基于模糊层次分析法的多目标“三下”采搬决策_刘义生.pdf

基于模糊层次分析法的多目标 “三下” 采搬决策 刘义生1,2, 陈世超1, 宋文辉1, 刘 伟1 1． 中国矿业大学 北京 地球科学与测绘工程学院, 北京 100083 ; 2． 开滦 集团 有限责任公司, 河北 唐山 063018 [摘 要] 以地表采动影响最小、 资源解放最多和经济效益最优作为基本目标, 建立了 “三 下” 采搬途径选择模型, 采用模糊层次分析法, 确定 “三下” 开采的途径。 以某矿建筑物下开采为 例, 将搬迁开采、 条带开采、 全部充填开采以及 “采-充-留” 协调开采方式进行了对比, 确定了该 矿铁路煤柱区建筑物下压煤的采搬途径。 [关键词] 模糊层次分析, 多目标优化, “三下” 采搬途径, 村庄搬迁 [中图分类号] TD823． 8 [文献标识码] A [文章编号] 1006-6225 2016 02-0041-04 Multiple Objectives Mining and Moving Decision of ‘Three Unders’ Mining Based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process LIU Yi-sheng1,2, CHEN Shi-chao1, SONG Wen-hui1, LIU Wei1 1． Geoscience and Surveying Engineering College, China University of Mining 2． Kailuan Group Co． , Ltd． , Tangshan 063018, China Abstract Mining and moving ways selection model of ‘three unders’ was built, its basic targets were the minimum surface move- ment, the maximal resource utilization and the optimum economic benefit, then mining of ‘three unders’ was confirmed． It taking mining under buildings of one coal mine as example, and then some different mining were compared, which included removal mining, strip mining, fully backfilling mining and mining coordinately mixed with backfill mining and setting pillars, the fi- nal mining and moving of coal under buildings that around railway coal pillar areas was determined． Key words fuzzy analytic hierarchy process; multiple objectives optimization; ‘three unders’ mining and moving ; village relocation [收稿日期] 2015-08-19[DOI] 10． 13532/ j． cnki． cn11-3677/ td． 2016． 02． 012 [基金项目] 国家自然科学基金面上项目 51574242 [作者简介] 刘义生 1963-, 男, 河北唐山人, 高级工程师, 博士研究生, 研究方向为煤矿开采沉陷理论与技术。 [引用格式] 刘义生, 陈世超, 宋文辉, 等 ． 基于模糊层次分析法的多目标 “三下” 采搬决策 [J] ． 煤矿开采, 2016,21241-44,102． 目前我国 80 以上的矿区存在 “三下” 开采 问题, 中东部矿区 “三下” 生产矛盾尤为突出, 其压煤率一般为 50 80, 有的矿井甚至高达 100 [1]。 仅河北、 河南、 安徽、 山东、 江苏五省 压煤村庄近 1100 个[2]。“三下” 压煤已严重影响 矿井发展, 有的矿区甚至产生严重的工农矛盾和纠 纷。 为了减少或避免工农纠纷, 许多矿区采用村庄 搬迁措施、 条带开采技术、 充填开采技术和损坏补 偿等方法进行 “三下” 资源的开发[1,3]。“三下” 开采方案选择时, 根据地表压煤对象特征和地下开 采特点往往存在多种可选途径, 常规方案设计时仅 以技术可行、 经济合理为选择依据, 很少顾及开采 技术因素间的相互影响。 为了方案选择时兼顾地表 采动影响、 采出率和经济最优需建立 “三下” 开 采的合理选择模型。 1 “三下” 开采基本途径及方案选择的一般原则 1． 1 “三下” 开采的基本途径及其影响因素 “三下” 开采的途径和方法主要有压煤对象的 搬迁、 部分开采、 充填开采和协调式开采[4]。 开 采方案确定过程中, 开采途径的选择是一个包含生 产效率、 成本、 管理和工农关系等社会、 经济和管 理的问题[1]。 1 村庄搬迁 指将村庄搬迁到无煤区, 从 而彻底解放地下煤炭资源。 村庄搬迁主要涉及到征 地和搬迁周期问题, 是一个政府是否支持、 农民是 否愿意的社会问题, 资金是否充足的经济问题和地 表潜水位高低的开采条件问题。 其影响因素除社会 环境、 地质开采条件外, 还涉及村庄大小与人口多 少, 新村址距原村址远近, 交通、 教育、 医疗等基 础设施的完善程度与新村址距离等。 村庄搬迁的方 式一般有政府负责企业出资、 企业负责和企业一次 性补偿。 村庄搬迁周期一般为 10a 以上, 对于接续 紧张的矿井不适用; 此外若地表潜水位较高, 地表 下沉易积水的村庄压煤区, 常需采用搬迁方式解放 压覆资源。 14 第 21 卷 第 2 期 总第 129 期 2016 年 4 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol． 21No． 2 Series No． 129 April 2016 ChaoXing 2 条带开采 部分开采包括条带开采、 房 柱式开采。 其中条带开采是在被采煤层中沿走向、 倾向或伪倾斜方向采一个尺寸较小的工作面, 留设 一条煤柱的开采措施, 以留设煤柱支撑上覆岩层, 从而达到既采出压覆资源又减小地表移动变形的目 的。 这种开采方法不适用于较软煤层和倾角较大煤 层开采条件, 工作面开采尺寸一般为平均采深的 1/6 1/8;目前采深条件下,工作面长一般为 60 100m, 采出率一般为 40 60。 其主要影响因 素是煤层及顶底板岩性、 煤层倾角和开采深度。 3 充填开采 是一种置换开采方法, 将煤 层采空空间充入其他材料, 以抑制顶板下沉, 从而 达到控制地表移动变形, 减小采动影响的一种开采 方法。 按充填范围划分, 可分为部分充填和全部充 填; 若按充填材料的不同, 可分为膏体充填、 高水 材料充填以及固体材料充填。 因初期成本和充填空 间需要大量的充填材料, 因此充填开采成本一般较 高。 充填效果的可靠性、 充填体的压实率以及充填 前顶底板移近量是影响地表采动影响的重要因素, 充填前顶底板移近量越小、 压实率越大地表移动变 形控制效果越显著。 4“采-充-留” 协调开采 是基于极不充 分原理[1], 兼顾地表采动影响和资源采出率的 “采-充-留” 协调开采岩层移动控制技术。 它是一 种留设窄煤柱、 部分开采、 部分充填的方法; 是以 开采面极不充分采动, 采充面构成非充分开采单 元, 采动区构建以原煤柱为核心的柱充联合支撑体 为基本思想, 保证支撑体长期稳定和采充过程中上 覆岩层发生有限协同变形; 在设计煤层内布置多个 独立的非充分采充单元, 以达到减缓地表采动影响 程度的目的。 5 协调开采技术 包括同煤层相邻工作面 间的协调、 同煤层不同分层工作面间协调或不同煤 层工作面间的错距推进协调开采。 利用同时开采空 间相邻的工作面对地表产生性质相反的拉伸和压缩 变形相互叠加, 以达到相互抵消拉压变形, 从而减 小采动造成变形量的方法。 这种方法虽可减小采动 影响, 但不减小地表下沉。 一般用于中等采深、 地 表下沉不形成积水的丘陵地区。 1． 2 方案选择的一般原则 开采方案的确定步骤一般首先考虑技术上的可 行性, 而后再考虑经济上是否合理。 按照此思路, 通过对 “三下” 开采影响因素及存在问题的分析, 把 “三下” 开采影响因素分为特殊影响因素、 技 术因素、 经济因素和社会因素。 一般主要影响因素 有潜 洪 水位标高、 基岩深厚比、 构造复杂程 度、 采深、 采厚、 地层倾角、 松散层厚度、 顶底板 完整性、 覆岩岩性、 预计破坏程度、 矿井发展阶 段、 压煤量大小、 煤炭采出率、 吨煤效益、 搬迁或 补偿费用、 征地难易程度、 政府支持力度、 农民搬 迁意愿、 新村址耕作影响。 任何一种开采或搬迁途径均有其适用条件和局 限性, 为了实现资源利用最大化, 经济效益最优化 和开采损害最小化, 采用模糊层次分析方法选择最 优的 “三下” 采搬方案。 2 基于模糊层次分析法的 “三下” 采搬方案优选 模型 2． 1 层次分析法的步骤 层次分析法的基本思想是先将系统分为几个等 级层次, 再根据层次分析法, 采用两两比较的方法 导出权重; 然后对单准则排序后的层次, 确定对与 上一层次某元素而言本层次中与其他相关元素的重 要性排序; 最后再根据总排序结果, 确定递接结构 图中最底层各元素在总目标中的重要程度, 根据相 应的决策优选结果[5-6]。 其步骤为 1 建立多层次阶梯结构, 以递进的阶梯层 次把系统划分为几个等级。 2 构造比较判断矩阵, 采用两两对比的方 式导出各层次因素的权重。 3 单准测排序, 进行一致性检验; 确定本 层中相关元素的重要性排序, 依据本层次中所有元 素相对上一层次任一元素的重要性, 并进行排序。 4 确定最底层元素在总目标中的重要性指 标, 并进行总体排序。 对于 “三下” 压煤采搬方案的优选来讲, 其 目标是通过比选, 确定最优 “三下” 压覆煤炭资 源的采搬设计方案。 其优选准则为受采动影响小、 采出率和开采效率高及经济效益最大化。 因此, 在 采搬方案选择时采用采动影响、 采出率和开采效 率、 吨煤成本和效益等指标来体现。 2． 2 采搬方案的初选 “三下” 压煤采搬方案设计时, 可根据地质采 矿条件和社会环境状况提出可行性方案。 表 1 列出 了 “三下” 资源几种基本途径。 根据表 1 和具体 条件进行途径排除和方案初选, 排除方案不再列入 方案层。 采搬方案的选择性指标体系的架构如图 1 所 示, 包括目标层、 准则层和方案层。 准则层各要素相对于目标层的重要性不同, 需 要逐一进行比较。 一般应根据经验或采取专家评价 24 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 表 1 “三下” 压煤采搬途径定性选择 采搬方案 潜 洪 水位 易积水 不易积水 不积水 顶板完整性 完整 较完整 完整 性差 三软 煤层 煤质及压煤量 优质 大 小 中等 大 小 劣质 大 小 矿井发展类型 发展型稳定型衰退型 搬迁开采〇ΔΔΔ〇 Δ〇Δ 条带开采〇Δ〇ΔΔ 〇〇 〇Δ 〇Δ〇 充填开采〇Δ〇〇 ΔΔ “采-充-留” 协调开采 〇Δ〇Δ〇 ΔΔΔ〇ΔΔ 综合机械化长 壁垮落法开采 Δ〇ΔΔΔ〇〇 ΔΔΔΔΔΔ〇Δ 注 〇表示比较合适; Δ 表示有可能采用; 表示不宜采用。 图 1 “三下” 压煤采搬设计方案优选指标体系 打分,依据模糊标度及含义,对各准则层要素进行比 较,量化其相对重要性。 模糊的标度及含义见表 2。 按照量化的结果来构建模糊判断矩阵。 设 W W1, W2, , Wn T 为 A aijmn的排序向量, A aijmn为模糊互补判断矩阵; 若 aij W i -W j 0． 5, 那么 A 就是模糊一致性判断矩阵。 2． 3 指标权重的确定 2． 3． 1 各准则层因素相对于目标层权重的计算 由已建立的 mm 阶模糊判断矩阵, 进行准则 层因素重要性权重计算。 设 A aijmn为模糊互补判断矩阵, W W1, W2, , Wn T 为 A 的 排 序 向 量 , 则 W 满 表 2 模糊标度及其含义 标度0． 10． 20． 30． 40． 50． 60． 70． 80． 9 两元素 重要性比较 后者极 端重要 后者强 烈重要 后者明 显重要 后者稍 微重要 后者同 等重要 前者稍 微重要 前者明 显重要 前者强 烈重要 前者极 端重要 足 Wi 1/ n ∑ n j 1 aij 1 - n/2 i 1, 2, , n1 判断∑ n j 1 aij≤ n/2 - 1 是否出现。 若出现, 则 表明模糊判断矩阵不满足一致性要求, 需进行修 正; 如若不出现, 则可直接用公式求权重向量。 2． 3． 2 各方案相对于准则层因素权重的计算 根据基于 “单一要素 各方案” 的 m 个 n n 阶的模糊判断矩阵, 按照公式 1 计算各方案 相对于准则层各要素模糊判断矩阵的权重。 再判断 ∑ n j 1 aij≤n/2 - 1 是否出现, 若出现, 则表明模糊判 断矩阵不满足一致性要求, 需进行修正; 如若不出 现, 那么可直接用公式求权重向量。 2． 4 确定最优方案 由上述计算结果进行设计方案相对目标层的重 要性的权重计算。 设准则层各要素对于目标层而言 的权重矩阵为 A, 各方案对于准则层各要素的权重 为矩阵 B, 经矩阵 BA 运算, 得出最终权重的计 算矩阵, 通过权重比较, 确定最优方案。 3 “三下” 压煤采搬设计优选模型的应用 3． 1 建筑物压煤区域概况 开滦某矿铁三区地表平坦, 地面标高平均 17． 5m。 地表无岩石裸露。 区域内无地面水系。 地 表建筑物众多, 地下管线复杂。 建 构 筑物有 车站、 商业区、 厂房和居民区; 管线包括供水、 供 暖、 供电、 路南区的污水管路等。 据不完全统计地 面企事业单位 800 多家。 该矿主采 5 煤、 8 煤、 9 煤、 12-1 煤和 12-2 煤, 属低灰、 低硫、 高发热量煤种, 各项指标接近 肥煤, 为优质的三分之一焦煤。 区域开采上限标高 -550m, 下限标高-820m; 本区北部地层倾角较 小, 一般 10左右; 南部靠近断层地层的倾角较 大, 最大 24。 8 煤层、 9 煤层、 12-1 和 12-2 煤 层沉积比较稳定, 煤厚依次为 3． 7m, 5． 0m, 2． 4m 和 4． 1m。 8 和 9 煤层在西南部为合区煤层, 其余 大部分为分区。 3． 2 采搬途径分析及方案优选 目前该矿解放 “三下” 资源的主要措施是村 庄搬迁和条带开采, 但大面积搬迁困难重重, 若采 用协调开采和长壁垮落法开采则会造成地表下沉量 较大。 为此, 需采用采动影响和下沉较小的开采措 施, 如条带开采、 充填开采或 “采-充-留” 协调 34 刘义生等 基于模糊层次分析法的多目标 “三下” 采搬决策2016 年第 2 期 ChaoXing 开采。 3． 2． 1 建立评价因素集合和方案集合 1 建立评价因素集合 U1 准则层各要素具体如下 u1为采动影响最小, u2为经济效益最高, u3为资源采出率最大。 U1 {u1, u2, u3}。 2 建立方案集合 U2 方案一 u1为条带开采; 方案二 u2为充填 开采; 方案三 u3为 “采 - 充 - 留” 协调开采。 U2 {u1, u2, u3}。 3． 2． 2 建立评价因素相对于目标层的评价集 给出模糊标度的含义表, 邀请采矿、 地质、 力 学、 矿山工程管理、 矿业工程经济等专业人员, 对 评价因素相对于目标层的重要性进行评价。 因有多 人参与该方案评价, 方案中每一因素均有多个评价 值, 因此先进行标准化处理。 假设第 i 个元素相对 第 j 个元素的重要性评价, n 个专家给出的评价得 分为 Xij1, Xij2, , Xijn, 那么最终得分即为 Xij 1/ n∑Xijn, 把计算结果进行四舍五入, 小数保留 一位。 把单项评价结果进行汇总, 建立评价集, 并 建立模糊判断矩阵。 则准则层各要素相对于目标层 的模糊判断矩阵为 A1 0． 50． 60． 7 0． 40． 50． 7 0． 30． 30． 5 3． 2． 3 建立方案层相对于准则层的评价集 请采矿、 地质、 力学、 矿山工程管理、 矿业工 程经济专业技术管理人员, 对方案层各因素相对于 准则层重要性进行评价, 依据各单项评价结果来汇 总, 建立模糊判断矩阵。 方案层相对于准则层的采 动影响、 经济效益、 资源采出率的模糊判断矩阵分 别用 B1, B2, B3表示, 则 B1 0． 50． 80． 6 0． 20． 50． 3 0． 40． 70． 5 B2 0． 50． 80． 4 0． 20． 50． 2 0． 60． 80． 5 B3 0． 50． 30． 4 0． 70． 50． 7 0． 60． 30． 5 3． 2． 4 计算准则层各要素相对于目标层的权重 用公式 1 计算准则层各要素相对于目标层 的权重矩阵 A。 如 W11/3 0． 50． 60． 7 1-3/2 0． 433, 依次计算。 判断∑ n j 1 aij≤ n/2 - 1 是否出 现, 若不出现, 则是一致性模糊判断矩阵。 A 0． 433 0． 367 0． 200 3． 2． 5 计算各方案相对于准则层各要素的权重 用公式 1 计算各方案相对于准则层各要素 的权重矩阵 B。 根据模糊判断矩阵和公式计算各方案相对于准 则层各要素的权重, 而后判断∑ n j 1 aij≤ n/2 - 1 是 否出现, 若不出现, 则是一致性模糊判断矩阵。 B 0． 4670． 4000． 233 0． 1670． 1330． 467 0． 3670． 4670． 300 3． 2． 6 确定最优方案 进行总排序计算, 结果如下 W B A 0． 4670． 4000． 233 0． 1670． 1330． 467 0． 3670． 4670． 300 0． 433 0． 367 0． 200 0． 396 0． 215 0． 390 根据计算结果可知, 从各方案整体经济效益、 采动影响和资源采出率 3 个影响因素来看, 方案 1 方案 3方案 2, 可优选方案 1, 即 “条带开采方 案” 优于 “ ‘采-充-留’ 协调开采方案” 优于 “充填开采方案”。 方案 3 可作为备选方案, 设计 时可对采、 充、 留宽进行进一步优化。 4 结 论 1 分析了 “三下” 开采基本途径及其适应 性。 2 采用模糊层次分析法建立了建筑物压煤 采搬指标层次结构, 确定了评价指标的模糊互补判 断矩阵, 得到了指标权重。 3 以开滦某矿建 构 筑物压煤为例, 以 采动影响程度、 经济效益和采出率 3 个因素为准 则, 确定了煤柱条带开采的优选途径。 [参考文献] [1] 戴华阳, 郭俊廷, 阎跃观, 等 ．“采-充-留” 协调开采技术 原理与应用 [J] ． 煤炭学报, 2014, 39 8 1602-1610． 下转 102 页 44 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 平移动量的精度比较高。 图 4 点云对比 4 结 论 1 针对基于激光点云数据沉陷区水平移动 不易求取的问题, 通过构造监测点, 借助 ICP 的精 确配准算法, 将煤层开采前后房屋移动量转换为开 采后房屋点云配准前后重心坐标的差值, 从而求取 房屋的水平移动量。 2 对矿区实测的点云数据进行应用研究, 结果表明, 通过 ICP 配准算法能够将开采后房屋点 云很好地还原到开采前的状态, 验证了其求取水平 移动的可行性, 促进了三维激光扫描技术在沉陷监 测中的应用。 [参考文献] [1] 何国清, 杨 伦, 凌庚娣, 等 ． 矿山开采沉陷学 [M] ． 北 京 中国矿业大学出版社, 1994． [2] 马立广 ． 地面三维激光扫描测量技术研究 [D] ． 武汉 武汉 大学, 2005． [3] 胡大贺, 吴 侃, 陈冉丽 ． 三维激光扫描应用于开采沉陷监 测研究 [J] ． 煤矿开采, 2013, 18 1 20-22． [4] 周大伟, 吴 侃, 周 鸣, 等 ． 地面三维激光扫描与 RTK 结 合建立开采沉陷观测站 [J] ． 测绘科学, 2010, 36 3 79-81． [5] 张 舒, 吴 侃, 王响雷, 等 ． 三维激光扫描技术在沉陷监 测中应用问题探讨 [J] ． 煤炭科学技术, 2008, 36 11 92- 95． [6] 戴华阳, 廉旭刚, 陈 炎, 等 ． 三维激光扫描技术在采动区 房屋变形监测中的应用 [J] ． 测绘通报, 2011 11 44- 46． [7] 敖建锋 ． 动态沉陷区地面激光扫描数据处理关键问题研究 [D] ． 北京 中国矿业大学 北京, 2015 69-83． [8] Besl P Makay． A for Registration of 3D Shape [J] ． IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1992 14 239-256． [9] 郑德华 ． ICP 算法及其在建筑物扫描点云数据配准中的应用 [J] ． 测绘科学, 2007, 32 2 31-32． [10] 严剑锋 ． 地面 LiDAR 点云数据配准与影像融合方法研究 [D] ． 徐州 中国矿业大学, 2014．[责任编辑 施红霞] ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 上接 9 页 必须有综合掌握这些专业知识的人才能解决。 而我 国现行的教育体制难以培养出具有这种本领的大 师。 所以此方法一直难以实用。 3 结束语 1 概率积分法以随机介质理论为基础, 也 可视为一种影响函数法, 近似地反映了开采影响的 形态与分布及法向传播特性, 下沉盆地的平底特性 等, 其参数具有一定的物理意义, 反映介质的总体 特性。 算法适合计算机, 适应缓倾斜、 中等倾斜煤 层开采移动盆地的预测, 仍具有改进的空间。 2 概率积分法所依据的随机介质理论不能 准确反映岩土体不同介质的力学特征, 不能反映岩 体变形破坏到稳定的力学过程, 这是其缺陷所在。 3 提出采煤沉陷计算进一步深入研究思路 和方向。 可以把力学与位移学结合起来, 建立 “应力应变位移” 的综合模型。 4 数值计算方法最有前途, 但是任重而道 远。 总之, 衷心希望学界同仁, 特别是年青的朋友 们集成前辈们的优良传统, 冲破理论研究的藩篱, 深入研究采矿下沉理论, 早出成果, 快出人才, 走 出必然王国, 达到自由王国的彼岸。 [参考文献] [1] 刘宝琛 ． 矿山岩体力学概论 [M] ． 长沙 湖南科学技术出版 社, 1982． [2] 刘宝琛, 廖国华 ． 煤矿地表移动规律 [M] ． 北京 中国工业 出版社, 1965． [3] 何国清, 等 ． 矿山开采沉陷学 [M] ． 徐州 中国矿业大学出 版社, 1989．[责任编辑 邹正立] ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 上接 44 页 [2] 姚建国 ． 中国矿业可持续发展与煤矿开采环境问题21 世纪 初矿山岩石力学面临的新机遇和挑战 [J] ． 岩土力学, 2003, 24 S2 633-635． [3] 戴华阳, 王金庄, 刘天新, 等.村庄下深部压煤开采的技术 途径探讨 [J]. 矿山测量, 2003 3 15-17． [4] 何国清, 杨 伦, 凌庚娣, 等.矿山开采沉陷学 [M].徐 州 中国矿业大学出版社, 1994． [5] 张吉军 ． 模糊层次分析法 FAHP[J] ． 模糊系统与数学, 2000, 14 2 80-88． [6] 杨国勇, 陈 超, 高树林, 等 ． 基于层次分析-模糊聚类分析 法的导水裂隙带发育高度研究 [J] ． 采矿与安全工程学报, 2015, 32 2 206-212． [责任编辑 施红霞] 201 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing