趙紅澤，李志偉，孫健東，張瞾，郭心靈，張善之，馬明東

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.華北科技學(xué)院，河北三河 065201

黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗，是我國(guó)五大露天煤礦之一。為了滿足黑岱溝露天煤礦對(duì)高產(chǎn)能、低成本和高效益的發(fā)展要求，在不斷提高采礦技術(shù)的同時(shí)，開采設(shè)備向著大型化、成套化發(fā)展[1]。2003年黑岱溝露天煤礦對(duì)拉斗鏟倒堆工藝技術(shù)做了改造，2007年11月開始使用斗容90 m3、最大作業(yè)半徑100 m的國(guó)外進(jìn)口拉斗鏟進(jìn)行巖石剝離工作[2]。

拉斗鏟倒堆剝離工藝是一種先進(jìn)的露天開采工藝，集采掘、運(yùn)輸、排土三項(xiàng)作業(yè)于一體[3]，具有生產(chǎn)能力大、成本低、環(huán)節(jié)少、便于集中管理、對(duì)剝離物巖性適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[4]，同時(shí)拉斗鏟采用電力驅(qū)動(dòng)，可以節(jié)約燃油，保護(hù)環(huán)境。但拉斗鏟是一種大型的采礦設(shè)備，其重量大、行走緩慢、不易頻繁調(diào)動(dòng)，因此拉斗鏟倒堆開采工藝的使用受到煤層埋藏條件的嚴(yán)格限制，它僅適宜在煤層埋藏為近水平或緩傾斜的露天煤礦應(yīng)用[5-6]。

根據(jù)黑岱溝露天煤礦目前的產(chǎn)量規(guī)模與開采技術(shù)條件推算，二采區(qū)采煤工作面于2019年年初推進(jìn)至煤層斷陷帶影響區(qū)域。斷陷帶的存在，必然會(huì)造成煤層賦存的穩(wěn)定性與連續(xù)性遭到破壞，使爆破作業(yè)、巖土剝離、采煤作業(yè)、開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置不能按正常開采作業(yè)區(qū)域設(shè)計(jì)與施工，工藝適應(yīng)性變差，無(wú)法保證過(guò)斷陷帶期間原煤產(chǎn)量和正常生產(chǎn)接續(xù)的完成，[7]礦山企業(yè)效益也無(wú)法保障[8]。圖1所示為斷陷帶區(qū)域斷層發(fā)育情況。

圖1 斷陷帶區(qū)域斷層發(fā)育情況Fig.1 Fault development in the fault zone

1 開采方案的提出

依據(jù)黑岱溝露天煤礦的煤巖賦存條件、礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀、工藝設(shè)備類型等因素，提出3種技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的開采方案。

1.1 方案1：拋擲爆破-拉斗鏟倒堆+單斗卡車

此方案為黑岱溝露天煤礦現(xiàn)有方案，巖土剝離區(qū)域總工作線長(zhǎng)度約為2 300 m，其中拉斗鏟作業(yè)區(qū)為1 800 m，拉斗鏟在作業(yè)區(qū)南北翼交替作業(yè)，而目前北翼工作線較南翼工作線超前兩幅；單斗作業(yè)區(qū)為500 m，巖土剝離物經(jīng)南幫直接運(yùn)往內(nèi)排土場(chǎng)。

拉斗鏟作業(yè)區(qū)原煤運(yùn)輸由南北翼中間運(yùn)煤通道折返內(nèi)排土場(chǎng)后，再經(jīng)北幫直接運(yùn)往1號(hào)、2號(hào)及5號(hào)破碎站。單斗作業(yè)區(qū)原煤運(yùn)輸，由拉斗鏟作業(yè)區(qū)南翼與單斗作業(yè)區(qū)交界處折返內(nèi)排土場(chǎng)后，再匯入拉斗鏟作業(yè)區(qū)原煤運(yùn)輸路線，最后經(jīng)北幫直接運(yùn)往1號(hào)、2號(hào)及5號(hào)破碎站，如圖 2所示。

圖2 拋擲爆破-拉斗鏟倒堆+單斗卡車工藝示意圖Fig.2 Blast casting-dragline stripping+shovel truck technology plan

1.2 方案2：?jiǎn)味房ㄜ?拋擲爆破-拉斗鏟倒堆

方案2考慮方案1拋擲爆破拉斗鏟倒堆工藝不適宜在斷陷帶區(qū)域作業(yè)的情況，將第二采區(qū)北部斷陷帶影響長(zhǎng)度737 m的區(qū)域采用單斗卡車工藝作業(yè)。剩余部分采用拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝作業(yè)，北部單斗卡車工藝與南部拋擲爆破-拉斗鏟倒堆共同構(gòu)成黑岱溝第二采區(qū)過(guò)斷陷帶期間的雙區(qū)協(xié)調(diào)開采方案，如圖3所示。

圖3 單斗卡車+拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝示意圖Fig.3 Shovel truck+blast casting-dragline stripping technology plan

1.3 方案3：?jiǎn)味房ㄜ?拋擲爆破-拉斗鏟倒堆+單斗卡車

方案3考慮到方案1與方案2的不足，設(shè)計(jì)將第二采區(qū)北部斷陷帶影響長(zhǎng)度約737 m的區(qū)域采用單斗卡車工藝作業(yè)，中部約1 063 m采用拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝作業(yè)，南部500 m區(qū)域采用單斗卡車工藝作業(yè)，構(gòu)成黑岱溝第二采區(qū)過(guò)斷陷帶期間開采方案(圖4)。

圖4 單斗卡車+拋擲爆破-拉斗鏟倒推+單斗卡車工藝示意圖Fig.4 Shovel truck+blast casting-dragline stripping+shovel truck technology plan

2 AHP-理想點(diǎn)法原理

開采方案的優(yōu)劣關(guān)系著露天礦山一系列經(jīng)濟(jì)技術(shù)安全問(wèn)題。影響開采方案選擇是否合理的因素很多，包括礦山煤巖賦存地質(zhì)條件、礦山現(xiàn)有設(shè)備工藝、開采現(xiàn)狀等。從數(shù)學(xué)學(xué)科角度分析，該問(wèn)題為多屬性決策問(wèn)題。求解多屬性決策問(wèn)題常用的方法有簡(jiǎn)單加權(quán)法、層次分析法、TOPSIS法及灰色關(guān)聯(lián)法等。本節(jié)建立了一個(gè)基于AHP-理想點(diǎn)法的評(píng)價(jià)模型，將層次分析法與理想點(diǎn)法融合使用，即運(yùn)用AHP法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用理想點(diǎn)法進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)值的規(guī)范化處理和排序計(jì)算，最后確定最優(yōu)的采礦方法[9]。AHP-理想點(diǎn)法建立過(guò)程如下：

2.1 構(gòu)建多指標(biāo)決策方案集

設(shè)多指標(biāo)決策方案集為

A={a1，a2，…，an}

衡量方案優(yōu)劣的指標(biāo)向量為

X={x1，x2，…，xn}

此時(shí)方案集A中的每個(gè)方案ai=(i=1，2，…，m)的n個(gè)指標(biāo)值構(gòu)成的向量，它作為n維空間中的一個(gè)點(diǎn)，能夠唯一地表征方案ai。

2.2 利用向量規(guī)范化的方法構(gòu)造規(guī)范化決策矩陣

設(shè)多指標(biāo)決策問(wèn)題預(yù)處理后的決策矩陣

X=(xij)m×n

規(guī)范化決策矩陣

Y=(yij)m×n

則

(1)

(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)

2.3 各指標(biāo)權(quán)重的確定

(1) 構(gòu)造判斷矩陣。假設(shè)集合C為評(píng)價(jià)對(duì)象集，P為評(píng)價(jià)指標(biāo)集，分析P中的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)間的層次關(guān)系。根據(jù)評(píng)判指標(biāo)間的層次關(guān)系，構(gòu)造各層次、各部分指標(biāo)的判斷矩陣。設(shè)判斷矩陣B=bij，bij表示評(píng)判指標(biāo)i相對(duì)于評(píng)判指標(biāo)j的重要程度。采用模糊語(yǔ)言算子的九標(biāo)度法描述不同目標(biāo)之間的相對(duì)重要程度[10]，建立1—9級(jí)判斷尺度并計(jì)算各層次中各因素的權(quán)重。判斷矩陣標(biāo)度定義見(jiàn)表1。

表1 判斷矩陣標(biāo)度定義

注： 2、4、6、8為相鄰判斷的中間值，實(shí)際中不好操作，意義不大。

由傳統(tǒng)的1—9標(biāo)度可得到傳統(tǒng)初始判斷矩陣

B=(bij)n×n

式中，bij為判斷矩陣B的第i行、第j列元素；n為判斷矩陣階數(shù)。

判斷矩陣見(jiàn)表2。

表2 判斷矩陣

(2) 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重及一致性檢驗(yàn)。對(duì)于判斷矩陣A在求出判斷矩陣后，本研究使用 Matlab2016a 軟件對(duì)判斷矩陣B進(jìn)行運(yùn)算，求其最大特征值以及特征向量。求解過(guò)程中調(diào)用eig函數(shù)，即采用全部特征值函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。此外，在對(duì)判斷矩陣進(jìn)行求解時(shí)，要對(duì)判斷矩陣一致性進(jìn)行判斷，以確定所求權(quán)重是否合理。一般矩陣一致性檢驗(yàn)通過(guò)判斷矩陣的最大特征值λmax來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式為

(2)

式中，CR為一致性比例；CI為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(取值見(jiàn)表3)。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

在求得CI后，根據(jù)判斷矩陣一致性比例CR最終確定判斷矩陣是否具有一致性。當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，說(shuō)明權(quán)重分配是合理的；否則，就必須調(diào)整判斷矩陣，直到具有滿意的一致性為止。

2.4 構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣C=(Cij)m×n

運(yùn)用層次分析法確定各評(píng)判指標(biāo)權(quán)重為

W=(W1，W2，…，Wn)T

則

Cij=WjXij(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)

(3)

2.5 確定正理想解C*和負(fù)理想解C0

(4)

正理想解C*是一個(gè)方案集A中并不存在的虛擬的最佳方案，它的每個(gè)指標(biāo)值都是決策矩陣中該指標(biāo)的相對(duì)最好值；而負(fù)理想解C0則是虛擬的最差指標(biāo)方案，它的任意一個(gè)指標(biāo)值都是決策矩陣中該指標(biāo)的最差值。

2.6 計(jì)算各方案與理想值之間的歐式距離

(5)

(6)

2.7 計(jì)算每個(gè)待評(píng)價(jià)樣本的評(píng)價(jià)參考值(各方案相對(duì)貼近度)

(7)

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確定

對(duì)開采程序進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)中，若評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)多，可能會(huì)有某些是重復(fù)的，造成互相干擾；若評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)少，可能會(huì)漏掉一些有效影響因素，指標(biāo)會(huì)片面，缺乏足夠的說(shuō)服力。因此，在構(gòu)建開采程序評(píng)價(jià)指標(biāo)體系過(guò)程中，應(yīng)遵循獨(dú)立性、系統(tǒng)性、可測(cè)性、一致性、可比性、科學(xué)性原則[11]。

影響開采程序的因素很多，本文依照評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建過(guò)程中應(yīng)遵循的原則，以及黑岱溝二采區(qū)過(guò)斷陷帶的特殊地質(zhì)條件，開采方案選擇如下8項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)：

(1) 輔助工程量(P1)。利用3D Mine軟件將新方案需要重新設(shè)計(jì)施工的位置進(jìn)行塊體算量，得出輔助工程量。

(2) 綜合運(yùn)輸功(P2)。P2反映運(yùn)輸效能，是評(píng)價(jià)卡車運(yùn)輸?shù)闹匾笜?biāo)。利用3D Mine軟件統(tǒng)計(jì)待剝離各個(gè)塊段物料體積，量取每一塊段單一運(yùn)距，最終確定綜合運(yùn)輸功。

(3) 內(nèi)排綜合運(yùn)距(P3)。P3是指全部的自營(yíng)單斗-卡車臺(tái)階剝離排棄運(yùn)輸?shù)木C合運(yùn)距。將各個(gè)塊段單一運(yùn)距的體積力進(jìn)行加權(quán)平均，得到內(nèi)排綜合運(yùn)距。

(4) 不能夠滿足鉆機(jī)作業(yè)坡度要求的區(qū)域面積(P4)。坡度未滿足鉆機(jī)作業(yè)要求，需要調(diào)整坡度，會(huì)增加設(shè)備輔助作業(yè)工作量。通過(guò)對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行切割剖面，量取不滿足坡度要求的區(qū)域面積。

(5) 斷層與兩礦交界處松散物料對(duì)設(shè)備的影響(P5)。松散物料會(huì)增加卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)分析兩礦交界處的物料內(nèi)排造成鉆機(jī)作業(yè)站立于松散物料上的面積，確定其影響范圍。

(6) 拉斗鏟升降段次數(shù)(P6)。升降段次數(shù)的多少將影響拉斗鏟作業(yè)效率。拉斗鏟作業(yè)坡度應(yīng)小于3%，走行坡度應(yīng)小于10%。通過(guò)分析臺(tái)階剖面數(shù)據(jù)可以得出拉斗鏟升降段次數(shù)。

(7) 斷陷帶區(qū)域高臺(tái)階穩(wěn)定性(P7)。礦山生產(chǎn)安全是最重要的，不同的方案能否將斷陷帶區(qū)域高臺(tái)階滑坡危險(xiǎn)消除或降到最低，是評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。

(8) 設(shè)備作業(yè)安全性(P8)。由于斷陷帶的存在，斷陷帶區(qū)域內(nèi)斷層發(fā)育，地質(zhì)情況復(fù)雜，存在滑坡的危險(xiǎn)；穿孔爆破作業(yè)及高臺(tái)階下采掘作業(yè)的設(shè)備存在安全隱患。

開采方案選擇的層次結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 開采方案選擇的層次結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Mining plan selection hierarchy model

根據(jù)三維建模算量、模擬開采及專家評(píng)判確定各方案指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 各方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

注：“斷陷帶區(qū)域高臺(tái)階穩(wěn)定性”、“設(shè)備作業(yè)安全性”兩個(gè)指標(biāo)由專家評(píng)判，其中“好”取值 2，“較好”取值1.5，“一般”取值1，“較差”取值0.5，“差”取值0。

將表4中各指標(biāo)根據(jù)式(1)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各方案歸一化后評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

根據(jù)層次分析法的基本原理，查閱大量文獻(xiàn)，并與現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員、有關(guān)專家學(xué)者商討，分別對(duì)目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層中各個(gè)因素的重要性進(jìn)行兩兩比較，經(jīng)整理后得各判斷矩陣。運(yùn)用Matlab軟件計(jì)算各個(gè)判斷矩陣的最大特征值和其對(duì)應(yīng)的歸一化向量，并檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性，確定的權(quán)重結(jié)果見(jiàn)表6至表9。

表6 A-C判斷矩陣

計(jì)算得λmax= 3.038 5，經(jīng)一致性檢驗(yàn)CR= 0.037 0<0.10，滿足要求。

表7 C1-P判斷矩陣

計(jì)算得λmax=3.085 8，經(jīng)一致性檢驗(yàn)CR= 0.082 5<0.10，滿足要求。

表8 C2-P判斷矩陣

計(jì)算得λmax=3.038 5，經(jīng)一致性檢驗(yàn)CR= 0.037 0<0.10，滿足要求。

表9 C3-P判斷矩陣

計(jì)算得λmax=2，經(jīng)一致性檢驗(yàn)CR=0<0.10，滿足要求。

各指標(biāo)權(quán)重最終總排序見(jiàn)表10。

表10 各指標(biāo)最終權(quán)重

對(duì)規(guī)范化后的指標(biāo)值賦權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 各方案指標(biāo)賦權(quán)重

根據(jù)公式(4)確定正理想解、負(fù)理想解，見(jiàn)表12。

表12 各指標(biāo)的正、負(fù)理想解值

由式(5)、式(6)計(jì)算得各方案與正理想解和負(fù)理想解的距離：

由式(7)計(jì)算各方案與正理想點(diǎn)的貼近度見(jiàn)表13。

表13 各方案貼近度及排序Tab.13 Approach degree of each ideal solution in each plan

綜上所述，方案3即單斗卡車+拋擲爆破-拉斗鏟倒推+單斗卡車工藝方案是最優(yōu)開采方案。

4 結(jié) 論

(1) 依據(jù)黑岱溝露天煤礦的煤巖賦存條件、礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀、工藝設(shè)備類型等因素，提出3種技術(shù)可行的開采方案。

(2) 運(yùn)用AHP建立黑岱溝露天煤礦過(guò)斷陷帶期間各方案綜合評(píng)價(jià)體系，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全3個(gè)方面確定了8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并運(yùn)用AHP計(jì)算出各指標(biāo)滿足一致性檢驗(yàn)的合理權(quán)重值。

(3) 運(yùn)用AHP和理想點(diǎn)法的基本理論建立了AHP-理想點(diǎn)法的綜合評(píng)價(jià)模型，通過(guò)對(duì)不同開采程序方案的優(yōu)選，確定采用單斗卡車工藝+拋擲爆破-拉斗鏟倒推工藝+單斗卡車工藝方案為黑岱溝二采區(qū)過(guò)斷陷帶最優(yōu)開采方案。