基于灰色关联度法的露天煤矿采区转向接续研究

林 淋

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

露天煤矿分区开采是矿山普遍采用的开采方式。分区开采方式不仅可以规范矿区结构、合理布置工作线，缩减开采基建量，同时可以尽早实现内排，以减少排土场面积及运输距离，为企业降低投资成本、提高矿山经济效益。

对矿田进行采区划分后，在开采接续过程中实现采区之间的衔接过渡是整个开采程序的关键。一个好的采区转向接续方案综合了各种因素，其中涉及产量、运距、进度、成本、效益等诸多方面，每种因素对方案的选取有着不同程度的纵伸影响。利用灰色关联度法建立数学评价模型综合不同量纲级因子，对拟定转向接续方式进行排序，从而确定矿山最适宜的采区转向接续方式。

1 采区转向接续基本方式

采区转向接续基本方式主要分为2 大类：①连续型接续方式；②间断型接续方式。连续型接续方式主要包括直角缓帮转向、扇形转向、“L”形转向等。间断型接续方式主要指采区重新拉沟接续[1]。

直角缓帮转向方式是在旧采区开采后期，利用已形成的端帮进行再扩帮，将端帮自上而下逐台阶进行缓帮剥离，过渡成工作帮，揭露出煤层顶板，完成新采区的基建。扇形转向方式是让剥采工作线都以转向接续起点为扇形回转中心，沿同一方向扇型旋转，工作帮实现扇型推进，由于外侧工作线长度较长，所以外侧工作线推进强度较于内侧工作线推进强度大。“L”形转向方式是在旧采区开采接近尾声时，工作线采用“L”型方式对旧采区收尾以及新采区的初始扩帮，当采区完成转向过渡时，最终工作线转为直线型。间断式接续方式是在旧采区开采结束前，以重新拉沟布置工作线的方式在新采区内进行新的基建开采。

连续型与间断型接续方式的特点分别是：连续型接续方式顾名思义作业连续，利用现有的工作帮和已形成或正在形成的端帮向新采区转向过渡，无需重新拉沟，基建量小，运输距离短，经济性较好。间断式过渡方式的特点是当旧采区开采结束后，在新采区内重新拉沟布置开拓运输系统，新采区与旧采区之间互不干扰，但这种方式基建量较大，设备移设距离较长[2]。

2 采区转向接续影响因素

采区转向接续方式的选取是多因素综合的结果，影响因素种类多且复杂，包括开拓运输系统、采剥工程量、边坡角度、生产成本、剥采比等等都会产生不同程度的影响。一个好的露天煤矿采区转向接续方式不仅仅能完成采区的自然过渡，同时还需要兼顾矿山的经济效益。所以，对于采区转向接续方式影响因素全面细致的分析就显得尤为重要[3-4]。

采区转向接续方式的比选过程中需要综合以下因素：首先是露天矿山开采工艺，开采工艺不仅决定着转向过程中产生的矿岩量与运输距离，还决定着转向方式选取的适用性；其次要考虑边坡的稳定性，边坡的稳定关系着整个露天煤矿的安全生产，保证矿山的安全生产是露天煤矿的首要任务；然后，考虑转向接续过程中的工程量，这与矿山的生产成本和经济效益息息相关，这也是矿山开采需要考虑的重要因素之一[5-6]。

综合分析影响采区转向接续方式因素，选取归纳10 大因素作为转向接续方式选取指标。露天煤矿采区转向接续方式影响因素如图1。

图1 露天煤矿采区转向接续方式影响因素

3 灰色关联度法

灰色系统指的是已知系统的部分信息，利用已知的部分信息来分析研究及预测未知信息，从而达到了解掌握整个系统的目的[7]。

灰色关联度分析法是一种多因素统计分析法，它是以各因素的样本数据为基础，利用灰色关联度来描述因素之间关系的强度与次序，如果样本数据反映出的因素之间变化趋势基本一致，那么它们之间的关联度大；反之，它们之间的关联度小[8]。

此外，可以用几何方式直观地描述灰色关联度分析法，以序列曲线的几何形状相似程度来判断因素之间联系的紧密性，曲线之间越贴近，因素序列之间的关联度大，反之关联度小[9]。

4 灰色关联度法分析过程

4.1 数据标准化

评价指标体系中的各个评价指标，由于量纲、经济意义、表现形式以及对总目标的趋向各不相同，不具有可比性，或者是比较的结果不正确，必须对其进行无量纲化处理以后，才能进行综合评价，所以在计算各指标关联度之前，需要对原始基础数据进行无量纲化处理，建立起各个指标比较的基础。数据标准化有一般有3 种方法初值法、均值法和区间法[10-11]。

1）初值法。初值法一般适用于较稳定的多数呈稳定增长趋势的数据。

式中：maxXi（k）、minXi（k）分别为行为序列指标的最小值与最大值。

4.2 关联系数

计算关联系数应用以下公式：

式中：ξi（k）为比较数列Xi上各点k 与参考数列X0上参照点的关联系数；?是参考数列；为序列指标数据；ρ 为分辨系数，取值区间在（0，1）之间，当ρ≤0.546 3 时，分辨力最好，所以通常取分辨系数ρ=0.5。

关联系数ξi（k）是比较数列与参考数列在各个时点的关联程度值，信息量多且分散不利于对系统进行整体比较。因此对各个时点关联系数的分散值进行处理，将其整合为1 个值，即求其平均值，作为整体关联程度的量化数据。关联度ri计算公式如下：

式中：ri为关联度。

将求出的关联度按照数值大小进行排序比较，数值越大，与标准数列的关联度越高。

5 灰色关联度法转向接续方案优选

针对国内某露天煤矿设计了4 个采区转向接续方案，分别是“L”形转向方式、扇形顺时针方式、扇形逆时针方式以及重新拉沟方式。利用灰色关联度法将选取的4 个转向接续方案进行排序，同时选取出最优的采区转向接续方式。

综合分析采区转向接续方式的影响因素，提取了9 个指标因子，分别是转向的经济效益、转向过程煤炭价格、转向过程生产成本、转向期间剥离土岩量、转向期间矿石量、剥离土岩平均运距、安全边坡角、转向剥采比、转向推进度和转向过渡时间，将这些指标因子量化，采区转向接续方式指标因子量化表见表1。

表1 采区转向接续方式指标因子量化表

由于表1 中9 种指标因子量纲单位不同，首先要对指标因子根据式（2）进行标准无量纲化处理，采区转向接续方式指标因子标准化处理结果见表2，然后利用标准化处理后的数据分别计算4 个拟采用方案的关联系数，采区各转向接续方案关联系数见表3。

表2 采区转向接续方式指标因子标准化处理结果

根据表3 计算出的各方案的关联系数，计算“L”形方案r1、扇形顺时针方案r2、扇形逆时针方案r3、拉沟方案r4的平均关联系数为：r1=0.588，r2=0.806，r3=0.629，r4=0.743，各方案优劣排序为r2>r4>r3>r1，扇形顺时针采区转向接续方式关联度最高，矿山宜采用该方式作为采区过渡方式。

表3 各转向接续方案关联系数

6 结语

1）灰色关联度法能够有效降低主观因素影响，利用数学模型建立评价体系，计算过程简单高效，评价结果直观、准确。

2）基于灰色关联度法的采区转向评价模型，将各类方案进行了优劣排序，为矿山优选出最适合的转向接续方式，便于矿山企业制定生产规划，提升经济效益，该方法对露天煤矿接续开采具有很强的实用价值。