基于G1法-VIKOR法的深井巷道支护方案优选模型研究.pdf

基于G 1法V I K O R法的深井巷道支护方案优选模型研究郝顺1,蔡泽山1,张海云2,3,王文凯1(1.西部矿业股份有限公司锡铁山分公司,青海 大柴旦行政委员会 8 1 6 2 0 3;2.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 4 1 0 1 0 1 2;3.国家金属采矿工程技术研究中心,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2)摘 要:为提高深井矿山巷道支护方案优选的可靠性,引入了V I K O R法,建立了基于G 1法-V I K O R法的综合评价优选模型。首先,从安全性、经济性、工期、技术可行性等4个方面,选取了1 4个因素,构建了巷道支护方案优化评价指标体系;其次,采用G 1法计算指标权重,基于V I K O R法原理,计算各解决方案利益值,分析确定最优方案;最后,以某金矿为研究对象,结合矿山实际,应用该模型对3种支护方案进行优选,并采用F L A C 3 D模拟验证。结果表明该模型在巷道支护方案优选方面具有适用性,对其他矿山支护方案优选有一定的借鉴价值。关键词:深井巷道;方案;G 1法;V I K O R法;优选模型 随着地表浅部资源消耗殆尽,矿山开采逐渐向深部发展。由于深部复杂多变的环境,再加上支护方案设计不合理,容易引起巷道发生破坏失稳1。巷道支护方案设计与优化主要采取工程类比法,由于岩体所处的地质环境和条件相对复杂,所选取的支护方案往往不能满足实际需要,出现支护效果不佳等情况,给井下开采带来一定安全隐患。因此,开展深井矿山巷道支护方案优选研究对于实现矿山安全生产具有重要现实意义。王石等2建立了巷道支护方案优选的G R A-T O P S I S综合评价方法,实现了对支护方案定量分析;王宏伟等3基于神经网络模型对巷道支护优选及变形预测进行研究,为巷道支护方案优选提供了理论依据;王亮4采用F L A C软件对3种支护方案进行数值模拟,为巷道支护方案设计优化提供了思路。考虑到巷道支护方案优选需要统筹考虑安全性、经济性和技术可行性,属于多属性决策问题。V I K O R法是以利益最大化为目标,能够折中排序确定最优方案,获得满意的应用效果56。鉴于此,本文将V I K O R法引入到巷道支护方案优选中,采用G 1法计算指标权重,建立基于G 1法V I K O R法的综合评价优选模型,将其应用到深井矿山巷道支护方案优选中,并采用F L A C 3 D验证优选方案的适用性,以期为巷道支护方案优选提供新方法。1 巷道支护方案优选评价体系巷道支护方案优选需要统筹考虑不同支护方案的特点及适应性与安全性,兼顾安全与经济效益,属于典型的多属性决策。在参考文献2,7、咨询行业专家和现场技术人员的基础上,从安全性、经济性、工期、技术可行性等4个方面,选取了1 4个典型影响因素,构建了如图1所示的巷道支护方案优选综合评价指标体系。图1 巷道支护方案优选综合评价指标体系2 综合评价模型应用2.1 规范化处理郭亚军教授在传统层次分析法基础上,改进并提出了G 1法。该方法仅需专家对两两指标进行相对重要性比较,并给定相对重要性比值,根据相对重要性比值来确定指标权重8。直觉模糊多属性决策方法(V I K O R法)是O p r i-C o v i c在1 9 9 8年提出的一种折中排序确定最优方案的多属性决策理论模型。与常用的逼近理想解I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3(T O P S I S)等决策理论模型区别在于,该方法是以获取利益最大化为目标,不需要考虑待评方案的正、负理想解距离,而是通过计算最大化群体效益值、最小化个体损失值和效益值,综合比较分析得到具有优先级的折中理想解,具有计算简单、可操作性强的优势9。某铅锌矿采用充填采矿法回采矿石,目前开采深度达到8 0 0m。由于复杂的地质环境条件,越往深部开采,地应力逐渐增大、岩石力学性质变差及高温环境增加了深部开采及支护的难度。该矿山的巷道支护形式包括常见的木棚、锚杆及多种不同组合支护,支护不及时易出现冒顶和事故,工人作业环境安全性面临着极大挑战。结合矿山实际,对深部破碎岩体巷道提出了3种支护方案,具体见表1。表1 不同支护方案设计方案支护方式支护参数M1锚杆支护管缝式锚杆,锚杆间排距取1 0 0 0mm,锚杆直径为 4 0mm,锚杆长度为1 8 0 0mm。M2锚喷支护管缝式锚杆,锚杆间排距取1 0 0 0mm,锚杆直径为 4 0mm,锚杆长度为1 8 0 0mm,喷射C 2 5混凝土,厚度为1 0 0mm。M3锚杆+锚索支护 锚杆间排距建议取1 0 0 0mm,锚杆距离底板1 0 0 0mm,锚索长度为6 0 0 0mm,直径为2 2mm,底部采用4 5 角布置。为进行巷道支护方式优选,组织了5位具有丰富现场经验的专家,对各待选方案指标进行赋值。根据G1法对各待选方案指标进行规范化处理8,结果见表2。表2 规范化处理结果及正负理想解指标方案准则层指标层M1M2M3正理想解h+i负理想解h-iX1X1 11.0 0 0 0 0.3 7 2 6 0.0 0 0 0 0.0 0 0 01.0 0 0 0X1 21.0 0 0 0 0.6 9 7 1 0.0 0 0 0 0.0 0 0 01.0 0 0 0X1 31.0 0 0 0 0.3 8 3 0 0.0 0 0 0 0.0 0 0 01.0 0 0 0X1 41.0 0 0 0 0.5 6 9 8 0.0 0 0 0 0.0 0 0 01.0 0 0 0X2X2 10.0 0 0 0 1.0 0 0 0 0.3 7 5 0 1.0 0 0 00.0 0 0 0X2 20.0 0 0 0 1.0 0 0 0 0.1 8 7 5 1.0 0 0 00.0 0 0 0X2 30.0 0 0 0 1.0 0 0 0 0.2 1 4 3 1.0 0 0 00.0 0 0 0X2 40.0 0 0 0 1.0 0 0 0 0.3 3 3 3 1.0 0 0 00.0 0 0 0X3X3 11.0 0 0 0 0.6 6 6 7 0.0 0 0 0 0.0 0 0 01.0 0 0 0X3 21.0 0 0 0 0.3 3 3 3 0.0 0 0 0 0.0 0 0 01.0 0 0 0X4X4 11.0 0 0 0 1.0 0 0 0 0.0 0 0 0 1.0 0 0 00.0 0 0 0X4 21.0 0 0 0 1.0 0 0 0 0.0 0 0 0 1.0 0 0 00.0 0 0 0X4 30.0 0 0 0 1.0 0 0 0 1.0 0 0 0 1.0 0 0 00.0 0 0 0X4 41.0 0 0 0 0.6 6 6 7 0.0 0 0 0 1.0 0 0 00.0 0 0 02.2 权重计算如图1所示,本文建立了多层次的巷道支护方案优选评价指标体系。在权重计算时,应先计算经济性、安全性、工期、技术可行性等准则层指标权重。然后,再确定准则层下各指标相对权重。最后,将准则层权重与指标层相对权重相乘,得到最终目标权重。结合G 1法计算原理,以准则层指标为例,专家根据指标相对重要性,确定指标序列为X1X2X4X3。相对重要性比值分别为r1=1.5,r2=1.1,r3=1.1。根据文献8 可得,w4=(1+1.51.1 1.1+1.11.1+1.1)-1=0.1 9 5,w3=0.1 9 51.1=0.2 1 5,w2=0.2 1 51.1=0.2 3 6,w1=0.2 3 6 1.5=0.3 5 4。那么,准则层指标权重分别为(0.3 5 4,0.2 3 6,0.1 9 5,0.2 1 5)。最终,得到归一化后所有指标目标权重分别为(0.1 0 2、0.1 0 1、0.0 8 3、0.0 6 1、0.1 0 1、0.0 4 8、0.0 4 6、0.0 3 8、0.1 0 5、0.1 0 6、0.0 4 3、0.0 4 2、0.0 5 2、0.0 7 2)。2.3 运用V I K O R法优选支护方案(1)根据文献9,结合规范化处理结果,确定各指标正、负理想解,具体结果见表2。(2)根据文献9,计算待选方案的3个属性值,并进行排序,结果见表3。表3 各方案的V I K O R值及排序支护方案群体效益值Sj个别遗撼值Rj利益值Qj数值排序数值排序数值排序M10.8 4 430.1 0 3313M20.3 0 210.0 7 220.0 1 21M30.3 2 320.0 7 110.0 1 922.4 结果分析根据表3计算结果,基于G 1法-V I K O R法从利益最大化出发,选取的优先级方案分别为M2和M3,说明M2和M3为共同最优解决方案,即两种方案均能满足安全生产要求。进一步综合考虑支护施工周期和前期经济投入,矿山将M2确定为最终的解决方案。01采矿技术2 0 2 3,2 3(3)3 数值模拟分析为进一步验证优选后的方案是否符合矿山实际,满足安全生产需要,采用F L A C 3 D软件,对优选后的方案(锚喷支护)与现有支护方案(锚杆支护)进行开挖模拟和对比分析。该矿山深部岩体主要以级岩体为主,因此,本次模拟以级岩体为主。矿区巷道掘进尺寸为3.5m 3.5m,模拟尺寸按照巷道尺寸的5倍,即1 6.5m2 0m1 6.5m,以消除边界影响。巷道长度取2 0m。矿区巷道开挖后喷射C 2 5混凝土,其密度为2 2 0 0k g/m3,弹性模量为3 0G P a,厚度为1 0c m。岩体参数见表4。表4 模拟参数材料名称弹性模量E/G P a泊松比v密度/(k g/m3)内聚力C/M P a内摩擦角/()抗拉强度/M P a抗压强度/M P a围岩4.6 50.2 1 6 2 7 1 81.5 23 4.3 81.3 04 9.1锚杆2 0 07 8 0 06 7 0 (1)塑性区结果分析。由图2可知,随着巷道掘进开挖,巷道的周边形成了高应力集中区,在巷道(a)现有支护方案(b)M2方案图2 两种支护条件下不同时刻塑性区分布两帮以受剪破坏为主;对比两种支护方案,经锚喷支护之后塑性区面积出现了明显减少,表明锚喷支护具有较好的支护效果,能够减少破坏程度和范围,提高作业安全性。(2)竖向位移对比。由图3可知,在锚杆支护情况下,巷道顶端下沉位移为2 02 5mm,巷道底部出现了隆起,位移量为1 01 5mm;支护方案优化后,巷道顶端下沉位移为1 52 0mm,较原支护方式下降了2 5%;巷道底板位移量在1 0mm以内,较原支护方式位移量下降了5 0%,表明优化支护方案能有效控制巷道位移和变形,满足矿山安全生产需要。(a)现有支护方案(b)M2方案图3 两种支护条件下不同时刻位移4 结论(1)为进一步简化计算过程,克服传统层次分析法在处理指标体系复杂问题方面的弊端,本文采用G 1法确定指标主观权重,提高了权重计算结果的可靠性。(2)考虑到巷道支护方案优选为多属性决策问题,引入了V I K O R法,建立了基于G 1法-V I K O R法的综合评价优选模型,以某金矿为研究对象,结合矿山实际,提出了3种优化方案,通过计算,综合分析确定锚喷支护为最优支护方案,并采用F L A C 3 D进行模拟分析,验证了本文模型在巷道支护方案优选方面的适用性。(3)由于巷道支护方案优选需要统筹考虑多方面因素,在后续研究中,还需要进一步完善指标体11郝顺,等:基于G 1法V I K O R法的深井巷道支护方案优选模型研究系,以获得更为满意、符合实际的优选方案。参考文献:1 马涛,朱志岗,董秋平,等.基于正交试验的尖山地下矿巷道支护参数研究J.采矿技术,2 0 2 2,2 2(0 4):5 9-6 6.2王石,徐磊,柯愈贤,等.基于最优组合权重的G R A-T O P S I S深井巷道支护方案优选J.重庆大学学报,2 0 1 9,4 2(0 6):7 8-8 7.3王宏伟,武旭,陈瀚,等.神经网络在支护优选及变形预测中的应用J.矿业研究与开发,2 0 1 6,3 6(0 6):2 5-2 9.4王亮.破碎软岩巷道最佳支护方案优选与应用J.现代矿业,2 0 1 7,3 3(0 3):2 0 2-2 0 3+2 1 5.5伍小沙,田世祥,袁梅,等.基于主客观赋权V I K O R法的煤矿智能化评价研究J.矿业研究与开发,2 0 2 1,4 1(0 4):1 6 5-1 6 9.6刘祖威,王首绪.基于改进C R I T I C-V I K O R法的装配式构配件供应商选择分析J.工程管理学报,2 0 2 2,3 6(0 2):1 2 5-1 2 9.7贡力,路瑞琴,靳春玲.基于G 1-V P R S-M I E多层次灰色理论的引水明渠运行风险评价J.安全与环境学报,2 0 2 1,2 1(0 1):1-9.8唐诗卉.基于未确知理论的巷道支护方案评价体系及应用J.科技导报,2 0 1 4,3 2(1 7):2 9-3 4.9梁天瑞,赵云胜,胡东涛,等.基于博弈论V I K O R法的接触带巷道支护方案优选模型研究J.化工矿物与加工,2 0 1 9,4 8(0 7):2 2-2 5+2 9.(收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 4)作者简介:郝顺,男,工程师,主要从事矿山安全技术研究,E-m a i l:2 7 0 6 2 5 3 9 9 q q.c o m。21采矿技术2 0 2 3,2 3(3)