石人溝露天轉(zhuǎn)地下采礦方法模糊綜合評(píng)判

石人溝露天轉(zhuǎn)地下采礦方法模糊綜合評(píng)判

隨著平坦資源的逐漸匱乏，中國(guó)許多金屬礦山都處于一定的露天開(kāi)采狀態(tài)。為了順利進(jìn)行和安全轉(zhuǎn)移，采礦方法的選擇非常重要。露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采是集露天和地下兩種工藝要素為一體的綜合性技術(shù)。這種技術(shù)可以充分回收礦產(chǎn)資源,提高經(jīng)濟(jì)效益,更是一種經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行的資源回收方法。目前,石人溝鐵礦主要采用淺孔留礦法,礦塊生產(chǎn)能力低;鑿巖爆破參數(shù)不合理,大塊多,二次破碎工作量大;出礦多采用人工裝車,裝車效率低,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大;(為提高產(chǎn)量)同時(shí)作業(yè)的礦塊數(shù)較多,通風(fēng)、管理等效果不理想,從而造成過(guò)渡期產(chǎn)量無(wú)法銜接、機(jī)械化程度低、工作環(huán)境差。同時(shí),露天開(kāi)采工作已經(jīng)結(jié)束,不會(huì)對(duì)地下開(kāi)采構(gòu)成干擾,但必須保證露天邊坡的穩(wěn)定,且便于邊坡下殘留礦體、境界礦柱、過(guò)渡中段的礦柱以及主運(yùn)輸巷道的積壓礦量回收。由此看出,露天轉(zhuǎn)地下采礦方法的優(yōu)化選擇是一個(gè)涉及多層次、多因素、多目標(biāo)、多指標(biāo)的決策過(guò)程。對(duì)于這樣復(fù)雜的工程,由于地質(zhì)資料的誤差、某些價(jià)格指標(biāo)的不確定性、只能定性而不能定量描述的影響因素以及不可預(yù)見(jiàn)的各方面因素等,使得最佳開(kāi)采模式的選擇具有極大的模糊性、隨機(jī)性和未知性。它的推理、判斷大多是模糊推理、模糊判斷,因而做出的決策也是模糊決策。目前,有些系統(tǒng)工程將模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用于方案的選擇中,為在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中把那些只能定性描述的模糊概念、模糊推理、模糊判斷及模糊決策數(shù)學(xué)化、定量化提供了理論依據(jù)。但是,該原理很少應(yīng)用于采礦方法的選擇,且僅利用模糊數(shù)學(xué)理論無(wú)法確定復(fù)雜的指標(biāo)體系的權(quán)重。層次分析法能夠把復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的各因素,通過(guò)劃分相互聯(lián)系的各有序?qū)哟?使之條理化,根據(jù)對(duì)一定客觀現(xiàn)實(shí)的判斷就每一層次相對(duì)重要性給予定量表示,利用數(shù)學(xué)方法確定表達(dá)每一層次的全部元素的相對(duì)重要次序的權(quán)值。本研究將層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論結(jié)合起來(lái)應(yīng)用到開(kāi)采模式選擇這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程中,建立采礦方法綜合評(píng)判模型,用層次分析法客觀地確定各因素的權(quán)重,再根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論建立模糊綜合評(píng)判,從而確定露天轉(zhuǎn)地下的最優(yōu)采礦方法。1分層次的指標(biāo)體系采礦方法優(yōu)化選擇是一個(gè)系統(tǒng)工程,建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)工作,其科學(xué)合理性直接影響著評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中,既有定量的參數(shù),又有定性的參數(shù),各因素之間相互影響、相互制約。在評(píng)價(jià)對(duì)象及因素的選擇基礎(chǔ)上,根據(jù)模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)建分層次的指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系共分為3個(gè)層次,分別是目標(biāo)層P,第一指標(biāo)層Pi,第二指標(biāo)層Pij。綜合評(píng)價(jià)(P)的指標(biāo)體系:一是開(kāi)拓系統(tǒng)(P1),由于開(kāi)拓系統(tǒng)已經(jīng)形成,在評(píng)定時(shí)只能評(píng)價(jià)不同的開(kāi)采模式對(duì)現(xiàn)有開(kāi)拓系統(tǒng)的適應(yīng)性,即方案靈活適應(yīng)性(P11);二是采礦方法(P2),包括采充總成本(P21),采場(chǎng)生產(chǎn)能力(P22),礦石損失率(P23),礦石貧化率(P24),采切比(P25),采空區(qū)最大暴露面積(P26),通風(fēng)條件(P27),實(shí)施難易程度(P28);三是邊坡穩(wěn)定性(P3),包括井下最大涌水量(P31)、炸藥單耗(P32)、地質(zhì)構(gòu)造(P33)(用地質(zhì)構(gòu)造表征巖體結(jié)構(gòu)弱面分析)。2通過(guò)層次分析法確定影響因素的權(quán)重向量建立了遞階層次綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)后,需要運(yùn)用層次分析法解決決策中各因素的權(quán)重分配問(wèn)題。2.1生成判斷矩陣的步驟在AHP的使用過(guò)程中,無(wú)論是建立層次結(jié)構(gòu)還是構(gòu)造判斷矩陣,人的主觀判斷、選擇、偏好對(duì)結(jié)果的影響極大,判斷失誤都會(huì)造成決策失誤,這就使得用AHP進(jìn)行決策主觀成分很大。AHP的本質(zhì)是試圖使人的判斷條理化,但所得到的結(jié)果基本依據(jù)人的主觀判斷,當(dāng)決策者的判斷受過(guò)多的主觀偏好影響,而產(chǎn)生某種對(duì)客觀規(guī)律的歪曲時(shí),運(yùn)用AHP計(jì)算所得的結(jié)果顯然就靠不住。要使AHP的決策結(jié)論盡可能符合客觀規(guī)律,決策者必須對(duì)所面臨的問(wèn)題有比較深入和全面的認(rèn)識(shí)。本研究構(gòu)造判斷矩陣時(shí)(表1),通過(guò)查閱大量文獻(xiàn),并請(qǐng)教了大量的現(xiàn)場(chǎng)工作者以及一些相關(guān)的專家學(xué)者,分析了露天轉(zhuǎn)地下采礦方法優(yōu)化選擇的特點(diǎn)。(1)判斷矩陣P-Pi的元素按行相乘,得到各行元素乘積Mi:Μi=n∏j=ΙWij.(1)Mi=∏j=InWij.(1)(2)計(jì)算Mi的n次方根:ˉWi=3√Μi.(2)Wˉˉˉˉi=Mi???√3.(2)(3)對(duì)向量ˉWWˉˉˉˉ正規(guī)化,得:Wi=ˉWi/n∑j=1ˉWj.(3)(4)計(jì)算判斷矩陣的最大特征根:λmax=n∑i=1(DW)inWi.(4)(5)求判斷矩陣的一致性指標(biāo)CR:CR=CΙ/RΙ.(5)CR<0.10,說(shuō)明判斷矩陣具有滿意的一致性,這樣就完成了P-Pi判斷矩陣的層次單排序計(jì)算。同理,可得P2-P2j,P3-P3j判斷矩陣。各二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)如下:2.2ahp影響因素分析由CR=0.0549<0.1可知,層次總排序計(jì)算結(jié)果(表4)具有滿意的一致性。至此,通過(guò)AHP對(duì)各種影響因素分析后,可以清楚地了解影響露天轉(zhuǎn)地下采礦方法選擇重要程度分布情況,這就有利于從整體上合理地把握影響重要性因素,為科學(xué)合理地選擇最優(yōu)采礦方法做好前期的準(zhǔn)備工作。層次總排序權(quán)值見(jiàn)表2。2.3基于相對(duì)二元比較的重要性分析定量指標(biāo)的隸屬度由隸屬函數(shù)法確定,非定量指標(biāo)采用相對(duì)二元比較法確定。(1)針對(duì)定量指標(biāo)所采用隸屬函數(shù)法,是指對(duì)n個(gè)方案的m個(gè)指標(biāo)組成目標(biāo)特征值矩陣:Y=[y11y12?y1ny21y22?y2n????ym1ym2?ymn](i=1?2???m；j=1?2???n).定量指標(biāo)可以分為收益性指標(biāo)與消耗性指標(biāo)兩類。對(duì)于收益性指標(biāo),指標(biāo)值越大越好;對(duì)于消耗性指標(biāo),指標(biāo)越小越好。則目標(biāo)的相對(duì)隸屬度公式如下:收益性指標(biāo)公式rij=yij/maxyij;消耗性指標(biāo)公式rij=minyij/yij.對(duì)其進(jìn)行正一化,得到目標(biāo)相對(duì)隸屬度矩陣R=[r11r12?r1nr21r22?r2n????rm1rm2?rmn]=(rij)(i=1?2???m；j=1?2???n).(2)針對(duì)非定量指標(biāo),采用相對(duì)二元比較法。設(shè)系統(tǒng)有待進(jìn)行重要性比較的目標(biāo)因素集X={X1?X2?X3????Xm}?研究目標(biāo)集X中的目標(biāo)就“重要性”進(jìn)行二元對(duì)比的定性排序。目標(biāo)集中的目標(biāo)Xk與Xl作二元對(duì)比,即若Xk比Xl重要,令排序標(biāo)度ekl=1,elk=0;Pk與Pl同樣重要,令ekl=0.5,elk=0.5;Pl比Pk重要,令ekl=0,elk=1(k,l=1,2,…,m)。由此可得二元比較矩陣:E=[e11e12?e1ne21e22?e2n????em1em2?emn].當(dāng)0≤eij≤1,eij+eji=1,eij=eji=0.5(i=j)時(shí),稱矩陣E為關(guān)于重要性的有序二元比較矩陣,eij為目標(biāo)i對(duì)j關(guān)于重要性作二元比較時(shí),目標(biāo)i對(duì)于j的重要性模糊標(biāo)度;eji為目標(biāo)j對(duì)于i的重要性模糊標(biāo)度。將此矩陣按行排序,則βi=m∑i=1βij(i≠j?i=1?2???m)?序號(hào)表示了目標(biāo)的相對(duì)重要性,根據(jù)排序查語(yǔ)氣算子與定量標(biāo)度表(見(jiàn)表3),可得到非定量指標(biāo)的隸屬度。3充填采礦方案綜合評(píng)價(jià)結(jié)果現(xiàn)針對(duì)石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下采礦方法的選擇,運(yùn)用上述方法進(jìn)行綜合評(píng)判。露天礦轉(zhuǎn)地下的采礦方法有空?qǐng)龇ā⒊涮罘氨缆浞ǖ?而適合石人溝鐵礦的采礦方法有無(wú)底柱分段崩落法、分段鑿巖階段出礦法、分段鑿巖階段出礦嗣后充填法、上向水平分層充填法等4種采礦方法。采用建立的露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采模式綜合評(píng)判模型對(duì)擬選用的4種采礦方法進(jìn)行綜合評(píng)判,綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表4。其中地質(zhì)構(gòu)造因素為定性表達(dá)的因素,根據(jù)表5評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定,規(guī)定Ⅰ級(jí)評(píng)8分、Ⅱ級(jí)6分、Ⅲ級(jí)4分、Ⅳ級(jí)2分;由于不同的采礦方法爆破當(dāng)量不一樣,炸藥單耗大的,爆破當(dāng)量大,因此在評(píng)定井下爆破當(dāng)量時(shí),用炸藥單耗來(lái)評(píng)價(jià)。結(jié)合石人溝鐵礦情況,運(yùn)用收益性與消耗性定量指標(biāo)的隸屬函數(shù)法對(duì)指標(biāo)體系中的9個(gè)定量指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)二元比較法及語(yǔ)氣算子與定量標(biāo)度表5,可得:(1)根據(jù)各采礦方案靈活適應(yīng)性的特點(diǎn),得特征向量矩陣則Ru25=[0.500010.50.50.5110.5110.50.50.5][0.52.53.52.5]?Ru26=[0.500010.500110.50.5110.50.5][0.51.532]?則隸屬度矩陣Ru27=[0.500010.500110.50.5110.50.5][0.51.533]?則隸屬度矩陣R27=[0.0260.2900.9750.975].綜合以上可得到綜合隸屬度矩陣:R=[0.02600.87501.00000.87501.0000.87500.66670.50911.00000.93850.98420.48750.88660.74850.88661.00000.12140.39080.40001.00000.46330.78850.61891.00001.00000.02900.97500.97500.02600.29000.97500.97500.02600.29000.97500.97500.87150.93591.00001.00000.50000.40000.40001.00001.00001.00001.00001.0000].由評(píng)價(jià)矩陣R(隸屬度矩陣)以及因素權(quán)重P,得方案集A的綜合評(píng)價(jià)為B=UR=(W1?W2?W3???Wm)?[r11r12?r1nr21r22?r2n????rm1rm2?rmn]=(b1?b2?b3???bn)?(6)這里,bj=m∑k=1Ukrkj表示方案Aj的綜合滿意度或綜合優(yōu)越度。由以上確定的權(quán)重向量及指標(biāo)隸屬度矩陣可得方案集A的綜合評(píng)判向量為B=ΡR=(0.45820.84320.89880.8075).綜上可得各方案的綜合優(yōu)越度為:方案Ⅲ,89.88%;方案Ⅱ,84.32%;方案Ⅳ,80.75%;方案Ⅰ,45.82%。則方案中,崩落法遠(yuǎn)劣于空?qǐng)龇俺涮罘?其優(yōu)劣次序?yàn)榉桨涪?gt;Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ,且方案Ⅲ(分段鑿巖階段出礦嗣后充填法)最優(yōu),為最優(yōu)采礦方法。將選擇的最優(yōu)采礦方法運(yùn)用到石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下的生產(chǎn)實(shí)踐中:工人在小斷面巷道中工作,回采工作比較安全;回采強(qiáng)度比較大,在一個(gè)采場(chǎng)內(nèi),工作面比較多。因此,用該采礦方法開(kāi)采時(shí),采場(chǎng)可以相對(duì)少一些;工作循環(huán)比較簡(jiǎn)單,通風(fēng)條件好;使用無(wú)軌設(shè)備出礦,生產(chǎn)能力大;運(yùn)用嗣后充填,很好地控制了地壓,同時(shí)極大地提高了礦石的回收,滿足石人溝露天轉(zhuǎn)地下平穩(wěn)過(guò)渡的需要。通過(guò)石人溝礦山的生產(chǎn)實(shí)踐,驗(yàn)證了本方法的實(shí)用性,有效地降低了采礦成本,采場(chǎng)安全、穩(wěn)定性好,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也優(yōu)于類似礦山,取得了良好的效果,為其他礦山露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采模式的選擇提供了借鑒。4應(yīng)用綜合評(píng)判模型的方法(1)針對(duì)金屬礦山露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采這一特定條件,構(gòu)建了石人溝露天轉(zhuǎn)地下采礦方法綜合評(píng)判模型,通過(guò)綜合分析確定了評(píng)判模型的12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),并利用層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,且通過(guò)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)確定合理的權(quán)重向量。(2)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論建立模糊綜合評(píng)判模型對(duì)石人溝露天轉(zhuǎn)地下采礦方法的選擇進(jìn)行分析,得出方案集A的綜合評(píng)判向量為(0.4582,0.8432,0.8988,0.8075),從而選用方案Ⅲ,即分段鑿巖階段出礦嗣后充填法。將研究成果應(yīng)用于石人溝鐵礦,驗(yàn)證了本方法的實(shí)用性,為其他礦山露天轉(zhuǎn)地下采礦方