露天矿采区转向方案评价研究

于海里，王兆刚，孙宇霆

（国家电投集团内蒙古白音华煤电有限公司 露天矿，内蒙古 锡林郭勒 026200）

我国露天矿山煤炭资源赋存的主要特征是多煤层、埋藏厚度较深且多为近水平赋存。对于此类露天矿来说，受限于产量规模、设备规格、开采强度和经济等因素，普遍采用分区开采方式[1-3]，即将开采矿田划分为若干采区，从首采区一次进行开采。采区划分和开采顺序并非一成不变，多数情况是需要随着开采过程被揭露的矿床地质条件而进行修改，以获得最佳开采方式。但影响露天矿采区转向方式确定的因素并非单一，个别因素之间可能存在相互制约关系，是典型的多指标决策分析问题，但目前对露天矿采区转向的研究多为单一指标评价方案，即通过某一个主要因素的优劣来进行合理转向方式的确定，单一指标评价方法往往无法得出最优结果。因此，采用多指标评价体系确定露天矿转向方式，具有十分重要的意义。

1 露天矿采区转向方式

按照露天矿采区过渡期间是否需要重新进行拉沟，可将采区过渡方式分为连续式采区过渡（不需要重新拉沟）和间断式采区过渡（需要重新拉沟）。

1）缓帮留沟转向方式。缓帮留沟转向方式是指将旧采区的端帮恢复成为新采区的工作帮，具有转向基建工程量小、转向期间不需另购生产设备、内排需要留沟和无法实现双环内排等特点。

2）扇形转向方式。扇形转向方式是指工作面围绕某一个中心进行扇形的推进，具有可以实现双环内排、生产剥采比波动较大、内排空间利用充分和生产组织难度加大等特点。

3）“L”型采区过渡方式。所谓“L”型采区过渡是一种将缓帮留沟和扇形采区过渡组合在一起的采区过渡方式，同时具备了缓帮留沟和扇形采区过渡的特点。

4）重新拉沟转向方式。重新拉沟转向方式是指在旧采区临近到界前，在露天矿开采境界内选择初期生产剥采比小、运输距离近的地方重新拉沟进行基建，具有新采区可选位置灵活性大、转向期间运输系统容易布置、新旧采区相互独立和采区转向基建工程大等特点。连续式采区过渡又可分为缓帮留沟转向方式、扇形转向方式和“L”型采区转向3 种方式[4-7]。

2 露天矿采区转向方式影响因素

露天矿采区过渡方式的选择直接关系到采区过渡期间生产能否正常运行并对后续生产影响巨大，也是露天矿生产设计重要环节[8-10]。一般来说，露天矿采区过渡方式的选择主要影响因素如下：

1）露天矿开采工艺。露天矿开采工艺是露天矿采区转向的重要影响因素，露天矿工艺设备、运输方式和开采参数等对采区过渡方式至关重要，不同开采工艺对采区过渡方式的适应程度见表1。

表1 不同开采工艺对采区过渡方式的适应程度

2）露天矿内排方式。扇形采区过渡和重新拉沟采区过渡方式可实现全压帮内排方式，缓帮留沟要求的新采区动工时间较晚，为及时形成正常采掘工作面，采区转向期间只能采用不压帮或半压帮方式。

3）过渡期间资源赋存情况。重新拉沟方式的选择地点为新采区初期生产剥采比小、煤质好、距离工业厂区和外排土场较近的地方，一般情况会与旧采区末端距离较远，会造成煤质波动较大，影响露天矿的煤质搭配，而连续式采区过渡方式新、旧采区工作帮距离较近，则不存在以上问题。

4）土岩外排量。理论上重新拉沟采区过渡方式所产生的外排量最大，缓帮留沟采区过渡产生的外排量最小，扇形采区过渡和“L”型采区过渡介于两者之间。

5）其他因素。对于采用带式输送机采煤系统的露天矿，端帮采煤系统的布置情况也是影响采区过渡方式选择的重要因素。在采区过渡期间不仅要考虑采煤系统的布置情况，同时也要考虑采区过渡期间运输通道和临时存煤场的设置。

3 采区转向方案评价方法

优劣系数法是一种较为有效的多目标决策分析方法，它的核心思想为通过计算各方案的优系数和劣系数，然后根据优、劣系数的大小，逐步淘汰决策方案，最后所剩方案即为最优方案。

1）目标权数确定。常用的目标权数确定方法有简单编码法、环比法和优序图法，本次研究采用优序图法进行分析。优序图法是一个棋盘式表格，将各方案目标的重要性两两对比后在表格上填写相应的数字，重要性用0～5 的整数表示，数值越大，则目标的重要程度也就越大，两目标对比时所填写的数字之和为5。数值填写完毕后，将各行数值相加，归一后所得数值为各目标值得权数。

2）目标值标准化。将各方案最优目标值定为100，最劣目标值定为1，其余目标值标准化按如下式（1）计算：

式中：X为目标标准化数值，X∈（1，100）；A 为最优方案的目标值；B 为最劣方案的目标值；C 为待评估方案的目标值；

3）优系数确定。所谓优系数，是指一个方案优于另一个方案的所有目标权数之和。优系数反应了该方案优的目标个数以及这些目标的重要性，但无法反应该方案优的程度。

4）劣系数确定。由于优系数无法反应某个方案优的具体程度，因此还需要计算各个方案的劣系数。劣系数是通过对比2 个方案的优极差和劣极差进行计算，劣系数＝劣极差/（劣极差＋优极差）。优极差为方案两两对比时，所对应的优势目标中目标值相差值的最大者。同理，劣极差为劣势目标中目标值相差的最大者。

5）最优方案确定。优劣系数法是根据优劣系数逐步淘汰不理想方案。优系数最好标准为1，劣系数最好标准为0，但在实际决策过程中，很难达到上述标准，因此在实际操作过程中，通过逐步降低标准而不断的淘汰方案。最终所剩方案即为最优方案。

4 实例分析

白音华二号矿核定生产能力为1 500 万t/a，剥离生产工艺为单斗-卡车间断工艺和单斗-自移式破碎机-排土机半连续工艺，采煤工艺为单斗-卡车-半固定破碎站和单斗-自移式破碎机半连续工艺。

4.1 方案初选及目标评价

按照内蒙古设计院设计，白音华二号矿共有2个采区。目前，白音华二号矿首采区服务年限不足5年，转向方式的确定迫在眉睫，通过对现场实际情况进行分析，提出了如下3 个转向过渡方案。

1）方案1：重新拉沟转向方案。在二采区南部拉沟，拉沟长度4 000 m，由南向北推进。重新拉沟转向方式示意图如图1。

图1 重新拉沟转向方式示意图

2）方案2：缓帮留沟采区过渡方式。在首采区东部进行缓帮，缓帮区域长度约2 900 m，由西向东推进。缓帮留沟采区过渡方式示意图如图2。

图2 缓帮留沟采区过渡方式示意图

3）方案3：扇形采区过渡方式。工作帮以每年10°～15°的角度向东进行旋转，开采至二采区时，由西向东进行推进。扇形转向过渡方式示意图如图3。

图3 扇形转向过渡方式示意图

考虑到白音华二号矿实际作业情况，确立了7个评价目标，白音华二号矿转方向方案目标值评价模型见表2。

表2 白音华二号矿转向方案目标值评价模型表

4.2 评价目标值处理

1）确定目标权数。根据优序图法确定各目标权数，转向方案各目标权数值表见表3。

表3 转向方案各目标权数值表

2）目标值标准化。外排量、剥离物平均运距、过渡时间、转向期间平均剥采比、重复剥离量数值越小，表示目标值越优，平均工作线长度和内排土场边坡稳定性系数数值越大，表示目标值越优。转向方案目标值进行标准化处理，转向方案目标值标准化表见表4。

3）优系数。根据表4 的结果，将3 个转向方案两两相比，可得出某一方案相对于另外2 个方案的优势项目，在将优势项目所对应的权数进行求和，可以得出各转向方案的优系数，转向方案优系数汇总表见表5。

表4 转向方案目标值标准化表

表5 转向方案优系数汇总表

4）劣系数。根据表4 的结果，将3 个转向方案两两相比，可分别求出某一方案相对于另外2 个方案的优极差和劣极差，由此可求得该方案相对于另外2 个方案的劣系数。转向方案劣系数汇总表如表6。

表6 转向方案劣系数汇总表

5）最优方案确定。通过分析表5 和表6 数据，未出现优系数为1 和劣系数为0 的标准。因此在决策时，需要相应降低评价标准，所选标准为优系数为0.9，劣系数为0.1，由于缓帮过渡方案和扇形过渡方案与重新拉沟方案相比，优系数均大于0.9，则首先排除重新拉沟方案。再次降低评价标准，所选标准为优系数为0.7，劣系数为0.5，扇形过渡方式与缓帮过渡方式相比，优系数大于0.7 并且劣系数小于0.5，则最优方案为扇形过渡方式。

5 结语

以白音华二号矿采区转向为例，建立了外排量、剥离物平均运距以及过渡时间等7 个评价目标模型，通过优劣系数法，最终得出扇形过渡方式为该露天矿最优转向方式。