基于可变权重理想点法的露天矿煤破碎站移设位置优化

郭 强

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

露天矿单斗-卡车+半固定式破碎站半连续工艺综合了连续与间断工艺的特点，解决了卡车运输距离加大造成成本费用增加的问题[1-2]。破碎站作为单斗-卡车间断工艺与带式输送机连接的节点，针对煤破碎站而言，其布置位置决定了运煤卡车运输距离及成本，影响剥离物内排运距及推进，因此，破碎站位置优化对露天矿规划发展，降低成本提高经济效益有重要意义。

现阶段众多学者针对近水平露天矿半连续工艺破碎站布置及移设步距优化研究较多，取得了一定成果，但多数是以费用最小法或费用折算法为原则对破碎站位置及移设步距进行确定[3-7]。然而往往决定破碎站位置的影响因素很多，各因素间相互作用又相互矛盾，通过单指标评价方法很难确定最优方案。合理的确定破碎站位置是对露天矿经济效益的保证，基于可变权重的理想点法是解决多目标决策分析问题的有效方法[8-11]。根据有限评价对象与理想化目标的接近程度进行排序，在现有的对象中进行相对优劣的评价方法。为此，基于露天矿采煤半连续工艺系统概况及各套系统布置位置，针对近期需要移设的三号煤破碎站，结合开采现状，地质条件及开采规划，提出了3 个煤破碎站位置方案，确定多项评价指标，然后建立可变权重理想点法计算模型，通过模型评价最终得出最优的破碎站布置位置方案。

1 露天矿工艺系统概况

1.1 工艺系统布置

扎哈淖尔露天矿剥离采用轮斗连续工艺、单斗-卡车+半固定式破碎站半连续工艺及单斗卡车间断工艺；采煤主要采用单斗-卡车+半固定式破碎站半连续工艺。扎哈淖尔露天矿工艺系统布置示意图如图1。

图1 扎哈淖尔露天矿工艺系统布置示意图

煤半连续破碎系统年生产能力为7.50 Mt/a，共2 套，分别为2006 年11 月投入的一号煤破碎系统和2014 年11 月投入的三号煤破碎系统。

由于露天矿煤层多，且单煤层较薄，倾角（5°～15°）较大等因素，导致部分区域完整煤层台阶较少，所以现在露天矿在工作面采用卡车运输。原煤经工作面移动坑线、端帮运输道路运至煤破碎站，破碎后经带式输送机运送至储煤仓或装车站装车。

1.2 煤破碎站布置位置

1）一号煤破碎站。一号煤破碎站2017 年底位于四号路以西约450 m 处，布置于3-2 煤底板，卸载平台标高为836 m 水平，其主要用于破碎四号路西部工作帮开采的煤炭，根据采掘场及内排土场工程位置发展，预计6～8 年之内不需要移设。一号煤破碎站位置示意图如图2。

图2 一号煤破碎站位置示意图

2）三号煤破碎站。三号煤破碎站位于四号路东侧约600 m 处，布置于3-2 煤底板，卸载平台标高为872 m 水平，采用横采方式推进的4 煤组上部台阶距离三号煤破碎站约370 m，根据推进强度，2019年三号煤破碎站位置影响横采台阶向西推进，因此三号煤破碎站在2019 年上半年进行了移设。三号煤破碎站位置示意图如图3。

图3 三号煤破碎站位置示意图

2 三号煤破碎站移设方案

三号煤破碎站布置位置方案示意图如图4。

图4 三号煤破碎站布置位置方案示意图

1）方案1：布置在四号路西侧南端帮860 m 水平上。将三号煤破碎站布置在四号路西侧南端帮860 m 水平上，该破碎站主要服务四号路以东煤炭，破碎站底部不压煤，从2019—2023 年煤炭运输重心位于采场东部，布置于该位置时能够保证煤炭运输距离较小，考虑内排影响该位置服务年限为4～5年，彻底转向完成向西开采前需要二次移设；该方案会导致860 m 水平以上部分空间不能进行内排，占用一定的内排空间，但是占用比例较小。

2）方案2：布置在一号煤破碎站西侧4 煤底板836 m 水平。将三号煤破碎站布置在一号煤破碎站西侧4 煤底板836 m 水平，破碎站底部不压煤；方案2 位置处于西端帮附近，而西端帮转向之前处于缓帮状态，每年推进强度不大，破碎站不需向前移设，此位置能保证破碎站服务年限达6～8 年，能够满足露天矿发展要求；方案2 位置会占压矿坑西部一定的内排空间，该方案布置位置继续向北移设会加大对内排的影响，同时提升带式输送机布设困难。煤炭由工作帮运输可经西端帮相应水平运输到破碎站卸载，也可经一号煤破碎站西侧端帮道路运输到破碎站卸载，运输系统布置通畅。

3）方案3：布置在西端帮872 m 水平。将三号破碎站布置在西端帮872 m 水平，该位置占用较小内排空间，在西帮缓帮过程中压占煤炭资源，该位置能够保证破碎站移设后服务年限达6～8 年；因为破碎站布置水平较高，所以煤炭运输提升高度较大，而且煤炭由工作面运输只能经过西端帮运输至破碎站卸载，初期煤炭重心处于采掘场东部，导致煤炭运输距离较大。

3 可变权重理想点法计算模型

3.1 可变权重的理想点法

影响破碎站布置位置有多种因素，且各种因素的影响程度不同，最终导致对布置位置产生不同的影响，结合各指标考虑对各种影响因素赋予不同的综合权重。在标准理想点法的基础上增加指标权重影响后形成了可变权重的理想点法。

对指标权重的确定要考虑2 个方面的因素：①不同因素对煤破碎站布置位置的影响程度，可由层次分析法确定，为主观权重（常权）；②在常权基础上，结合同一指标的不同数值，采用加权平均法确定综合权重，即变权。

3.2 模型及计算步骤

3.2.1 评价指标矩阵及其标准化

一个评价对象A，假设有n 个评价指标，以xi表示第i 个指标的实际取值，w1表示第i 个指标的综合权重，则评价对象A 的指标矩阵可写为：

以yi表示第i 个指标的标准化取值结果，采用归一化法对各项指标进行标准化，计算公式如下：

根据式（2），标准化之后评价对象A 的指标矩阵如下：

3.2.2 确定指标权重

式中：wi为第i 个指标的综合权重；为第i 个指标的主观权重；a 为变权类型控制系数，根据指标对评价结果的支持程度确定，当0≤a＜1 时，wi为惩罚型变权，当a＞1 时，wi为奖励型变权，当a=1 时，wi为常权。

3.2.3 确定理想点评价函数及贴近度

评价指标矩阵Y=f yi（）。采用欧氏距离法作为理想点评价函数，即到正、负理想点的距离分别为：

式中：f yi（）为指标矩阵计算结果；为正理想点距离；为负理想点距离。

以L 表示理想点贴近度，计算方法如下：

L 在0～1 之间取值，越接近1 说明方案越优，越接近0 说明越差。

3.3 模型求解及最优方案

将三号煤破碎站3 种布置位置方案作为评价对象，建立了含有8 个评价指标的指标矩阵，煤破碎站布置评价指标矩阵见表1。

表1 煤破碎站布置评价指标矩阵

首先根据式（2）归一化方法对表1 各项指标数据进行标准化处理，标准化指标矩阵见表2。

表2 标准化指标矩阵

表3 变权指标矩阵

结合表3，按照式（5）～式（7）计算出各指标因素的正、负理想点距离及贴近度，指标参数的正负理想点距离见表4。

表4 指标参数的正负理想点距离

根据表4 中得出的贴近度数值以及上述判断各方案优劣的原则可知，方案2 的贴近度更接近于1，所以方案2 为煤破碎站布置位置的最终方案。

4 结语

基于扎哈淖尔露天煤矿现有采煤半连续工艺系统布置概况，根据开采程序变化及采矿工程发展，分别对2 个煤破碎站移设情况进行了分析，最终确定一号煤破碎站短期内不需要移设，三号煤破碎站在2019 年上半年进行移设，并针对三号煤破碎站提出3 个移设位置方案。

基于可变权重的理想点法计算模型建立8 个指标因素的评价矩阵，采用层次分析法计算主观权重，考虑指标对结果支持程度赋予变权系数得出综合权重，按照模型过程计算得出方案2 的贴近度为0.715 0，最接近于1，所以最终确定方案2 为理想的三号煤破碎站布置位置，即布置于西坑4 煤底板836 m水平。