基于層次分析法的某金礦開拓運輸中段轉載系統方案決策分析

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

礦石轉運系統方案如何實現更加科學、適宜、安全、高效的優選將成為整個礦山礦石運輸環節的關鍵。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,對于最優方案的選擇往往沒有較大幫助[1]。目前國內較多專家學者在開拓方案優化方面做了大量工作。孫麗軍[2]結合了模糊數學和層次分析法對程潮鐵礦的開拓系統進行了優化。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。李何林[4]使用AHP-熵權法以及灰色關聯分析等方法實現了開拓系統優化方案的選擇。梁霄[5]通過粒子群算法實現了對地下礦床的開拓系統運輸方案的優化。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的優化選擇[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,能夠將整個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載系統方案進行優選。

1 礦區地質及開采現狀

四川省某高原金礦區地處川西高山峽谷區北側,礦區內最高海拔標高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。礦區及其附近為夏季牧場,無耕地,海拔4000 m 以下多為森林。礦區海拔較高,總體氣溫較低,在－4～30.5℃之間。礦區地處高原,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),高海拔區域生態環境脆弱,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。依據礦區勘探的階段性成果,周邊和深部存在大量的金礦資源,為了更好地開發資源,實現規模效益,將資源優勢轉化為經濟優勢,公司決定對采選工程進行改造擴建。

規劃在礦區南側1.6 km 標高3420 m 處新建選礦廠,根據礦山開拓現狀及礦體賦存條件,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、礦巖穩定性、礦山氣候環境、選廠位置、地形地貌、征地、經濟性等因素對礦石運輸轉載系統方案進行設計和優選[8-9]。

2 中段運輸轉載方案設計

本研究設計了3種中段運輸轉載方案:方案Ⅰ,膠帶運輸方案;方案Ⅱ,地表轉運溜井＋平硐＋窄軌運輸方案;方案Ⅲ,硐內溜井＋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動,頭部重錘拉緊方式。管狀帶式輸送機主要技術參數見表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

2.2 方案Ⅱ

方案Ⅱ為地表溜井＋平硐(3460 m)＋窄軌轉運方案。3680 m 平硐深部轉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。本方案將下部轉運溜井布置在3680 m 主平硐口附近,轉運溜井口標高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為硐內溜井＋平硐(3460 m)＋窄軌轉運方案。轉運溜井位置相對于平面關系見圖2。考慮到林區地表征地難度以及氣候因素影響,將下部轉運溜井布置在距離3680 m 硐口內1.0 km,采礦區邊界23勘探線處,轉運溜井口標高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轉運溜井位置縱投影示意(單位:m)

2.4 方案工程量及經濟技術指標對比

方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ的工程量估算及經濟指標比較見表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 方案經濟指標比較

3 中段運輸轉載方案比較分析

3.1 方案Ⅰ優缺點

方案Ⅰ將原選廠的粗碎布置在3680 m 主硐口工業場地,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、邊坡擋土墻105 000 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礦業的探礦權,滿足法律法規要求。

缺點為:

(1)投資2758萬元,可比費用現值達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的主要優點為:

(1)工程量少、可比投資少;

(2)施工速度比方案Ⅲ快,可節約工期6個月左右;

(3)轉運溜井及溜井回風井均在露天布置,施工環境比較好。

缺點在于:

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

(2)轉運溜井及卸礦站,需要另外征地及辦理相關林地批復手續,周期時間長;

(3)轉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的主要優點為:

(1)轉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)轉運溜井距離礦山主溜井較近,減少了3680 m 平硐內運輸距離;

(3)溜井布置在采礦權范圍內,符合現行的國家政策;

(4)減少了地表征地及審批手續、挖填方工程;

(5)礦山生產不受高原天氣影響,減少對地表生態的破壞。

缺點在于:

(1)工程量大、投資費用比方案Ⅱ高;

(2)主溜井布置坑內措施工程多,施工周期長。

基于對3種方案優缺點的分析,發現方案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具有更大的優勢。通過對3種方案優缺點的綜合分析,可知方案Ⅱ優于另外兩種方案。

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。可以按照以下步驟完成方案的優選。

4.1 建立遞階層次模型

通過層次分析法來進行方案優選時,需要將問題進行層次化,將方案優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。通過數字1～9及其倒數來作為標度,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。通過查表找到矩陣階數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W。

開拓方案的優選評價因子的一致性以及權重系數見表5,每一個因素的判斷矩陣權重系數見表6至表9。可以發現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是有效的。

表5 開拓方案的優選評價因子判斷矩陣權重系數

表6 工程量判斷矩陣權重系數

表7 工期判斷矩陣權重系數

表8 運營成本判斷矩陣權重系數

表9 工程投資判斷矩陣權重系數

4.3 組合權重的計算

通過對判斷矩陣權系數的計算,可以獲得不同方案的組合權重WZ:

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

表10 開拓方案優選組合權重

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

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模擴建工程的需要,在原有礦山生產系統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,對礦山礦石中段轉載系統進行了方案設計。綜合分析了3種方案的優缺點,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,對開拓系統的3種設計方案進行了優選,認為硐內溜井＋平硐＋窄軌轉運(方案Ⅱ)明顯優于另外兩種方案,適合于礦山實際情況。