基于突变优选理论的采矿方法选择.pdf

S e r i e s N o ． 4 2 4 0c t o be r 201 1 金 属 矿 山 ME T AL MI N E 总 第4 2 4期 2 0 1 1 年第 1 0期 基矛 突变优 选理论 的采矿方 法选择 白云飞 叶振华 中钢集1t l 马鞍山矿山研究院有限公司 摘要基于突变优选理论， 利用突变理论与模糊数学相结合产生突变模糊隶属函数， 根据突变论归一化公 式进行量化递归运算， 分别计算出不同采矿方法总突变隶属函数值 ， 实现对采矿方法优劣的分析与评判。该方法 的优点在于其指标权重是由突变理论中归一化公式本身的内在机理决定的， 从而避免了多 目标决策方法普遍存在 的权重确定问题， 减少了评价人员主观因素的影响。工程实例研究表明将利用突变优选理论应用到采矿方法的优 选当中是合理的， 可行的。 关键词 突变理论采矿方法选择归一化影响因素 S e l e c tio n o f M i n i ng M e t ho d Ba s e d on t he M ut a t i on Op t i mi z a t i o n The o r y Ba i Yu nf e i Ye Zh e n h ua S i n o s t e e l Ma a n s h a n 琬u 把o f Mi n i n g R e s e a r c h C o ． ， L t d ． Ab s t r a c t B a s e d o n mu t a t i o n o p t i mi z a t i o n t h e o r y ， a c a t a s t r o p h e f u z z y s u b o r d i n a t e f u n c t i o n i s p r o d u c e d b y a d o p t i n g t h e mu t a t i o n t h e o ry a n d t h e f u z z y ma t h ． Re c u r s i v e c a l c u l a t i o n i s c a l c u l a t e d s e p a r a t e l y a c c o r d i n g t o n o r ma l i z a t i o n f o r mu l a ， o b t a i n i n g t h e t o t al f u n c t i o n v a l u e s f o r d i f f e r e n t mi n i n g me t h o d s e p a r a t e l y ． An aly s i s a n d e v alu a t i o n o n s e l e c t i n g d i f f e r e n t mi n i n g me t h o d s a r e r e a l i z e d ． T h e a d v a n t a g e o f t h i s me t h o d i s t h a t i t s t a r g e t w e i g h t i s d e t e r mi n e d b y t h e i n t r i n s i c me c h a n i s m o f t h e n o r m a l i z a t i o n f o rmu l a b a s e d o n m u t a t i o n t h e o ry， S O a s t o a v o i d t h e w e i g h t d e t e r m i n i n g p r o b l e ms i n m u l t i o b j e c t i v e d e c i s i o n m a k i n g me t h o d a n d t o r e d u c e t h e s u b j e c t i v e e v al u a t i o n f a c t o r s b y t h e p e r s o n n e 1 ． E n g i n e e ri n g e x a m p l e s h o w s t h at t h e a p p l i c a t i o n of mu t a t i o n t h e o r y t o o p t i mi z e mi n i n g me t h o d i s r e a s o n a b l e an d f e a s i b l e ． Ke y wo r d s Mu t a t i o n t h e o ry ， Mi n i n g me t h o d s e l e c t i o n， N o rm a l i z a t i o n， I n fl u e n c e f a c t o r s 矿山开采 中采矿方法的选择是矿 山企业设计和 生产 中所要面对的至关重要 的问题 ， 对回采工艺、 生 产能力、 生产安全 、 主要技术经济指标 以及经济效益 等有很大的影响。传统的采矿方法选择是根据矿体 赋存条件、 矿山技术装备水平等进行采矿方法初选， 然后对初选所得的若干可行方案依据技术经济指标 及经验类 比的方法综合分析选出合理 的方案。由于 影响采矿方法 的因素错综复杂 ， 有时互相矛盾 ， 这样 仅仅依靠简单的比较和经验难以科学地选出最优的 采矿方法 ， 采矿方法的优选 问题实 际上是一个多 目 标决策方案的优选问题 。近年来 ， 随着计算机 、 数学 等科学的快速发展 ， 针对 多 目标决策方案优 选问题 提出的方法有模糊决策法 j 、 双基点法_2 ] 、 灰色关 联法_ 3 J 、 密切值法 和价值工程法 等。这些方法 的共同之处在于采用一定的方法对各备选方案 的技 术经济指标进行无量纲化处理 ， 使单位不同、 不具备 可比度 的各技术经济指标变得可 比； 然后根 据各指 标的相对重要程度赋予它们相应的权重值 ； 最后再 按照各自的方法计算出综合评价值 ， 并由此比较出 各方案的优劣。这些模型在进行优选时需要确定各 评价指标 的权重 ， 而指标权重选取是否科学 ， 直接决 定了优选结果 的准确性。到 目前为止， 还没有一个 公认 的合理的权重 确定方法 ， 这就给此类方法在进 行多 目标决策时带来 了困难 ， 影 响了优选结果 的准 确性 。 突变优选方法是在突变理论基础上发展起来 的 一 种综合 评价方法 J 。该 方法在优选过 程 中无需 人为确定权重， 只需对各个评价要素按重要程度进 行排序 ， 评价时能够实现定量与定性相结合 ， 从而减 少了主观性又不失科学性、 合理性， 计算过程简单， 计算结果准确。本研究借鉴突变优选理论的思想， 白云飞 1 9 8 2 ～ ， 男 ， 硕士研究生 ， 2 4 3 0 0 0安徽省 马鞍 山市经济开发 区西塘路 6 6 6号 。 总第4 2 4期 金 属 矿 山 2 0 1 1 年第 1 0期 提出一种选择最佳采矿方法的方法 ， 为广大工程人 员选择采矿方法提供一条途径。 1 突变优选理论优选步骤 1 建立突变优选指标体系。按 系统的内在作 用机理 ， 将系统分解 为由若干评价指标组成 的多层 系统； 一个指标进行分解， 是为了得到更具体的指 标 ， 以便进行量化 ， 分解到 一般可 以计量 的子指标 时 ， 分解就可以停止。较常用的 3种突变模型见图 1 ， 其中 为状态变量 ， 口 ， b ， C ， d为控制变量 ， 该示意 图中控制变量 。 ， b ， C ， d顺序是按照其重要程度依次 进行排列。 厂 上 ]厂 斗 _ ]厂 r _] a b a b a b c d a尖点突变 b燕尾 突变 c 蝴蝶突变 图 1 常用的突变模型示意 2 确立优选体系各层次的突变系统类 型。突 变系统基本类型有 7种 ， 其 中最常见 的 4种类型见 表 1 ， 其数学模型见图 1 。 表 1 突变形式及其势函数 突 变 模 型 墓 掣 鉴 奎 势函数 3 数据无量纲化处理 。由归一公式将系统 内 各控制变量不同的质态化为同一质态 ， 即化为状态 变量表示的质态。在 以上归一公式 中， 反 映系统的 指标往往具有不同的量纲和量纲单位。为了消除由 此产生的指标的不可公度性 ， 对评价指标进行无量 纲化处理 ， 及各控制变量皆取 01范围的数值 ， 具体计算可采用以下公式 。 绝对值越大越优型数据 | r ／ 1 ， 绝对值越小越优型数据 ／ r 抽 i ／ ． 2 ， 式中， ⋯ 为同一指标数据最大值 ； 枷 为同一指标 数据最小值 ； 为真值。 如果控制变量值在[ 0 ， 1 ] 范围内， 则不需对数 据进行处理 ， 可直接进行用于突变级数 的计算。 62 4 优选指标 的归一公式。根据突变理论 ] ， 常见的 3种突变系统 的控制变量归一化公式如下 。 尖点突变系统归一公式为 。0 ， bb ． 3 Ⅱ0 ， 戈 b ． j J 燕尾突变系统的归一公式为 。 ， 6 bb 。 ／ 。 ， c ． 4 Ⅱ ， 6 ， cc 蝴蝶突变系统的归一公式为 。 口 ， 6 b 。 ， 。 C 。 ／ 4 ， d d ／ 5 ． 5 利用突变理论进行综合分析评价时， 若 同一 系 统各控制变量 指标 之间无相关关系 ， 则按归一公 式计算系统状态变量 时， 应采用“ 大中取小”的非 互补原则选取最小值作为整个系统的 ； 若同一系 统各控制变量 指标 之间存在相关关系 ， 则遵循互 补的原则 ， 即可采用“ 小 中取大” 或者“ 平均值 ” 的原 则选取最大值 或平均值 作为整个系统的 值。 同理逐层递 阶运算 ， 即可 得到总突变隶属 函数值。 在最后进行 比较时要采用“ 小 中取大” 的原则 ， 即对 优选对象按总优选指标 的得分大小排序 ， 从 而得 出 最优方案 。 2 突变优选理论在 采矿 方法优选 中的应用 2 ． 1 采矿方法优选体系指标确定 采矿方法 的选择受多种因素 的影响 ， 归纳起来 主要影响因素有矿床地质条件 、 安全性 、 生产能力 、 及开采技术经济等因素， 首先根据矿床地质条件进 行采矿方法初选 ， 在初选 的基础上再根据其他影 响 因素进行选择。经综合分析确定安全程度、 月生产 能力 、 班 出矿效率、 回采率 、 采切 比、 贫化率 、 炸药 消 耗 、 出矿成本等 8个影响因素作为采矿方法优选体 系的指标 。 根据 以上采矿方法优选体系 8个指标的不同层 次 ， 建立如图 2的采矿方法优选的指标层次结构 图。 最优采矿方法A l 安全性 I 生产能力B 2 开采技术经济马 『 J_ ．．．．L ．．．．L ．．．．．．L 安 月 班 回 采 贫 炸 出 全 生 出 采 切 化 药 矿 程 产 矿 盎 比 盛 消 成 度 能 效 G G 耗 太 C 1 力 窒 0 G L 。 。 。 ’ 一 。 ● 。 - 一 _ _ _ _ 一 - 。 ● 。 一 。。 。 。 一 - 。 。 _ 一 。 。 。 一 方 法 一 D 1 l 方 法二 D ， 方 法 j 三 l I 图 2 采矿方 法优选 的指标 层次 结构 2 ． 2 应 用 实例 突变评价法是一种新 的综合评价方法， 对于一 种新的评价方法 ， 人们所关心的问题是这种评价方 白云飞等 基 于突变优选理论的采矿方法选择 2 0 1 1年第 1 0期 法的评价结果是否可靠、 是否具有实用价值。因此， 以山东某矿采矿方法选择为例分析说明该方法的实 用性。 该矿矿床赋存于奥陶系马家沟组石灰岩与中生 代燕山期闪长岩接触带上， 位于东北向金岭短轴背 斜 的西北翼 ， 为热液接触交代矽卡岩型磁铁矿床 ， 矿 岩接触界线清楚 ， 产状受接触带控制 ， 上盘为结晶灰 岩 ， 节理发育 厂 8～1 0， 岩体稳固； 磁铁矿f8～ 1 2 ； 下盘绝大部分为厚度不一的透辉石矽卡岩， 裂 隙 发育 厂 8～1 2 ， 岩体稳 固。矿体沿走 向方 向连续 ， 厚度变化起伏不定 ， 倾 角在 2 0 。～ 5 O 。 。根据矿体实 际赋存状态 ， 在采矿方法初选时确定了 3个可供选 择的代表性法方法分别为 分段凿岩事后充填阶段 矿房法 方法一 、 浅孔房柱法 方法二 和分层胶结 充填法 方法三 ， 各方法 的主要指标情况如表 2所 示 表 2 3种采矿方法的主要评价指标 对所有量化的指标依据进行无量纲化处理 ， 对 指标 ， 用 2 式进行计算。可将所有指标数 据转换 于越大越好指标 ， 用 1 式进行计算 ； 对于越小越好 为 01的突变级数 ， 计算结果见表 3 。 表 3 3种采矿方法各主要指标 的突变级数 对表 3中的指标分别用各突变系统的归一公式 逐步向上综合 ， 直至得到最高层评价。以方法一为 例 ， 计算过程如下 1 安全性子系统 B 。该子 系统下面仅有 1个 指标 ， 因此取该指标值即可。 B1 c 1 1 ． 0 00 ． 2 生产能力子系统 。 按照互补型蝴蝶突变 模型系统 ， 由归一公式得到突变级数数值为 c ， c 1 ． 00 0， c c 1 ． 0 0 0， 蝶突变模型系统 ， 由归一公式得到突变级数数值 为 c c 1 ． 0 00， c c6 0 ．81 1， c ； 0 ． 8 4 9 ， c 0 ． 8 5 1 ， B 3 mi n x c 5 ， c 6 ， c 7 ， c 8 m i n 1 ． 0 0 0 ， 0 ． 8 1 1 ， 0 ． 8 4 9 ， 0 ． 8 5 1 0 ． 8 1 1 ． 计算时由于生产能力 子系统各指标间存在 明 显的相关关系， 应遵循互补的原则 ， 取其平均值。 而开 采技术经济 子系统各指标间不存在明显的相关关 系 ， 应遵循“ 大中取小” 的非互补原则。待计算出各子 c 4c 0 ． 9 7 3 ； B 平均值 ， 。 ， 系统相应的突变级数值 以后， 再根据互补原则 ， 分别 平均值 1 ． 0 0 0， 1 ． 0 0 0， 0 ． 9 7 3 0 ． 9 9 1 ． 计算出总突变隶属函数值。同理， 计算 出其他 2种方 3 开采技术经济子系统 。 。按照不互补型蝴 法的总突变隶属函数值， 计算结果见表 4 。 表 4 采矿方法优选计算结果 下转第6 7页 6 3 马利等 巷柱式充填开采邢 东矿井 2 煤层的稳定性分析 2 0 1 1年第 1 0期 a 方案一 b方案二 图 7 垂直应力等值线对 比示 意 为 2 0 ％。可见矸石充填体 的存在 ， 减小 了围岩的应 力集中的程度 ， 使垂直应力值得到有效控制。 参考文献 [ 1 ] 钱 鸣高 ， 许 家林 ， 缪 协 兴． 煤 矿绿 色 开采 技术 的研究 与 实践 [ J ] ． 能源技术与管理 ， 2 0 0 4 4 1 - 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