露天礦采區轉向方案評價研究

于海里，王兆剛，孫宇霆

（國家電投集團內蒙古白音華煤電有限公司 露天礦，內蒙古 錫林郭勒 026200）

我國露天礦山煤炭資源賦存的主要特征是多煤層、埋藏厚度較深且多為近水平賦存。對于此類露天礦來說，受限于產量規模、設備規格、開采強度和經濟等因素，普遍采用分區開采方式[1-3]，即將開采礦田劃分為若干采區，從首采區一次進行開采。采區劃分和開采順序并非一成不變，多數情況是需要隨著開采過程被揭露的礦床地質條件而進行修改，以獲得最佳開采方式。但影響露天礦采區轉向方式確定的因素并非單一，個別因素之間可能存在相互制約關系，是典型的多指標決策分析問題，但目前對露天礦采區轉向的研究多為單一指標評價方案，即通過某一個主要因素的優劣來進行合理轉向方式的確定，單一指標評價方法往往無法得出最優結果。因此，采用多指標評價體系確定露天礦轉向方式，具有十分重要的意義。

1 露天礦采區轉向方式

按照露天礦采區過渡期間是否需要重新進行拉溝，可將采區過渡方式分為連續式采區過渡（不需要重新拉溝）和間斷式采區過渡（需要重新拉溝）。

1）緩幫留溝轉向方式。緩幫留溝轉向方式是指將舊采區的端幫恢復成為新采區的工作幫，具有轉向基建工程量小、轉向期間不需另購生產設備、內排需要留溝和無法實現雙環內排等特點。

2）扇形轉向方式。扇形轉向方式是指工作面圍繞某一個中心進行扇形的推進，具有可以實現雙環內排、生產剝采比波動較大、內排空間利用充分和生產組織難度加大等特點。

3）“L”型采區過渡方式。所謂“L”型采區過渡是一種將緩幫留溝和扇形采區過渡組合在一起的采區過渡方式，同時具備了緩幫留溝和扇形采區過渡的特點。

4）重新拉溝轉向方式。重新拉溝轉向方式是指在舊采區臨近到界前，在露天礦開采境界內選擇初期生產剝采比小、運輸距離近的地方重新拉溝進行基建，具有新采區可選位置靈活性大、轉向期間運輸系統容易布置、新舊采區相互獨立和采區轉向基建工程大等特點。連續式采區過渡又可分為緩幫留溝轉向方式、扇形轉向方式和“L”型采區轉向3 種方式[4-7]。

2 露天礦采區轉向方式影響因素

露天礦采區過渡方式的選擇直接關系到采區過渡期間生產能否正常運行并對后續生產影響巨大，也是露天礦生產設計重要環節[8-10]。一般來說，露天礦采區過渡方式的選擇主要影響因素如下：

1）露天礦開采工藝。露天礦開采工藝是露天礦采區轉向的重要影響因素，露天礦工藝設備、運輸方式和開采參數等對采區過渡方式至關重要，不同開采工藝對采區過渡方式的適應程度見表1。

表1 不同開采工藝對采區過渡方式的適應程度

2）露天礦內排方式。扇形采區過渡和重新拉溝采區過渡方式可實現全壓幫內排方式，緩幫留溝要求的新采區動工時間較晚，為及時形成正常采掘工作面，采區轉向期間只能采用不壓幫或半壓幫方式。

3）過渡期間資源賦存情況。重新拉溝方式的選擇地點為新采區初期生產剝采比小、煤質好、距離工業廠區和外排土場較近的地方，一般情況會與舊采區末端距離較遠，會造成煤質波動較大，影響露天礦的煤質搭配，而連續式采區過渡方式新、舊采區工作幫距離較近，則不存在以上問題。

4）土巖外排量。理論上重新拉溝采區過渡方式所產生的外排量最大，緩幫留溝采區過渡產生的外排量最小，扇形采區過渡和“L”型采區過渡介于兩者之間。

5）其他因素。對于采用帶式輸送機采煤系統的露天礦，端幫采煤系統的布置情況也是影響采區過渡方式選擇的重要因素。在采區過渡期間不僅要考慮采煤系統的布置情況，同時也要考慮采區過渡期間運輸通道和臨時存煤場的設置。

3 采區轉向方案評價方法

優劣系數法是一種較為有效的多目標決策分析方法，它的核心思想為通過計算各方案的優系數和劣系數，然后根據優、劣系數的大小，逐步淘汰決策方案，最后所剩方案即為最優方案。

1）目標權數確定。常用的目標權數確定方法有簡單編碼法、環比法和優序圖法，本次研究采用優序圖法進行分析。優序圖法是一個棋盤式表格，將各方案目標的重要性兩兩對比后在表格上填寫相應的數字，重要性用0～5 的整數表示，數值越大，則目標的重要程度也就越大，兩目標對比時所填寫的數字之和為5。數值填寫完畢后，將各行數值相加，歸一后所得數值為各目標值得權數。

2）目標值標準化。將各方案最優目標值定為100，最劣目標值定為1，其余目標值標準化按如下式（1）計算：

式中：X為目標標準化數值，X∈（1，100）；A 為最優方案的目標值；B 為最劣方案的目標值；C 為待評估方案的目標值；

3）優系數確定。所謂優系數，是指一個方案優于另一個方案的所有目標權數之和。優系數反應了該方案優的目標個數以及這些目標的重要性，但無法反應該方案優的程度。

4）劣系數確定。由于優系數無法反應某個方案優的具體程度，因此還需要計算各個方案的劣系數。劣系數是通過對比2 個方案的優極差和劣極差進行計算，劣系數＝劣極差/（劣極差＋優極差）。優極差為方案兩兩對比時，所對應的優勢目標中目標值相差值的最大者。同理，劣極差為劣勢目標中目標值相差的最大者。

5）最優方案確定。優劣系數法是根據優劣系數逐步淘汰不理想方案。優系數最好標準為1，劣系數最好標準為0，但在實際決策過程中，很難達到上述標準，因此在實際操作過程中，通過逐步降低標準而不斷的淘汰方案。最終所剩方案即為最優方案。

4 實例分析

白音華二號礦核定生產能力為1 500 萬t/a，剝離生產工藝為單斗-卡車間斷工藝和單斗-自移式破碎機-排土機半連續工藝，采煤工藝為單斗-卡車-半固定破碎站和單斗-自移式破碎機半連續工藝。

4.1 方案初選及目標評價

按照內蒙古設計院設計，白音華二號礦共有2個采區。目前，白音華二號礦首采區服務年限不足5年，轉向方式的確定迫在眉睫，通過對現場實際情況進行分析，提出了如下3 個轉向過渡方案。

1）方案1：重新拉溝轉向方案。在二采區南部拉溝，拉溝長度4 000 m，由南向北推進。重新拉溝轉向方式示意圖如圖1。

圖1 重新拉溝轉向方式示意圖

2）方案2：緩幫留溝采區過渡方式。在首采區東部進行緩幫，緩幫區域長度約2 900 m，由西向東推進。緩幫留溝采區過渡方式示意圖如圖2。

圖2 緩幫留溝采區過渡方式示意圖

3）方案3：扇形采區過渡方式。工作幫以每年10°～15°的角度向東進行旋轉，開采至二采區時，由西向東進行推進。扇形轉向過渡方式示意圖如圖3。

圖3 扇形轉向過渡方式示意圖

考慮到白音華二號礦實際作業情況，確立了7個評價目標，白音華二號礦轉方向方案目標值評價模型見表2。

表2 白音華二號礦轉向方案目標值評價模型表

4.2 評價目標值處理

1）確定目標權數。根據優序圖法確定各目標權數，轉向方案各目標權數值表見表3。

表3 轉向方案各目標權數值表

2）目標值標準化。外排量、剝離物平均運距、過渡時間、轉向期間平均剝采比、重復剝離量數值越小，表示目標值越優，平均工作線長度和內排土場邊坡穩定性系數數值越大，表示目標值越優。轉向方案目標值進行標準化處理，轉向方案目標值標準化表見表4。

3）優系數。根據表4 的結果，將3 個轉向方案兩兩相比，可得出某一方案相對于另外2 個方案的優勢項目，在將優勢項目所對應的權數進行求和，可以得出各轉向方案的優系數，轉向方案優系數匯總表見表5。

表4 轉向方案目標值標準化表

表5 轉向方案優系數匯總表

4）劣系數。根據表4 的結果，將3 個轉向方案兩兩相比，可分別求出某一方案相對于另外2 個方案的優極差和劣極差，由此可求得該方案相對于另外2 個方案的劣系數。轉向方案劣系數匯總表如表6。

表6 轉向方案劣系數匯總表

5）最優方案確定。通過分析表5 和表6 數據，未出現優系數為1 和劣系數為0 的標準。因此在決策時，需要相應降低評價標準，所選標準為優系數為0.9，劣系數為0.1，由于緩幫過渡方案和扇形過渡方案與重新拉溝方案相比，優系數均大于0.9，則首先排除重新拉溝方案。再次降低評價標準，所選標準為優系數為0.7，劣系數為0.5，扇形過渡方式與緩幫過渡方式相比，優系數大于0.7 并且劣系數小于0.5，則最優方案為扇形過渡方式。

5 結語

以白音華二號礦采區轉向為例，建立了外排量、剝離物平均運距以及過渡時間等7 個評價目標模型，通過優劣系數法，最終得出扇形過渡方式為該露天礦最優轉向方式。