基于可變權重理想點法的露天礦煤破碎站移設位置優(yōu)化

郭 強

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，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，解決了卡車運輸距離加大造成成本費用增加的問題[1-2]。破碎站作為單斗-卡車間斷工藝與帶式輸送機連接的節(jié)點，針對煤破碎站而言，其布置位置決定了運煤卡車運輸距離及成本，影響剝離物內排運距及推進，因此，破碎站位置優(yōu)化對露天礦規(guī)劃發(fā)展，降低成本提高經濟效益有重要意義。

現階段眾多學者針對近水平露天礦半連續(xù)工藝破碎站布置及移設步距優(yōu)化研究較多，取得了一定成果，但多數是以費用最小法或費用折算法為原則對破碎站位置及移設步距進行確定[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，通過單指標評價方法很難確定最優(yōu)方案。合理的確定破碎站位置是對露天礦經濟效益的保證，基于可變權重的理想點法是解決多目標決策分析問題的有效方法[8-11]。根據有限評價對象與理想化目標的接近程度進行排序，在現有的對象中進行相對優(yōu)劣的評價方法。為此，基于露天礦采煤半連續(xù)工藝系統概況及各套系統布置位置，針對近期需要移設的三號煤破碎站，結合開采現狀，地質條件及開采規(guī)劃，提出了3 個煤破碎站位置方案，確定多項評價指標，然后建立可變權重理想點法計算模型，通過模型評價最終得出最優(yōu)的破碎站布置位置方案。

1 露天礦工藝系統概況

1.1 工藝系統布置

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布置示意圖如圖1。

圖1 扎哈淖爾露天礦工藝系統布置示意圖

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

由于露天礦煤層多，且單煤層較薄，傾角（5°～15°）較大等因素，導致部分區(qū)域完整煤層臺階較少，所以現在露天礦在工作面采用卡車運輸。原煤經工作面移動坑線、端幫運輸道路運至煤破碎站，破碎后經帶式輸送機運送至儲煤倉或裝車站裝車。

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，卸載平臺標高為836 m 水平，其主要用于破碎四號路西部工作幫開采的煤炭，根據采掘場及內排土場工程位置發(fā)展，預計6～8 年之內不需要移設。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約600 m 處，布置于3-2 煤底板，卸載平臺標高為872 m 水平，采用橫采方式推進的4 煤組上部臺階距離三號煤破碎站約370 m，根據推進強度，2019年三號煤破碎站位置影響橫采臺階向西推進，因此三號煤破碎站在2019 年上半年進行了移設。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：布置在四號路西側南端幫860 m 水平上。將三號煤破碎站布置在四號路西側南端幫860 m 水平上，該破碎站主要服務四號路以東煤炭，破碎站底部不壓煤，從2019—2023 年煤炭運輸重心位于采場東部，布置于該位置時能夠保證煤炭運輸距離較小，考慮內排影響該位置服務年限為4～5年，徹底轉向完成向西開采前需要二次移設；該方案會導致860 m 水平以上部分空間不能進行內排，占用一定的內排空間，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，而西端幫轉向之前處于緩幫狀態(tài)，每年推進強度不大，破碎站不需向前移設，此位置能保證破碎站服務年限達6～8 年，能夠滿足露天礦發(fā)展要求；方案2 位置會占壓礦坑西部一定的內排空間，該方案布置位置繼續(xù)向北移設會加大對內排的影響，同時提升帶式輸送機布設困難。煤炭由工作幫運輸可經西端幫相應水平運輸到破碎站卸載，也可經一號煤破碎站西側端幫道路運輸到破碎站卸載，運輸系統布置通暢。

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后服務年限達6～8 年；因為破碎站布置水平較高，所以煤炭運輸提升高度較大，而且煤炭由工作面運輸只能經過西端幫運輸至破碎站卸載，初期煤炭重心處于采掘場東部，導致煤炭運輸距離較大。

3 可變權重理想點法計算模型

3.1 可變權重的理想點法

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，最終導致對布置位置產生不同的影響，結合各指標考慮對各種影響因素賦予不同的綜合權重。在標準理想點法的基礎上增加指標權重影響后形成了可變權重的理想點法。

對指標權重的確定要考慮2 個方面的因素：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，為主觀權重（常權）；②在常權基礎上，結合同一指標的不同數值，采用加權平均法確定綜合權重，即變權。

3.2 模型及計算步驟

3.2.1 評價指標矩陣及其標準化

一個評價對象A，假設有n 個評價指標，以xi表示第i 個指標的實際取值，w1表示第i 個指標的綜合權重，則評價對象A 的指標矩陣可寫為：

以yi表示第i 個指標的標準化取值結果，采用歸一化法對各項指標進行標準化，計算公式如下：

根據式（2），標準化之后評價對象A 的指標矩陣如下：

3.2.2 確定指標權重

式中：wi為第i 個指標的綜合權重；為第i 個指標的主觀權重；a 為變權類型控制系數，根據指標對評價結果的支持程度確定，當0≤a＜1 時，wi為懲罰型變權，當a＞1 時，wi為獎勵型變權，當a=1 時，wi為常權。

3.2.3 確定理想點評價函數及貼近度

評價指標矩陣Y=f yi（）。采用歐氏距離法作為理想點評價函數，即到正、負理想點的距離分別為：

式中：f yi（）為指標矩陣計算結果；為正理想點距離；為負理想點距離。

以L 表示理想點貼近度，計算方法如下：

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對象，建立了含有8 個評價指標的指標矩陣，煤破碎站布置評價指標矩陣見表1。

表1 煤破碎站布置評價指標矩陣

首先根據式（2）歸一化方法對表1 各項指標數據進行標準化處理，標準化指標矩陣見表2。

表2 標準化指標矩陣

表3 變權指標矩陣

結合表3，按照式（5）～式（7）計算出各指標因素的正、負理想點距離及貼近度，指標參數的正負理想點距離見表4。

表4 指標參數的正負理想點距離

根據表4 中得出的貼近度數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 結語

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

基于可變權重的理想點法計算模型建立8 個指標因素的評價矩陣，采用層次分析法計算主觀權重，考慮指標對結果支持程度賦予變權系數得出綜合權重，按照模型過程計算得出方案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。