基于可變權(quán)重理想點(diǎn)法的露天礦煤破碎站移設(shè)位置優(yōu)化

郭 強(qiáng)

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

露天礦單斗-卡車+半固定式破碎站半連續(xù)工藝綜合了連續(xù)與間斷工藝的特點(diǎn)，解決了卡車運(yùn)輸距離加大造成成本費(fèi)用增加的問題[1-2]。破碎站作為單斗-卡車間斷工藝與帶式輸送機(jī)連接的節(jié)點(diǎn)，針對煤破碎站而言，其布置位置決定了運(yùn)煤卡車運(yùn)輸距離及成本，影響剝離物內(nèi)排運(yùn)距及推進(jìn)，因此，破碎站位置優(yōu)化對露天礦規(guī)劃發(fā)展，降低成本提高經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。

現(xiàn)階段眾多學(xué)者針對近水平露天礦半連續(xù)工藝破碎站布置及移設(shè)步距優(yōu)化研究較多，取得了一定成果，但多數(shù)是以費(fèi)用最小法或費(fèi)用折算法為原則對破碎站位置及移設(shè)步距進(jìn)行確定[3-7]。然而往往決定破碎站位置的影響因素很多，各因素間相互作用又相互矛盾，通過單指標(biāo)評價(jià)方法很難確定最優(yōu)方案。合理的確定破碎站位置是對露天礦經(jīng)濟(jì)效益的保證，基于可變權(quán)重的理想點(diǎn)法是解決多目標(biāo)決策分析問題的有效方法[8-11]。根據(jù)有限評價(jià)對象與理想化目標(biāo)的接近程度進(jìn)行排序，在現(xiàn)有的對象中進(jìn)行相對優(yōu)劣的評價(jià)方法。為此，基于露天礦采煤半連續(xù)工藝系統(tǒng)概況及各套系統(tǒng)布置位置，針對近期需要移設(shè)的三號煤破碎站，結(jié)合開采現(xiàn)狀，地質(zhì)條件及開采規(guī)劃，提出了3 個(gè)煤破碎站位置方案，確定多項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，然后建立可變權(quán)重理想點(diǎn)法計(jì)算模型，通過模型評價(jià)最終得出最優(yōu)的破碎站布置位置方案。

1 露天礦工藝系統(tǒng)概況

1.1 工藝系統(tǒng)布置

扎哈淖爾露天礦剝離采用輪斗連續(xù)工藝、單斗-卡車+半固定式破碎站半連續(xù)工藝及單斗卡車間斷工藝；采煤主要采用單斗-卡車+半固定式破碎站半連續(xù)工藝。扎哈淖爾露天礦工藝系統(tǒng)布置示意圖如圖1。

圖1 扎哈淖爾露天礦工藝系統(tǒng)布置示意圖

煤半連續(xù)破碎系統(tǒng)年生產(chǎn)能力為7.50 Mt/a，共2 套，分別為2006 年11 月投入的一號煤破碎系統(tǒng)和2014 年11 月投入的三號煤破碎系統(tǒng)。

由于露天礦煤層多，且單煤層較薄，傾角（5°～15°）較大等因素，導(dǎo)致部分區(qū)域完整煤層臺(tái)階較少，所以現(xiàn)在露天礦在工作面采用卡車運(yùn)輸。原煤經(jīng)工作面移動(dòng)坑線、端幫運(yùn)輸?shù)缆愤\(yùn)至煤破碎站，破碎后經(jīng)帶式輸送機(jī)運(yùn)送至儲(chǔ)煤倉或裝車站裝車。

1.2 煤破碎站布置位置

1）一號煤破碎站。一號煤破碎站2017 年底位于四號路以西約450 m 處，布置于3-2 煤底板，卸載平臺(tái)標(biāo)高為836 m 水平，其主要用于破碎四號路西部工作幫開采的煤炭，根據(jù)采掘場及內(nèi)排土場工程位置發(fā)展，預(yù)計(jì)6～8 年之內(nèi)不需要移設(shè)。一號煤破碎站位置示意圖如圖2。

圖2 一號煤破碎站位置示意圖

2）三號煤破碎站。三號煤破碎站位于四號路東側(cè)約600 m 處，布置于3-2 煤底板，卸載平臺(tái)標(biāo)高為872 m 水平，采用橫采方式推進(jìn)的4 煤組上部臺(tái)階距離三號煤破碎站約370 m，根據(jù)推進(jìn)強(qiáng)度，2019年三號煤破碎站位置影響橫采臺(tái)階向西推進(jìn)，因此三號煤破碎站在2019 年上半年進(jìn)行了移設(shè)。三號煤破碎站位置示意圖如圖3。

圖3 三號煤破碎站位置示意圖

2 三號煤破碎站移設(shè)方案

三號煤破碎站布置位置方案示意圖如圖4。

圖4 三號煤破碎站布置位置方案示意圖

1）方案1：布置在四號路西側(cè)南端幫860 m 水平上。將三號煤破碎站布置在四號路西側(cè)南端幫860 m 水平上，該破碎站主要服務(wù)四號路以東煤炭，破碎站底部不壓煤，從2019—2023 年煤炭運(yùn)輸重心位于采場東部，布置于該位置時(shí)能夠保證煤炭運(yùn)輸距離較小，考慮內(nèi)排影響該位置服務(wù)年限為4～5年，徹底轉(zhuǎn)向完成向西開采前需要二次移設(shè)；該方案會(huì)導(dǎo)致860 m 水平以上部分空間不能進(jìn)行內(nèi)排，占用一定的內(nèi)排空間，但是占用比例較小。

2）方案2：布置在一號煤破碎站西側(cè)4 煤底板836 m 水平。將三號煤破碎站布置在一號煤破碎站西側(cè)4 煤底板836 m 水平，破碎站底部不壓煤；方案2 位置處于西端幫附近，而西端幫轉(zhuǎn)向之前處于緩幫狀態(tài)，每年推進(jìn)強(qiáng)度不大，破碎站不需向前移設(shè)，此位置能保證破碎站服務(wù)年限達(dá)6～8 年，能夠滿足露天礦發(fā)展要求；方案2 位置會(huì)占壓礦坑西部一定的內(nèi)排空間，該方案布置位置繼續(xù)向北移設(shè)會(huì)加大對內(nèi)排的影響，同時(shí)提升帶式輸送機(jī)布設(shè)困難。煤炭由工作幫運(yùn)輸可經(jīng)西端幫相應(yīng)水平運(yùn)輸?shù)狡扑檎拘遁d，也可經(jīng)一號煤破碎站西側(cè)端幫道路運(yùn)輸?shù)狡扑檎拘遁d，運(yùn)輸系統(tǒng)布置通暢。

3）方案3：布置在西端幫872 m 水平。將三號破碎站布置在西端幫872 m 水平，該位置占用較小內(nèi)排空間，在西幫緩幫過程中壓占煤炭資源，該位置能夠保證破碎站移設(shè)后服務(wù)年限達(dá)6～8 年；因?yàn)槠扑檎静贾盟捷^高，所以煤炭運(yùn)輸提升高度較大，而且煤炭由工作面運(yùn)輸只能經(jīng)過西端幫運(yùn)輸至破碎站卸載，初期煤炭重心處于采掘場東部，導(dǎo)致煤炭運(yùn)輸距離較大。

3 可變權(quán)重理想點(diǎn)法計(jì)算模型

3.1 可變權(quán)重的理想點(diǎn)法

影響破碎站布置位置有多種因素，且各種因素的影響程度不同，最終導(dǎo)致對布置位置產(chǎn)生不同的影響，結(jié)合各指標(biāo)考慮對各種影響因素賦予不同的綜合權(quán)重。在標(biāo)準(zhǔn)理想點(diǎn)法的基礎(chǔ)上增加指標(biāo)權(quán)重影響后形成了可變權(quán)重的理想點(diǎn)法。

對指標(biāo)權(quán)重的確定要考慮2 個(gè)方面的因素：①不同因素對煤破碎站布置位置的影響程度，可由層次分析法確定，為主觀權(quán)重（常權(quán)）；②在常權(quán)基礎(chǔ)上，結(jié)合同一指標(biāo)的不同數(shù)值，采用加權(quán)平均法確定綜合權(quán)重，即變權(quán)。

3.2 模型及計(jì)算步驟

3.2.1 評價(jià)指標(biāo)矩陣及其標(biāo)準(zhǔn)化

一個(gè)評價(jià)對象A，假設(shè)有n 個(gè)評價(jià)指標(biāo)，以xi表示第i 個(gè)指標(biāo)的實(shí)際取值，w1表示第i 個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重，則評價(jià)對象A 的指標(biāo)矩陣可寫為：

以yi表示第i 個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化取值結(jié)果，采用歸一化法對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算公式如下：

根據(jù)式（2），標(biāo)準(zhǔn)化之后評價(jià)對象A 的指標(biāo)矩陣如下：

3.2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

式中：wi為第i 個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重；為第i 個(gè)指標(biāo)的主觀權(quán)重；a 為變權(quán)類型控制系數(shù)，根據(jù)指標(biāo)對評價(jià)結(jié)果的支持程度確定，當(dāng)0≤a＜1 時(shí)，wi為懲罰型變權(quán)，當(dāng)a＞1 時(shí)，wi為獎(jiǎng)勵(lì)型變權(quán)，當(dāng)a=1 時(shí)，wi為常權(quán)。

3.2.3 確定理想點(diǎn)評價(jià)函數(shù)及貼近度

評價(jià)指標(biāo)矩陣Y=f yi（）。采用歐氏距離法作為理想點(diǎn)評價(jià)函數(shù)，即到正、負(fù)理想點(diǎn)的距離分別為：

式中：f yi（）為指標(biāo)矩陣計(jì)算結(jié)果；為正理想點(diǎn)距離；為負(fù)理想點(diǎn)距離。

以L 表示理想點(diǎn)貼近度，計(jì)算方法如下：

L 在0～1 之間取值，越接近1 說明方案越優(yōu)，越接近0 說明越差。

3.3 模型求解及最優(yōu)方案

將三號煤破碎站3 種布置位置方案作為評價(jià)對象，建立了含有8 個(gè)評價(jià)指標(biāo)的指標(biāo)矩陣，煤破碎站布置評價(jià)指標(biāo)矩陣見表1。

表1 煤破碎站布置評價(jià)指標(biāo)矩陣

首先根據(jù)式（2）歸一化方法對表1 各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)矩陣見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)矩陣

表3 變權(quán)指標(biāo)矩陣

結(jié)合表3，按照式（5）～式（7）計(jì)算出各指標(biāo)因素的正、負(fù)理想點(diǎn)距離及貼近度，指標(biāo)參數(shù)的正負(fù)理想點(diǎn)距離見表4。

表4 指標(biāo)參數(shù)的正負(fù)理想點(diǎn)距離

根據(jù)表4 中得出的貼近度數(shù)值以及上述判斷各方案優(yōu)劣的原則可知，方案2 的貼近度更接近于1，所以方案2 為煤破碎站布置位置的最終方案。

4 結(jié)語

基于扎哈淖爾露天煤礦現(xiàn)有采煤半連續(xù)工藝系統(tǒng)布置概況，根據(jù)開采程序變化及采礦工程發(fā)展，分別對2 個(gè)煤破碎站移設(shè)情況進(jìn)行了分析，最終確定一號煤破碎站短期內(nèi)不需要移設(shè)，三號煤破碎站在2019 年上半年進(jìn)行移設(shè)，并針對三號煤破碎站提出3 個(gè)移設(shè)位置方案。

基于可變權(quán)重的理想點(diǎn)法計(jì)算模型建立8 個(gè)指標(biāo)因素的評價(jià)矩陣，采用層次分析法計(jì)算主觀權(quán)重，考慮指標(biāo)對結(jié)果支持程度賦予變權(quán)系數(shù)得出綜合權(quán)重，按照模型過程計(jì)算得出方案2 的貼近度為0.715 0，最接近于1，所以最終確定方案2 為理想的三號煤破碎站布置位置，即布置于西坑4 煤底板836 m水平。