采矿方法结构参数神经网络优化识别的应用.pdf

第 2 2卷 20 02点 第 4期 8 月 矿业 研究与开 发 Ml Nl NG RD 文章 编号 1 0 0 5 2 7 6 3 2 0 0 2 0 4 0 0 2 7 一O 3 Vo1 ．22 NO． 4 A u g． 2 002 采 矿 方 法 结 构 参 数 神 经 网络 优 化识 别 的应 用 苏 家 红 中 南 大 学 ， 湖 南 长 沙4 1 0 0 8 3 摘 要 叙述 了应 用神 经 网络进行 采矿方 法结构参数优化识 别的原理和 方法 ， 并介 绍 了高峰 矿 的开 采技 术条件 。选择 矿体厚度 、 倾 角 、 矿岩稳 固性及采 场布 置方 式作 为输入 量 ， 选择 矿房和 矿柱 的尺 寸 和 分 层 高度 作 为 输 出量 ， 构 造 了 3层 结 构 的神 经 网络 ， 用 2 4个 采 矿 方 法 实例 作 为 训 练样 本 ， 然后 用 6个 实例 验 证 。 应 用 实例 验 证 了该 方 法 的 可 行 性 和 实用性 。 关键 词 神 经 网络 ； 采矿方 法 ； 启构 参数 中 图 分 类 号 TP 1 8 3 文 献 标 识 码 B Appl i c a t i o n o f Ar t i f i c i a l Ne ur a l Ne t wo r k i n Opt i m i z a t i o n o f M i ni ng St r u c t u r e Pa r ame t e r s SU Ji a - h o n g Ce nt r al So ut h U ni ve r s i t y，Ch a ngs ha，H una n 41 0 083， Chi na Ab s t r a c t The pa pe r gi ve s a de t a i l e d de s c r i pt i on o f t he pr i n c i pl e and m e t h od of ar t i f i c i a l ne ur a l ne t wor k i n t he opt i m i z a t i o n of m i ni ng s t r uc t ur e pa r a m e t e r s ． The m i ni n g t e c hnol o gi c a l c ond i t i ons o f t he Ga of en g M i ne a r e de s c r i be d． The s e l e c t e d i n pu t pa r a m e t e r s i nc l ude t h e t hi c kne s s a nd di p an gl e of t he or e bo dy，t he s t a bi l i t y of r oc kmas s a nd t he l ay out of s t ope s ．The s e l e c t e d ou t pu t p a r a m e t e r s i nc l ude t he di m e ns i o ns o f r oo m s a nd p i l l a r s a nd t he he i ght of s ubl e ve l s ． The r e f or e，a t hr e e l a ye r s t r u c t ur ed a r t i f i c i a l neu r al ne t wor k i s c r e a t e d． 2 4 c as e s of m i ni ng m e t hods a r e u s e d a s t r a i n i n g s a mp l e s a n d s i x p r a c t i c a l c a s e s a r e u s e d f o r v a l i d a t i o n，wh i c h v e r i f y t h e f e a s i b i l i t y a n d a p pl i c a bi l i t y o f t he m e t hod ． Ke y W o r d s Ne ur al ne t wor k，M i ni ng m e t hod，St r uc t ur p ar a m e t e r 华 锡 集 团高 峰 矿 1 0 0号 矿 体 的开 发 利 用 价 值 极 高 ， 但 其 水 文 地 质 条 件 复 杂 ， 采 深 较 大 ， 矿 石 含 硫 量 较 高 ， 是 一个 复 杂 难 采 的 矿 体 。为 寻求 高 效 、 高 回采 率及安全的采场结 构 参数 ， 应 用 神经 网络优 化识 别 方 法 进 行 了研 究 。 1 人 工 神经 网络 简介 人 工 神 经 网 络 模 型 可 由 8项 特 征 进 行 刻 划 处 理 单 元 集 合 ； 单 元 集 合 的 活 跃 状 态 ； 单 元 间 的连 接 方 式 ； 激 活模 式在网络 中的传递 ； 把单元输入 与 当前状 态 结合起来产生新 激活值 ； 各单元 所用 的输 出函数 ； 各 单 元 所 用 的学 习 规 则 ； 各 单 元 所 用 的运 激 环 境 。 附图是 一个 人工神经 元 ， 该 图基本反 映了 上 述 8个 方 面 的 具 体 表 现 。 图 中 圆 圈 内 是 处 理 单 元 ， 每 一 时 刻 各 单 元 U有 它 的 活跃 值 n ￡ 。该 活 跃 值 通 过 函 数 ．厂 f 产 生 输 出值 0 f ， 提 高互 联 ， 该 输 出 值 被送到其他单 元 。表征互联 程度的尺度为互联权 重 w ， w 则表 示 第 个单 元对 第 i个 单元 的影 响 。 故一个单元 J的净输 入 n e t 一∑W 0 。 J 单元 的净 输入 n e t 与 当前 活跃 值 n 在 函数 F 的作用下 产生该单元 的下 一个活跃值 n ￡ 1 。 单 元 的 当 前 活 跃 值 a ￡ 在 函 数 厂 作 用 下产 生 其 输 出 0， ￡ 。 人 工 神 经 网 络 的基 本 单 元 是 处 理 元 或 节 点 ， 也 称 神 经 元 。其 功 能 与生 物 神 经 元 相 仿 。 每 个 神 经 元 组合 最典 型的是求 和 所 有 的输入 信号 ， 按 其传 递 收 稿 日期 2 0 0 2 0 4 0 9 作 者简 介 苏 家红 1 9 6 4 -- ， 男 ， 广 西南 丹人 ， 教 授级 高级工 程 师 ， 硕 士 ， 主要从 事 采矿技术 及 管理 工作 维普资讯 2 8 矿 业 研究 与 开 发 第 2 2誊 函数 也 称 节 点 函数 产 生 一个 输 出 。 人 工 神 经 网络 是 由一 层 或 多层 大 量 的神 经 元 按 某 种 方 式 连 接 在 一 起 所 形 成 的 。 一 个 处 理 单 元 的 输 出经 过 连 接 权 值 连 接到其它 处理单元 的输 入 ， 这 些 接 相值 模仿 了生 物 神 经 网 络 的 突 触 强 度 ， 也 是 人 工 神 经 网 络 的 记 忆 单 元 。 由 于 处 理 单 元 间 的 连 接 都 有 一 个 权 值 ， 处 理 单 元 j的输 入 总 和 尽 可 看 做 加 权 和 一 ∑w x i l 式 中 X 由 单 元 输 入 的 信 号 ； w ， 相应 的 权 值 。 设 神 经 元 的 节 点 函 数 为 F ， 则 神 经 元 J的 输 出 值 为 z J 一∑ W．． x Y 一F Z J 附 图一 个 人 工 神 经 兀 神经 元的节点 函数 通 常取 如下 ； 种 硬 限制 器 函 数 、 阈值 逻 辑 函 数 和 S形 函 数 ， 神 经 元 与神 经 元 之 间按某种方式连接后 就形成 了人工神经 网络 。 对采 场结构 参数 的研 究 ， 传 统 的方法 往往 采用 的 是 工 程 类 比法 ， 由 于 各 个 矿 山 的 地 质 条 件 和 其 它 建设 条件千差万 别 ， 加 之设计 者 的知识 限 度和 主观 意识 ， 往往 会使所 选参 数 带有 随 意性 。很 难保 证所 选 参数 的合理性 。由于影 响采 场结构 参数的 因素 十 分 复 杂 ， 通 常 具 有 多个 变 量 ， 且 变量 之 间 的 关 系有 时 很 难 用 确 切 的数 学 表 达 式 表 示 出来 。 神 经 网络 理 论 和应用研 究的迅速发展 和神经 网络所 特有 的信息处 理 机 理 ， 给 我 们 在 解 决 诸 多 应 用 领 域 的 问 题 方 面 展 示 了诱 人 的 前 景 。 因 此 ， 在 采 场 结 构 参 数 优 化 分 析 方 面采 用 神 经 网络 技 术 具 有 独 特 的 优 势 。 2 采场 结 构 参 数 神 经 网络 分析 2 ． 1 矿床 开 采 技 术 条件 与 采 矿 方 法 高 峰 矿 1 0 0号 矿 体 赋 存 在 距 地 表 2 3 2 ～ 8 4 2 m 深 的 礁 灰 岩 中 。 围 岩 为 礁 灰 岩 ． 无 明 ’显层 理 ． 韧 性 大 ， 裂 隙 发 育 中 等 ， 属 中 等 稳 固 ， ，系 数 为 8 ～ l 0 ； 矿 石 的韧 性 大 ， 中 等 稳 固 ， -厂系 数 为 6 ～ 8 矿 石 含锡 、 锌 、 铅 、 锑 4种 金 属 的综 合 品 位 在 2 O ％ 以 上 ， 且 含硫 高 ， 同 时 含炭 化 沥 青 ， 易 氧 化 。矿 体 上 部 十 4 0 0 m 以 上 已 陷 落 贯 通 地 表 ， 且 在 4 0 0 m 以 上 有 民采 活 动 。 同 时 未 开 采 的矿 段 其 上 部 地 表有 工 业 场 地 及 生 活设 施 。矿体在 4 0 0 m 以下 呈缓 倾 斜 至 急倾 斜产 出， 倾 角在 1 5 。 ～8 5 。 度之间 ， 厚度 7 ～4 o m 不等 。3 0 0 m 水 平 以 上 矿 体 厚 度 小 于 1 5 m， 十 3 0 0 m 水平 以下 矿 体 厚 度 大 于 1 5 m， 倾 角 小 于 4 5 。 。 综 合 开 采 技 术 条 件 、 劳 动 生 产 率 和 损 失 贫 化 率 等 多 方 面 因素 ， 实践 中 选 择 盘 区 机 械 化 上 向 水 平 分 层 充 填 采 矿 法 作 为 矿 体 主 导 采 矿 方 法 。 2 ． 2人 工 神 经 网络 分 析 模 型 在 众 多 的 神 经 网络 模 型 中 ， 多 层 前 馈 神 经 网络 模 型 是 目前 应 用 最 为 广 泛 的 模 型 ， 它 可 以 逼 近 任 意 非线性 映射 。用反 向传播 学 习算 法 简称 B P算 法 可 以实现多层前馈 神经 网络 的训 练 ， 获 得 网络 连接 权值 。B P算法 的学 习过程如下 。 1 构 造 网 络 拓 扑 结 构 ， 选 取 合 理 的 网 络 学 习 参 数 。 2 设 置 网 络 各 权 值 和 阈 值 的 初 始 值 W4 O 、 o 为[ 一1 ， 1 ] 区间内的随机数 。 3 加 载 训 练 用 的学 习 样 本 输 入 向量 Xp P一 1 ， 2 ， 3 ⋯ ． ， 是 和 期 望 输 出 Y P P 1 ， 2 ， 3 ⋯ ． ， 是 ， 对 每 个 样 本 重 复 步 骤 4 ～ 8 。 4 计 算 网络 的实际输 出及 隐层单 元的状 态 假 定 激 励 函数 为 S i g mo i d函数 一 厂 J ZW ， 一 5 计 算 网络 输 出 误 差 E p 一 y 一0 6 若 E Es 系 统 平 均 误 差 容 限 ， 或 Ep Ep s 单 个 样 本 的 误 差 容 限 ， 或 达 到 指 定 的 迭 代 步 数 ， 学 习 结 束 。否 则 进 行 误 差 反 向 传 播 ， 转 向 7 。 E 一 去 毒 E 7 计 算 训 练 误 差 输 出层 一 0 1 0一 y P J 一 隐 含层 一 0P J 1 一Oo Y_ J 3 p , 维普资讯 第 4期 苏 家红 采 矿方 法 结构 参数 神经 网络优 化识 别 的应 用 2 9 8 修 正 权 值 和 阈值 网络 结 构 ， 网络 隐 含 层 中 的 节 点 数 为 1 0个 ， 输 入 变 十 1 一 W 十 3 p , 0 量 为 5个 ， 输 出变 量 为 5个 。输 入 变 量 为 矿 体 厚 度 、 a W 一 W 1 矿 体 倾 角 、 矿 石 稳 固性 、 围 岩 稳 固性 、 采场 布 置 方 式 ； 十 1 一 n 十 3 p , 十a [ 一 n -- 1 ] 输 出变 量 为矿 房 长 度 ， 矿 房 宽 度 、 间 柱 宽 度 、 底 柱 高 9 转 向步 骤 3 。 度 、 分 层 高 度 。 2 ． 3 基 于 知 识 的 采 场 结 构 参 数 神 经 网络 分 析 从 工 程 实 践 中选 择 2 4个 采 矿 方 法 实 例 作 为 神 选 择 盘 区 机 械 化 充 填 采 矿 法 的 实 例 ， 用 采 场 结 经 网络 的 训 练 样 本 ， 选 择 6个 矿 山样 本 进 行 验 证 ， 验 构 参 数 的 控 制 因 素 来 构 造 人 工 神 经 网 络 。采 用 3层 证 结 果 列 于 附表 。 附 表 神 经 网 络 预 测 值 与 实 际 值 的 比 较 矿体 厚 度 矿 体倾 角 矿 石 围岩 采场 矿房 长度 m 矿房宽 度 m 问柱宽 度 m 分层 高度 m ‘ 。 稳 固性 稳 固性 布置方 式 实 际 预测 实际 预测 实 际 预测 2 O ～5 O 4 O ～7 O 稳 固 较 稳 固 垂 直走 向 5 ～1 5 4 5 ～7 8 中稳 中稳 沿 走 向 1 ～1 5 3 0 ～6 O 不稳 固 不 稳 固 沿 走 向 1 7 ～3 5 7 O ～8 O 稳 固 不 稳 固 垂 直走 向 1 5 ～4 5 5 5 ～7 5 中等稳 固 中等稳 固 垂直走 向 7 O 2 0 ～6 0 稳 固 稳固 垂 直走 向 5 0 5 0 ．1 1 2 1 1 ． 7 8 7 ． 94 1 0 0 1 0 0 ．1 2 O 2 O． 1 6 5 ． 9 2 3 0 3 0 ． 2 1 5 1 4． 7 1 2 1 2 ．1 5 0 4 9 ． 9 8 7 ．9 6 5 4 ． 96 4 5 4 4 ． 7 1 0 9 ．9 8 4 4 ．1 4 9 2 9 2 ．1 1 3 ． 2 1 3． 0 6 6 ． 2 3 由上 表 可 以 看 出 ， 训 练 后 的 网 络 完 全 能 够 满 足 采 场 结 构 参 数 分 析 的 要 求 ， 团 此 ， 可 以 用 来 分 析 预 测 高 峰 矿 的 采 场 结 构 参 数 。把 高 峰矿 的 矿 体 开 采技 术 条件 代 入 ， 分 析 后 得 出高 峰 矿 盘 区 机 械 化 充 填 采 矿 法 的采 场 结 构 参 数 为 采 场 垂 直 走 向 布 置 ， 长 7 9 ． 6 1 T I ． 宽 l 2 ． 3 m， 间柱 7 ． 9 4 m ， 分 层 高 度 4 ． 1 2 m ， 考 虑 到 实 际 工 程 实 施 的 要 求 ， 最 后 确 定 参 数 为 长 8 O m， 宽 1 2 m， 间 柱 8 m， 分 层 高 度 4 m。 3 结 论 选 取 的采 场 结 构 参 数 ， 其 采 场 生 产 能 力 达 到 了 2 3 5 t ／ d ， 采 矿 工 效 2 2 ． 3 t ／ d ， 采 准 系 数 4 2 ． 5 m。 ／ k t ， 采 矿 损 失率 5 ． 7 ， 采 矿 作 业 成 本 7 ． 6 5元 ／ t 。采 用 神 经 网络对采 场结构参 数优 化识 别 ， 改 变 了过 去仅 凭经 验 和工程 类 比法选 取 采 场结 构参 数 的历史 ， 为采矿 工程技术 人员在实践 中选取 合理的采场结构参数增 添 了一 种 行 之 有 效 的 方 法 。 参 考文 献 i [ 1 ]楼顺 天 ． 施 阳． 基 于 MATL AB的 系统 分析 与 设 计 神 经 网 络 r M] ． 西安 西 安电 子科技 大学 出版社 ． 1 9 9 8 ． 高 峰 矿 近 几 年 的 生 产 实 践 表 明 ， 按 照 神 经 网 络 ◆0◆0 ◆0 ◆0◆0 ◆ ◆ ◆‘ ◆0◆0 ◆‘◆0 ◆‘◆0 ◆0 ◆0◆‘ ◆‘◆0 ◆0◆0◆0 ◆0◆0 ◆0◆0 ◆0 ◆0◆0 ◆0◆0◆0 ◆0◆0 ◆0◆0 ◆0 ◆0◆0 ◆0◆0 ◆0 ◆0◆0 ◆0 ◆0◆0 ◆ 上 接 第 1 7页 的 主要 原 因是 隐 微 裂 隙 和 裂 隙 的 发 育 程 度 ， 它 们 是 岩 石 破 坏 机 制 和 力 学 特 性 的 主 要控 制 因素 。 2 不 同 的 岩 石 随 加 载 过 程 的 变 化 其 波 速 和 声 波 幅值 有 明 显 的 阶 段 性 ， 并 与 岩 石 中 原 有 微 裂 隙 的 压 密闭合一新微 裂隙的产生 和扩展一 破裂 的过程 密 切 相关 。比较 波速 和幅值 随 荷载 的 变化 ， 就 能确 定 这 几个 阶段 ， 实 现 对 岩石 破 裂 前 兆 的 预 测 。 3 研 究 发 现 ， 一 般 泥 质 灰 岩 、 灰 岩 呈 海 绵 结 构 ， 控 制 其 透 水 性 和 强 度 主 要 是 微 裂 隙 。砂 岩 多 呈 骨 架状 结 构 ， 颗 粒 基 本 由原 生 矿 物 组 成 ， 微 裂 隙 不 发 育 ， 控 制 其 透 水 性 和 强 度 主 要 是 矿 物颗 粒 间 的 胶 结 程 度 和宏 观 裂 隙 。 在 采 掘 煤 层 时 ， 为 了 减 小 采 动 的 影 响 ， 提 高 工 效 ， 工 作 面 可 根 据 岩 性 特 征 ， 适 当 延 长 或 缩 短 ， 推 进 速 度 亦 可 加 快 或 放 慢 。 4 煤 矿 底 鼓 水 的 诱 因 比较 复 杂 ， 其 中 在 采 动 影 响下微裂 隙 或结 构面 扩 展而引发突水是重要的 诱 因之一 。因此 ， 岩 石裂纹扩展规 律的研究 ， 在底鼓 水 的预 测 预报 中有 一 定 的实 际 意 义 。 参 考文 献 [ 1 ] 罗 津辉 ． 等 ． 用 声波 参 数 确 定 岩 石加 载破 坏 过 程 的 不 同 阶 段 [ J ] ． 岩 土力学 ， 1 9 9 2 1 ． [ 2 ] 谭 云亮 ， 等 ． 坚 硬项周 期采 压声 发射 前兆 分析[ J ] ． 山东 矿业 学 院学 报 ． 1 9 9 3 3 ． E 3 ]蔡 忠理 ． 等． 单 轴压缩 过 程 中花岗 岩声学 特性 的研究 [ J ] ． 岩土 力学 ， 1 9 8 6 2 ． 维普资讯