基于灰色關(guān)聯(lián)度法的露天煤礦采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)研究

林 淋

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

露天煤礦分區(qū)開采是礦山普遍采用的開采方式。分區(qū)開采方式不僅可以規(guī)范礦區(qū)結(jié)構(gòu)、合理布置工作線，縮減開采基建量，同時可以盡早實現(xiàn)內(nèi)排，以減少排土場面積及運輸距離，為企業(yè)降低投資成本、提高礦山經(jīng)濟效益。

對礦田進(jìn)行采區(qū)劃分后，在開采接續(xù)過程中實現(xiàn)采區(qū)之間的銜接過渡是整個開采程序的關(guān)鍵。一個好的采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方案綜合了各種因素，其中涉及產(chǎn)量、運距、進(jìn)度、成本、效益等諸多方面，每種因素對方案的選取有著不同程度的縱伸影響。利用灰色關(guān)聯(lián)度法建立數(shù)學(xué)評價模型綜合不同量綱級因子，對擬定轉(zhuǎn)向接續(xù)方式進(jìn)行排序，從而確定礦山最適宜的采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式。

1 采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)基本方式

采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)基本方式主要分為2 大類：①連續(xù)型接續(xù)方式；②間斷型接續(xù)方式。連續(xù)型接續(xù)方式主要包括直角緩幫轉(zhuǎn)向、扇形轉(zhuǎn)向、“L”形轉(zhuǎn)向等。間斷型接續(xù)方式主要指采區(qū)重新拉溝接續(xù)[1]。

直角緩幫轉(zhuǎn)向方式是在舊采區(qū)開采后期，利用已形成的端幫進(jìn)行再擴幫，將端幫自上而下逐臺階進(jìn)行緩幫剝離，過渡成工作幫，揭露出煤層頂板，完成新采區(qū)的基建。扇形轉(zhuǎn)向方式是讓剝采工作線都以轉(zhuǎn)向接續(xù)起點為扇形回轉(zhuǎn)中心，沿同一方向扇型旋轉(zhuǎn)，工作幫實現(xiàn)扇型推進(jìn)，由于外側(cè)工作線長度較長，所以外側(cè)工作線推進(jìn)強度較于內(nèi)側(cè)工作線推進(jìn)強度大。“L”形轉(zhuǎn)向方式是在舊采區(qū)開采接近尾聲時，工作線采用“L”型方式對舊采區(qū)收尾以及新采區(qū)的初始擴幫，當(dāng)采區(qū)完成轉(zhuǎn)向過渡時，最終工作線轉(zhuǎn)為直線型。間斷式接續(xù)方式是在舊采區(qū)開采結(jié)束前，以重新拉溝布置工作線的方式在新采區(qū)內(nèi)進(jìn)行新的基建開采。

連續(xù)型與間斷型接續(xù)方式的特點分別是：連續(xù)型接續(xù)方式顧名思義作業(yè)連續(xù)，利用現(xiàn)有的工作幫和已形成或正在形成的端幫向新采區(qū)轉(zhuǎn)向過渡，無需重新拉溝，基建量小，運輸距離短，經(jīng)濟性較好。間斷式過渡方式的特點是當(dāng)舊采區(qū)開采結(jié)束后，在新采區(qū)內(nèi)重新拉溝布置開拓運輸系統(tǒng)，新采區(qū)與舊采區(qū)之間互不干擾，但這種方式基建量較大，設(shè)備移設(shè)距離較長[2]。

2 采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)影響因素

采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式的選取是多因素綜合的結(jié)果，影響因素種類多且復(fù)雜，包括開拓運輸系統(tǒng)、采剝工程量、邊坡角度、生產(chǎn)成本、剝采比等等都會產(chǎn)生不同程度的影響。一個好的露天煤礦采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式不僅僅能完成采區(qū)的自然過渡，同時還需要兼顧礦山的經(jīng)濟效益。所以，對于采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式影響因素全面細(xì)致的分析就顯得尤為重要[3-4]。

采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式的比選過程中需要綜合以下因素：首先是露天礦山開采工藝，開采工藝不僅決定著轉(zhuǎn)向過程中產(chǎn)生的礦巖量與運輸距離，還決定著轉(zhuǎn)向方式選取的適用性；其次要考慮邊坡的穩(wěn)定性，邊坡的穩(wěn)定關(guān)系著整個露天煤礦的安全生產(chǎn)，保證礦山的安全生產(chǎn)是露天煤礦的首要任務(wù)；然后，考慮轉(zhuǎn)向接續(xù)過程中的工程量，這與礦山的生產(chǎn)成本和經(jīng)濟效益息息相關(guān)，這也是礦山開采需要考慮的重要因素之一[5-6]。

綜合分析影響采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式因素，選取歸納10 大因素作為轉(zhuǎn)向接續(xù)方式選取指標(biāo)。露天煤礦采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式影響因素如圖1。

圖1 露天煤礦采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式影響因素

3 灰色關(guān)聯(lián)度法

灰色系統(tǒng)指的是已知系統(tǒng)的部分信息，利用已知的部分信息來分析研究及預(yù)測未知信息，從而達(dá)到了解掌握整個系統(tǒng)的目的[7]。

灰色關(guān)聯(lián)度分析法是一種多因素統(tǒng)計分析法，它是以各因素的樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用灰色關(guān)聯(lián)度來描述因素之間關(guān)系的強度與次序，如果樣本數(shù)據(jù)反映出的因素之間變化趨勢基本一致，那么它們之間的關(guān)聯(lián)度大；反之，它們之間的關(guān)聯(lián)度小[8]。

此外，可以用幾何方式直觀地描述灰色關(guān)聯(lián)度分析法，以序列曲線的幾何形狀相似程度來判斷因素之間聯(lián)系的緊密性，曲線之間越貼近，因素序列之間的關(guān)聯(lián)度大，反之關(guān)聯(lián)度小[9]。

4 灰色關(guān)聯(lián)度法分析過程

4.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

評價指標(biāo)體系中的各個評價指標(biāo)，由于量綱、經(jīng)濟意義、表現(xiàn)形式以及對總目標(biāo)的趨向各不相同，不具有可比性，或者是比較的結(jié)果不正確，必須對其進(jìn)行無量綱化處理以后，才能進(jìn)行綜合評價，所以在計算各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度之前，需要對原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，建立起各個指標(biāo)比較的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化有一般有3 種方法初值法、均值法和區(qū)間法[10-11]。

1）初值法。初值法一般適用于較穩(wěn)定的多數(shù)呈穩(wěn)定增長趨勢的數(shù)據(jù)。

式中：maxXi（k）、minXi（k）分別為行為序列指標(biāo)的最小值與最大值。

4.2 關(guān)聯(lián)系數(shù)

計算關(guān)聯(lián)系數(shù)應(yīng)用以下公式：

式中：ξi（k）為比較數(shù)列Xi上各點k 與參考數(shù)列X0上參照點的關(guān)聯(lián)系數(shù)；?是參考數(shù)列；為序列指標(biāo)數(shù)據(jù)；ρ 為分辨系數(shù)，取值區(qū)間在（0，1）之間，當(dāng)ρ≤0.546 3 時，分辨力最好，所以通常取分辨系數(shù)ρ=0.5。

關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi（k）是比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個時點的關(guān)聯(lián)程度值，信息量多且分散不利于對系統(tǒng)進(jìn)行整體比較。因此對各個時點關(guān)聯(lián)系數(shù)的分散值進(jìn)行處理，將其整合為1 個值，即求其平均值，作為整體關(guān)聯(lián)程度的量化數(shù)據(jù)。關(guān)聯(lián)度ri計算公式如下：

式中：ri為關(guān)聯(lián)度。

將求出的關(guān)聯(lián)度按照數(shù)值大小進(jìn)行排序比較，數(shù)值越大，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列的關(guān)聯(lián)度越高。

5 灰色關(guān)聯(lián)度法轉(zhuǎn)向接續(xù)方案優(yōu)選

針對國內(nèi)某露天煤礦設(shè)計了4 個采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方案，分別是“L”形轉(zhuǎn)向方式、扇形順時針方式、扇形逆時針方式以及重新拉溝方式。利用灰色關(guān)聯(lián)度法將選取的4 個轉(zhuǎn)向接續(xù)方案進(jìn)行排序，同時選取出最優(yōu)的采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式。

綜合分析采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式的影響因素，提取了9 個指標(biāo)因子，分別是轉(zhuǎn)向的經(jīng)濟效益、轉(zhuǎn)向過程煤炭價格、轉(zhuǎn)向過程生產(chǎn)成本、轉(zhuǎn)向期間剝離土巖量、轉(zhuǎn)向期間礦石量、剝離土巖平均運距、安全邊坡角、轉(zhuǎn)向剝采比、轉(zhuǎn)向推進(jìn)度和轉(zhuǎn)向過渡時間，將這些指標(biāo)因子量化，采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式指標(biāo)因子量化表見表1。

表1 采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式指標(biāo)因子量化表

由于表1 中9 種指標(biāo)因子量綱單位不同，首先要對指標(biāo)因子根據(jù)式（2）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)無量綱化處理，采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式指標(biāo)因子標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果見表2，然后利用標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)分別計算4 個擬采用方案的關(guān)聯(lián)系數(shù)，采區(qū)各轉(zhuǎn)向接續(xù)方案關(guān)聯(lián)系數(shù)見表3。

表2 采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式指標(biāo)因子標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果

根據(jù)表3 計算出的各方案的關(guān)聯(lián)系數(shù)，計算“L”形方案r1、扇形順時針方案r2、扇形逆時針方案r3、拉溝方案r4的平均關(guān)聯(lián)系數(shù)為：r1=0.588，r2=0.806，r3=0.629，r4=0.743，各方案優(yōu)劣排序為r2>r4>r3>r1，扇形順時針采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式關(guān)聯(lián)度最高，礦山宜采用該方式作為采區(qū)過渡方式。

表3 各轉(zhuǎn)向接續(xù)方案關(guān)聯(lián)系數(shù)

6 結(jié)語

1）灰色關(guān)聯(lián)度法能夠有效降低主觀因素影響，利用數(shù)學(xué)模型建立評價體系，計算過程簡單高效，評價結(jié)果直觀、準(zhǔn)確。

2）基于灰色關(guān)聯(lián)度法的采區(qū)轉(zhuǎn)向評價模型，將各類方案進(jìn)行了優(yōu)劣排序，為礦山優(yōu)選出最適合的轉(zhuǎn)向接續(xù)方式，便于礦山企業(yè)制定生產(chǎn)規(guī)劃，提升經(jīng)濟效益，該方法對露天煤礦接續(xù)開采具有很強的實用價值。