基于層次分析法的煤礦井底配倉方案評價

高 路

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

五舉煤礦位于甘肅省崇信縣新窯鎮和靈臺縣龍門鄉，設計生產能力為2.40 Mt/a，年工作日為330 d，井下實行“四·六”工作制，日凈提升時間18 h。井下煤炭采用帶式輸送機運輸，通過主立井提升至地面，在井下設置井底煤倉，為主立井提升提供緩沖時間。

井底煤倉是井下煤炭運輸系統的中轉站，在設計井底煤倉上口配倉方案時需考慮煤倉施工、硐室支護、設備后期檢修以及投資額等多個因素，傳統在評價配倉方案優劣時，決策者面對方案只能以一個或數個最重要因素的最大或最小來擇優，主觀因素較強，不能全面地對技術經濟各個方面所有的定性與定量的指標進行綜合評價；且往往是咨詢單位或業主單位獨自決策，主觀風險較大。本文旨在以五舉煤礦為例，結合以往設計經驗，探討大型礦井井底煤倉上口配倉設計方案，應用層次分析法優選出最佳方案，為其他礦井解決類似問題提供借鑒。

1 井下煤炭運輸系統及設備

五舉煤礦井下煤炭運輸系統簡述如下。13206、13207工作面生產的原煤通過工作面順槽帶式輸送機給至+500 m水平石門帶式輸送機，經一采區+500 m石門溜煤眼后由溜煤眼下防爆型帶式給料機給至暗斜井帶式輸送機；原煤通過暗斜井帶式輸送機頭部分岔溜槽一岔進入1號井底煤倉(直徑10 m，倉容為2 600 t)，另一岔經配倉帶式輸送機配入2號井底煤倉(直徑10 m，倉容為2 600 t)，2號煤倉位于1號煤倉中心北向40 m處。井下原煤經1、2號井底煤倉緩沖后由倉下防爆型帶式給料機給至裝載帶式輸送機，經箕斗定重裝載設備稱重后裝入箕斗，由一對25 t立井提煤箕斗提升至地面。

暗斜井帶式輸送機主要技術參數：輸送量Q=1 400 t/h，帶寬B=1 400 mm，帶速V=4.0 m/s，機長L=1 335 m，傾角δ=0°～17°～0°，最大提升高度H=338 m，電動機功率為3×900 kW，驅動布置在頭部，功率配比2∶1，最不利工況時頭部卸載處理論計算合張力為1 740 kN；配倉帶式輸送機主要技術參數：輸送量Q=1 400 t/h，帶寬B=1 400 mm，帶速V=3.5 m/s，機長L=43.1 m，傾角δ=0°，驅動布置在頭部，功率為110 kW。

2 配倉設計方案

結合井底煤倉配倉方案設計經驗及本礦井實際情況，確定配倉方案設計遵循以下幾個基本原則：①煤倉倉壁受力?。虎诿簜}倉容利用率高；③搭接硐室高度低；④配倉帶式輸送機操作與檢修便捷；⑤工期短、投資小。

針對以上幾個原則，結合增加平板閘門、改變配倉帶式輸送機形式和暗斜井帶式輸送機卸載滾筒機架基礎與倉壁距離等因素提出3個配倉方案，分別如下。

方案一：暗斜井帶式輸送機卸載滾筒機架基礎遠離井底煤倉倉壁，采用分岔溜槽+平板閘門實現配倉，配倉帶式輸送機選擇固定式帶式輸送機，該方案為井下配倉常規方案。該方案的優點是能實現原煤同時配倉與入倉，系統靈活性高；配倉帶式輸送機檢修維護方便；暗斜井帶式輸送機卸載滾筒基礎與煤倉不干涉，便于煤倉施工。該方案缺點為搭接硐室高度高，硐室施工困難；井底煤倉倉容利用率偏低。方案一布置如圖1所示。

圖1 方案一平面布置Fig.1 Plan 1 layout

方案二：暗斜井帶式輸送機卸載滾筒機架基礎遠離井底煤倉倉壁，采用可移動配倉帶式輸送機實現配倉。該方案優點是較方案一搭接硐室高度可降低500 mm；卸載滾筒基礎與煤倉不干涉，便于煤倉施工；煤倉利用率較方案一高。該方案缺點為可移動配倉帶式輸送機需移動，不利用現場維護管理；不能實現原煤同時配倉與入倉，系統靈活性低；暗斜井帶式輸送機機頭溜槽固定困難。方案二布置如圖2所示。

圖2 方案二平面布置Fig.2 Plan 2 layout

方案三：暗斜井帶式輸送機卸載滾筒機架基礎布置于井底煤倉倉壁之上，采用可移動配倉帶式輸送機實現配倉，該方案優點是搭接硐室高度最低，硐室施工容易；煤倉倉容利用率最高。該方案缺點為暗斜井帶式輸送機卸載滾筒機架基礎壓井底煤倉倉壁，卸載滾筒計算合張力為1 740 kN，煤倉施工難度大；可移動配倉帶式輸送機需移動，不利用現場管理；不能實現原煤同時配倉與入倉，系統靈活性低。方案三布置如圖3所示。

圖3 方案三平面布置Fig.3 Plan 3 layout

3 應用層次分析法進行綜合評價

3.1 層次分析法簡介

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)將需要決策的復雜問題分解成不同層次和若干因素，通過兩兩比較確定層次中諸因素的相對重要性，是一種定性和定量相結合的多目標決策方法。井底煤倉配倉方案的選擇屬于多目標、多準則以及無結構特性的復雜決策問題，因此，可以應用該方法解決。運用層次分析法解決實際問題時可分為建立層次結構模型、構造判斷矩陣、單層排序及一致性檢驗和綜合排序及一致性檢驗4個步驟。

3.2 建立層次結構模型

將最優的配倉方案作為決策目標，將該問題劃分為不同的層次和因素，并根據其相互匹配關系建立配倉方案選擇層次模型見表1。

表1 配倉方案選擇層次模型

3.3 構造判斷矩陣

由于井底煤倉配倉方案的評價對工程專業知識要求較高，本文采用專家打分法給出判斷矩陣，選取10名專家(其中，建設單位3人，工程咨詢單位4人，工程施工企業2人，工程監理單位1人)分別進行評價。為了使決策判斷定量化，形成判斷矩陣，引用美國著名運籌學家A.L.Seaty 1～9標度法判斷，見表2。

表2 A.L.Seaty 1～9標度法

2、4、6、8表示第i個因素相對于第j個因素的影響介于上述2個相鄰等級之間。

對專家的評價結果進行算數平均可得評判矩陣如下。

準則層成對比較矩陣A；

方案層(B1、B2、B3)與準則層(A1、A2、A3、A4、A5)成對比較矩陣BA1、BA2、BA3、BA4、BA5

3.4 單層排序及一致性檢驗

成對比較矩陣A的最大特征值λ=5.13

該特征值對應的歸一化特征向量

a={0.186，0.262，0.132，0.09，0.33}

式中，n為A的對角線元素之和。

式中，RI為一致性指標，取1.12。

對成對比較矩陣BA1、BA2、BA3、BA4、BA5求層次總排序的權向量并進行一致性檢驗，結果見表3。

表3 層次排序及一致性檢驗

計算CRk可知BA1、BA2、BA3、BA4、BA5滿足一致性要求。

3.5 綜合排序及一致性檢驗

B1對總目標的權值為a1b11+a2b12+a3b13+a4b14+a5b15=0.265

同理可得B2，B3對總目標的權值分別為0.421，0.314。

決策層對總目標的權向量為c={0.265，0.421，0.314}

CR<0.1，故層次綜合排序通過一致性檢驗。

{0.265，0.421，0.314}可作為最后的決策依據。

即各方案的權重排序為B2>B3>B1，最終選擇方案二。

4 結論

(1)煤礦井底煤倉配倉方案選擇是一個多因素的決策過程，不確定性、復雜性和多層次性特征非常明顯。本文將層次分析法應用于大型礦井井底煤倉配倉方案選擇，并在建立評判矩陣時邀請了建設單位、工程咨詢單位、施工單位及監理單位分別進行評判，綜合了各方經驗，消除了以往咨詢單位或業主單位獨自決策可能出現的主觀風險，最后通過方案總排序確定工程優選方案。

(2)該法的實際應用表明，層次分析法容易被決策者理解和使用，對于煤礦這種環境復雜，決策者面臨的經常是一個由相互關聯、相互制約的眾多因素構成的復雜系統尤其適用。在以后的研究中，可結合模糊理論、神經網絡、SVM模型等方法綜合分析，解決煤礦決策問題。