基于AHP法的大萬礦業豎井工業場地總平面布置方案優化

吳翔偉

（1.長沙礦山研究院有限責任公司；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室）

采選工業場地總平面布置直接關系到企業近期得經濟效益、生產效率，遠期的建設和規模擴大。總平面不合理、工藝流程不順暢，將導致能耗增加，生產效率降低，不安全因素增加［1-2］。目前，國內學者對總平面布置做了大量的研究，馬少維等［3］采用優選數學模型，在復雜物料條件下，選擇了合適的采選工業場地；王建偉等［4］以某銀礦為例，詳細分析了礦山4個工業場地的布置；翟串梅［5］將層次分析法應用于總平面方案比選中，通過構建層次分析模型，實現了最優方案選擇；李丹等［6］從原料運輸、景觀設計等方面提出了現代化選礦廠的優化布置；李晶［2］從平面布局、豎向設計、管網綜合、指標綜合等，多方面分析了建筑企業總平面設計要點；韓永強［7］針對某鐵礦存在的礦石多次轉運、場地利用率不高、已征地范圍偏少的問題，優化了總平面布置及工藝流程。

在礦山總平面布置方面，已有較多的學者進行了分析研究，但是對于需要改擴建的礦山，新建工業場地的總平面方案比選優化方面的文章較少。本文以大萬礦業新建罐籠豎井工業場地為例，在進行工業場地本身的總平面布置的同時，考慮與已有選廠、道路、運輸的銜接，運用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）建立了方案評選模型，得到了可靠的評價結果，為類似工業場地總平面布置方案的選擇及優化提供參考。

1 豎井工業場地場址

大萬礦業在礦權南部建設了1 000 t/d 楊洞源選廠，礦山現有剪刀沖和白荊2 個工區，從礦區到選廠只有村級公路，運輸距離超過4 km，路況差，且運輸車輛噪音、揚塵對周邊百姓帶來一定影響，井下運輸方案完全避免了地面運輸的缺點，同時運輸線路短，運營成本低。經過方案比選，設計決定采用井下礦車有軌運輸方案，礦石分別從白荊礦區和剪刀沖礦區由架線式電機車牽引翻轉式礦車組，通過-120 m礦石主運輸大巷，運輸至豎井附近，再由罐籠豎井提升至地表。

楊洞源選廠原礦倉頂標高234 m，原礦倉向北地形標高由234 m 逐漸降低為180 m；原礦倉南側是以原礦倉為高點形成的邊坡，坡底標高169.5 m；原礦倉東側地形最高標高280 m，到達高點后再向東側逐漸降低至140 m。原礦倉北側、南側地勢較低，不適合布置豎井，設計將擬建豎井布置在原礦倉東南側山坡約118 m處，距離短，便于提升上來的礦石運至原礦倉。

場地位于半山腰，沒有受到洪水、內澇的干擾根據現場工程勘測報告，本場地基穩定性好，適宜作為建（構）物的場地［8-9］。

2 工業場地總平面布置

2.1 布置原則

總平面布置與工藝要求、地形條件、交通、防排洪等多種要求相關，本次方案研究遵循以下原則：

（1）應保證井下提升的礦石順暢、便捷地運至選廠。該豎井凈直徑為5.0 m，提升高度為360 m，采用雙層雙罐籠互為平衡，JKMD2.25×4 I 多繩摩擦提升機，礦石從明豎井提升，通過轉運膠帶或者窄軌鐵路運輸。

（2）場地布置應簡潔、規整。各設施均圍繞豎井布置，主要布置有井口房、提升機房、空壓機房、辦公樓、材料庫、機修及地表運輸窄軌線路等。

（3）考慮填挖零線的影響，零線以東、以南為挖方，以北、以西為填方，設施盡量布置在挖方地段，減少地基處理費用。

（4）選擇高效、便捷的運輸方案。提升及運輸能力為1 400 t/d，環形軌道運輸比折返式運輸效率高，本方案考慮采用環形軌道運輸［10-11］。

2.2 總平面布置方案

根據場地地形地貌及工藝要求，設計了2個總平面布置方案，從投資、技術、管理等方面進行分析比較，方案平面布置見圖1、圖2。

（1）方案1選用南北向布置，膠帶轉運。總平面布 置方式為出車方向南北向；井口房南北向布置；提升機房布置在豎井東側；主要設施均布置在挖方地段；場地高于原礦倉頂5m，便于轉運礦倉布置。運輸方式采用窄軌、膠帶聯合運輸，環形軌道運輸，軌距600 mm，設置地表轉運礦倉，采用膠帶轉運至原礦倉。

（2）方案2 選用東西向布置，窄軌運輸方案。總平面布置方式為出車方向為東西向；井口房東西向布置；提升機房布置在豎井南側；主要設施均布置在挖方地段；場地標高與原礦倉頂標高一致，方便軌道線路布置。軌道段運輸同方案1，曲軌卸載至溜槽，溜槽卸載至原礦倉。其中軌道運輸經過原礦倉段需要架空，架空高度10 m，架空段長約35 m。

3 方案選擇

3.1 評價指標體系及主要技術經濟指標

層次分析法（AHP）是一種將定量和定性相結合的方法，適用于某些復雜的、難以定量分析的問題。層次分析法的基本思想是將所有的分析問題進行分層，針對問題的本質與所要實現的總體目標，將問題分為不同的組成要素，并按照這些要素的關聯影響，即其隸屬關系，將不同層面的要素進行組合，從而形成一個多層次的分析結構；最后，對問題進行優劣比較排序［12-13］。

對豎井工業場地從平面布局、礦石運輸、投資3個層面，將復雜的問題層分解為3 層共10 個要素，如圖3。

（1）目標層：最佳總平面布置方案A。

（2）準則層：平面布局B1、礦石運輸B2、可比投資B3。

（3）指標層：占地面積C1、布置整潔C2、場地安全C3、場地防排洪C4、運輸便捷C5、礦石卸載穩定C6、與汽車運輸協調性C7、檢修便利性C8、運輸系統可比投資C9、土石方工程量C10。

（4）方案層：方案1D1、方案2D2。

根據確定好的指標體系，收集整理2個方案實際資料，確定主要技術經濟指標見表1。

3.2 指標層權重及一致性檢驗

通過將每層間的各項因素進行比對，根據表2判斷標度量化，確定其相互關系。

本文通過AHP 法分別確定指標層、準則層的分布權重及總體權重。首先進行專家調查，構建每一層內及總體層間的判斷矩陣，每次取2 個因素Fij和Fji，按1～9的比例來度量：

其次，構建準則、指標、方案層矩陣，構造矩陣后，利用和積法或方根法，計算出每個判斷矩陣的權重向量及最大特征值λmax。

最后，進行一致性檢驗。考慮到在打分過程中決策者的主觀影響，尤其是在需要評價的目標較多，兩兩比較的時候，可能會出現矛盾，例如在總平面C1中，若指標C1比C2重要、C2比C3重要，兩兩比較時候出現了C3比C1重要的結果，則該判斷矩陣指標互相矛盾，邏輯上行不通，因此要進行一致性檢驗，計算一致性比例CR，當CR≤0.1時，通過一致性檢驗。

式中，CI 為一致性指標；λmax為最大特征值；n為比較因素的數量；CR 為一致性比例，RI 為平均隨機一致性指標（表7）。

計算分析結果見表8，通過表8分析，一致性比例CR≤0.1，所有結果均通過一致性檢驗。

3.3 層次總排序

通過總排序可以得到指標層每個元素相對于目標層（最佳總平面布置方案）的組合權重，從上到下逐層排序，同樣也需要對總排序結果進行一致性檢驗，評價體系指標層總排序及方案層總排序見表9。

通過表9可以得出，礦石卸載穩定C6指標權重達到0.376 4，是重點關注項；占地面積C1的指標權重0.013 9，對于方案的影響最小；方案1（D1）的權重（0.713 5）遠大于方案2（D2）的權重（0.286 5），最終優選方案1，井口房南北向布置，礦石采用環形軌道、膠帶聯合運輸，經膠帶轉運至原礦倉。目前，該豎井及場地已投入生產，環形軌道運輸效率高，運輸流程順暢，礦石卸載安全穩定，場地布置整潔，滿足生產經營要求。

4 結論

（1）本文將復雜的問題有序分解為平面布置、礦石運輸、建設投資4 層共10 個要素，基于層次分析建立方案評價指標體系，分析結果表明方案1（D1）的權重（0.713 5）遠大于方案2（D2）的權重（0.286 5），優選出最佳總平面布置方案是方案1。

（2）罐籠豎井選擇在選廠原礦倉東側的山坡，礦石提升至地表后通過窄軌運輸，曲軌卸載至地表轉運礦倉，振動放礦機放礦后，膠帶轉運至選廠原礦倉，方案設計安全可靠，目前該豎井及場地已投入生產，滿足生產運輸要求。

（3）層次分析法適用于一些難以定量分析的問題，總平面方案選擇、廠址方案優化通常是定性和定量相結合的綜合分析，因此層次分析法在研究此類問題中具有明顯優勢。