CN112884377A - 一种浆体充填系统优选模型及构建方法 - Google Patents

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袁超峰
李超
刘成勇
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孙俊彦
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Abstract

本发明公开了一种浆体充填系统优选模型及构建方法，该方法首先在浆体充填手段可行性评价基础上构建方案层，然后基于层次分析法(AHP)给出了经济因素、生产组织因素和工程建设因素的10个评价指标及权重，并结合逼近理想解排序法(TOPSIS)的基本理论建立了AHP‑TOPSIS浆体充填系统优选模型，实现对浆体充填系统的定量评价。本发明能够克服传统优选方法主观性较强的弊端，可作为同类型浆体充填方案优选的理论依据，为其提供了一种新的系统工程决策方法。

Description

一种浆体充填系统优选模型及构建方法
技术领域
本发明属于煤矿浆体技术领域，具体涉及一种浆体充填系统优选模型及构建方法，适用于煤矿浆体充填系统优化。
背景技术
近年来，随着煤基固废排放问题的日益凸显，浆体管道充填技术作为一种高效、环保、低干扰的矸石充填技术得到了大规模的推广应用。通过浆体充填技术可以将煤矸石固体废弃物制成浆体通过多种途径充填进采空区的垮落空间，实现对煤矸石固体废弃物的无害化处置。
浆体充填在实施过程中，系统设计是其核心问题，系统方案是否最优直接影响着工程的建设难度及充填系统的运行效果。影响充填系统优选的指标种类较多，其选择过程是一个多因素交叉影响的复杂综合系统，必须通过全面综合分析比选，得到最优方案。因此，建立一种客观科学的浆体充填系统优选方法对降低工程的建设难度及提高浆体充填实施效果具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种浆体充填系统优选模型及构建方法，克服TOPSIS方法由于指标过多造成的难以分配权重的弊端，可作为同类型浆体充填方案优选的理论依据，为其提供了一种新的系统工程决策方法。本发明利用层次分析法(AHP)针对充填系统方案优选过程中涉及的3个一级评价指标和10个二级评价指标建立层次分析模型，得到各评价指标权重，再结合逼近理想解排序法(TOPSIS)建立浆体充填系统方案优选模型。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种浆体充填系统优选模型及构建方法，包括以下步骤：
S1：调研项目实施矿井的基本条件，对浆体充填技术手段中高位注浆充填、邻位注浆充填和低位灌浆充填三种技术手段进行可行性评价；
S2：根据可行性评价结果，对判定可行的技术手段进行随机组合，形成不同的充填系统方案，构建评价模型的方案层；
S3：通过浆体充填项目特征确定层次分析模型的目标层为浆体充填系统最优化；确定层次分析模型的准则层为：经济因素、生产组织因素和工程建设因素；确定层次分析模型的指标层为：经济因素下的投资和成本；生产组织因素下的充填量、生产影响程度、维护量、堵管风险和动定员；工程建设因素下的征地难度、工程量和工期，最终建成层次分析模型；
S4：根据Saaty比较标度，获得层次分析模型准则层与指标层的判断矩阵；
S5：对判断矩阵的一致性进行检验，如不满足一致性检验则需调整判断矩阵使其满足一致性检验；
S6：当判断矩阵通过一致性检验后，根据判断特征向量w即可得到浆体充填系统的各评价指标的层次单排序，进一步得到层次总排序，最终得到各指标的权重值；
S7：根据确定的浆体充填系统优选层次分析模型，对所述方案层有限个方案的10个评价指标进行评价，构建初始判断矩阵；
S8：对初始判断矩阵进行归一化处理后，根据所述层次模型的到的各指标的权重值对归一化处理后的判断矩阵进行赋权；
S9：根据赋权后的判断矩阵计算得到正负理想解，并根据各方案与正负理想解的距离进一步确定评价指标贴近度。
本发明进一步的改进在于，所述步骤S4的准则层与指标层的判断矩阵分别为：
Figure BDA0002999596760000031
本发明进一步的改进在于，所述步骤S6评价指标的权重值为：
Figure BDA0002999596760000032
本发明进一步的改进在于，所述步骤S9中，根据评价对象的价值矩阵得到各评价指标的理想解，其中正理想解V+为效益型指标的最大值和成本型指标的最小值，负理想解V-为效益型指标的最小值和成本型指标的最大值。
本发明进一步的改进在于，正理想解V+和负理想解V-的计算方法为：
Figure BDA0002999596760000033
Figure BDA0002999596760000034
其中vij为第i个方案的第j个指标赋权后的评价值；lj +为评价指标中正理想解；lj -为评价指标中负理想解。
本发明进一步的改进在于，所述步骤S9中，计算不同方案各指标与正负理想解的距离：
Figure BDA0002999596760000041
Figure BDA0002999596760000042
其中i＝1，2，…,m，di +为不同方案各指标与正理想解距离；di -为不同方案各指标与正理想解距离；
通过各方案计算得到的与正负理想解的距离进一步确定评价指标贴近度：
Figure BDA0002999596760000043
贴近度越大方案越优。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种浆体充填系统优选模型及构建方法，能够根据项目实施矿井的具体情况对各系统方案的优越度做出定量评价，克服TOPSIS方法由于指标过多造成的难以分配权重的弊端，可作为同类型浆体充填方案优选的理论依据，为其提供了一种新的系统工程决策方法，对降低工程的建设难度及提高浆体充填实施效果具有十分重要的意义。
附图说明
图1是浆体充填系统优选思路图；
图2是浆体充填系层次分析模型。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
实施例
如图1和图2所示，以黄陵矿区某矿井浆体充填系统优选为例，该矿井面临的井下掘进矸石、起底矸石等原生矸石地面排放问题，通过设置充填站将煤矸石破碎成粉末，按照设定比例将煤矸石粉末配制成特定浓度的浆体，利用泵送的形式进行浆体充填。
根据本发明的方法，通过专家对三种浆体充填手段进行适用性评价，由于该煤矿地面均为原始森林保护区，且多为山地，不适用于高位注浆充填。因此充填系统备选方案拟选出3种浆体充填系统方案：①低位灌浆充填系统②邻位注浆充填系统③低位灌浆+邻位注浆充填系统。
咨询专家意见及查阅大量文献后构造第一层次判断矩阵P1：
Figure BDA0002999596760000051
归一化处理后矩阵为：
Figure BDA0002999596760000052
进而通过“方根法”得到第一层次权重矩阵：
w1＝[0.1634,0.297,0.5396]
按照式(2)、式(3)进行一致性检验得：CR＝CI/RI＝0.0046/0.52＝0.0088<0.1。判断矩阵通过一致性检验，权重取值合理。
构造生产组织因素下的第二层次判断矩阵P2：
Figure BDA0002999596760000053
归一化处理后矩阵为：
Figure BDA0002999596760000061
计算得到生产组织因素下第二层次权重矩阵：
w22＝[0.2989,0.5246,0.0344,0.0711,0.0711]
进行一致性检验得：CR＝CI/RI＝0.0384/1.12＝0.0343<0.1。判断矩阵通过一致性检验，权重取值合理。
同理计算得到经济因素和工程建设因素下第二层权重分别为：
w21＝[0.5,0.5]
w23＝[0.7306,0.1884,0.081]
综上，得到浆体充填系统方案优选中各底层评价指标的权重矩阵表，见表。
Figure BDA0002999596760000062
按照充填系统备选方案库中3种方案得到初始判断矩阵：
Figure BDA0002999596760000063
得到赋权后的价值矩阵：
Figure BDA0002999596760000071
确定出3种浆体充填系统各指标的正负理想解，并计算各方案与正负理想解的距离分别为：
d1 +＝(0.266,0.204,0.498)
d1 -＝(0.421,0.458,0.089)
得到待优选方案的理想解贴近度为：
C+＝(0.6123,0.6923,0.1511)
综合以上分析，各方案的综合优越度为：方案一61.23％，方案二69.23％，方案三15.11％。根据优越度比较可知，方案二>方案一>方案三，因此选择方案二邻位注浆充填系统最优。

Claims (8)

1.一种浆体充填系统优选模型及构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：调研项目实施矿井的基本条件，对浆体充填技术手段中高位注浆充填、邻位注浆充填和低位灌浆充填三种技术手段进行可行性评价；
S2：根据可行性评价结果，对判定可行的技术手段进行随机组合，形成不同的充填系统方案，构建评价模型的方案层；
S3：通过浆体充填项目特征确定层次分析模型的目标层为浆体充填系统最优化；
S4：根据Saaty比较标度，获得层次分析模型准则层与指标层的判断矩阵；
S5：对判断矩阵的一致性进行检验，如不满足一致性检验则需调整判断矩阵使其满足一致性检验；
S6：当判断矩阵通过一致性检验后，根据判断特征向量w即可得到浆体充填系统的各评价指标的层次单排序，进一步得到层次总排序，最终得到各指标的权重值；
S7：根据确定的浆体充填系统优选层次分析模型，对所述方案层有限个方案的10个评价指标进行评价，构建初始判断矩阵；
S8：对初始判断矩阵进行归一化处理后，根据所述层次模型的到的各指标的权重值对归一化处理后的判断矩阵进行赋权；
S9：根据赋权后的判断矩阵计算得到正负理想解，并根据各方案与正负理想解的距离进一步确定评价指标贴近度。
2.根据权利要求1所述的一种浆体充填系统优选模型及构建方法，其特征在于，所述步骤S3的确定层次分析模型的准则层为：经济因素、生产组织因素和工程建设因素。
3.根据权利要求2所述的一种浆体充填系统优选模型及构建方法，其特征在于，所述步骤S3的确定层次分析模型的指标层为：经济因素下的投资和成本；生产组织因素下的充填量、生产影响程度、维护量、堵管风险和动定员；工程建设因素下的征地难度、工程量和工期，最终建成层次分析模型。
4.根据权利要求1所述的一种浆体充填系统优选模型及构建方法，其特征在于，所述步骤S4的准则层与指标层的判断矩阵分别为：
Figure FDA0002999596750000021
5.根据权利要求1所述的一种浆体充填系统优选模型及构建方法，其特征在于，所述步骤S6评价指标的权重值为：
Figure FDA0002999596750000022
6.根据权利要求1所述的一种浆体充填系统优选模型及构建方法，其特征在于，所述步骤S9中，根据评价对象的价值矩阵得到各评价指标的理想解，其中正理想解V+为效益型指标的最大值和成本型指标的最小值，负理想解V-为效益型指标的最小值和成本型指标的最大值。
7.根据权利要求6所述的一种浆体充填系统优选模型及构建方法，其特征在于，正理想解V+和负理想解V-的计算方法为：
Figure FDA0002999596750000031
Figure FDA0002999596750000032
其中vij为第i个方案的第j个指标赋权后的评价值；
Figure FDA0002999596750000033
为评价指标中正理想解；lj -为评价指标中负理想解。
8.根据权利要求1所述的一种浆体充填系统优选模型及构建方法，其特征在于，所述步骤S9中，计算不同方案各指标与正负理想解的距离：
Figure FDA0002999596750000034
Figure FDA0002999596750000035
其中i＝1，2，…,m，di +为不同方案各指标与正理想解距离；di -为不同方案各指标与正理想解距离；
通过各方案计算得到的与正负理想解的距离进一步确定评价指标贴近度：
Figure FDA0002999596750000036
贴近度越大方案越优。
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