基于層次分析法的某金礦開拓運輸中段轉(zhuǎn)載系統(tǒng)方案決策分析

杜愛斌

(惠州交投梁化綠色石場有限公司,廣東 惠州市 516325)

0 引言

礦石轉(zhuǎn)運系統(tǒng)方案如何實現(xiàn)更加科學、適宜、安全、高效的優(yōu)選將成為整個礦山礦石運輸環(huán)節(jié)的關鍵。方案的選擇涉及到工程量、工期、投資等多方面因素,僅僅考慮其中的一種因素只能將方案的選擇進行定性分析,或者部分定量分析,對于最優(yōu)方案的選擇往往沒有較大幫助[1]。目前國內(nèi)較多專家學者在開拓方案優(yōu)化方面做了大量工作。孫麗軍[2]結合了模糊數(shù)學和層次分析法對程潮鐵礦的開拓系統(tǒng)進行了優(yōu)化。田金華等[3]采用灰色局勢決策方法為蒙陰戴蒙金剛石礦選擇開拓系統(tǒng)。李何林[4]使用AHP-熵權法以及灰色關聯(lián)分析等方法實現(xiàn)了開拓系統(tǒng)優(yōu)化方案的選擇。梁霄[5]通過粒子群算法實現(xiàn)了對地下礦床的開拓系統(tǒng)運輸方案的優(yōu)化。程貴海等[6]以大新錳礦為例,通過模糊層次分析法進行了開拓系統(tǒng)的優(yōu)化選擇[5]。美國運籌學家Saaty提出的層次分析法(AHP)作為一種決策方法,能夠?qū)⒄麄€決策問題分解成目標層、準則層和方案層[7],在此基礎上通過綜合考慮多種因素,實現(xiàn)對問題的定量、定性分析。本文綜合考慮了已有成果,利用層次分析法對四川省某金礦開拓運輸中段轉(zhuǎn)載系統(tǒng)方案進行優(yōu)選。

1 礦區(qū)地質(zhì)及開采現(xiàn)狀

四川省某高原金礦區(qū)地處川西高山峽谷區(qū)北側,礦區(qū)內(nèi)最高海拔標高4745 m,最低海拔標高3380 m,相對高差1365 m;地勢北西高東南低,地形復雜,屬中高山構造侵蝕切割地形。礦區(qū)及其附近為夏季牧場,無耕地,海拔4000 m 以下多為森林。礦區(qū)海拔較高,總體氣溫較低,在－4～30.5℃之間。礦區(qū)地處高原,空氣稀薄、氣象多變,日照時間長,紫外線強,氣壓低,缺氧,晝夜溫差大,冰凍期長達5個月(11月至次年3月),高海拔區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱,地表植被破壞后很難恢復。

礦山主要開拓方案為平硐開拓方案。礦山共分為13個中段,最高開采中段為4188 m,最低探礦中段為3680 m,中段高度為30～50 m。礦山的回采工作主要集中在4000 m 以上,均采用無軌中段運輸方式。依據(jù)礦區(qū)勘探的階段性成果,周邊和深部存在大量的金礦資源,為了更好地開發(fā)資源,實現(xiàn)規(guī)模效益,將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢,公司決定對采選工程進行改造擴建。

規(guī)劃在礦區(qū)南側1.6 km 標高3420 m 處新建選礦廠,根據(jù)礦山開拓現(xiàn)狀及礦體賦存條件,平硐3680 m 至平硐4000 m 段采用平硐＋溜井開拓方案:轉(zhuǎn)運中段3680 m 利用已有工程并延伸至1勘探線附近;另在礦體下盤3勘探線附近自4000～3680 m 設計一條上部礦石溜井(主溜井),主溜井口標高4000 m,溜井溜礦段凈直徑為3.0 m,4000 m 中段設無軌卸礦硐室,中部各中段設倒礦卸礦硐室連通主溜井。本研究結合該礦上部開拓方案、礦巖穩(wěn)定性、礦山氣候環(huán)境、選廠位置、地形地貌、征地、經(jīng)濟性等因素對礦石運輸轉(zhuǎn)載系統(tǒng)方案進行設計和優(yōu)選[8-9]。

2 中段運輸轉(zhuǎn)載方案設計

本研究設計了3種中段運輸轉(zhuǎn)載方案:方案Ⅰ,膠帶運輸方案;方案Ⅱ,地表轉(zhuǎn)運溜井＋平硐＋窄軌運輸方案;方案Ⅲ,硐內(nèi)溜井＋平硐＋窄軌運輸方案。

2.1 方案Ⅰ

方案Ⅰ為膠帶運輸方案。根據(jù)礦山的地形和運輸量較大的特點,考慮到普通皮帶輸送不能滿足本項目要求,故選擇管式膠帶機輸送[9]。在3680 m 硐口附近設置礦石卸載站,礦石卸入粗碎礦倉,倉底設振動放礦機給破碎機給礦,破碎后設下部緩沖礦倉,倉底設振動放礦機給皮帶輸送機給礦,最后由管式膠帶機輸送至選廠中細碎礦倉,管帶機采用尾部單滾筒單電機變頻驅(qū)動,頭部重錘拉緊方式。管狀帶式輸送機主要技術參數(shù)見表1。

圖1 膠帶線路縱斷面(單位:m)

表1 管狀帶式輸送機主要技術參數(shù)

2.2 方案Ⅱ

方案Ⅱ為地表溜井＋平硐(3460 m)＋窄軌轉(zhuǎn)運方案。3680 m 平硐深部轉(zhuǎn)運溜井應盡可能靠近選廠布置,即充分利用3680 m 平硐原運輸巷道工程,又減少3460 m 運輸平硐的掘進工程量以及縮短掘進時間。本方案將下部轉(zhuǎn)運溜井布置在3680 m 主平硐口附近,轉(zhuǎn)運溜井口標高3675 m。

溜井深度為220 m,溜礦段凈直徑為3.0 m。3680 m 中段以上礦石經(jīng)過主溜井下放到3680 m 中段,由10 t電機車牽引2 m3側卸式礦車運出至3680 m 硐口。硐口附近設置卸載站,礦石卸入溜井集中下放至3460 m 中段,新掘進運輸平硐850 m,溜井底部設裝礦站,轉(zhuǎn)運平硐采用10 t電機車牽引12輛YCC2-6側卸式礦車,運出地表至選廠粗碎倉頂卸載站卸載,整個線路上有2列車運行。

2.3 方案Ⅲ

方案Ⅲ為硐內(nèi)溜井＋平硐(3460 m)＋窄軌轉(zhuǎn)運方案。轉(zhuǎn)運溜井位置相對于平面關系見圖2。考慮到林區(qū)地表征地難度以及氣候因素影響,將下部轉(zhuǎn)運溜井布置在距離3680 m 硐口內(nèi)1.0 km,采礦區(qū)邊界23勘探線處,轉(zhuǎn)運溜井口標高3680 m。礦石卸入溜井集中下放至3460 m 中段,新掘進運輸平硐1500 m,溜井規(guī)格及深度、運輸機械設備方式與方案Ⅱ一致,如圖3所示。

圖3 方案Ⅱ、方案Ⅲ轉(zhuǎn)運溜井位置縱投影示意(單位:m)

2.4 方案工程量及經(jīng)濟技術指標對比

方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ的工程量估算及經(jīng)濟指標比較見表2、表3、表4。

表2 方案Ⅰ工程量估算

表3 方案Ⅱ及方案Ⅲ工程量估算

表4 方案經(jīng)濟指標比較

3 中段運輸轉(zhuǎn)載方案比較分析

3.1 方案Ⅰ優(yōu)缺點

方案Ⅰ將原選廠的粗碎布置在3680 m 主硐口工業(yè)場地,綜合考慮到設備選型和綜合膠帶沿線管廊的布置,本方案需新增征地約0.147 km2,挖方量11 500 m3、填方量165 m3、邊坡?lián)跬翂?05 000 m3、皮帶廊基礎混凝土2560 m3、基礎鋼筋154 t、鋼管支架360 t、鋼皮帶廊300 t。方案的主要優(yōu)點為:

(1)主體工程均在地表,有利于施工,且施工速度最快;

(2)粗碎前置到3860 m 主硐口,從一定程度上減少了選廠的用地,緩解了選廠用地緊張的問題;

(3)膠帶在地表穿越合作區(qū)礦業(yè)的探礦權,滿足法律法規(guī)要求。

缺點為:

(1)投資2758萬元,可比費用現(xiàn)值達3338萬元,為最高值;

(2)地面工程受自然天氣影響較大,維護費用較高,礦石運輸量較小,皮帶不能滿負荷運行;

(3)涉及天然林區(qū)征地較多,難度大,審批周期長;

(4)局部邊不易處理,挖填方、邊坡治理工程較大;

(5)3680 m 中段以下礦體的后期開采運輸難題無法解決。

3.2 方案Ⅱ優(yōu)缺點

方案Ⅱ的可比井巷基建工程量為1316 m,掘進量為11 715.1 m3,砼支護量為565.7 m3,噴砼支護量為875.8 m3,可比投資1444萬元,年運營成本為166.7萬元。

方案Ⅱ的主要優(yōu)點為:

(1)工程量少、可比投資少;

(2)施工速度比方案Ⅲ快,可節(jié)約工期6個月左右;

(3)轉(zhuǎn)運溜井及溜井回風井均在露天布置,施工環(huán)境比較好。

缺點在于:

(1)轉(zhuǎn)運溜井、溜井回風井、3680 m 卸礦站均布置在合作區(qū)礦業(yè)的探礦權內(nèi),不符合相關國家政策;

(2)轉(zhuǎn)運溜井及卸礦站,需要另外征地及辦理相關林地批復手續(xù),周期時間長;

(3)轉(zhuǎn)運溜井及回風井處地表廢石及浮土層較多,前期施工難度比較大;

(4)礦山生產(chǎn)受高原天氣影響大。

方案Ⅲ可比井巷基建工程量為1966 m,掘進量為18 134.4 m3,砼支護量為649 m3,噴砼支護量為1717 m3,可比投資1949萬元,年運營成本171.7萬元。投資對比是在施工方招標單價基礎上計算,方案Ⅱ與方案Ⅲ技術特點相近。

方案Ⅲ的主要優(yōu)點為:

(1)轉(zhuǎn)運溜井及回風井布置23線附近,圍巖條件好,有利于溜井施工;

(2)轉(zhuǎn)運溜井距離礦山主溜井較近,減少了3680 m 平硐內(nèi)運輸距離;

(3)溜井布置在采礦權范圍內(nèi),符合現(xiàn)行的國家政策;

(4)減少了地表征地及審批手續(xù)、挖填方工程;

(5)礦山生產(chǎn)不受高原天氣影響,減少對地表生態(tài)的破壞。

缺點在于:

(1)工程量大、投資費用比方案Ⅱ高;

(2)主溜井布置坑內(nèi)措施工程多,施工周期長。

基于對3種方案優(yōu)缺點的分析,發(fā)現(xiàn)方案Ⅰ工程量較大,且涉及到征地問題,會導致工期較長。雖然方案Ⅱ以及方案Ⅲ技術特點相近,但在基建工程量、投資費用方面,方案Ⅱ比方案Ⅲ具有更大的優(yōu)勢。通過對3種方案優(yōu)缺點的綜合分析,可知方案Ⅱ優(yōu)于另外兩種方案。

4 層次分析法原理及模型建立

開拓方案的優(yōu)選需要綜合考慮多種因素,包括方案的工程量、工期、運營成本以及工程投資?？梢园凑找韵虏襟E完成方案的優(yōu)選。

4.1 建立遞階層次模型

通過層次分析法來進行方案優(yōu)選時,需要將問題進行層次化,將方案優(yōu)選問題建立成一個遞階層次模型(見圖4)。這一模型的結構分為3層,分別為最高層(目的層)、中間層(準則層)、最底層(方案層)。在進行模型構造時,每一層次中各元素所支配的元素最好不超過9個。

圖4 遞階層次模型示意

4.2 構造判斷矩陣

準則層中不同的評價標準所占的比重會有所不同,因此需要按照評判元素的重要性來判斷矩陣的構造。通過數(shù)字1～9及其倒數(shù)來作為標度,定義出判斷矩陣A=(aij)n×n,以及方案層中各方案的判斷矩陣。

根據(jù)不同的矩陣計算各判斷矩陣的一致性是否符合要求。通過方根法求出上述判斷矩陣的最大特征根λA=4.2217,λB1=1,λB2=1,λB3=1,λB4=1。通過式(1)可以計算出各判斷矩陣的一致性指標CI。

式中,λmax為矩陣最大特征根;n為矩陣階數(shù)。通過查表找到矩陣階數(shù)對應的平均隨機一致性指標RI,從而計算出一致性比例CR=CI/RI。若一致性符合要求,則可以通過方根法求矩陣的權重系數(shù)W。

開拓方案的優(yōu)選評價因子的一致性以及權重系數(shù)見表5,每一個因素的判斷矩陣權重系數(shù)見表6至表9?？梢园l(fā)現(xiàn)所有的判斷矩陣一致性比例CR均小于0.1,明顯符合要求,因此通過該方法獲得的權重系數(shù)是有效的。

表5 開拓方案的優(yōu)選評價因子判斷矩陣權重系數(shù)

表6 工程量判斷矩陣權重系數(shù)

表7 工期判斷矩陣權重系數(shù)

表8 運營成本判斷矩陣權重系數(shù)

表9 工程投資判斷矩陣權重系數(shù)

4.3 組合權重的計算

通過對判斷矩陣權系數(shù)的計算,可以獲得不同方案的組合權重WZ:

式中,WAi為開拓方案的優(yōu)選評價因子判斷矩陣的權重系數(shù),而WBni為評價因子n的判斷矩陣權重系數(shù)。所得的組合權重見表10。

表10 開拓方案優(yōu)選組合權重

通過對組合權重的計算可以明顯發(fā)現(xiàn),方案Ⅱ的組合權重明顯高于兩外兩種方案,結合對3種方案優(yōu)缺點的分析,認為方案Ⅱ明顯優(yōu)于另外兩種方案。

5 結語

隨著四川某高原金礦開采深度的延深,結合探礦成果及采選規(guī)模擴建工程的需要,在原有礦山生產(chǎn)系統(tǒng)及探礦工程的基礎上,綜合考慮工程量、工期、投資費用、維護費用因素,對礦山礦石中段轉(zhuǎn)載系統(tǒng)進行了方案設計。綜合分析了3種方案的優(yōu)缺點,并基于層次分析法綜合考慮了工程量、工期、運行成本以及工程投資等因素,對開拓系統(tǒng)的3種設計方案進行了優(yōu)選,認為硐內(nèi)溜井＋平硐＋窄軌轉(zhuǎn)運(方案Ⅱ)明顯優(yōu)于另外兩種方案,適合于礦山實際情況。