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  • CN 62-1112/TF 
  • ISSN 1005-2518 
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2019, 27(6): 835-843 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2019.06.835

采选技术与矿山管理

基于灰色关联分析的三山岛金矿绿色开采技术优先级评价

赵国彦,1, 吴攀,1, 朱幸福2, 赵源1, 李洋1, 邱菊1

1. 中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083

2. 山东黄金集团有限公司,山东 济南 250101

Priority Evaluation of Green Mining Technology in Sanshandao Gold Mine Based on Grey Correlation Analysis

ZHAO Guoyan,1, WU Pan,1, ZHU Xingfu2, ZHAO Yuan1, LI Yang1, QIU Ju1

1. School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China

2. Shandong Gold Group Co. ,Ltd. ,Jinan 250101,Shandong,China

通讯作者: 吴攀(1994-),男,湖北红安人,硕士研究生,从事采矿与岩石力学研究工作。custom7761@163.com

收稿日期: 2019-06-03   修回日期: 2019-09-11   网络出版日期: 2019-12-20

基金资助: “十三五”国家重点研发计划项目“深部金属矿绿色开采关键技术研发与示范”.  2018YFC0604606

Received: 2019-06-03   Revised: 2019-09-11   Online: 2019-12-20

作者简介 About authors

赵国彦(1963-),男,湖南沅江人,教授,从事采矿、安全与岩石力学研究工作gy.zhao@263.net , E-mail:gy.zhao@263.net

摘要

推进矿山绿色开采是一项长期而复杂的系统工程,而绿色开采技术的应用面临着投资周期长和成本高等问题,鉴于此,开展绿色开采技术优先级评价,有助于指导矿山决策部门的工作,实现绿色开采有序化,降低投资成本。在构建三山岛金矿绿色开采技术体系的基础上,提出了一种灰色关联分析优化模型,并利用该模型对绿色开采技术进行评价分析。首先,构建了层次化绿色开采技术评价指标体系,系统地反映了各因素对绿色开采技术的影响;然后,利用AHP法和熵值法组合赋权,弥补了主观赋权法和客观赋权法的不足,使赋权趋于合理化;最后,分别应用3种赋权方法的优化模型和传统等权法模型对三山岛金矿绿色开采技术的绿色度进行量化分析,并对比分析了4种模型的关联度计算结果,最终得出三山岛金矿绿色开采技术推进的优先级。

关键词: 绿色开采 ; 优先级 ; 层次化指标体系 ; AHP法 ; 熵值法 ; 组合赋权 ; 灰色关联度

Abstract

The exploitation of mineral resources is accompanied by the destruction of ecological environment.For a long time,based on the idea of green mining industry,many scholars have conducted researches on green mine and green mining,therefore,a large number of technical materials and evaluation data are accumulated.In order to achieve the goal of high-efficiency,waste-free,harmless and ecological mining,Sanshandao gold mine has been continuously exploring and promoting green mining,and a series of green mining technologies have been innovated and excavated.However,there are no precedents and theoretical guidance in the early application of relevant technologies,and the investment problems of long cycle and high cost are faced,so it is particularly necessary to carry out the priority analysis of technology application.Based on the geological conditions of the mining area and the existing technological innovation achievements,the green mining technology system of Sanshandao gold mine was established,which is mainly composed of four key technologies and eight innovative technologies.On this basis,an optimized model of grey correlation analysis was put forward to evaluate and analyze green mining technology.Firstly,a hierarchical evaluation index system of green mining technology of target layer,criterion layer and index layer was constructed to systematically reflect the influence of various factors on green mining technology,and eight innovative technologies of Sanshandao gold mine were selected as evaluation objects.Then the combination weighting of AHP and entropy weight method was used to make up for the deficiency of subjective and objective weighting method,which makes the process of weighting tends to be reasonable.Finally the green degree of Sanshandao green mining technology was quantitatively analyzed by using the optimized model of three weighting methods and the traditional equal-weighting model,by comparing and analyzing the results of correlation degree of four models and ranking eight green mining technologies,the priority of green mining technologies of sanshandao gold mine was obtained.The results show that,among the evaluation indexes,the weight of personnel operation safety,mechanical and intelligent degree and the level of resource recovery and utilization is relatively large to green mining technologies.Among the technologies,the application of trackless intelligent equipment has the highest priority and contributes the most to the goal of green mining.This result indicates that the direction of technological innovation of Sanshandao gold mine should focus on realizing mechanical and intelligent mining.This result is helpful in guiding the work of decision-making department,realizing the ordering of green mining and reduce the cost of investmentt in Sanshandao gold mine.

Keywords: green mining ; priority ; hierarchical index system ; AHP method ; entropy value method ; combination weighting ; grey correlation degree

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本文引用格式

赵国彦, 吴攀, 朱幸福, 赵源, 李洋, 邱菊. 基于灰色关联分析的三山岛金矿绿色开采技术优先级评价[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(6): 835-843 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.06.835

ZHAO Guoyan, WU Pan, ZHU Xingfu, ZHAO Yuan, LI Yang, QIU Ju. Priority Evaluation of Green Mining Technology in Sanshandao Gold Mine Based on Grey Correlation Analysis[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(6): 835-843 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.06.835

我国矿产资源消耗量位居世界前列,巨大的需求量加剧了矿产资源的不合理开发,导致矿山环境日益恶化,地质灾害频发。在此形势下,绿色矿业、绿色矿山和绿色开采理念应运而生。其中绿色开采理念最早由钱鸣高院士[1,2]针对煤矿提出,该理念既作为绿色矿山建设的主要支撑点,又是现阶段绿色矿业的主要研究方向,成为绿色矿业和绿色矿山的核心与基础[3]。由此可见,绿色开采对于维持矿山资源绿色开发的作用与地位相当重要。将绿色开采技术应用于矿山资源开发过程,具有创新难度高、投资规模大和应用周期长等特点,对于正处在绿色转型时期的三山岛金矿,在技术应用方面无实例借鉴与理论指导,若不在技术应用推进过程中加以评价分析,将会导致技术应用效果不佳和资金浪费,严重时还会出现重大安全问题,因此有必要针对矿山绿色开采技术进行评价研究。

现有文献针对绿色矿业、绿色开采技术和绿色矿山理论的研究较多,但对绿色开采技术评价的研究较少。郭文兵等[4,5]基于绿色开采理念,从地采技术方面研究并建立了高强度开采的主要技术指标和评价体系,并采用层次分析法对采动影响破坏指标进行了分析研究。宋子岭等[6]从露天煤矿着手,构建了露天煤矿固体环境、水体环境、气体环境和生态环境的绿色开采评价体系。刘建兴等[7]采用模糊综合评价方法进行了矿山绿色开采的综合评价实证研究。王建法[8]结合可持续发展、清洁生产和循环经济理论构建了金属矿绿色开采指标体系,并进行了模糊综合评价。可见,众多学者主要针对矿山绿色开采的单个方面进行探讨,且主要停留在构建评价指标体系,缺乏对矿山绿色开采整体框架下的技术实际应用情况的评价研究。

本文选择三山岛金矿作为研究对象,首先构建绿色开采技术体系和层次化绿色开采技术评价指标体系;然后针对绿色开采技术的绿色度评价问题,提出了灰色关联度分析优化模型;最后,基于三山岛金矿的技术调研成果,围绕绿色开采目标,通过关联度分析对8项主要绿色开采技术进行优先级排序,从而构建出三山岛金矿绿色开采技术绿色度总体评价方案,以更好地为三山岛金矿绿色开采技术集成与示范提供服务。

1 绿色开采技术评价指标体系

1.1 绿色开采技术体系

三山岛金矿是世界上唯一一座正在开采的海底金矿,也是我国机械化程度最高的地下黄金矿山之一。作为首批国家级绿色矿山建设试点单位,三山岛金矿始终走在实现开采绿色化的前列[9]。为解决深部开采过程中遇到的一系列难题,基于绿色开采理念和山东黄金集团有限公司生态发展理念,三山岛金矿从开采污染与破坏源头出发,依照工程实际和开采要求,结合矿区地质条件和现有技术创新成果,提出了“高效化、无废化、无害化、生态化”的绿色开采目标,构建了以低废高效开采、充填输送与调控、尾废资源利用与无害处理、生态恢复与重构为主体的绿色开采技术体系,如图1所示。

图1

图1   三山岛金矿绿色开采技术体系

Fig.1   Green mining technology system of Sanshandao gold mine


1.2 绿色开采技术指标体系

绿色开采通过引入低废高效开采、充填输送与调控、尾废资源化利用与无害化处理、生态恢复与重构等技术[10],使矿山在建设、运行和闭坑的全生命周期内获得经济效益和环境效益的和谐统一和全面优化提升,实现矿山的可持续发展[11],从而更好地推动绿色矿业的发展。为此,在层次化指标体系结构中[12,13,14],将绿色开采技术的绿色度作为技术评价的目标层,以安全性、生态性、经济性和高效性作为准则层,并依据此准则对绿色开采相关技术进行归纳整理,选取指标层和具体可量化性指标。本文所构建的绿色开采技术指标体系如表1所示。

表1   绿色开采技术指标体系

Table 1  Technical index system of green mining

目标层准则层指标层指标解释
绿色度安全性U1人员作业安全系数U11使用相关技术的作业人员的安全程度
设备工作安全系数U12使用该技术的设备的安全程度
高效性U2机械化智能化程度U21智能化机械化设备占比
技术创新先进性U22与同行业对比的技术创新先进性程度
经济性U3绿色产值比U31该项技术产值占比
投资利润率U32技术年利润与技术投资总额比值
生态性U4资源回收利用水平U41新技术使用前后资源综合利用程度,包括回采率、尾砂利用率等
生态保护程度U42技术使用实现的减低废物产生,减少生态破坏等达到的效果

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该指标体系的目标层包括1个总目标,准则层包括4个准则,指标层包括8个绿色开采技术特征指标。整个指标体系以三山岛金矿绿色开采技术的应用示范为着眼点,科学地反映出矿山绿色开采技术的实施效果。

2 绿色开采技术的灰色关联分析

2.1 灰色关联分析方法概述

灰色关联分析方法是系统理论中的一种模型,它是在系统发展过程中,通过计算系统间子系统(不同因素)的关联度来定量分析因素与系统之间的紧密程度[15]。矿山绿色开采技术的绿色度受多种绿色开采评价指标因素(绿色因子)的影响,而这些绿色因子又带有极大的模糊性、随机性和未知性。灰色关联度评价方法将关联性分析过程中的各种模糊或主观因素转化为数学形式,将各方案的评价指标量化分析,使方案的评价和选择更加科学、合理、可靠。

传统灰色关联分析模型求解的一般过程如下:

(1)收集关联数据(包括量化指标和半量化指标),选择参考序列R0=(r01,r02,,r0n),比较序列Ri=(ri1,ri2,,rin),并得到评价矩阵R

R=[rij]m×n(i=1,2,...,m;j=1,2,...,n)

式中:rij为第i个评价对象的第j个指标数据;m为评价对象个数;n为指标个数。

(2)对数据化处理后的矩阵进行数据变换,标准化处理数据得到无量纲标准化矩阵X=[xij]m×nxij为标准化处理后的评价矩阵指标数据。常见的标准化处理方法有均值化处理、初值化处理和归一化处理。

(3)求差序列Δ0j(j)、两级最大差Δmax和最小差Δmin

Δ0i(j)=x0j-xij 
Δmax=maximaxjx0j-xij
Δmin=miniminjxoj-xij

式中:x0j为标准化处理后的参考序列数据。

(4)计算灰色关联系数ξ0i(j)

ξ0ij=Δmin+ρΔmaxΔ0ij+ρΔmax

式中:ρ为取值在0~1之间的相关系数,一般取值为0.5。

(5)计算关联度φ0i

φ0i=1nj=1nξ0i(j)

2.2 灰色关联分析优化模型

由式(6)可知,进行传统灰色关联分析时,各个指标不涉及权重影响,导致各影响因素的个性被平均化而掩盖,未能综合考虑专家经验或意见,对于未知情况的变化难以应对。同时,当关联系数较为离散时,总体关联度将由关联系数大的点决定,容易造成局部关联倾向,使分析结果产生偏差[16]。优化模型将AHP法与熵值法相结合,通过最大限度地减少信息损失以矫正传统方法的偏差。具体评价流程如下:

(1)构造标准化指标矩阵。设绿色开采技术方案集为A=a1,a2,,am,绿色开采评价指标集为B=b1,b2,,bn,则方案Ai对指标Bj的取值为rij (i=1,2,,m;j=1,2,,n)。按式(7)进行数据的无量纲化处理,并按式(8)的形式得到无量纲标准化矩阵X

xij=nrij/j=1nrij
X=x11x12x1nx21x22x2nxm1xm2xmn=(xij)m×n

(2)AHP法确定主观权重。AHP法是美国运筹学家Saaty[17]提出的一种定量与定性相结合的决策分析方法。该方法通过专家对同一层次内指标的相对重要性进行判断,从而获得判断矩阵,然后,计算判断矩阵的最大特征值和特征向量,对特征向量归一化后得到该层次指标的权重[18]。通过一致性检验后,计算可得各层次指标对系统的总主观权重。具体评价流程可参考文献[19]。

(3)熵值法确定客观权重。信息熵是系统无序程度的度量,信息是系统有序程度的度量,二者绝对值相等,符号相反[20]。某项指标的指标值变异程度越大,信息熵越小,该指标提供的信息量越大,该指标的权重也越大;反之同理。因此,可以根据各指标值的变异程度,利用信息熵[21]工具计算各指标的权重,为多指标综合评价提供依据。采用熵值法确定权重步骤如下:

①将各指标同量度化,按下式计算第i个方案的第j个指标的比重Pij

Pij=xiji=1mxij

②按下式计算第j个指标的熵值ej

ej=-γi=1mPijlnPij

式中:γ=1ln(m)>0ej≥0。

③根据下式确定第j个指标的权重βj

βj=1-ejj=1n(1-ej)

(4)确定组合权重。为了全面反映评价指标的重要程度,使决策结果更好地反映真实情况,弥补传统灰色关联分析模型存在的不足,本文采用主观专家法赋权(AHP法)和客观法赋权(熵值法)对灰色关联度进行双向组合加权。主观权向量为αi,客观权向量为βj,由下式可得具体的组合赋权值wj

wj=αjβjjnαjβj

(5)求解灰色关联度。由式(1)~式(5),利用灰色关联分析方法计算得到关联度系数ξ0i(j),基于区间数运算法则[22],并结合组合权重值wj,由下式可得最后的加权灰色关联度φ0i'

φ0i'=j=1nwjξ0ij

最后,根据式(6)和式(13)所求灰色关联度的大小,对各绿色开采技术进行排序。关联度越大,则表示绿色开采技术绿色度越高,在技术实施时应优先推进。

3 算例分析

以三山岛金矿所采用的8项绿色开采关键技术作为评价对象。根据灰色关联分析法,将所有绿色开采技术作为一个灰色系统,对评价指标进行数据化处理,转变为定量指标,常见的处理方法是灰数白化法。以技术指标的分级作为标准,评价指标分级及赋值见表2,结合三山岛金矿的具体情况,通过实地调研和问卷调查,得到绿色开采技术评价指标数据评定结果,如表3所示。将数据矩阵按式(7)进行无量纲化处理后可得标准化矩阵X。以下数据处理(包括标准化处理数据、计算灰色关联系数和权重)均采用MATLAB软件完成。

表2   评价指标分级评定

Table 2  Grading assessment of evaluation indexes

评价分级指标系数评价分级指标系数
Ⅰ级(非常高、非常好)>0.75Ⅲ级(一般)0.25~0.50
Ⅱ级(较高、较好)0.50~0.75Ⅳ级(较低、较差)<0.25

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表3   绿色开采技术指标数据评定

Table 3  Evaluation index data assessment of green mining technology

开采技术人员作业安全系数U11设备工作安全系数U12机械化智能化程度U21技术创新先进性U22绿色产值比U31投资利润率U32资源回收利用水平U41生态保护程度U42
分段脉内采准t10.50.50.70.90.60.80.80.1
无轨智能设备作业t20.80.91.00.80.50.50.70.1
超前地压人工调控t30.90.70.40.60.50.50.10.5
流态造浆稳态放砂t40.80.60.60.60.70.60.20.7
尾废协同充填t50.80.40.40.50.70.90.60.6
尾砂分区固化堆存t60.40.40.20.40.60.60.70.8
土壤基质改良t70.30.60.40.30.70.70.60.9
适生植被生态重构t80.30.30.30.50.70.60.70.9

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X=0.83330.90911.40001.56520.96001.23081.45450.17391.33331.63642.00001.39130.80000.76921.27270.17391.50001.27270.80001.04350.80000.76920.18180.86961.33331.09091.20001.04351.12000.92310.36361.21741.33330.72730.80000.86961.12001.38461.09091.04350.66670.72730.40000.69570.96000.92311.27271.39130.50001.09090.80000.52171.12001.07691.09091.56520.50000.54550.60000.86961.12000.92311.27271.5652

由式(1)~式(4)计算得到灰色关联系数ξ0i(j),并得到灰色关联系数矩阵A

A=0.54550.52380.57141.00000.83330.83870.81480.36510.82761.00001.00000.82140.71430.56520.68750.36511.00000.68750.40000.60530.71430.56520.35480.53490.82760.59460.50000.60531.00000.63410.38600.69700.82760.46810.40000.53491.00001.00000.59460.60530.48980.46810.33330.47920.83330.63410.68750.82140.44440.59460.40000.43401.00000.72220.59461.00000.44440.42310.36360.53491.00000.63410.68751.0000

结合前文所述,由AHP方法可得到主观权重αj,由式(9)~式(12)得到客观权重以及组合权重βjwj,如表4所示,指标权重分布情况见图2。由表4图2可知,AHP法所得的主观权重更注重评价指标中的安全性和经济性,熵值法则对生态性有较大赋权,其中生态保护程度的权重达到0.2846。而组合赋权法所得指标权重安全性、高效性和生态性方面较高,其中资源回收利用水平权重最高为0.2370。综合3种赋权方法结果可知,生态性与安全性是衡量技术绿色度更重要的因素。

表4   不同赋权法所得权重

Table 4  Weights obtained by different weighting methods

赋权方法U11U12U21U22U31U32U41U42
AHP法0.19950.07890.13570.03970.16680.13260.14870.0981
熵值法0.12940.08490.17440.08330.01450.03230.19660.2846
组合赋权法0.20930.05430.19190.02680.01960.03470.23700.2264

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图2

图2   指标权重分布图

Fig.2   Distribution diagram of index weight


最后通过式(6)和式(13)分别得到传统灰色关联度和加权关联度,并根据关联度进行排序后得到表5,灰色关联度分布情况见图3

表5   绿色开采技术灰色关联度及排序

Table 5  Grey correlation degree of green mining technology and sequence

技术方案传统灰色关联(排序)AHP法(排序)熵值法(排序)组合赋权法(排序)
t10.6866(2)0.6746(4)0.6013(6)0.6003(6)
t20.7476(1)0.7445(1)0.7025(1)0.7206(1)
t30.6077(7)0.6314(7)0.5586(8)0.5784(8)
t40.6556(4)0.6805(3)0.6044(4)0.6085(5)
t50.6788(3)0.7247(2)0.5971(7)0.6220(4)
t60.5933(8)0.6048(8)0.6027(5)0.5920(7)
t70.6487(5)0.6562(5)0.6532(3)0.6257(3)
t80.6360(6)0.6438(6)0.6561(2)0.6311(2)

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图3

图3   灰色关联度分布图

Fig.3   Distribution diagram of gray correlation degree


表4中的等权关联度(即传统灰色关联度)排序可知:无轨智能设备作业>分段脉内采准布置>尾废协同充填技术>流态造浆稳态放砂技术>土壤基质改良技术>生态重构技术>超前地压人工调控技术>尾砂分区固化堆存技术。(“>”表示优先于,后同)。利用传统灰色关联度得到的结论是,与生态性密切相关的土壤基质改良技术和生态重构技术分别排在第5位和第6位,而对绿色度较难控制的分段脉内采准布置技术却排在第2位。相比之下,灰色关联分析优化模型得出的生态重构技术和土壤基质改良技术优先于分段脉内采准布置技术,更符合绿色理念的本质。由此可见,与传统灰色关联分析相比,优化后的灰色关联分析模型既能定量分析出技术的优先级排序,并符合金属矿山的实际情况。

由主观、客观组合赋权后的灰色关联分析优化模型得到的最小关联度为0.5784,说明三山岛金矿实施的8项绿色开采技术的绿色度均较高,完全适用于三山岛金矿绿色开采技术的推进。关联度排序依次为:无轨智能设备作业>生态重构技术>土壤基质改良技术>尾废协同充填技术>流态造浆稳态放砂技术>分段脉内采准布置>尾砂分区固化堆存技术>超前地压人工调控技术。根据灰色关联度大小,可将三山岛金矿所采用的8项绿色开采技术划分成4类不同优先级程度。技术实施,设备先行,三山岛金矿在推进绿色开采技术的过程中,无轨智能设备作业技术绿色度最高,作为第一优先级,应将无轨智能设备购置作为矿山的重要事项。同时,与“绿色”最直接相关的生态重构技术和土壤基质改良技术作为第二优先级技术,可整体推进,实现矿山“泛绿”。第三优先级和第四优先级技术可基于不同开采阶段的具体实际进行合理安排。

4 结论

(1)应用灰色关联分析优化模型评价三山岛金矿绿色开采技术的绿色度,与传统灰色关联模型相比,该方法在实际应用中更好地克服了评价指标的灰色性和不确定性,权重计算及关联度评价结果与实际情况相符,具有一定的科学性和合理性。

(2)根据权重计算结果与关联度分析结果,此次评价的8项绿色开采技术均有较高的绿色度,能够服务于三山岛金矿绿色开采的实施推进和绿色矿山建设。其中,安全性、生态性和机械化、智能化是三山岛金矿绿色开采技术创新的主研方向。

(3)矿山根据不同优先级可辨识绿色开采技术的重要程度,优先级较高的技术在矿山应用中应得到更高重视,此分级可为矿山决策部门的工作提供更准确的指导,有助于实现矿山绿色开采有序化。

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