基于逼近理想解排序的采矿方法选择(1).pdf

第 3 0卷第 3期 2 0 1 0年o 6月 矿 冶 工 程 MI NI NG AND M ETALLURGI CAL ENGI NEERI NG V0 1 ． 3 0№3 J u n e 2 0 1 0 基于逼近理想解排序的采矿方法选择① 尹利平 ， 刘金海 ， 朱卓会 1 ． 湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室， 湖南 湘潭4 1 1 2 0 1 ； 2 ． 湖南科技大学 能源与安全工程学院， 湖南 湘潭 4 1 1 2 0 1 摘要 综合考虑影响采矿方案的技术、 经济、 安全指标， 利用层次分析原理建立采矿方案综合评价指标体系， 采用信息熵确定评 价指标的权重， 运用逼近理想解排序法对多种方案进行综合评价， 计算出各方案的综合优越度。最后， 将该方法用于工程实例， 得 出浅孔留矿法、 下向分层胶结充填采矿法、 上向分层胶结充填采矿法和上向进路胶结充填采矿法的综合优越度依次为 7 7 ． 3 ％、 2 3 ， 1 ％、 8 3 ． 1 ％和5 3 ． 8 ％， 从而确定上向分层胶结充填采矿法为优， 此结果与突变级数法的评价结果一致。 关键词 采矿方法 ； 择优 ； 逼近理想解排序 ； 熵权 ； 综 合评价 中图分类号 T D 8 5 3 ． 3 4 文献标识码 A 文章编号 0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 0 0 3 0 0 1 2 0 4 M i n i n g M e t h o d Ba s e d o n Te c h n i q u e f o r Or d e r Pr e f e r e n c e b y S i mi l a r i t y t o I d e a l S o l u t i o n Y I N L i ． p i n g 。L I U J i n ． h a i ，Z HU Z h u o ． h u i ’ 1 ．H u n a n P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y o fs Mi n i n g T e c h n i q u e s o fC o a l Mi n e s ， H u n a n U n i v e r s i t y o fS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i a n g t a n 4 1 1 2 0 1 ， H u n a n ， C h i n a ； 2 ．S c h o o l of E n e r g y a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ，H u n a n U n i ver s i t y ofS c ie n c e a nd T e c h n o l o g y ， X i a n g t a n 4 1 1 2 0 1 ， H u n a n ， C h i n a Ab s t r a c t B y t a k i n g i n t o a c c o u n t t h o s e f a c t o r s i n fl u e n c i n g mi n i n g me t h o d ，s u c h a s t e c h n i c a l ， e c o n o mi e a n d s a f e t y i n d e x e s 。 a c o m p r e h e n s i v e a s s e s s m e n t i n d e x s y s t e m w a s c o n s t r u c t e d b a s e d o n t h e A n a l y t i c Hi e r a r c h y P r o c e s s A H P ．T h e we i g h t s o f t h e i n d e x we r e c a l c u l a t e d b y u s i n g i n f o r ma t i o n e n t r o p y ．Ba s e d o n t h e c o mp r e h e n s i v e a s s e s s me n t wi t h t h e t e c h n i q u e f o r o r d e r p r e f e r e n c e b y s i m i l a r i t y t o i d e a l s o l u t i o n T O P S I S for s e v e r a l mi n i n g m e t h o d s ， a n o r d e r o f p r e f e r e n c e w a s c a l c u l a t e d fo r e a c h m i n i n g m e t h o d ．F i n a l l y ， b y a p p l y i n g T O P S I S i n t o p r a c t i c a l e n g i n e e ri n g p r o j e c t ， t h e c o m p r e h e n s i r e d e g r e e s o f p r e f e r e n c e f o r t h e p r o p o s e d mi n i n g me t h o d s ，i n c l u d i n g s h o r t h o l e s h r i n k a g e s t o p i n g ，d e s c e n d i n g s l i c i n g wi t h c e me n t e d b a c k f i l l ，u p w a r d s l i c i n g wi t h c e me n t e d b a c k fi l l a n d u p w a r d d r i ft s t o p i n g w i t h c e me n t e d b a c k fi l l ， we r e 7 7 ． 3 ％ ，2 3 ． 1 ％ ，8 3 ． 1 ％a n d 5 3 ． 8 ％r e s p e c t i v e l y ．I t i s c o n c l u d e d t h a t mi n i n g me t h o d o f u p wa r d s l i c i n g w i t h c e me n t e d b a c k fi l l p r o v e s t o b e t h e b e s t a mo n g t h e m，wh i c h i s a l s o c o n s i s t e n t wi t h t h e r e s u l t o b t a i n e d wi t h c a t a s t r o p h e p r o g r e s s i o n me t h o d． Ke y w o r d s m i n i n g m e t h o d ；p r e f e r e n c e ；t e c h n i q u e fo r o r d e r p r e f e r e n c e b y s i m i l a r i t y t o i d e a l s o l u t i o n T O P S I S ； e n t r o p y we i g ht ；c o mp r e h e n s i v e a s s e s s me n t 采矿方案的选择是一个涉及多层次、 多因素 、 多 目 标 、 多指标的决策过程 。传统的采矿方案选择是通过 简单的技术经济比较而确定的， 带有较大的经验成分和 人为主观性， 选择结果往往不能正确反映实际情况。近 年来 ， 不确定性分析方法在采矿方案选择 中得到了应 用， 其 中研 究 较 多 的有 模 糊 数 学 、 层 次 分 析 法 A H P ⋯， 突变级数法 C P M [ 3 3 、 神经网络 、 灰色优 化理论 等， 这些方法虽然在方案选择方面取得 了一定 效果， 但还存在一些不足 一 模糊理论存在着隶属度、 权重难以确定等缺陷； 灰色理论的准确性和使用的简便 性不够； 层次分析的两两比较过程带有过多的经验成分 和主观随意性； 神经网络的泛化性能不高； 突变级数法 应用归一公式进行综合评价 ， 而归一公式的来源是几种 典型的突变模型， 这几种模型的适用性还值得探讨。因 此 ， 采矿方案的选择方法有待进一步研究。 逼近理想解排序是一 种综合评价方法 。该方 法考虑了各方案同一指标的相对优越性 ， 定性和定量 相结合 ， 计算过程简单， 结果可靠。本文将逼近理想解 ①收稿 日期 2 0 0 9 1 1 1 8 基金项 目 湖南省重点科技攻关项 目 0 5 s k 2 0 0 8 作者简介尹利平 1 9 6 8一 ， 男 ， 湖南邵阳人， 硕士 ， 工程师， 主要从事采矿工程方面的研究工作。 第 3期 尹利平等 基 于逼近理想解排序的采矿方法选择 排序法用于采矿方案的选择 ， 并通过对 比验证 了该方 法的可行性和有效性 。 1 逼近理想解排序法的基本原理 和评 价步骤 逼近理想解排序法借助多属性决策问题 的“ 理想 解” 和“ 负理想解” 对评价对象进行排序。理想解是一 个虚拟的最优解 ， 它的各个指标值都达到评价对象 中 的最优值 ； 负理想解是虚拟的最差解 ， 它的各个指标值 都达到评价对象中的最差值 。 设有 A 。 ， A ， ⋯， A 共 m个方案组 成方案集 A { A。 ， A ， ⋯， A } ， 每个方案 的指标 。 ， ， ⋯， 组成 指标集 X{ ， ， ⋯， } ， 相应 的指标均有一 非负 有理数作为指标值 ， 记为 i 1 ， 2， ⋯， m； 1 ， 2， ⋯， 凡 ， 即 表示第 个方案中第 个指标值 。 逼近理想解排序法评价过程如图 1 所示 。 数据标准化 I I 确定指标权重 构造加权矩阵 二]二 确定理想解 丁一 计算距离 二[ 计算相对接近度 综合评价 图 1 逼近理想解排序法评价 过程 1 原始数据标准化 。常用的标准化方法为 式中， ， 为 瑚 标准化值。 2 确定评价指标 的熵权。权重是评价指标重要 性的量化系数， 其确定 方法有多种 。其 中， 熵权 法赋 权 能够较准确地反 映各评价指标对 系统 的影响程 度， 计算过程如下 ① 计算信息熵 H ， 。信息熵是 系统信息量大 小的度量 ， 其定义为 I -I y j ∑Y o l n y 2 其中， 当 Y 0时 ， 理解为 0 l n 00 。一般认为 ， 信息 熵 H 越小 ， 该指标提供的信息量越大 ， 其权重也应 越大 ； 反之 ， 该指标的权重也应越小。 ② 计算输出熵 E 3 ③ 计算差异度 C y j C y j 1一E 4 ④ 计算熵权 5 ∑G 3 构造加权矩阵。考虑各指标的熵权 ， 将标准化 数据乘 以对应各指标的权重， 构成加权矩阵 01 Yl 1 a 2 yl 2 ⋯ 0 n yl n 口1 Y 2 1 a z y 2 2 ⋯ Ⅱ Y 2 01 Ym 1 a2 Y m 2 ⋯ n y m 6 ．f { m ． 1 ∈ ．， ， m n E ．， 2 7 I V 一 { m in f J． E ．， ， m a x I ∈ 式中 I ， 、 一 分别 为理想解和负理想解 ； J 。 、 J 2 分别为 效益型指标集和成本型指标集 。 5 计算距离 厂 一 √ 8 I厂 一 【 d 。 一 ／ ∑ v i 一 式中 d 、 d 一 分别为评价对象与理想解 和负理想解的 距离 ； v i 、 一 分别为 、 一 中对应 的元素。 6 计算相对接近度 9 式中 c 为各评 价对象与理想解的相对接近度。 7 综合评价 D R C 1 0 式 中 C为 由相对接近度构成 的评价矩阵； 为第一层 次各指标的权重； D 为评价结果 向量。 2 采矿方案综合评价指标体系构建 充分考虑影响采矿方案选择 的因素 ， 利用层次分 析原哩对评价总指标进行多层次分主次分解， 建立采 矿方案综合评价指标体系 一是技术指标 B ， 可以 从矿体适宜性 X。 、 工 艺复杂 程度 X 、 生 产能力 X 和采 矿 工效 X 等进 行 分析 ； 二是 经济 指标 B ， 可 以从采 矿成本 X 、 采 切 比 X 、 损 失率 X 和贫化率 X 。 等进行分析； 三是安全指标 B ， 1 4 矿冶工程 第 3 0卷 可以从作业 环境 X 、 通 风条件 X 。 。 和劳动 强度 X 等进行分析。值得指出的是， 在对具体工程 的多 个方案综合评价过程 中， 应因地制宜的选择评价指标。 3 工程实例应用 试采对象 位 于会 东铅锌 矿 9～1 7线 、 2 0 7 8～ 2 1 3 6 m 标高之间， 紧沿 F 断层分布， 出露于该矿的露 天西边坡 ， 属于 V矿段的一部分。该部分矿体沿走 向 长 6 0～1 0 0 m， 呈透镜状 ， 厚度为 3～ 8 m， 倾角为 7 1 。 ～ 8 9 。 ， 矿石锌品位为 7 ． 4 0 ％ 一 5 9 ． 1 9 ％。矿体为 白云岩 和粉砂岩 ， 中等稳定 ， 节理裂 隙较发育 ， 局部破碎不稳 定。上盘为白云岩 ， 中等稳定 ； 下盘为 白云岩或粉砂 岩 ， 中等稳定到不稳定 。试验矿段出露露天边坡部分 已被露天开采破坏 ， 形成 了凹凸不平的斜面边坡 ， 节理 裂隙发育， 孤石较多 ， 不稳定。 根据矿体的赋存特点和开采技术条件， 拟提出 4 种采矿方案 浅孔 留矿法 方案 I 、 下向分层胶结充 填采矿法 方案 I I 、 上向分层胶结充填采矿法 方案 I U 和上向进路胶结充填采矿法 方案Ⅳ 。各采矿方 案评价指标的原始数据如表 1所示。 表 1 各采矿方法评价指标 的原始数据 3 ． 1 第二层次综合评价 3 ． 1 ． 1 技 术指标评 价 1 数 据标 准 化 。根 据 式 1 ， 标 准 化 后 的矩 阵为 Y 0． 21 0 0 ． 2 4 2 0 ． 2 7 4 0． 2 7 4 0 ． 3 o 4 0 ．1 9 6 0． 2 68 0 ． 2 32 0． 3 9 5 0． 1 55 0 ． 2 6 3 0 ．1 8 7 0． 4 58 0 ． 0 9 5 0 ． 2 8 4 0．1 6 3 2 计算指标熵权。根据式 2 ～ 5 ， 计算可得 各技术指标的熵权为 A l 0 ． 0 2 5 0 ． 0 5 4 0 ． 2 7 7 0 ． 6 4 3 3 构造加权矩阵。根据式 6 ， 得加权矩阵为 V 0． O O 5 2 5 0． 0 06 05 0． 0 0 68 5 0． 0 0 6 8 5 0． O1 6 4 2 0 ． 01 05 8 0 ． 01 4 4 5 0 ． 0l 2 5 3 0 ．1 0 9 4 2 0 ． 0 4 2 9 4 0． 0 7 2 8 5 0． 0 5l 8 0 0 ． 2 9 4 4 9 0 ． 0 61 0 9 0．1 8 2 6l 0．1 0 481 4 确定理想解。在技术指标中， 矿体适应性 、 生 产能力和采矿工效属于效益型指标 ， 工艺复杂程度属 于成本型指标 。所以理想解和负理想解分别为 f V 0 ． 0 0 6 8 5 0 ． 01 0 5 8 0 ． 1 0 9 4 2 0 ． 2 9 4 4 9 L V 一 0 ． 0 0 5 2 5 0 ． 0 1 6 4 2 0 ． 0 4 2 9 2 0 ． 0 6 1 0 9 5 计算距离。根据式 8 ， 可得各方案与理想解 和负理想解的距离为 d O ． 0 4 0 26 『 d2 0． 2 4 2 8 i d ～ o ． 0 o 5 8 r d 3 0． 11 7 6 i 以 ～ 0 ． 1 2 5 4 f d4 0 ．1 98 1 I ～ 0 ． 0 4 5 0 6 计算相对接近度。根据式 9 ， 可得各方案与 理想解的相对接近度分别为 C l l 0 ． 9 76 I 2 0 ． 0 2 3 。 l 3 0． 51 6 1 4 0．1 8 5 由判断准则可知 ， 在技术指标层面方案 I 为最优。 3 ． 1 ． 2 经济指标评价类似于技术指标评价过程 ， 可 得各经济指标的熵权为 A 2 0 ． 5 4 2 0 ． 4 5 8 0 0 各方案与理想解和负理想解的距离为 r dl 0． 02 6 7 1 一 0 ． 0 8 9 1 f d 0 ．1 0 4 0 i d 一 0 ． 0 3 4 8 f d 0 ． 0 1 3 9 I d 一 0 ． 0 9 8 5 第 3期 尹利平等 基于逼近理想解排序的采矿方法选择 l 5 f d 4 0 ． 0 2 8 1 I 一 0 ． 0 8 8 1 各方案与理想解的相对接近度分别为 r 。 2 l 0． 76 9 I c 2 20 ． 2 5 1 I c 2 30 ． 8 7 7 2 4 0． 75 8 因此 ， 在经济指标层面方案Ⅲ为最优。 3 ． 1 ． 3 安全指标评价类似于技术指标评价过程 ， 可 得到各安全指标的熵权为 A 0 ． 2 6 8 0 ． 2 6 8 0 ． 4 6 4 各方案与理想解和负理想解 的距离为 r dl 0 ． 0 20 0 i 。 一 0 ． 0 3 4 4 ～ d 2 ， 0 ⋯ ． 0 3 6 f d 4 0 ． 01 9 4 i 一 0 ． 0 2 1 3 各方案与理想解的相对接近度分别为 r C 3 】 0 ． 6 33 I C 20 ． 3 5 3 I c 3 3 1 ． 0 0 0 c 0 ． 5 4 2 因此 ， 在安全指标层面方案 Ⅲ为最优 。 3 ． 2 第一层次综合评价 采用层次分析法确定第一层 次各指标的权重 计‘ 算过程略 为 R 0 ． 2 4 3 0 ． 4 1 4 0 ． 3 4 3 由相对接近度构造评价矩阵为 『 o ． 9 7 6 0 0 2 3 0 5 1 6 0 - 1 8 5 ] c 1 0 ． 7 6 9 o ． 2 5 1 0 ． 8 7 7 _ 7 5 8 f L 0 ． 63 3 0． 3 5 3 1 ． 0 0 0 0． 5 2 4J 根据式 1 0 得 D RC f 0 ． 7 7 3 0 ． 2 3 1 0 ． 8 3 1 0 ． 5 3 8 3 ． 3 结果分析 综 上 可 得 各 方 案 的 综 合 优 越 度 为 方 案 I， 7 7 ． 3 ％ ； 方案Ⅱ ， 2 3 ． 1 ％ ； 方案Ⅲ， 8 3 ． 1 ％； 方案Ⅳ， 5 3 ． 8 ％。 则方案的优劣次序为 方案Ⅲ， 方案I ， 方案Ⅳ， 方案Ⅱ ， 且 方案Ⅲ远远优于其他 3个方案 ， 故选用方案Ⅲ。该结果 与突变级数法的评价结果 完全一致 ， 说明将逼近理想 解排序法用于采矿方案选择是可行和有效 的。 从第二层次的评 价结果 可以看 出， 方案 Ⅲ的经济 条件和安全条件较好 ， 但其技术条件不如方案 I。因 此 ， 在生产过程 中， 还需通过不断改变工艺和提高管理 水平 ， 进一步提高生产能力和工效 。 4 结 语 1 根据层次分析基本原理建立 了采矿方案综 合 评价指标体系 ， 确定 1 1个评价指标 ， 并采用熵权赋权 法计算各层次指标的权重， 克服了人 为因素对指标权 重 以及评价结果 的影响。 2 采用逼近理 想解排序法对具体工程实 例的方 案集进行了评价 ， 得到浅孔 留矿法 、 下 向分层胶结充填 采矿法 、 上向分层胶结充填采矿法和上向进路胶结充填 采矿法的综合优越度依次为 7 7 ． 3 ％ 、 2 3 ． 1 ％ 、 8 3 ． 1 ％和 5 3 ． 8 ％ ， 从而确 定上 向分层胶 结充填采矿法 为最优。 此结果与突变级数法的评价结果一致。 3 逼近理想解排序法计算过程简单 ， 计算结果可 靠 。该方法也可用于其他系统工程的多方案优选中。 参考文献 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． 肖木恩．模糊数学在采矿方法选择 巾的应 用 [ J ] ．矿业 研究与开 发 ，2 0 0 3， 2 3 1 1 51 7 ． 谷新建 ，柴红保．应用 突变评 价理论选 择采矿方 法[ J ] ．中国安 全科学学报 ， 2 0 0 4 ， 7 7 1 31 5 吴爱祥 ，郭立 ， 余健 ．采矿方法模 糊优选 的神经 网络模 型构 造 及其应用 [ J ] ．矿冶工程 ， 2 0 0 3， 2 3 3 6 8 ． 杨振宏 ，候煜．灰关联分析 在采矿方 法选择 中的应用 [ J ] ．中 国钼业 ，1 9 9 9 ， 2 3 5 1 21 4 ． 宫 凤强 ，李夕兵 ，高科 ．地下工程围岩稳定性 分类 的突变级数 法研究 [ J ] ．中南大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ，3 9 5 1 0 8 1一 l 08 6 于德 海 ，彭 建 兵．地 下T 程 围岩 分类 的神经 网 络可 视 化评 价 J ] ．中国地质灾害与防治学报 ， 2 0 0 5， 1 6 4 1 1 61 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