基于AHP-FCE鑫達金礦礦井通風系統優選

劉偉強,袁梅芳,申 延

(湖南有色冶金勞動保護研究院,湖南長沙 410014)

礦井通風系統方案優化是在原有礦井開拓、采準、開采設計的基礎上,合理布置及選擇通風網絡,通過對系統各種影響因素的定性和定量分析,從眾多方案中確定技術先進、安全可靠和經濟效益好的礦井通風系統[1]。礦井通風系統具有復雜、多變、隨機等內涵明確、外延模糊的特點[1]。應用模糊數學中模糊綜合評價方法對這種多因素、多層次的問題進行模型的建立和穩定性評定,能取得傳統數學模型難以替代的效果[2]。應用這種評價方法,各指標權重具有關鍵地位,是由專家根據經驗給出,帶有個人主觀性[3]。層次分析法將定量與定性結合,充分利用專家經驗與判斷,盡量減少個人主觀臆斷,但因素較多時,會引起標度專家反感和判斷混亂。AHP -FCE綜合兩種方法優點,克服各自缺點,并成功應用在許多領域[4,5]。

內蒙古包頭鑫達黃金礦業有限責任公司,坐落在包頭市九原區阿嘎如泰蘇木境內110國道759 km處,隸屬中國黃金集團公司,是一個集采、選于一身的黃金生產企業。東柏樹溝坑口井下生產范圍大,礦區范圍西起烏蘭不浪溝,東至哈德門溝,東西長16 km,南北寬5.5 km。空間上從1 118 m至418 m,井下生產分為東、西兩個區,井巷及空區眾多,通風復雜。東柏樹溝坑口井下目前的通風系統已不能滿足現在生產的需要,同時與深部開采不相匹配,給安全生產留下了較大的隱患。為了滿足井下開采通風安全的需要,必須對鑫達公司東柏樹溝坑口井下通風系統進行重新設計和調整,優化通風系統。

1 礦井通風系統的AHP-FCE模型

1.1 通風系統評價指標

礦井通風系統在定性方面要滿足系統穩定性、安全性、經濟性和科學性,在定量上要體現系統各評價指標的數值最優。考慮通風系統的技術先進性、經濟合理性、安全可靠性,選取11項評價指標,如圖1所示。

圖1 通風系統評價指標

1.2 模糊綜合評價矩陣

通過構造等級模糊子集對反映被評價事物的模糊指標進行量化,在論域 m個方案之間做出相對優劣的比較,選擇相對最優方案。設有 n個評價指標組成對全體方案的評價指標樣本數據,各指標均為非負值。對樣本數據集進行標準化處理,消除各評價指標的量綱效應,確定評價指標相對隸屬度的模糊綜合評價矩陣[6]。由于各指標量綱不統一,有些指標越大越好,有些指標越小越好。設樣本數據集為{f(i,j)},對于指標越大越優的標準化處理采用下式:

對于指標越小越優的標準化處理采用下式:

式中 x(i,j)為標準化后評價指標值;fmax(i),fmin (i)為方案第i個指標的最大值和最小值。

1.3 評價指標權重的判斷矩陣

用各評價指標的樣本標準差S(i)來反應各評價指標對綜合評價的影響程度。

各評價指標權重的判斷矩陣B=(bij)n×n可以按照下式計算:

式中bm=min{9,int[smax/smin+0.5]}為相對重要性程度參數值。

1.4 判斷矩陣一致性檢驗及其權重

由于人們認識上存在多樣性、差異性、主觀不穩定性,并且礦井通風系統是一個動態隨機的復雜系統,則判斷矩陣一致性條件在實際應用中需要修正。設修正矩陣為 Y={yij}n×n,Y各要素的權重值記為{Wi|i=1,…,n},則最優一致性判斷矩陣為

式中CIC(n)為一致性指標系數;d為非負數,從[0.0,0.5]內選取。

CIC(n)值越小,則判斷矩陣的一致性程度越高,當CIC(n)=0時,此時判斷矩陣與修正矩陣具有完全的一致性,并根據約束條件可知,全局最小值唯一。當CIC(n)＜0.1時,此時判斷矩陣具有滿意的一致性,據此采用迭代計算各評價指標的權重值wi是滿足的,否則需要提高參數d,直到具有滿意的一致性為止。

1.5 綜合指標

將各評價指標的權重值 wi與各方案相應評價指標的相對隸屬度值x(i,j)相乘并累加,得到AHP -FCE評價的綜合指標值。其值越大,方案越優。

2 礦井通風系統優選

2.1 鑫達金礦通風系統概況

鑫達金礦建于1989年,經過多年的開采活動,其井下井巷、采空區四通八達,錯綜復雜。既有自己設計施工的開拓系統,也有其它企業開采所遺留下來的開拓井巷及空區。目前礦區井下658中段～418中段為主要作業中段。

東柏樹坑口現有通風系統為豎井進風兩翼對角抽出式通風系統,抽出主扇安裝在658中段西側108線和698中段東側179線位置。新鮮風流主要從豎井進入,經由各中段運輸大巷、穿脈,到達作業面; 658以下各中段污風經回風井由東、西主扇排至地表,658以上各中段在自然風壓的作用下,一部分中段污風部分經豎井排出,另一部分隨新鮮風流流入下部中段,污風經回風井排出。

2.2 方案制定

通過現場觀測了解,鑒于鑫達金礦目前通風系統存在的問題,參照《有色金屬礦山生產技術規程》、《冶金礦山地下開采安全規程》等有關規定以及結合東柏樹溝坑口井下的實際情況,制定選出兩種通風方案,并從技術先進、經濟合理、安全可靠三個方面分析比較。具體通風方案如表1所示。各評價指標具體值及其相對隸屬度值如表2所示。

表1 通風系統改造方案

表2 各方案評價指標具體值及其相對隸屬度值

根據表2中兩個方案的相對隸屬度值,依據公式(3)可以得到各評價指標的 S(i)值:0.004, 0.014,0.036,0.012,0.024,0.013,0.014,0.068, 0.018,0.008,0.018。相對重要參數bm=9,再由式(4)得到確定各指標權重的判斷矩陣B。

2.3 方案優選

借助計算機軟件Matlab編程,用AHP-FCE法計算判斷矩陣的權重,各權重的初始變化區間均取[0,1],參數 d取0.25,得到各評價指標的權重值為:[0.094,0.102,0.042,0.032,0.071,0.078, 0.05,0.11,0.149,0.145,0.127],相應的一致性指標系數CIC(n)=0.039＜0.1,因此該判斷矩陣有滿意的一致性。由各評價指標權重值可知,礦井風壓、通風井巷工程費、風機運轉的穩定性、用風地點風流的穩定性和礦井抗災能力權重相對較大。用權重值計算綜合評價指標,得到各方案的AHP-FCE綜合評價指標值Z1=0.509,Z2=0.491。說明方案①為最優方案。

3 結 論

1.應用AHP-FCE數學模型,可以較為全面地考慮影響通風系統的各種因素。既能體現通風系統復雜多變的內涵明確、外延模糊性,又盡量減少個人主觀臆斷造成的弊端,使評價結果更加客觀可靠。

2.運用AHP-FCE數學模型對鑫達金礦通風系統進行優選,實現對通風系統的優化,指導生產實踐。

3.實踐表明,該方法簡便通用,結果較為客觀準確,該AHP-FCE模型在優選方案中具有一定的推廣價值。

[1] 趙伏軍,謝世勇,楊磊,等.基于層次分析法-模糊綜合評價(AHP-FCE)模型優化礦井通風系統的研究[J].中國安全科學學報,2006,16(4):91-96.

[2] 周靜,劉劍.礦井通風系統穩定性的模糊綜合評價[J].礦業工程,2004,2(6):44-45.

[3] 韓利,梅強,陸玉梅,等.AHP-模糊綜合評價方法的分析與研究[J].中國安全科學學報,2004,14(7):86-89.

[4] 趙發堂,羅福周.基于AHP和模糊綜合評價的監理評標方法研究[J].建筑技術開發,2005,32(3):112-114.

[5] 田玲.基于層次分析法的購電方案模糊綜合評價探討[J].電網技術,2005,29(7):23-27.

[6] 金菊良,楊曉華,丁晶.標準遺傳算法的改進方案——加速遺傳算法[J].系統工程理論與實踐,2001,21(4):8-13.