨时最大水量113800m3/d。

4.2 方案设计

露天矿的开采是按水平台阶从上到下进行，泵站需要的扬程随着开采深度的增加而增加，而水泵的扬程都有一定的服务范围。根据富家坞采区的开采现状及涌水量情况，结合露天坑的排水高度、终了境界图，对于固定泵站的水泵选型及扬程等，设计了三种经济上合理，技术上可行的露天矿坑泵排系统方案进行综合比较，具体方案配置分别如下。

（1）方案一：60m 一级固定泵站配置方案。

固定泵站水泵扬程满足4 级台阶的排水高度（60m），相对110m 封闭圈下降1 级或2 级水平台阶时，采用临时潜水泵泵站将坑内积水扬送至110m 出入沟；下降至3 级或4 级台阶时新增1 个临时潜水泵站，将坑内积水接力扬送至110m 出入沟。下降至5 级台阶时，在第4 级台阶设1 个固定泵站，在最低开采水平设1 个临时泵站，将坑内积水接力扬送至110m 出入沟；以此类推，最终分别在50m、-10m、-70m、-130m、-190m、-250m 水平台阶形成6 个固定泵站接力的排水系统，固定泵站之间采用1 个或2 个临时泵站接力排水。固定泵站所需平台，按照宽度＞36m，长度＞90m 来设置。经过设置泵站后对最终露天开采境界的调整，60m扬程方案所增加的工程量约为385.8 万t，其中减少矿量21 万t。

（2）方案二：90m 一级固定泵站配置方案。

固定泵站水泵扬程满足6 级台阶的排水高度（90m），临时泵站采用潜水泵和离心泵，潜水泵适应1 级或2 级台阶的排水高度（15m 或30m），离心泵适应3 级或4 级台阶的排水高度（45m 或60m）。相对110m 封闭圈下降1 级或2 级水平台阶时，采用潜水泵将坑内积水扬送至110m 出入沟；下降至3 级或4 级台阶时，采用潜水泵串联将坑内积水扬送至110m 出入沟；下降至5 级或6 级台阶时，采用潜水泵与离心泵接力将坑内积水扬送至110m 出入沟。下降至7 级台阶时，在第6 级台阶设1 个固定泵站，在最低开采水平设1 个临时泵站，将坑内积水接力扬送至110m 出入沟；以此类推，最终分别在20m、-70m、-160m、-250m 水平台阶形成4 个固定泵站接力的排水系统，固定泵站之间采用1 个或2 个临时泵站接力排水。固定泵站所需平台，按照宽度＞36m，长度＞90m 来设置，经过境界的调整，900m 扬程方案所增加的工程量为约186.8 万t，其中减少矿量13 万t。

（3）方案三：120m 一级固定泵站配置方案。

固定泵站水泵扬程满足8 级台阶的排水高度（120m），临时泵站采用2 种扬程的潜水泵配合使用，低扬程潜水泵适应1 级或2 级台阶的排水高度（15m 或30m），高扬程潜水泵适应3 级或4 级台阶的排水高度（45m 或60m）。相对110m 封闭圈下降1 级或2 级水平台阶时，采用低扬程潜水泵将坑内积水扬送至110m 出入沟；下降至3 级或4 级台阶时，采用高扬程潜水泵将坑内积水扬送至110m 出入沟；下降至5 级或6 级台阶时，采用高扬程潜水泵与低扬程潜水泵接力将坑内积水扬送至110m 出入沟；下降至7 级或8 级台阶时，采用高扬程潜水泵与2 级低扬程潜水泵接力将坑内积水扬送至110m 出入沟。下降至9 级台阶时，在第8级台阶设1 个固定泵站，在最低开采水平设1 个临时泵站，将坑内积水接力扬送至110m 出入沟；以此类推，最终分别在-10m、-130m、-250m 水平台阶形成3 个固定泵站接力的排水系统，固定泵站之间采用1～3 个临时泵站接力排水。为便于衔接，在最终境界下一级固定泵站位置未出露前，中间60m 段高位置插入一个占地稍小的半固定泵站，即在50m、-70m、-190m 水平设立一个半固定泵站。120m 高扬程固定泵站所需平台，按照宽度＞36m，长度＞90m 来设置，经过境界调整，120m 扬程方案增加的工程量为323.8 万t，其中减少矿量18 万t。

德兴铜矿富家坞采区泵排系统的各评价指标数据如表1 所示。

表1 泵排系统评价指标值

4.3 最优方案的确定

按照熵权TOPSIS 的原理和计算流程，对所形成的三个备选方案进行优劣排序，以确定最优的泵排系统方案，具体的过程如下：

将原始矩阵进行无量纲化处理，得到规范化矩阵

采用熵权法进行计算，得到评价指标权重数值

计算方案的理想解及负理想解

计算方案的欧式距离

计算方案的综合优越度

综合优越度数值是方案排序的依据，由计算得到的综合优越度矩阵可知，方案二的综合优越度数值最大，其后依次为方案三、方案一，说明方案二（90m 一级固定泵站配置方案）为最优露天矿坑泵排系统方案。

4.4 泵排系统的布置及对开采境界的影响

根据前述优选的泵排系统，得到富家坞采区的终了泵排系统平面布置图如图4 所示。

图4 终了泵排系统平面布置

在尽可能利用现有境界平台的前提下，通过整体外扩与局部回缩境界，空出泵站布置所需要的平台，通过对比该区域修改前后的最终境界边坡角，图4 中A-A 剖面位置边坡角度由原境界的42.1°放缓到41.1°，对于边坡稳定有利。

5 结语

采坑排水系统是露天开采的重要组成部分，排水方式选择及排水参数的确定均对露天开采产生巨大影响，因此在开采初期需要对泵排系统布置进行规划设计，但是受设备技术、开采范围等限制，开采境界设计过程中存在一定局限性，随着技术进步，开采过程中矿体控制程度加深及揭露岩体稳定性等情况，境界有优化完善空间，在此情况下，可以充分结合当前设备水平，对采坑排水系统进行优化调整。

本文以德兴铜矿富家坞矿区为研究对象，创新性地将露天矿山泵排系统建立的影响因素纳入到统一的评价体系之中，构建了露天矿山泵排系统独具特色的综合评价体系，并运用基于熵权的逼近理想解排序法（TOPSIS）对其泵排系统方案进行了分析研究，最终实现了露天矿坑泵排系统的优选。研究结果表明熵权TOPSIS 法计算过程灵活简便、科学客观，计算结果合理可靠，此法在德兴铜矿富家坞采区的成功应用，证明其能够较好的运用于露天矿坑泵排系统的优选，与此同时为解决同类问题提供了方法借鉴。