基于突变分级模型的采矿方法优选.pdf

第 6 7 卷第 6 期 有 色 金 属 矿山部分 2 0 1 5 年 1 1 月 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 6 7 1 4 1 7 2 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 0 5 基于突变分级模型的采矿方法优选 陈博 宇 ， 宋卫 东 。 ， 付 建新 1 ．金属矿 山高效开采与安全教 育部重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ．北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 利用突变理论处理不确定 性问题 的优势 ， 构建 了采矿方法优选模型 。以夏甸 金矿为工程背景 ， 基 于三 种缓倾斜薄矿脉的采矿方 案 ， 选取 1 2 个经济技术指标 建立综合 评价体 系 。利用归 一公式对各 指标重要 性进行 量 化 ， 比较各方案 的隶属度 ， 从 而选取最优方案 。突变分级模型计算得到 的三种采矿方案隶属度分别 为 0 ． 7 0 7 ， 0 ． 8 3 9 和 0 ． 7 0 1 ， 方案 1 I 点柱式上 向分层充填采矿法 最优 。结果表明 ， 突变分级模 型在采矿方法优选 中有一定 的合 理性 和 可 行 性 。 关键词 突变理论 ； 采矿方法 ； 优化 ； 隶 属度矩 阵 中图分 类号 TD 8 5 3 ． 3 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 4 1 7 2 2 0 1 5 0 6 0 0 2 0 0 3 M i n i n g me t h o d o p t i mi z a t i o n b a s e d o n mu t a t i o n mo d e l CHEN Bo y u ～。S ONG W e i d o n g ，F U J i a n x i n ’ 。 1 ．St a t e Ke y Lab or a t or y of Hi gh Ef f i c i e nt M i ni ng a nd Sa f e t y of M e t a l M i n e s，Mi n i s t r y of Ed uc a t i o n， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a ；2 ．S c h o o l o f C i v i l a n d En v i r o n me n t En g i n e e r i n g，Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Be ij i n g，Be ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t By ma k i n g u s e o f t h e a d v a n t a g e s o f mu t a t i o n t h e o r y i n d e a l i n g wi t h t h e u n c e r t a i n p r o b l e ms ， a ma t h e ma t i c a l mod e l i s e s t a bl i s h e d t o op t i mi z e t he mi ni ng me t ho d．W i t h Xi a d i a n Go l d M i ne as t he e n gi ne e r i n g ba c k gr oun d， t h r ee mi ni ng m e t h o ds a r e p ut f or wa r d a nd 1 2 e c on o mi c a nd t e c h ni c a l i nde x e s a r e c ho s e n t O bu i l d a c omp r e h e ns i v e h i e r a r c h y s t r u c t u r e ．Th e i mp o r t a n c e o f e a c h i n d i c a t o r i s q u a n t i f i e d b y t h e n o r ma l i z e d f o r mu l a， a n d t h e n t h e o p t i mu m me t h o d c a n b e o b t a i n e d b y c o mp a r i n g t h e v a l u e o f mu t a t i o n s u b j e c t i o n f u n c t i o n ．Th e v a l u e s o f mu t a t i o n s u b j e c t i o n f u n c t i o n o f p l a n I t O I H a r e 0 ． 7 0 7，0 ． 8 3 9 a n d 0 ． 7 0 1 r e s p e c t i v e l y ．Th e s e c o n d me t h o d u p wa r d h o r i z o n t a l s l i c i n g s t o p i n g f i l l i n g me t h o d i s p r o v e d t O b e t h e b e s t ．Th e r e s u l t s h o ws t h a t t h e mo d e l i s r e a s o n a b l e a n d f e a s i b l e ． Ke y wo r d smu t a t i on t he or y；mi ni ng me t ho d；op t i mi z a t i o n；me mbe r s hi p mat r i x 采矿方法的选择是地下金属矿山开采的核心内 容之一 。由于地质资料的误差 、 指标 的不确定性、 方 法的局限性等等因素 的存在， 使得采矿方法的选择 成为了一个多层次、 多准则的决策过程口 ] 。 通 常多准则决策具有一定 的模糊性 和不确定 性。针对这个特点 ， 不确定性分析方法在采矿方法 优 选 中 广 泛 应 用 ， 其 中 研 究 较 多 的 有 层 次 分 析 法_ 2 ] 、 模糊数学_ 5 ] 、 灰色理论[_ 6 等。虽然取得 了一 定 的效果 ， 但是 大部 分 方 法无 法 克 服 权 重选 择 的主 观性 。本文将模糊集理论和突变理论引入到采矿方 法的优选 中， 构建采矿方法优选的模 型。该方法利 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 3 7 4 0 3 3 ； 博士点基金项 目 2 0 1 2 0 0 0 6 1 1 O 0 2 2 作者简介 陈博宇 1 9 9 3 一 ， 男 ， 硕士研究生 ， 采矿工程专业 。 用 归一 公式机 理 ， 量化各 项指 标 的隶属 函数 ， 以此进 行决策评价 ， 不需要考虑准则层与准则层、 指标与指 标 之 间 的赋 权 ， 能 够 有 效 减 少 主观 因 素 的影 响_ 7 ] 。 张先起 等曾基于突变分级模型优选了淤地坝坝系 方案 ， 并取 得 了一定成 果 。 1 开采技术条件 夏甸 金矿 详 查 报 告 共 圈 定 Ⅶ一 1 、 Ⅶ一 2 、 Ⅶ一 1 3 4 、 Ⅱ一 1 1 5四个矿体 ， 其 中V l i 一 1为主要矿体 ， 其资源量 占总资源量的 9 9 ， 分布 于 4 9 6 ～5 5 9线之 间招平 断裂带主裂面的下盘 ， 控矿标高1 6 1 ～一1 4 1 2 m， 控 矿长 度 1 2 6 0 i n ， 斜 深 2 2 9 0 m。矿 体总体 走 向为 4 5 。 ， 倾向南东 ， 倾角为 3 6 。 ～5 O 。 ， 平均倾角为 4 7 。 。矿 体在倾 向及走 向上呈脉状、 似层状 ， 膨胀夹缩现象 明 显， 具有分支复合现象。矿体的最小厚度为 1 ． 0 9 1 T I ， 第 6期 陈博字等 基 于突变分级模型 的采矿方法优选 2 1 最大厚度为 5 6 ． 9 9 I -1“1 ， 平均厚度为 1 2 ． 6 1 m。矿体位 于招平断裂带下 ， 矿岩稳固性总体较好 。本文针对夏 甸金矿Ⅶ一 1 矿体薄矿脉部分 ， 进行采矿方法优选。 2 突 变分 级 评 价 模 型 突变 分级 评价 模 型是一 种在 突变 理论 基 础上发 展起来 ， 能够对多 目标 、 多准则决策进行综合评价的 一 种方 法 ， 其 主要 有 3 个 步 骤 1 构 建评 价指 标体 系 建立评价指标体系是进行方案优选的基础工作。 指标体 系中 ， 应 当既有 定性化 因素又有定量化 因素 。 2 指 标量 纲归 一化 归一公 式 中 ， 控制 变量表示 的状态变量各 个 角度 的特征 。由于获取 的原始数据 的度量 单位不 尽相 同 ， 它们之间无法进行互相 比较， 在使用归一公式之前， 应 当将 数据进行适 当变化 ， 压缩 到区间 [ 0 ， 1 ] 。 3 归一运 算并 按最 大 隶属度 原则 选择 最优 方案 利用归一公式对无量纲化后的指标进行运算 ， 求出评价模型的总体隶属函数 。在计算过程 中， 若 准则对应的各项指标之 间存在 明显的关联作用 ， 应 当采取互补原则 ， 即以各指标 的隶属度平 均值作为 准则 的隶属度。若指标 之间不存在 明显的关联作 用 ， 应 当采用 大 中取小 原则 ， 即以各指 标 的隶属 度 中 的最 小值 作 为准则 的隶 属度 。 在 算得 各 备 选 方案 的总 体 隶属 度 后 ， 根 据最 大 隶属 度 原则 ， 选取 最优 方案 。 表 1 突变模型及其对应归一公式 Ta bl e 1 M ut a t i o n m o d e l s a nd t he i r c 0 r r e s p0 nd i n g no r m a l i z e d f o r m ul a s 3 采矿 方案初 选 4 采矿 方案评价 参考国内外类似矿 山的采矿方法 ， 用于开采缓 倾斜薄矿体的采矿方法主要有上向分层胶结充填采 矿法 、 点 柱式 上 向分层 充填 采矿 法 、 上 向水 平 进路 充 填采 矿法 三种 。以这 三种 方法作 为 备选方 案 I， Ⅱ， Ⅲ， 其经济技术指标见表 2 。 表 2初选采矿方法经济技术指标 Tab l e 2 Ec o no mi c a nd t e c h ni c a l i nd i c a t o r s f o r p r i m a r y m i ni n g s c he m e s 4 ． 1 构 建评 价指 标体 系 借 鉴 国 内采 矿 方 法优 选 方 面 的研 究 ， 以经济 因 素 、 资源利用率、 安全 因素 、 管理 因素 4个因素作为 准则层 P的框架 ， 提出综合评价指标体 系， 如图 1 。 在 重要 性排 序上 ， 由于 经 济效 益是 矿 山选 择采 矿 方 法的最重要的影响因素 ， 故将经济 因素排 于第 1位 P 。同时吨矿成本是经济 因素 的主要影 响因子 ， 所 以将其排于第 1位 C 。 目标层 O 准则层P l 经 济 因 素P I l 资 源 利 用 率P 2 I l 安 全 因 素P 3 l l 管 理 因 素 指标层 cl 攀l I霎l l霞l I萋 l l萎 I I l I垂II垂I I垂l I鏊 l I垂 图 1 评 价指标层 次结构图 Fi g ．1 H i e r a r c h i c a l c h ar t o f e v a l u a t i on i n de x e s 4 ． 2确定 隶属 度矩 阵 1 定量 指标 归一 化 定 量 指 标 可 以分 为 收 益性 指 标 和 消耗 性 指标 。 2 2 有 色 金 属 矿山部分 第 6 7 卷 收益性指标 ， 如采场生产能力 ， 其值越大越好 ， 而消 要采用二元对比排序法求解其隶属度。 耗性指标 ， 如吨矿成本 、 采切 比、 损失率、 贫化率 ， 则 设论域 x一 { xt ， X ， x。 ， x ， x ， Xe } ， 以c 表 是越小越好 。 这两项指标 归一化分别采用公式 1 示 X 与x 相比时x 的优越程度。 若 X 比x 重要， 和公式 2 计算 。 则令 C 一1 ， C j 一 0 ； 若 X 与x， 同样重要 ， 则令 C y ／ ma x y 1 一 0 ． 5 ， C J 一 0 ． 5 。 将 二元 对 比矩 阵 C按 行 排 序 ， 根 r 一 1 一Y ， ／ ma x y 2 据排序结果查语气算子与定量标度表 ， 可 以得到定 2 定性 指标归 一化 性 指标 的隶属 度 。 对于采矿工效 、 安全程度等类似 的定性指标， 需 归一化结果如表 3所示 。 表 3突变指标体 系及其标准化数据 Ta bl e 3 M u t a t i o n i nd i c a t o r s y s t e m a nd s t a n da r di z e d da t a 方案 C l C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C7 C 8 C 9 C l 0 C n C1 2 1 0 ． 3 6 5 0 ． 7 2 2 0 0 ．5 6 8 0 0 ． 8 1 8 0 ． 8 1 8 1 0． 81 8 0 ． 6 6 7 0 ． 8 1 8 0 ． 81 8 Ⅱ0 ． 7 0 1 1 0 ． 3 4 0 0 0 ． 4 6 0 1 0 ． 6 6 7 0 ． 8 1 8 0． 6 6 7 1 1 l 丌 f 0 0 ． 5 0 ． 2 1 3 0 ．6 9 1 0 ． 2 8 6 0 ． 6 6 7 1 0 ． 6 6 7 l 0 ． 6 6 7 0 ． 6 6 7 0 ． 66 7 4 ． 3突变 分级评 价 以方案 A 为例 ， 说 明各层 计算 过程 1 对准 则 P ， C 、 C 、 C 。 构 成燕 尾 突 变模 型 ， 采 用互补原则计算隶属度 X X X X ／ 3一 O ． 3 6 5 。 0 ． 7 2 2 。 0 ／ 3 0 ． 5 0 0 同理计算得 x 0 ． 5 6 8 ， x 0 ． 9 5 2 ， Xp 一 0 ．9 0l 。 2 对 方 案 A ， P 、 P 。 、 P 。 、 P 构 成 蝴 蝶 突 变 模 型， 采用大中取小原则计算 XA 1一 rai n { x 。 ， x ， XP1 ／3 4 ， x mi n { 0 ． 5 ， 0 ． 5 6 8 ， 0 ． 9 5 2 ， 0 ． 9 0 1 一 0 ． 7 0 7 由表 4可知 ， 通过 对三个 备选 方案 的综合 对 比 ， 方案 I、Ⅱ、Ⅲ 的综 合 评 价 结 果 分 别 为 0 ． 7 0 7 、 0 ． 8 3 9 、 0 ． 7 0 1 。根据最 大隶 属度原 则 ， 最 佳方 案为 方 案 Ⅱ， 即点柱 式上 向分层 充填采 矿法 。 表 4备选方案综合评价结果 Ta b l e 4 I nt e g r a t e d e v a l u a t i o n r e s u l t o f a l t e r na t i v e m i ni n g s c h e m e s 方案 I Ⅱ Ⅲ XP 1 XP Z Xp 3 X P 4 XA 5 结 论 1 结合夏甸金矿的工程地质条件， 从经济因素、 资源利用率 、 安全 因素 、 管 理 因素 4个 方 面选取 了 1 2 项具体指标 ， 构建了采矿方法综合评判指标体系。 2 基 于突 变 理论 构建 了采 矿 方 法 优 选 的 突 变 分级模型 ， 结合建立的综合评判指标体系 ， 最终得 出 点柱式上 向分层充填采矿法为最优采矿法 ， 为矿 山 开采 提供 了决 策依据 。 3 在采矿方法优选中， 由于定性指标的存在 ， 使 得采矿方法优选无法避免地存在一定的主观性 ， 如 何 克服需 要进 一步 研究 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王新 民， 赵 彬 ， 张钦礼．基于层 次分析和模糊数学 的采矿方法 选 择[ J ] ．中南大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 9 5 8 7 5 8 8 0 ． E 2 1 谭 玉叶， 宋卫东 ， 雷远坤 ， 等．基于模糊聚类及层次分析法 的采 矿方法综合 评判优选 [ J ] ．北 京科技 大学学报 ，2 0 1 2 ， 3 4 5 4 8 9 4 9 4 ． [ 3 3 梁新民 ， 明 建 ， 谢经鹏．基于 AHP F UZ Z Y 的露天转地下采矿 方法优选[ J ] ．现代矿业 ，2 0 1 4 1 2 i 一4 ． [ 4 ] 龚 剑 ， 胡乃联 ， 张延凯 ， 等．基于 AHP F C E法 的高海拔地区采 矿方法优选E J ] ．金属矿 山，2 0 1 3 9 1 5 ， 9 ． E 5 ] 程光华 ， 宋卫东 ， 张永林 ， 等．模糊数学在山后矿 区采矿方法优 选 中的应用[ J ] ．有色金属 矿 山部分 ，2 0 1 3 ， 6 5 5 2 0 2 3 ． [ 6 ] 马志伟 ， 叶义成 。 吴健飞， 等．基于改进灰色关联逼 近理想解法 的采矿方法优选[ J ] ．化工矿物与加工 ，2 0 1 2 1 1 2 1 2 4 ． [ 7 ] 韩京龙 ， 刘春玲 ， 李立军 ， 等．基于突变评价法的吉林西部地下 水 开发风 险评价[ J ] ．中国农 村水利 水 电， 2 0 1 l 1 2 1 1 1 4 ， 1 8． [ 8 ] 张先起 ， 彭小 飞， 范瑞 祺．基于突变分 级模型 的淤地坝坝 系规 划方案优选[ J ] ．排灌机械工程学报 ， 2 0 1 3 7 5 8 6 5 9 1 ．