基于熵權TOPSIS的露天礦坑泵排系統優選

黃國泉，羅黎明

（江西銅業集團有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

露天采礦排水工程貫穿整個開采周期，尤其是凹陷露天礦，其排水工程是采礦活動中的關鍵環節與技術［1-2］。大型凹陷露天礦山泵排系統的選擇是露天采礦排水工程設計中至關重要的一環，其選擇的得當與否，對于礦山均衡穩定的生產具有直接的影響，與此同時其決策選擇是一個系統的過程，具有一定的復雜性［3-5］。傳統的凹陷露天礦山泵排系統的選擇基本以簡單技術經濟對比分析基礎上的人工優選為主，在整個優選決策的過程中，存在片面性及人為主觀性大等缺陷，致使選擇結果容易受到個人經驗及其他利益關系的影響而難以滿足礦山生產的實際需要，或者所選擇的泵排系統并非最優的方案。

近年來，隨著國內外學者在數學方法優選領域研究的不斷深入，諸如灰色關聯法、熵權法、模糊數學法及逼近理想解排序法（TOPSIS）等數學優選方法得到大力的發展，極大的推動了方案優選科學決策的進程［6-7］。因此，本文采用基于熵權的逼近理想解排序法對露天礦坑泵排系統進行優選，為露天礦坑泵排系統的方案優選提供方法借鑒。

2 露天礦坑泵排系統綜合評價指標體系的構建

對于凹陷露天礦山而言，泵排系統的選擇是一個復雜的系統工程，不僅要考慮采區現有的開采現狀以及涌水量情況，還應將經濟、技術、安全和時間等多方面的影響因素進行全面分析研究［8］。因此，在充分考慮經濟、技術、安全和時間四方面因素對露天礦坑泵排系統選擇影響的基礎上，構建了露天礦坑泵排系統方案選擇的綜合評價指標體系，如圖1 所示。

圖1 露天礦坑泵排系統綜合評價指標體系

3 熵權TOPSIS 的方案優選原理及計算流程

熵權法是一種客觀賦權求解指標權重的方法，通過數據矩陣的無量綱化、信息熵求解等相關步驟，能夠客觀的計算得到評價指標權重［9］。而逼近理想解排序法（TOPSIS）是經典的方案優選方法之一，對于有限方案多因素多指標的決策分析具有獨特的優勢［10］，其在評價指標權重數據獲得的基礎上，可以對各方案的綜合優越度進行計算，以優越度數值為依據，對各方案進行優劣排序，從而實現方案的優選。基于熵權TOPSIS 的方案綜合優越度計算流程如圖2 所示。

圖2 熵權TOPSIS 綜合優越度計算流程

4 工程實例

4.1 工程概況

德興銅礦富家塢采區的開采規模為5.4 萬t/d，根據富家塢礦區露天開采最終境界圖可知，采區的最低開采標高為-310m，封閉圈標高110m，最終露天坑內排水高度達420m?，F在采區已經由山坡露天開采轉化為凹陷開采，對于封閉圈以上的匯水，可以采用截排水系統將其自流排出，但是封閉圈以下的匯水則必須設置排水泵站將其外排，由于采坑深，且匯水面積大，以當前水泵技術，揚程及排水量無法實現一段排水，因此必須采用接力泵排的方式排水，最終形成坑底臨時泵站→一級固定泵站→二級固定泵站→多級固定泵站→+110m 水平，多級泵站接力的露天坑排水系統，如圖3 所示：

圖3 排水模式示意

按采區現有的礦山開采境界，封閉圈以下凹陷露天坑匯水面積1.34km2。將最大允許淹沒時間設定為7 天，以20 年一遇，連續7 日降雨644mm 計算匯水量，最大暴雨期間徑流系數0.9，旱季日均降雨量2.8mm/d，徑流系數為0.6，雨季日均降雨量8.2mm/d，平均徑流系數0.65。地下涌水量以境界設計中的3000m3/d 進行設定，封閉圈（110m）標高以下采區截水系統的匯水區涌水量為：旱季正常水量5300m3/d；雨季正常水量10200m3/d；暴雨時最大水量113800m3/d。

4.2 方案設計

露天礦的開采是按水平臺階從上到下進行，泵站需要的揚程隨著開采深度的增加而增加，而水泵的揚程都有一定的服務范圍。根據富家塢采區的開采現狀及涌水量情況，結合露天坑的排水高度、終了境界圖，對于固定泵站的水泵選型及揚程等，設計了三種經濟上合理，技術上可行的露天礦坑泵排系統方案進行綜合比較，具體方案配置分別如下。

（1）方案一：60m 一級固定泵站配置方案。

固定泵站水泵揚程滿足4 級臺階的排水高度（60m），相對110m 封閉圈下降1 級或2 級水平臺階時，采用臨時潛水泵泵站將坑內積水揚送至110m 出入溝；下降至3 級或4 級臺階時新增1 個臨時潛水泵站，將坑內積水接力揚送至110m 出入溝。下降至5 級臺階時，在第4 級臺階設1 個固定泵站，在最低開采水平設1 個臨時泵站，將坑內積水接力揚送至110m 出入溝；以此類推，最終分別在50m、-10m、-70m、-130m、-190m、-250m 水平臺階形成6 個固定泵站接力的排水系統，固定泵站之間采用1 個或2 個臨時泵站接力排水。固定泵站所需平臺，按照寬度＞36m，長度＞90m 來設置。經過設置泵站后對最終露天開采境界的調整，60m揚程方案所增加的工程量約為385.8 萬t，其中減少礦量21 萬t。

（2）方案二：90m 一級固定泵站配置方案。

固定泵站水泵揚程滿足6 級臺階的排水高度（90m），臨時泵站采用潛水泵和離心泵，潛水泵適應1 級或2 級臺階的排水高度（15m 或30m），離心泵適應3 級或4 級臺階的排水高度（45m 或60m）。相對110m 封閉圈下降1 級或2 級水平臺階時，采用潛水泵將坑內積水揚送至110m 出入溝；下降至3 級或4 級臺階時，采用潛水泵串聯將坑內積水揚送至110m 出入溝；下降至5 級或6 級臺階時，采用潛水泵與離心泵接力將坑內積水揚送至110m 出入溝。下降至7 級臺階時，在第6 級臺階設1 個固定泵站，在最低開采水平設1 個臨時泵站，將坑內積水接力揚送至110m 出入溝；以此類推，最終分別在20m、-70m、-160m、-250m 水平臺階形成4 個固定泵站接力的排水系統，固定泵站之間采用1 個或2 個臨時泵站接力排水。固定泵站所需平臺，按照寬度＞36m，長度＞90m 來設置，經過境界的調整，900m 揚程方案所增加的工程量為約186.8 萬t，其中減少礦量13 萬t。

（3）方案三：120m 一級固定泵站配置方案。

固定泵站水泵揚程滿足8 級臺階的排水高度（120m），臨時泵站采用2 種揚程的潛水泵配合使用，低揚程潛水泵適應1 級或2 級臺階的排水高度（15m 或30m），高揚程潛水泵適應3 級或4 級臺階的排水高度（45m 或60m）。相對110m 封閉圈下降1 級或2 級水平臺階時，采用低揚程潛水泵將坑內積水揚送至110m 出入溝；下降至3 級或4 級臺階時，采用高揚程潛水泵將坑內積水揚送至110m 出入溝；下降至5 級或6 級臺階時，采用高揚程潛水泵與低揚程潛水泵接力將坑內積水揚送至110m 出入溝；下降至7 級或8 級臺階時，采用高揚程潛水泵與2 級低揚程潛水泵接力將坑內積水揚送至110m 出入溝。下降至9 級臺階時，在第8級臺階設1 個固定泵站，在最低開采水平設1 個臨時泵站，將坑內積水接力揚送至110m 出入溝；以此類推，最終分別在-10m、-130m、-250m 水平臺階形成3 個固定泵站接力的排水系統，固定泵站之間采用1～3 個臨時泵站接力排水。為便于銜接，在最終境界下一級固定泵站位置未出露前，中間60m 段高位置插入一個占地稍小的半固定泵站，即在50m、-70m、-190m 水平設立一個半固定泵站。120m 高揚程固定泵站所需平臺，按照寬度＞36m，長度＞90m 來設置，經過境界調整，120m 揚程方案增加的工程量為323.8 萬t，其中減少礦量18 萬t。

德興銅礦富家塢采區泵排系統的各評價指標數據如表1 所示。

表1 泵排系統評價指標值

4.3 最優方案的確定

按照熵權TOPSIS 的原理和計算流程，對所形成的三個備選方案進行優劣排序，以確定最優的泵排系統方案，具體的過程如下：

將原始矩陣進行無量綱化處理，得到規范化矩陣

采用熵權法進行計算，得到評價指標權重數值

計算方案的理想解及負理想解

計算方案的歐式距離

計算方案的綜合優越度

綜合優越度數值是方案排序的依據，由計算得到的綜合優越度矩陣可知，方案二的綜合優越度數值最大，其后依次為方案三、方案一，說明方案二（90m 一級固定泵站配置方案）為最優露天礦坑泵排系統方案。

4.4 泵排系統的布置及對開采境界的影響

根據前述優選的泵排系統，得到富家塢采區的終了泵排系統平面布置圖如圖4 所示。

圖4 終了泵排系統平面布置

在盡可能利用現有境界平臺的前提下，通過整體外擴與局部回縮境界，空出泵站布置所需要的平臺，通過對比該區域修改前后的最終境界邊坡角，圖4 中A-A 剖面位置邊坡角度由原境界的42.1°放緩到41.1°，對于邊坡穩定有利。

5 結語

采坑排水系統是露天開采的重要組成部分，排水方式選擇及排水參數的確定均對露天開采產生巨大影響，因此在開采初期需要對泵排系統布置進行規劃設計，但是受設備技術、開采范圍等限制，開采境界設計過程中存在一定局限性，隨著技術進步，開采過程中礦體控制程度加深及揭露巖體穩定性等情況，境界有優化完善空間，在此情況下，可以充分結合當前設備水平，對采坑排水系統進行優化調整。

本文以德興銅礦富家塢礦區為研究對象，創新性地將露天礦山泵排系統建立的影響因素納入到統一的評價體系之中，構建了露天礦山泵排系統獨具特色的綜合評價體系，并運用基于熵權的逼近理想解排序法（TOPSIS）對其泵排系統方案進行了分析研究，最終實現了露天礦坑泵排系統的優選。研究結果表明熵權TOPSIS 法計算過程靈活簡便、科學客觀，計算結果合理可靠，此法在德興銅礦富家塢采區的成功應用，證明其能夠較好的運用于露天礦坑泵排系統的優選，與此同時為解決同類問題提供了方法借鑒。