基于TRIZ-FAHP的采矿方法优选.pdf

第 3 2 卷第2期 2 0 1 2年 0 4月 矿 冶 工 程 M I NI NG AND M ETALLURGI CAL ENG姗ERⅡ G V0 1 ． 3 2 № 2 Ap il l 2 0 1 2 基 于 T R I Z F A H P的采矿方法优选① 周科平， 郭 旺， 邓红卫， 雷 涛 中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 摘要针对采矿方法设计和选择中存在的问题 ， 基于 T R I Z理论的创新设计思想， 结合模糊层次分析的采矿方法优选， 对广西某 矿山采矿方法中的物理矛盾进行了分析， 得出了指导采矿方法设计的矛盾矩阵六大原理 分割原理、 预先作用原理、 曲面化原理、 空 间维数变化原理、 机械系统替代原理和物理参数改变原理， 并依据这六大原理得出了创新方案， 同时用模糊层次分析对传统的采矿 方法和创新方法进行了比较优选 ， 证实了T R I Z理论用于采矿方法的设计是可行的。 关键词 采矿方法； T R I Z理论； 缓倾斜薄矿体； 模糊层次分析 中图分类号 T D 8 5 2 文献标识码A 文章编号 0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 2 0 0 0 1 0 4 Opt i mu m S e l e c t i o n o f M i n i n g M e t h o d s Ba s e d o n TRI Z- F AHP Th e o r y ZHOU Ke pi n g，GUO W a n g，DENG Ho n g we i ，LEI Ta o S c h o o l o fR e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， H u n a n ，C h i n a Ab s t r a c t T o s o l v e t h e p r o b l e ms e x i s t e d i n t h e d e s i g n a n d s e l e c t i o n o f mi n i n g me t h o d s ，t h e p h y s i c a l c o n t r a d i c t i o n s o f mi n i n g me t h o d s i n a G u a n g x i mi n e we r e a n a l y z e d b a s e d o n a n i n n o v a t i v e i d e o l o g y o f T R I Z t h e o r y c o mb i n e d wi t h f u z z y a n aly t i c h i e r a r c h y p r o c e s s o p t i mi z a t i o n ． S i x p ri n c i p l e s w e r e o b t a i n e d t o g u i d e t h e c o n t r a d i c t i o n ma t ri x i n d e s i g n ， i n c l u d i n g s e g me n t a t i o n，p r e a c t i o n，s u r f a c e t r a n s f o r ma t i o n，s p a t i al d i me n s i o n v a ri a t i o n，me c h a n i c a l s y s t e m s u b s t i t u t i o n a n d p h y s i c a l p ara me t e r s v a ri a t i o n ．A n i n n o v a t i v e p r o g r a m wa s p r o p o s e d b a s e d o n t h e s e p ri n c i p l e s ．T h e n t h e T RI Z t h e o r y wa s p r o v e d t o b e f e a s i b l e i n d e s i g n mi n i n g me t h o d a f t e r c o mp a ri n g t h e t r a d i t i o n a l a n d i n n o v a t i v e mi n i n g me t h o d b y f u z z y AHP． Ke y wo r d s mi n i n g me t h o d s ；T R I Z t h e o r y ；g e n t l e d i p a n d t h i n o r e b o d y；f u z z y A HP 采矿方法的选择大多采用经验类 比法 ， 首先列 出 几种方案的优缺点， 再根据矿山具体情况进行选择， 但 没有两个矿 山条件是 完全一致 的， 所 以这种方法具有 一 定的盲目性。T R I Z理论是将技术系统中出现的问 题定义为技术矛盾 ， 通过查 询矛盾矩 阵得到可应用的 创新原理 ， 这样可将含糊不清的发 明问题转变为一般 问题来解决 。 我 国金 属地下 矿 山约 占矿 山总数 的 8 9 ％左 右。 近 2 0 年来， 地下采矿技术发展很快， 采矿装备在实现 无轨化和液压化的基础上 ， 正在向大型化 、 智能化方 向 发展。随着设备机械化 、 自动化程度的提高 ， 越来越多 的国内外矿山开始采用大规模、 集中化的采矿方法进 行地下矿产资源的开发， 借此提高生产效率、 降低生产 成本 I 4 J 。T R I Z理论正是考虑 了这些 因素 ， 以安全生 产、 提高生产效率等为前提促使设计者打破惯性思维， 设计出符合矿山特征的创新型采矿方法。 与以往的传统创新方法相 比较 ， T R I Z理论是一种 迥然不 同的创新方法论 ， 它把创新 提升 到了方法学的 高度， 为产品创新设计提供了方向性、 有序性和可操作 性 l 5 J 。应用模糊数学的方法进行优化决策 ， 目的在 于进行科学的、 定量的分析， 避免主观片面性， 提高决 策的准确度 。 1 T R I Z F A H P耦合理论模型 1 ． 1 T RI Z理论简介 T R I Z T h e o ry o f I n v e n t i v e P r o b l e m S o l v i n g 是俄 文 中“ 发明问题解决理论” 的词头。前苏联的A l t e r s h u l l e r 及其领导的一批研究人员从 1 9 4 6年开始 ， 通过对世界 各国约 2 5 0万件专利进行分析研究， 从而总结得到了 T R I Z理论， 其主要目的是研究人类在进行发明创造和 ①收稿 日期 2 0 1 1 - 1 1 - 1 4 基金项 目国家 自然科学基金重 大项 目 5 0 9 3 4 0 0 6 作者简介 周科平 1 9 6 4一 ， 男， 湖南衡阳人 ， 博士， 教授， 博士研究生导师， 主要从事深部采矿与矿山岩石力学等方面的教学与研究工作。 2 矿冶工程 第3 2 卷 解决技术难题 的过程中所遵循 的科学原理和法则。 T R I Z理论是一个对创新设计非常有用 的理论 ， 具 有操作性与适用性强、 效率高等优点。T R I Z的核心是 消除矛盾及技术系统进化的原理 ， 并建立 了基于知识 消除矛盾的逻辑化方法 ， 用 系统化的解题流程来解决 特殊问题或矛盾 。 研究结果表明 解决发 明问题过程中所运用的科 学原理和法则是客观存在的， 大量发明所面临的基本 问题和矛盾 T R I Z称之为技术矛盾和物理矛盾 也是 相同的， 同样的技术创新原理和相应的问题解决方案 ， 在一次次的发明中被重复应用， 只是被使用的技术领 域不同而已。 T R I Z理论的主要 组成部分如 图 1所示 ， T R I Z大 大超过了以往那些激发创造力的传统的创新方法， 它 有助于解决 以技术矛盾和物理矛盾为特征的复杂的发 明问题 ， 通过一系列系统化 的解决问题的流程 ， 帮助研 发人员得到最有效的解决方案。 技术系统进化法则 巫 亟 最 解 匾 盾矩阵和创新原理I l 发明问题的解决算法 A R I l f 知识库 图 1 T R I Z理论的主要组成 通过分析采 矿方 法设计 中存在 的技术和物理矛 盾 ， 利用 T R I Z理论矛盾矩阵对其进行分析 比较 ， 得到 一 种理论可行的创新方案。 1 ． 2 T R I Z - F A HP思 路 图 基于 T R I Z理论 的采矿方法设计与 F A H P分析思 路如图 2 。F A H P指模糊层次分析法。 Ⅱ 理论卜 _ - 叫 问题描述卜 _ - 叫 定义技术矛盾卜 _ 叫 矛盾矩阵分析 图 2 T R I Z - F A H P思路 图 2 采矿方法设计 2 ． 1 问题描述 约束矿体开采生产率的因素很多， 并且这些因素 相互关联。广西某矿山品位较低， 矿体倾角 1 7 。 左右， 矿体厚度约3 m， 属于缓倾斜薄矿体， 用传统的采矿方 法难 以实现年产 1 0 0万吨的要求。限制 的主要原 因如 下 ① 矿体厚度和倾角限制了生产率的提高； ② 矿体 倾角一方面限制了利用重力落矿 ， 另一方面也限制了 机械设备的使用； ③ 原有开采活动情况对该矿床开采 有一定的影响。 2 ． 2 定义技术矛盾 i 根据矿体本身的形态和生产率之间的关系 ， 可 以知道两者之间的矛盾归结为生产率与静止物体体积 之问的矛盾和生产率和形状之间的矛盾。 2 矿体倾角限制机械设备 的应用之 间的关 系， 可 归结为 自动化程度和形状之间的矛盾。 3 矿体开采和其他系统对其影响之间的关 系， 可 归结为操作 流 程 的方便 性 和 系统 的复 杂性 之 间 的 矛盾。 ‘ 4 提高生产率要求采场尽可能地多 ， 这样就会导 致整个采矿系统愈加复杂 ， 带来了生产率和系统复杂 性之间的矛盾。 2 ． 3 矛盾矩阵分析 ‘ 查询矛盾矩阵 ， 可得到相应 的创新原理 ， 包括 ．1 对提高生产率有利的原理。预先作用原理认 为可 以事先完成部分或全部的动作或功能以提高生产 率。按此原理， 可能的设计事先做好采准工作。曲面 化原理认为将直线、 平面用曲线、 曲面代替， 立方体结 构改成球体结构可提高生产率， 按此可能的设计是将 采场布置成斜 的， 或者使 用伪倾角布置采场。物理参 数改变原理认 为改变物理或者化学参数可提高 生产 率， 按此可能的设计是采用大尺寸的采场参数。 2 对提高 自动化 机械化 有利 的原理。分割原 理认为增加物体被分割的程度可以提高机械化 ， 按此 原理 ， 可能的设计尽量在 矿体倾 向较大的地方减少铲 运机的运距 ， 即限制采场的宽度和减小溜井间的距离。 3 对增加操作流程方便性的原理。空间维数变 化原理认为使物体倾斜或侧向放置可增加操作的方便 性 ， 按此原理 ， 可能的设计是按伪倾斜方式布置采场。 4 对解决生产率和系统复杂性之间的矛盾有 利 的原理。机械系统替代原理认为用机械替代 的方法对 解决系统复杂性有利， 按此原理， 可能的设计是用高效 率的设备代替传统的设备， 如用凿岩台车代替 7 6 5 5钻 机进行爆破。 根据上述基于 T R I Z理论 的分析 ， 分割原理、 预先 作用原理 、 曲面化原理、 空间维数变化原理 、 机械系统 替代原理和物理参数改变原理应当作为整个采矿系统 设计和生产过程 中的指导原则。 2 ． 4基于 T R I Z理论提出的采矿方法 根据 T R I Z理论的曲面化原理可 以将采矿伪倾角 布置 ， 由预先作用原理可以事先做好采准工程 ， 根据机 第 2期 周科平 等 基于 T RI Z F A H P的采矿方法优选 械系统替代原理可以用高效率的凿岩台车替代 7 6 5 5 钻机， 并用铲运机替代电耙出矿。 基于以上原理 ， 提出该矿缓倾斜薄矿体 的采矿方 法 ， 如图 3所示。 倾 向 驾 馨 嚣 联 l 一 切 割 回 风 巷 道 2一 主 开 拓 巷 道 车 l O - - 孔 机 如图 ， 沿矿体走 向每 1 2 0 m布置一条上山巷道 ， 将 矿体划分为 1 2 0 m宽的矿块， 矿房沿倾斜方向布置， 矿 房长为矿块宽度 1 2 0 m， 宽 5 7 ． 5 m， 矿房间留两条 8 m 宽的连续矿柱 ， 间隔 3 m， 待上部矿房回收完毕且放顶 处理后可进行矿柱 回收 ； 将 矿房沿走 向和倾 向 4 5 。 夹 角方向划分为 5个 采场 ， 每个采场宽约 2 3 m， 凿岩巷 道斜向布置 ， 这样可减小巷道倾角， 降低铲运机 出矿负 担 ； 矿房角落布置回风井 ， 连通上水平 回风巷道 ； 每个 矿房布置一条溜井 ， 负责一个矿房矿石溜运； 矿房上下 沿走向各拉一条巷道 ， 上部巷道供通风联络用 ， 下部巷 道供出矿联络用 。 3 采矿方案优选 根据该矿矿体形态特征和地质特征 ， 提供可选择 的采矿方法有全面法、 浅孔房柱法 、 长壁压堆爆破诱导 崩落采矿法和创新采矿方法。分别将 4种方法定为方 案 c 1 ， c 2 ， c 3 ， c 4 。 4种方案各有优劣 ， 现列 出在方案优选 时需考虑 的主要 因素 采场生产能力 、 机械化程度、 安全性、 工作 环境状况、 生产成本、 矿石的贫化率、 矿石的损失率、 采 切比、 工人生产效率、 先进性、 生产组织。 3 ． 1 构造层次结构模型 根据模糊层次分析法 的流程 ， 以最优采矿方案为 目标 目标层 ， 以采 场生产能力 、 机械 化程度 、 安全 性 、 工作环境状况 、 生产成本 、 矿石的贫化率、 矿石的损 失率 、 采切 比、 工人生产效率 、 先进性 、 生产组织等需要 考虑的因素为准则 准则层 ， 以4种供选择的采矿方 法为备选方案 方案层 。将这 3个层次构建的层次 结构模 型列出如图 4所示 。 目标层 采矿方法优选A 面 耋 l l蓁l l耋 ll ll耋I 生 产 组 织 圃l 焉 豢 嚣 浅 孔 房 柱 法 c 3 l l新 采 矿 方 法 c 4 图4 采矿方法选择层次结构模型 3 ． 2 构建得分矩阵和权重 向量 在准则层 中， 这些 因素在各单位之间互有长短， 可 将每一个因素逐个地在4 种采矿方法中加以比较， 用区 间[ 0 ， 1 ] 中的数打分 ， 条件越好 ， 打分越高。如果某 因素 在4 种采矿方法中都未达到理想程度， 其最高分小于 1 。 表 1 分析了各因素在 4种采矿方法中的评分。 表 1 得分表 根据 以上分析 ， 可得 出代表各 因素在 4种方法 中 的得分矩阵为 。 P 0． 2 0 ． 5 0 ． 7 0 ． 7 0 ． 7 O ． 5 0 ． 6 0 ． 7 O ． 6 0 ． 6 0 ． 6 0 ．1 O ． 5 0 ． 8 O ． 6 0 ． 7 0 ． 2 0 ． 6 0 ． 5 0 ． 5 0 ． 5 0． 5 1 0． 7 0． 7 0． 8 0． 8 0． 8 0． 8 O． 6 0． 8 0． 8 0． 9 除建立得分矩阵外 ， 还要建立各个 因素的权向量。 6 6 8 7 8 6 8 6 8 8 8 0 O O O 0 O O 0 O 0 0 4 矿冶工程 第3 2 卷 由于各个因素的重要程度并非等权重 的， 因此还要给 准则层 中的 l 1 个因素的重要性打分 ， 即给准则层 中的 各个因素赋以不同的权重。 根据该矿的实际情况 ， 开采方法要优先满足采场 生产能力大、 采场贫化损失小、 机械化程度必须提高和 生产环境好的要求， 因此将采场生产能力、 矿石损失 率、 矿石贫化率、 机械化程度和生产环境5个因素的权 重定为 1 ， 其他因素也按重要性打分。由此得出权向 量为 Q [ 1 1 0 ． 8 1 0 ． 8 1 1 0 ． 5 0 ． 5 0 ． 5 0 ． 5 ] 对权向量进行改写， 使权向量中各数之和为 1 Q[ 0 ． 1 1 6 0 ． 1 1 6 0 ． 0 9 3 0 ． 1 1 6 0 ． 0 9 3 0 ． 1 1 6 0 ． 1 1 6 0 ． 0 5 8 0 ． 0 5 8 0 ． 0 5 8 0 ． 0 5 8 ] 3 ． 3 各方案的最终结果 用式 1 可求出各方案的最终得分 M Q P 1 将得分矩阵和权向量带人式 中， 可得 M [ 0 ． 5 6 5 2 0 ． 7 0 5 6 0 ． 4 8 7 5 0 ． 7 9 4 9 ] 可见 ， 方 案 C 1 、 C 2 、 C 3 、 c 4的 最终 得 分 分别 为 0． 5 6 5 2， 0． 7 0 5 6， 0． 48 75， 0． 79 49。 3 ． 4 方案选择 由方案 综合 评 价 结果 可 知 ， 方 案 C 4的权 值 为 0 ． 7 9 4 9， 略高于 C 2方案 ， 明显大于 C l 、 c 3两个方案。 故该矿的最优开采方案应为 C 4方案， 同时以c 2为备 用方案。 4 结 语 1 运用 T R I Z理论找到了采矿方法设计中存在的 矛盾 ， 通过查询矛盾矩阵得到了可应用的创新原理。 2 根据 T R I Z理论的六大创新原理得到了创新方 案 ， 同时 ， 该种综合评判模型也可用于其他 系统工程 的 理论创新 中。 3 结合模糊层次分析， 证 实了 T R I Z理论对采矿 方法的设计是可行 的。 参考文献 [ 1 ] 冯兴隆， 贾明涛， 王李管， 等．地下金属矿山开采技术发展趋势 [ J ] ．中国钼业， 2 0 0 8 ， 3 2 2 9 1 3 ． [ 2 ] 王素银 ， 张旭宇．缓倾斜薄矿体采矿方法探讨 [ J ] ．甘肃冶金， 2 0 0 7， 2 1 3 33 5 ． [ 3 ] 王来军 ， 薛 田喜 ， 陈涛 ， 等．缓倾斜薄矿体采矿方 法的研究 [ J ] ． 黄金科学技术 ， 2 0 0 3， 1 1 3 4 44 7 ． [ 4 ] 王晓秋， 郭冬岩， 吕广忠． 我国地下金属矿山采矿技术的发展与展 望[ J ] ． 河北理工大学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 1 7 1 1 ． [ 5] 赵敏 ， 胡钰．创新的方 法[ M] ．北京 当代中国出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ] G e n r i c h A l t s h u U e r ，L e v s h u l y a l 【 ，S t e v e n R o d m a n ．4 0 P r i n c i p l e s T R I Z K e y s t o T e c h n i c a l I n n o v a t i o n『 M] ．T e c h n i c a l I n n o v a t i o n C e n t e r ， I n c， 1 9 9 8． [ 7 ] R a n t a n e n K ale v i ， D o m b E l l e n ， S imp l i fi e d T R I Z N e w P r o b l e m S o l v i n g A p p l i c a t i o n s f o r E n g i n e e r s ＆M a n u f a c t u r i n g P ro f e s s i o n al s [ M] ． CRC S t L u c i e P r e s s ， Bo c a Ra t o n， 2 0 0 2． [ 8 ] 刘华 ．基于 T R I Z理论 的产 品概念设计方法及应用[ D] ．南 京 南京理工大学 ， 2 0 0 5 ． [ 9 ] 史太禄 ， 任凤 玉， 李文增 ， 等．模糊 数学在采矿方 法优选 中的应 用 [ J ] ． 金属矿山， 2 0 0 7 1 1 2 9 3 1 ． [ 1 0 ] 姬东朝， 宋笔锋 ， 喻天翔．基于模糊层次分析法的决策方法及其 应用[ J ] ．火力与指挥 控制 ， 2 0 0 7 ， 1 1 1 1 3 8 4 1 ． [ 1 1 ] 肖木恩． 模 糊数学在采矿方法选择 中的应用 [ J ] ．矿业研究与开 发 ， 2 0 0 3， 2 3 1 1 5一l 7 ． [ 1 2 ] 李俊芳 ， 吴小萍．基于 A HP F U Z Z Y多层次评判的城市 轨道交通 线网规划方案综合评价 [ J ] ． 武汉理工大学学报， 2 0 0 7 ， 4 2 2 0 5 2 0 8． [ 1 3 ] 许宝田， 阎长虹， 许宏发 ， 等． 基于模期理论的软岩黏弹性模型 识别及参数反分析[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 6 ， 2 5 1 1 2 2 8 0 2 2 8 6 ． [ 1 4 ] 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 6 8 8 0 ．