灰色层次理论在采矿方法优选中的应用.pdf

S e p t e mb e r 2 0 0 7 金 取 砖 ME n～ L MI N E 总 第 3 7 5 期 2 0 0 7 年第 9期 采矿 工 程 灰 色层次理论在采矿方 法优 选中的应用 刘文剑 吴湘滨 刘江龙 中南大学 摘要针对采矿方法选择的系统性难题 ， 引用灰色和层次性系统分析理论， 从安全性能、 环境保护和技术指 标 3方面考虑， 建立采矿方法优选的灰色层次性综合评判模型模式。通过层次性方法确定其权重、 灰色关联分析 法确定评价因素间的关联度， 结合评判模式得出采矿方法的优劣顺序。并以黄金洞金矿采矿方法优选为例， 经优 选分析， 黄金洞金矿采用了无底柱上向干式充填采矿法。实践证明， 采用该方法取得了良好的经济效益和环保效 果 ， 作业人员的安全性也大大提高。证实灰色层次理论采矿方法优选模式的评价结果可靠， 优选模式适用性强。 关键词采矿方法灰色层次综合分析优化选择 Ap p l i c a t i o n o f Gr e y Hi e r a r c h l ca l S y s t e m Th e o r y i n Op t i mi z a t i o n S e l e c t i o n o f M i n i n g M e t h o d L i u We n j i a n Wu X i a n g b i n I j u J i a n g l o n g C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y Ab s t r a c t I n v i e w t h a t t h e s e l e c t i o n o f mi n i n g me t h o d i s a s y s t e ma t i c i s s u e ，g r a y a n d h i e r a r c h i c a l s y s t e ma ti c a n aly s i s t h e o r y i s a p p l i e d t o b u i l d a gra y h i e r a r c h i c al c o mp r e h e n s i v e e v alu a ti o n mo d e l f o r t h e o p t i mi z a t i o n s e l e c ti o n o f mi n i n g me tho d wh i c h c o n s i d e r s the s a f e t y p e r f o r man c e ，e n v i r o n me n t p r o t e c t i o n an d t e c h n i c a l p e rf o rm a n c e ，an d u s e s t h e h i e r a r c h i c al me th- o d t o d e t e rm i n e t h e w e i g h t o f e v e r y f a c t o r ，t h e gra y r e l a t i o n a n aly s i s me t h o d t o d e t e rm i n e t h e gre y i n c i d e n c e d e gre e o f e v alu - a t i o n f a c t o rs a n d the e v alu a ti o n mo d e t o d e t e rm i n e t h e b e s t t o wo rst s e q u e n c e o f mi n i n g me tho d s ．T h e me t h o d W a S u s e d for s e l e c ti n g t h e m i n i n g me t h o d f o r H u a n g j i n d o n g G o l d Mi n e a n d a s a r e s u l t ， p i l l arl e s s u p w a r d d f y - fi l l i n g s t o p i n g m e t h od w a s s e l e c t e d ．T h e p r a c t i c e s h o ws t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f t h i s me t h o d c a n a c h i e v e g o o d e c o n o mi c b e n e fi t an d e n vir o n me n t a l p r o - t e c t i o n e ff e c t ，an d C an gre a t l y i mp r o v e t h e s afe t y o f o p e r a t i n g wo r k e rs，d e mo n s t r a t i n g t h a t the o p t i mi z a t i o n s e l e c t i o n o f mi n - i n g me thod u s i n g gra y h i e r a r c h i c al t h e o ry h a s a d v a n t a g e s o f r e l i a b l e e v alu a ti o n res u l t s a n d s t r o n g a d a p t a b i l i t y ． Ke y wo r d s Mi n i n g me t h o d，Gr a y h i e r a r c h i c a l c o mp r e h e n s i v e an aly s i s ，Op t i mi z a t i o n s e l e c t i o n 我国矿产资源分布范围广， 矿点多， 但矿体埋藏 分散 ， 矿床规模及单矿体规模均不大 ， 而且大多数矿 体形态复杂多变， 品位一般都不均匀； 矿岩界线不明 显， 并且矿岩稳 固性差 J ， 所 以在采矿方法选择上 有相当大的难度， 尤其是中小型矿山在采矿方法选 择上不合理 ， 造成矿产资源浪费 ， 人员安全和经济效 益较差。运用灰色层次性原理 ， 解决采矿方法 的优 化选择 的系统性难题 ， 提供了有效的帮助 。 1 灰色层次性综合评判原理 灰色层次性综合评判是对某 目标进行评判时 ， 需考虑的因素很多， 但这些因素又不能放在同一个 层次进行评判 ， 所 以需按照一定的层次关系分成不 同的层次 ， 逐层进行评判 ， 从而达到优选的 目的。根 据该评判理论 ， 采用 以下步骤 4 。 。 ． 1 明确评判 目标 中的 n 个评价影响因素。评 20 判指标集 ， 其影响因素视作 中的元素， 即 U { u 1 ， u 2 ， ⋯u i ⋯u } ， 1 ， 2 ， ⋯n ． 1 对指标集 中单个影响因素 u 1 ， 2， ⋯n 进 行评判， 得到 y上的模糊集 r ， ⋯r ， 将对每 一 个单因素评判的模糊集组合形成评判矩阵 R。 2 综合运算 ， 由评价矩阵 y和权重 向量 R相 乘 ， 得到灰色综合评价结果 D， 把评价结果 D结合 上一层次权重 ， 又得评价结果， 依此类推 ， 得到最终 评价结果 。 2 采矿方法的优选模式 2 ． 1 评价 因素及分析模型的确定 影响采矿方法的选择因素很多， 综合考虑安全、 刘文剑 1 9 7 0 一 ， 男 ， 中南大 学 地学 环境 工程 学 院，博 士研 究生 ， 4 1 0 0 8 3湖南省长沙市岳麓山 维普资讯 刘文剑等 灰 色层次理论在采矿方法优选 中的应用 2 0 0 7年第 9期 环保和技术指标等 因素， 建立评价方案选择的二级 模糊综合评判模型 ， 如图 1 所示。其中， 一级灰色评 判选取了单因素 9项 ， 单因素有丰富的评判内涵 ， 可 以进一步细化 ， 如围岩特性是指不 同的采矿方法将 对矿体顶 、 底板稳定性的影 响。由有经验的专业技 术人员根据单 因素的细化指标 ， 分别某种采矿方法 的进行评判， 得出评语集 y ， 再以权重与评语集 y合 成运算 ， 得出评判结果 ， 并作为二级灰色评判 i 3 因素 ， 两级评判结果大值为优选方法。 采矿方法评判因素 崩 图 1 采矿方法评判 因素 根据上述分析 ， 可建立如下采矿方法优选选 的 综合评判计算模型 厂 D。 ] 厂 W y I ] A w D w l D ， l w 1 w ’ l 2 l D l ． j 式 中， w为二级评判权 重的模糊集 ， w 1 ， 2 ， 3 为一级评判权重的模糊集 ； y i 1 ， 2 ， 3 为一 级灰色评判的评语集 ， 即评判矩阵； D i 1 ， 2 ， 3 既是一级灰色评判 的结果集 ， 又是二级灰色评判的 因素集。在该计算模 型中， 需要 对权重集 w， 及评 语集 y确定。 2 ． 2 评价指标权重的确定 确定指标体系后 ， 对评价指标权重的赋值是综 合评价的关键 问题。确定权重 向量的方法有多种 ， 本研究采用 S a a t y t l 提出的 1 ～ 9及其倒数标度法 ， 将 两两因素之间的比值评定后构成判断矩阵。采用特 征根法解 ， 得出判断矩 阵的最大特征根及其所对应 的特征 向量 ， 正规化后 即为权值集 。为防止判断 矩阵偏离一致性 ， 以致影响最终决策 ， 要对 A 进行 一 致性检验。 1 确定隶属关系 ， 建立层次结构 ， 通过专家和 有经验的技术人员运用 1 ～ 9及其倒数标度法 ， 构成 两两 比较判断矩阵 A 口 ⋯ 3 其中 口 是因素 与 相互比较重要性的比例标度。 2 权重计算根据式 3所得 的比较判断矩阵 ， 求权重方法很多， 本研究采用和法求权重 3 一致性检验。为了验证权重是否合理， 需 对权重进行一致性检验 ， 步骤如下 计算一致性指标 C ． ， c． ， ． 、 5 查找相应的平均随机一致性指标。表 2是 1 7阶正互反矩阵计算 1 0 0 0次得 5 O的平均随机一致 性指标。 表 1 平均随机一致性指标 R ． ， 矩阵阶数 1 2 3 4 5 6 7 R． ， O O O． 5 2 0． 8 9 1 ． 1 2 1 ． 2 6 1 ． 3 6 计算一致性比例 C ． R c ． R ． 6 当 C ． R 0 ． 1时， 认为判断矩阵 的一致性是可 以接受的。 当 C ． R ≥0 ． 1应该对判 断矩阵作适 当修 正 。 计算各层元素对目标层的合成权重 c． ． 7 c ． c ． ． ． ． ， c ． ， ． ． 8 R ． R ． ⋯， R ． ， ． ． 9 当 C ． R 0 ． 1时 ， 认为递阶层次结构在 K层水 平以上的所有判断具有整体满意的一致性。 当 C ． R ≥0 ． 1时 ， 需重新修正。 根据上述步骤 ， 可得采矿方法评判 的层次排序 结果权重集 。 表 2 层次排序结果权重集 2 ． 3 评语集 y确定 由图 1 可知， 采矿方法综合优选过程中， 许多指 标之间相互关系 比较复杂 ， 而且有些是定性的， 如围 岩特性 ， 有些是定量的， 如贫化率和损失率。对于定 性指标的量化 ， 可将定性指标分成 4个等级 ， 分别为 优 、 良、 中、 差 ， 即当因素指标 为优时 ， 评定值为 0 ． 9 ； 因素指标为良时 ， 评定值为 0 ． 7 ； 因素指标 为中时 ， ． 21 ． 维普资讯 总第3 7 5期 金 畿 矿 山 2 0 0 7年第9期 评定值为 0 ． 5 ； 因素指标为差时 ， 评定值为 0 ． 3 ； 当因 素指标介于两个等级之 间时 ， 评定值取这两个等级 评定值之间的值。参与评估的人员应属于专业技术 人员 ， 具有相应的专业知识和工程实践经验； 对于某 一 个因素 ， 若给定相应的条件 ， 根据工程经验 ， 是可 以分辨采矿方法对某一个因素的影响关系， 取各评 估人员评定值的平均数 。对于定量指标 ， 由于参评 指标有不同的量纲， 通 常用 的方法是该数据与数据 均值 相 除 ， 得 出无 量 纲 数 据 ，或 1一 ，记 为 { 置 k } ， i 1 ， 2 ， ⋯， k1 ， 2 ， ⋯， ／ ／, ， X i k 为第 i 种 技术方案的第 k个参评指标无量 纲化处 理后 的数 据 。 分析得出的无量纲数据 ， 需用关联 系数公式确 定关联程度 ， 首先确定参考数列， 记为 { K } ， K 1 ， 2 ， ⋯／ ／ , ， 即从各评价对象的 同一指标 中所选的 最优的一个所组成的数集 。 然后 ， 用式 1 0 将第 i 种 采矿方法评价指标数列与参考数列相 比较， 得 出第 k 个指标 的灰色关联 系数 ， 从而组成评 语集 。 i k m i n Ⅱ n l 0 |]} 一 0 |]} l P m a x m ．a x l 0 |]} 一 k l l 0 k 一 l k l P ma x m ．a x l 0 k 一 k l ’ ‘ 1 0 式中， P为分辩 系数 ， 一般取 0 ． 5 ， i1 ， 2 ， ⋯m， j } 1， 2， ⋯ ， ／ ／ , 。 3 应 用 实例 黄金洞金矿位于平江县县城东 7 2 k m处 ， 地理 坐标 东经 1 1 3 。 5 9 ～1 1 4 。 0 4 ， 北纬 2 8 。 3 9 ～ 2 8 。 4 1 。 该矿历史悠久 ， 在实践开采过程中采用 了多种采矿 方法 ， 如全面法 、 房柱法 、 崩落法 、 留矿法 、 残矿 回收 法等。但因该矿三号脉顶底板较 为破碎 ， 矿体倾角 为 5 0 。 ～ 6 0 。 ， 品位在 4 g 左右 ， 矿脉厚度为 1 ． 5 m左 右 ， 且矿体和围岩 、 夹石界线不清楚 ， 一直是 矿山开 采的难题 。 3 ． 1 采矿方法的优选 为了找 出最优 的采矿方法 ， 选用该矿常用的全 面法、 房柱法 、 崩落法 ， 以及因以前单纯考虑采矿成 本 ， 未采用 的充填法。根据上述采矿方法的优选模 式中评语集 的确定方法和多年采矿方法 的技术参 数 ， 得出各评价指标的因素值 表 3 。 表 3 4种采矿方法评价指标 的因素值 注 参考东坪金矿上向分层干式充填采矿法的指标 _ 5 J 。 将表 3中 4种采矿方法评价指标的因素值 ， 用 评语集 确定的方法 ， 其中贫损率指标采用两率的 平均数 ， 得出评语集 表 4 。 将表 2、 4所计算数据代人式 2 中， 可得综合 评价结果 A[ 0 ． 5 ， 0 ． 6 6 ， 0 ． 4 3 ， 0 ． 8 1 ] 。即运用灰 色层次综合评价的采矿方法优先模式， 综合考虑各 方面因素 ， 得出采矿优劣顺序为充填法 、 房柱法 、 全 面法和崩落法。 表 4 4种采矿方法评价指标的评价 值 3 ． 2 结果检验 通过以上的论证， 该矿决定继续增加采矿费用 的投入 ， 采用无底柱上向干式充填采矿法。试验矿 块选在三号脉 V 矿体 2 8 7 m 中段。该矿体主要特 点 矿体是蚀 变板岩型 ， 顶底板稳 定性 差 J ， 节理 、 裂隙发育， 倾角为 5 4 。 左右 ， 脉厚 为 1 ． 5 m左右 ， 品 位为 4 ． 2 g左右。采场布置见 图2 。 通过充填采矿法试验得到了贫化率 ， 回收率 ， 采 矿费用 ， 充填费用 ， 人选品位的指标。再根据该矿原 来所用采矿方法 的指标得出对比表 见表 5 。 从表 5可以看出， 充填采矿法 比其它采矿方法 能取得了更好的经济效益 ， 并且有效地利用 了矿产 资源。通过推广充填采矿法， 该矿取得 了明显的综 合经济效益 人选品位由原来的3 ． 1 eCt 提高到3 ． 8 维普资讯 刘文剑等 灰色层次理论在采矿方法优选中的应用 2 0 0 7年第9 期 g ／ t ， 增加了选 矿厂的产值 ； 作业人员安全性大大提 高， 死亡率、 千人负伤率明显下降； 减少了因采矿陷 落造成的地质灾害 ， 并减少了排水费用 和废石 占地 费用。 图 2 无底柱上 向干式充填采矿法 1一 联络道 ； 2一行 人上山 ； 3一f l缶时支护； 4一下矿上 山 ； 5一无矿矿柱 ； 6一沿脉平巷 ； 7一竹 笼 ； 8一充填 料； 9 一充填上山； 1 0一密集木支护； l 1一 已充填上 山 ； 1 23 2 7 i n脉外平巷 ； 1 3 2 8 7 i n脉外平 巷； 1 4一 备采矿块 表 5 采矿方法指标对 比 采矿 入选矿 入选品位 选矿 回 金 回收选矿成本收益 方法 量／ t ／ g ／ t 收率／ ％ 量／ g ／ 元／ t ／ 元 注 混入废石 品位为 1 ． 2 g ／ t ， 入选后金精矿按 8 0元／ g 计算 。 4结论 1 采矿方法 的优化选择是系统性难题 ， 本研 究引用灰色系统和层次性分析理论 ， 给出适合采矿 方法优选模式 ， 主要从安全性能 ， 环境保护和技术指 标 3方面考虑 ， 组成灰色层次性综合评判模型， 并分 析权重集和评语集计算过程。 2 通过采矿方法灰色层次性综合评判优选模 式的选择 ， 说 明了充填法优 于其 它 3种采矿方法 。 黄金洞金矿采用 了无底柱上 向干式充填采矿法， 实 践证明， 采用该方法取得了良好的经济效益， 作业人 员的安全性大大提高。说明了采矿方法优选模式的 评价结果可靠 ， 有很强的适用性。 3 在优选模式 中， 评价指标 内容的全面性 和 权重值的合理 l生是该评价方法的关键所在 ， 因而 ， 要 细致地研究影响采矿方法选项择 的各个 因素及每一 个因素的影响程度 ， 量化标准根据实际情况不断调 整 ， 以求不断完善。由于计算步骤的固定 ， 适合编写 计算机程序进行运算 ， 减少入为的误差 。 参考文献 [ 1 ] 孔庆峰 ， 赵亮 ， 赵春荣．浅谈岩金地下 矿山采矿 方法 的选择 [ J ] ．黄金 ， 2 0 0 1 ， 2 2 1 0 2 2 - 2 5 ． [ 2 ] 杨伦标， 高英仪． 模糊数学[ M] ． 武汉， 华南理工大学出版社． 1 9 9 2． [ 3 ] Z h i h o n g L i a n g 一 ，K u n Y a n g ，Ya o w e i S u n ， e t c ．D e c i s i o n s u p p o r t f o r c h o i c e o p t i m a l p o w e r g e n e r a t i o n p r o j e c t s F u z z y c o m p r e h e n s i v e e v al u a t i o n m o d e l b a s e d o n t h e e l e c t r i c i t y m a r k e t [ J ] ． E n e r g y P o l l c y ．2 0 0 6， 3 4 3 3 5 9 3 3 6 4． [ 4 ] 曹国庆， 邢金城， 涂光备． 基于灰色层次分析理论的烟气脱硫 技术评价方法[ J ] ．中国电机工程学报 ， 2 0 0 6， 2 6 4 5 1 5 5 ． [ 5] 中 国黄金 生产 实 用技 术 编委会 ．中 国黄 金生 产实 用技 术 [ M] ． 北京， 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． 收稿 日期2 0 0 7 - 0 7 1 7 信息苑 我国矿产资源宏观控制取得成效 国土资源部 2 0 0 7年 8月 2 7 E l 公布的 2 0 0 6年度 制 ， 全 国矿产资源开采 总量得到有效调控 ， 4 5个 煤 全国矿山企业矿产资源开发利用情况通报表明， 2 0 0 6 炭国家规划矿区划定 ， 稀土、 钨、 锡 、 锑 、 煤、 钼、 重晶 年度全国矿山数量继续减少。截至 2 0 0 6年年底 ， 全 石 、 萤石等 8种矿产暂停颁发采矿许可证 ， 使矿产资 国共有各类非油气矿山企业 1 2 6 3 7 0个 ， 比上年减少 源开发的总量 、 布局、 结构 和时序等发 生重大变化 ， 3 2 5个。其 中大型矿 山增加 3 5 2个， 中型矿山增加 促进 了矿产资源供需基本平衡 、 结构不断优化、 开发 4 7 1 个， 小型矿山增加 1 3 4 3 个， 小矿减少2 4 9 1 个。 有序有偿、 利用集约高效； 二是在治乱治散基础上进 国土资源部有关方 面负责人指出 ， 2 0 0 6年全 国 行矿产资源整合。一些地区的重点矿区、 重要矿种 非油气矿山数量继续减少 ， 一是 由于 国土资源部依 的资源整合已经取得明显成效 。 据全国矿产资源规划对我 国矿产资源进行宏 观控 摘 自新华 网2 0 0 7 -08 - 2 8 2 3 维普资讯