基于粗糙模糊集理论的采矿方法优化研究.pdf

S e rie s No ． 46 7 Ma v 201 5 金 酝 母 METAL MI NE 总 第 4 6 7 期 2 0 1 5年 第 5期 基才粗糙模糊 集 理论 的采矿方 法优化研 究 赵树果 宋焕虎 宋卫东 1 ． 华北理工大学矿 ,3 k ． X - 程学院， 河北 唐山0 6 3 0 0 0 ； 2 ． 开滦 集团 有限责任公司， 河北 唐山 0 6 3 0 1 8 ； 3 ． 北京科技 大学土木与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要针对传统采矿方法选择存在的弊端， 将粗糙集理论与模糊集理论结合应用于采矿方法优化选择， 提出 液压支护长壁法开采缓倾斜薄矿体的新方法。将采矿方法优化评价结果作为决策属性， 综合分析开采安全性、 经济 技术指标、 环境友好等因素， 选取 1 1种影响因素作为条件属性， 构建样本集合， 建立了采矿方法优选指标体系、 隶属度 矩阵和权重系数矩阵， 对拟定采矿方法进行定量分析； 应用粗糙集理论中知识依赖性和属性重要性评价法， 将模糊数 学权系数的确定转化为粗糙集中属性重要性评价问题， 从约简结果中提取判别规则， 给出预测模型权系数计算方法， 确定液压支护长壁式崩落法为最佳开采方案。结果表明， 应用粗糙模糊集理论选出的采矿方法具有较强的适应性， 达到了安全、 高效 、 低消耗采矿的 目的， 提高了采矿方法优化选择的科学性和客观性 ， 有较高理论与工程应用价值。 关键词粗糙模糊集理论评价 因素体 系 最优采矿方 法优化评价 中图分类号T D 8 5 1 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 1 2 5 0 2 0 1 5 一 0 5 0 4 8 04 St ud y o n t he Opt i mi z a t i o n o f M i ni n g M e t h od s Ba s e d o n Ro ug h Fu z z y S e t The o r y Zh a o S h u g u o S o n g Hu a n hu S o n g W e i d o n g 。 1 ． C o l l e g e o fMi n i n g E n g i n e e r i n g ， N o n h C h i n a U n i v e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a n g s h a n 0 6 3 0 0 9 ， C h i n a ； 2 ． K a i l u a n G r o u p C o ． ， L t d ． ， T a n g s h a n 0 6 3 0 1 8 ， C h i n a ； 3 ． S c h o o l of C i v i l a n d E n v i r o n me n t E n g i nee r i n g ， U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e d e fic i e n c i e s i n s e l e c t i o n o f c o n v e n t i o n a l mi n i n g me t h o d s ， a n e w me t h o d o f e x p l o ri n g t h e g e n t l e d i p t h i n o r e b o d y w i t h t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e s u p p o r t l o n g wall me t h o d wa s p u t f o r w a r d， t h r o u g h i n t e g r a t i n g t h e r o u g h s e t t h e o r y wi t h t h e f u z z y s e t t h e o ry i n mi n i n g me t ho d o p t i mi z a t i o n． W i t h t he c o mp r e h e n s i v e a n alys i s o f mi n i n g s a f e t y， e c o n o mi c， t e c h n i c al i n d e x a n d f r i e n d l y e n v i r o n me n t f a c t o r s ， 1 1 k i n d s o f i n fl u e n c e f a c t o r s a r e t a k e n a s c o n d i t i o n a t t ri b u t e s a n d t h e r e s u l t s o f mi n i n g o p t i mi z a t i o n a n d e v a l u a t i o n a r e a s d e c i s i o n a t t rib u t e s t o b u i l d t h e mi n i n g me t h o d o p t i mi z a t i o n e v a l u a t i o n i n d e x s y s t e m ， t h e me mb e r s h i p d e gre e ma t r i x a n d we i g h t c o e ffi c i e n t ma t ri x o n t h e q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s for t h e p r o p o s e d mi n i n g me t h o d s ； T h e k n o wl e d g e de p e n de nc y a nd a t t rib u t e i mpo r t a nc e o f t h e o ry e v a l u a t i o n me t ho d i s a p pl i e d t o t r a n s f o r m t he we i g h t c o e ffic i e n t o f f u z z y ma t h e ma t i c s i n t o r o u g h s e t a t t r i b u t e i mp o r t a n c e e v a l u a t i o n ． Di s c r i mi n a t e d r u l e i s e x t r a c t e d f r o m t h e r e d u c t i o n r e s u l t s t o p r o p o s e t h e c a l c u l a t i o n me t h o d o f we i g h t c o e ffi c i e n t a n d d e t e r mi n e t h e o p t i ma l s c h e me f o r h y d r a u l i c s u p p o r t l o n g w all c a v i n g me t h o d ． T h e r e s u h s s h o w t h a t mi n i n g me t h o d s e l e c t e d b y r o u g h f u z z y s e t t h e o ry a r e a d a p t a b l e ， wi t h f e a t u r e s o f s a f e t y ， h i g h e f f i c i e n c y a n d l o w c o n s u mp t i o n ． I t m a k e s t h e s e l e c t i o n o f m i n i n g m e t h o d m o r e s c i e n t i fi c a n d o b j e c t i v e ， a n d h a s a h i g h e r t h e o r e t i c a l a n d e n g i n e e r i n g p r a c t i c a l v a l u e ． Ke y wo r d s Ro u g h f u z z y s e t t h e o ry ， S y s t e m o f a p p r a i s a l f a c t o r s ， Op t i ma l mi n i n g me t h o d， Op t i mi z a t i o n e v a l u a t i o n 矿山生产系统是一个复杂多层 次的动态平衡系 统⋯ 。选择的采矿方法是影响企业投资及其经济效 益的最重要的因素。近年来 ， 数值方法的不断发展使 采矿方法的优选逐渐向数值化 、 定量化发展 ， 应用较 广的方法有模糊数学法 、 层次分析法 、 多 目标决策法、 价值工程法、 相容分析法等 J ， 数值方法的应用为矿 山的安全高效 、 经济环保开采提供了有力的理论支持 和技术保障。同时， 随着优选采矿方法由单一、 简单、 经验 向综合 、 复杂 、 定量方面的发展， 多个理论被结合 起来应用 ， 如 陈建宏等 提 出用“ 蜘蛛 图法” 直观表 达采矿方法优化选择 的表示法。 ． 李 向东等 认 为将 影响采矿方法 的主要因素用模糊数学定量化， 采用层 收稿 日期2 0 1 5 0 3 ． 1 0 基金项 目河北省 自然科学基金项 目 编号 E 2 0 1 5 2 0 9 1 7 2 ， 唐 山市科技计划项 目 编号 1 2 1 4 0 2 0 8 A一 1 2 。 作者简介赵树果 1 9 6 9 一 ， 女， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 48 赵树果等 基 于粗糙模糊集理论的采矿方法优化研究 2 0 1 5年第 5期 次分析法选取权重可 以减 少人为因素的影响。黄德 镛等_ 4 将专家系统、 人工神经网络 、 计 算机辅助设计 等思想和方法引入采矿方法优选 中， 设计出采矿方法 智能化决策支持系统。吴爱祥 等 提出 了“ 相似率 价值工程法” ， 通过结合层次分析法计算各种采矿方 法的价值大小来确定优化方案。罗章等 把工程技 术人员 的经验建成专家系统 ， 为其他相似工程的选择 提供依据。在各种优化方案中， 关键的难点是权重的 确定 ， 各优化选择方法各具优缺点 ， 如专家 咨询 的弱 点是过分依赖专家的统计理论和经验 ， 结果有时存在 较大的误差 ； 相关分析法、 误差和最小法是基于统计 理论的方法， 数据处理的工作量大， 需要借助数值计 算求取近似值 ； 基于灰色理论、 遗传算法等在确定权 重时需要求解误差和最小问题 。 本研究以鄂西缓倾斜薄铁矿体为工程背景 ， 结合 缓倾斜薄铁矿床工程地质 、 开采技术条件 ， 建立采 矿 方法综合评判指标体系 ， 采用粗糙集理论与模糊数学 理论相结合的方法 ， 将模糊数学权系数 的确定问题转 化为粗糙集 中属性重要性评价问题 ， 利用粗糙集理论 中的知识依赖性和属性重要性评价方法 ， 给出预测模 型权系数的计算方法 ， 确定了最优方案， 克服了传统 权系数确定方法的主观性 J 。 1 工程概况 官店铁矿凉水井一大庄矿段属泥盆“ 宁乡式” 海 相沉积型赤铁矿床 ， 产于上泥盘统写经寺组底部 ， 直 接顶 为灰绿色、 蓝灰色页岩 ， 间接顶大多为浅灰色 泥 灰岩、 泥质灰岩等。一 8 至一 1 6 线范围内矿体走 向为 北北东一南西西 ， 倾 向北北西， 矿体呈层状 、 透镜状产 出， 矿体厚度较稳定， 平均 3 ． 7 4 m， 属缓倾斜矿体； 矿 体走 向长 1 4 k m， 宽约 46 k m， 面积 6 0 k m 。矿体 、 围岩主要力学参数见表 l 。 表1 岩石力学参数 Ta b l e 1 Ro c k me c h a n i c a l p a r a me t e r s 岩 土 名 称 ／ 总 ／ 重m 3 漕 松 比 褫 2 基于粗糙模糊集理论 的采矿方法优化 2 ． 1 采矿方法与评价指标体系选择 综合分析矿体赋存特征与地质条件， 从安全、 经 济技术指标、 高效开采角度及环境友好方面分析各种 开采方案的可行性 ， 初步确定采用综合机械化盘区房 柱法 、 液压支护长壁式崩落法 、 液压支护削壁充填法 和房柱法开采嗣后崩落法 等。构造影 响该矿采矿 方法选择 的 1 1项评价指标体系 见表 2 ， 评价 因素 集 { 采矿成本 ， 采切 比， 矿块生产 能力 ， 贫化率 ， 损 失率 ， 工艺繁简程度 ， 机械化程度 ， 安全性 ， 通风条件 ， 劳动强度 ， 对地表的破坏程度 } ， 方案集 { 综合机 械化盘区房柱法 ， 液压支护长壁式崩落法 ， 液压支护 削壁充填法， 房柱法开采嗣后崩落法 } 。 表 2 采矿方法选择的指标体 系 Ta b l e 2 Th e i n d e x s y s t e m o f s e l e c t i n g mi n i n g m e t h o d 2 ． 2 基于模糊理论构建隶属度矩阵 给论域 U中元素赋 以区间 [ 0， 1 ]内一个数 。设 U{ ， “ ， ⋯ } 为待分类事物全体 ， 表示元素 u 。 与 “ 相似系数 ， 0≤r ≤1 i √1 ， 2， ⋯， n ； 0表 示 “ 与 不同， 无相似 ； r 1 表示它们完全相似或等 同； 当 i 时， r 表示 自己与 自己相似程度 ， 恒取 1 [ 。 1 定量评价指标的隶属度计算。 正指标 r 负指标 1， F i ； ，‰ X i m in ；x iy X i i 1 ， L 1 m ax 一 m i “ 0， m in ． 1， r r i m a ； 二 垫 ， i ； 2 m “ 一Xi mi n 。 0， in ． 式 中 ， r 为 方案 i 指标的隶属度 ； 为 i 指标的下 限值； 戈 为 i 指标的上限值； 为各方案指标的平 均值。 2 定性评价指标定量化。采用 1 0分制评分法 进行定性指标的定量化处理 ， 同时将极小型指标进行 一 致化处理 见表 3 。 总第4 6 7期 金 矽 2 0 1 5年第 5期 表 3 定- 陛指标 的定量化标 准 Ta b l e 3 Th e q u a n t i fi e d s t a n d a r d o f q u a l i tat i v e i n d e x 指 标 评价判断标准及分析范围 ，3 评价指标属性值确定 。采用 1 0分制或对指 标属性值进行赋值法对拟定方案实施效果进行分析 和预计 ， 采取平均方法得到拟定采矿方法的指标属性 值 ， 见表 4 。 表 4 拟定采矿方法的指标属性值 Ta bl e 4 Th e i nd e x at t r i bu t e v alu e o f pr o po s e d mi n i n g me t ho d 分别对正负指标进行计算 ， 可得到凉水井一大官 店矿段可行采矿方法 的优选指标的隶属度矩阵为 0． 1 0 o 0 ．3 6 4 0． 5 43 1 ． 0 0 0 0． 0 0 0 0．1 38 0 ． 6 6 7 0． 6 00 1 ． 0 o0 0．1 43 0． 4 35 0． 05 0 1 ． O o 0 1 ． 0 o O 0 ． 1 0 0 0． 711 0． O 0 0 1 ． 0 o o 1 ． 0 00 0． 6 67 0． O 0o 0． 82 6 1 ． 00 0 0 ．1 8 2 0 ．0 0 o 0． 0 o O 1 ． 0 0 0 1 ． 0 0 0 0． 0 0 0 0． 6 oo 0． O 0o 1 ． 0 00 0． 0 00 0． 00 0 0 ．o 0 0 0 ．3 8 0 0 ．7 0 0 0 ． 6 5 8 0 ．5 8 6 0 ． 5 3 3 0． 0 0 0 0． 8 8 9 0． 0 oO 1 ． 0 oO 2 ． 3 基于粗糙集理论构建权重系数矩阵 将拟定采矿方法的评价结果分为 中、 好 、 差 3个 等级， 为决策属性值 ， o 一a 。 为条件属性值 ， 表 5为 所建立的采矿方法的条件属性与决策属性表 ， 并以决 策表的形式通过数据分析工具处理 。 1 权重数据 的收集。R O S E T I A软件是 R o u g h 集理论框架的表格逻辑数学分析工具包 ， 可实现对数 据 的挖掘和对知识 的获取 ， 可以进行最小属性 的约简 计算和产生易使用的I f t h e n决策规则或描述模型， 对得到 的规则 或模 式 进行 验 证 和分 析 ， 检 测有 效 性 n 。将表 5通过主菜单栏 中的“ 文件” 选项 “ P r o j e c t ” 窗 口， 选择 “ O D B C ” 项 ， 通过 “ O p e n d a t a b a s e ” ， “ 选择数据源” 对话框 ， 选择 “ 采矿方法决策表 ． x l s ” 文件 ， 导入数据。 表5 采矿方法的条件属性与决策属性 Ta b l e 5 T h e c o n d i t i o n a t t r i b u t e s a n d d e c i s i o n a t t r i b u t e of mi n i n g me t h o d 赵树果等 基于粗糙模糊集理论的采矿方法优化研 究 2 0 1 5年 第5期 2 数据预处理。数据处理包括数据补齐、 离散 化等过 程 ， 经 预 处 理后 进 入属 性 约 简过 程。选 择 “ B o o l e a n r e a s o n i n g a l g o r i t h m”算 法 进 行 离 散 化 处 理 ， 对离散化生成的项 目进行属性约简 R e d u c e ， 约简采用 G e n e t ic a l g o r it h m 遗传算法 。 3 上下近似集计算与等价类 的获取。 4 规则生成 与挑选 。数据约简后在新生成项 上右击 ， 选择“ G e n e r a t e r u l e s ” 算法 ， 形成规则结果 ， 同 时 ， 根据研究工作所需进行规则挑选。 5 统计 S t a t i s t i c s 。在新生成项上选择“ S t a ff s - t ic s ” 菜单， 进行属性的重要度计算， 得到指标体系权 重系数矩阵 r 1 WI ， ， ， ⋯， 。 I [ 0 ． 1 2 2 0 ． 0 6 8 0 ． 1 2 4 0 ． 0 9 8 0 ． 1 0 8 0 ． 1 0 7 0 ． 0 5 4 0 ． 1 1 6 0 ． 0 6 9 0 ． 0 7 5 0 ． 6 6 7 ] ． 3 模糊综合评判确定最优方案 最优采矿方法评价 向量 B b ， b 2 ， ⋯， b ， 向量 中 b 的值越大 ， 则 与之相对应的采矿方案 的可 选度越高 ， 利用 BW R原则计算得到综合评判 的 评价 向量 B WR 0 ． 6 8 4 4 1 ． 0 5 1 6 0 ． 4 9 4 0 0 ． 4 8 2 3 ． 4 结论 1 提出了液压支护长壁法开采缓倾斜 薄矿体 的开采方法， 进行采矿方法初选， 综合分析开采的安 全性 、 经济技术指标 、 高效开采的角度及环境友好等 因素 ， 构建了影响采矿方法优化 的指标体系 ， 并确定 了指标体系的重要度 。 2 将粗糙集理论与模糊集理论结合应 用于采 矿方法的优化选择。建立 了隶属度矩 阵和权重系数 矩阵 ； 采用模糊数学最大隶属度原则方法对本研究中 拟定 的各种采矿方法进行定量化分析 ， 得出各种采矿 方法的评价 向量 B； 确定液压支 护长壁式崩落法为 最佳开采方案， 其次为盘区组合机械化房柱法。 3 应用粗糙集理论挖掘 出数据中的内在规律 ， 提高了预测结果的科学性与客观性 ， 克服了传统方法 的主观性 ， 为采矿方法的优化选择提供 了新思路与方 法 。 4 粗糙集不限制问题 的属性数量 ， 综合确定 了 常规的 1 1种影响因素。但随着绿色采矿理念的广泛 应用 ， 可更多地考虑采矿方法的影 响因子 ， 以使预测 结果更符合矿山的可持续发展 。 参考文献 [ 1 ] 陈艳 ． 粗糙集理论及其推广模 型的研 究【 D] ． 成都 电子科技 大学 ， 2 0 0 8 ． Ch e n Ya n． Re s e a r c h o f Ro u g h S e t Th e o r y a n d I t s Pr o mo t i o n Mo d e l [ D] ． C h e n g d u U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Ch i n a， 2 0 0 8 ． [ 2 ] 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