采矿方法选择的一种新方法.pdf

对扩 湖南有色金属 犯1 采矿方法选 择 的一种新方法 曹庆林 长沙矿山研究院 抖 ; 要 本文将 灰 色系统 理论 、 神经对络方法分别应 用于未犷方法选择的三 个 步骤 , 很好 地解决了采犷方法选择工作中的主观随意 性 , 为来犷方法选择 气 汾 提供 了一 种全面 、 科学 、 准确的滩童分析方法 。 结合 东坪 金矿 的采矿方法 选择脸证了该法的 可 行性 与准确性 。 关健词 采矿方法选择灰 色系统理论神经网络 方法 O 前言 采矿方法 的选择 , 不仅要考虑 地质条 件 、 采矿方法的技术要求 , 还要充分考虑矿 山要求达 到的最优技术经 济指标 。 因此 , 必 须进行地质的 、 技术的 、 经济的综 合 分析考 虑 。 一般说来 , 采矿方法彭选择 由 三 步组 成 , 即采矿方 法初选 , 技术经济分析和综合 分析比较 。 在大多数情况下 , 经过技术经济 分析 , 就可以得出 最优方案 。 所以 , 采矿 方 法选择的核心是技术经济分析 。 地质因素 , 采 矿技术条件及技术经济指 标的复杂性和不确定性 , 说明 了采矿方法选 择是一个灰色问题 , 在采 矿方法选 择中采用 灰色系统理论进行分析是可行的 。 在采矿方 案 初选中 , 应 用灰色关联分析法 , 计算矿山 地质和采矿技术经济指标构戍的数据序列与 各类经典采矿方法的相同指标序列的关联 度 , 选出一组可供选用的采矿方法 。 在综合 分析比较中 , 以技术经济分析推测 的几个 铆 选方 案的技术经济指标为基础 , 运用灰色决 策方 法 , 挑选出最优的采矿方法 。 作为采矿方 法选择的核心内容技术 经济分析是一个难度大而 非常复杂的工作 , 传统的经验类比法 , 模糊理论法以及专家系 统技术仍然离不开人的主观经验 , 至今还未 能很好地解决这个难题 。 所以 , 为了消除人 为因素的影响 , 这里运用 人工神经网络方法 建立直接获取技术经济指标的神经网络模 型 , 从而比较好地解决技术经济分析这“采 矿 方法选择 中的核心问题 。 、_ 代 1 采矿方法初选的灰色 关联 度 方法 设现有典型采 矿方法的矿山 x,x , ⋯ 工 ,, 各矿山的地质和技术经济指标大。 X l X二 定义系统的比较序列为 { x 工 1 ,x 2⋯ , ⋯ ,x m} { xj ,工 j , , ’ 吧切 , 一 ,x j } l12 2 m 223 翔南有 粤 幸属 第 1心聆 式中 , x j一采矿方法序列中的影响 因 素 , j 1一n I 。 某一矿山 的地质条件及要求达到的技术 经济指标构成系统特征序列 , x 。 { 二 。 i ,x 。 2 , ⋯ , x 。 m}2 式中 , x。 j一矿山 x 。 的第j个指标 。 给出实数 r 〔 x 。 k , x, k〕 , 若实数 神经网络方法推测技术经 济指 标 神经两路方 法的基本原理 神经网络系统是8 0年代后期迅速发展起 r x 。 , x; 粤昼 。〔x 。 k ,x k〕 nlk一l 满足规范性; 整体性 , 偶对称性及接近 性 , 则称 r x 。, x; 为 x;对x 。 的 一 灰色关联 度 , 。〔x 。 k ,x ; k力为 x; 对 x 。在k 点的关 联系数 , 可表示为 e 〔 二 。 k ,x i k〕 △mi n 6 △ 。 i k 6 3 式电 , 洲 单 “’二 份 ” ’ m 洲 朴“卜 x 四 △ 。 ; 幻 一 林 。 k 一 朴 k划 一 6 言 m直x . m ax 一 lx 。 k 一 x; k , 1 J 来的人工 智能 的一个分支 , 是试图以模拟 人 脑系统的组织方 式禾构成新 型 的信息处理系 统 。 ’色是 通过大量并行运行 的神经元处理 单 元广泛 相互 联结而组成的网络系统 。 其 存贮与处理 能力由网络的结构 、 联结权值及 单个神经元所执 行 的处理而决定 。 目前 , 在研究和应用中被采用的至少有 3 。多种神经网络模型 , 但是最基本的主要有 两大类 以壬切pfi e l d网络模 型为代表 的反 馈 型 , ’已具 有非线性和动态性 ; 另一类是以 多层感知器 p e rce t P ro n为基础的前馈模 型 , 它具有非线性和动态性 ; 另一类是以多 层感知器p “ rc“ t P ron 为基础的前 馈 型模 型 , 它足 线性和静态 的网络 。 其中以B P 心 B成k 一 P ro p a a ti” n 网络模型为典垫的 前馈模型 , 其结构如图 一 ] 所示 b 七为计算分辩系数 。 按关联度序列 {城 x 。, x ; }中元素值 一 的 大小初选采矿方法 。 一 结合文献 2中的数据 , 利用 上述原理 对东坪金矿进行方案初选 , 即以东坪金矿的 开采技术条件及要求达到钓经济指标构成的 数据序列为特征序殊 〔其余 八种采矿方法的 同样指标构成比较序 列 , 然后计算东坪金矿 与八种采矿方 一法的 关联度 , 关联度序 列 为 { r x 。, 二 ; 11 1一s } 二 0 . 545 , 0 . 544 , 0 . 531 , 0 . 07、 , 0 . 881 , 0 。 597 , 0 。 874 , 0 . 8 9 9} 那 么 , 东坪金矿 应选择的采 矿方 法顺序 为 分层充填法 , 分段空场 法 , 电耙留矿 法 , 阶段矿房法 , 全面采 矿 法 , 留 矿 全 面 法 , 中深孔房柱法 , 爆力运矿法 。 扮人一 一 幼出 .人层 隐含层 抽出层 图 1 多层神经 网络结 构 找 图 1的网络模型 由三层神经 元组成 , 输 入层接 受信 息 , 输出层输出信息 , “已是通过 激发一个Si gmiod函数来输出结果 , Sigm - i o d函数表示为 0 1 fN e t i 飞 i 1 1 e一 悦 “ t ib生 又 、 N 一 了 W老 ’ Oj e r 第 6期 曹庆林 来护方法选择的一种新方法 323 式中 , 0 一输出信息 ; O j一输入信息; W 产护一 n 1 层 中i神经 元 与第 n 层 中 j 神经 元的连接权 。 各层单元间的连接权值是 网络通过反向 传播 B ae k一P ro p a gatio n 算法进行自 动学习的 , 网络的自学过程可以解释为 利 用 已有的实例 学习样本 , 计 算机按照 一 定的算法去预测 同类性质的问题 , 具体说来 就是 , 如 果巳知若干组输 入数据 , 其输 出结 果巳知 , 利用 网 络的自学功能调整各单元 之 间的权值W矛{以及W若全 ’, 直至网络的实际 输出与期 望输出之 间的误差达到要求 , 学习 结束 。 从宏观上 看 , BP网络 模型 与控制系统 l 模型在数学本质上都是一种映射 , 将输入 空 间映射为输出 空 间 , 这种映射是一个高度非 线性的映射 , 如果有 n 个输入单元 , 有 m个 输出单 元 , ” 则 网络 是 , F R 、R , Y F幼 。 根据K川尔似o r 妙的神经网络 映射 定理 ,、只 要采用有隐 一单元 的网络;这种映射 就 是有的 。 ;- 2 , 2 神经网 络方 法在采矿方 法选择中 的 应 用 采矿方 法选择的核心问 题是技术经济分 析 , 而技木经济指标的确定始终是 一项非常 复杂而难以把握 的工作 。 神经网络系统可以 模拟部分形象思 维 , 表达部分隐式知识 , 所 以运用神经 网 络方法丫建立直接获取技术经 济指标的三层神经元 之网络 模型一一B P网络 模型 , 是一条可行的途径 。 技术经济分析的启户网 络模型包含一个 隐层 , 输入层 、 隐层和输出层分别 由 6个 神 经元 、 1 0个隐单元和5个输出神经元组成 。 在输入层和隐层备设置一特 殊单元 用作阀值 单元 , 其值设为 , 模型结构如图 所示 。 矿杯走向长度一 矿体厚 度一 矿体倾角宁 矿体德固性 上盘圈岩德固性 下盘围岩德 固性 ,矿块生 产阵力 .采 矿工效 ,矿石摄失率 ,矿石贫化率 一采矿成本 愉沐层睁含尼愉出层 图2技术经济分析的BP神经网络 模型 结构 技术经济分析是在 初选的几个方案基础 上进行的 , 对每一方案都建立一个B P网绛 模型 。 建模 时 , 选择每一采矿方法的若干犷 山作为学习样本 , 学习成功后 , 就可利用该 模型推测矿山各采矿方 法的 技术经济指标 。 假设初选来矿方法有三种 , 那 么摹建立 的三 个BP模型为B P I一B P3 。 建模过程如图 召 所示 。 切始 f t ’’’} 给定样 本输人量与 目标愉出 求隐 层 、输 出属各单元 伏态 计算目标输出 与实际辅 出的偏差 全部偏差 满足要求 计算输出层误差梯度 B P摸型的放相 计算隐层 误差梯度 结束 数值学习 图3 ’ B P模型的碗摸过程 23 应用实例 以东坪金矿 1 号脉为例 , 该矿脉平均地 质品位为 1 2 . 湘g八 , 矿体平均厚度1了介m , 平均倾角 。, 矿岩硬度系数为 。、 通过前 、 12 4 7 1 32凌 期南有色金属第 1 0卷 述的灰 色关联度法初进三种开采方 案 分层 充填法 、 分段 空场法和浅孔留矿法 。 各选取 采用这三种方法的四个矿山作为技术经济指 标推测 的 依据 , 各矿山对 应的赋存条件及技 术经济指标如表 1 所示 。 裹 1 东坪金 矿 与生 产矿山 矿体地质 、 技经指标 采矿矿山 方法编号 厚度 倾角矿石 盘围岩下盘围岩采 场生产能力采矿工效 mm o B , B B 3 t / d Y几城 采矿损 失率 拓 Y 3 采矿成本 元/t Y s 矿率 l 化拓丫 采贫 一 一 性氏 一 氏 一 J 一 稳 ǔ B 向度走长 55 加 6 s 1 ’. .1 2 1 5 .21 ’ . 0 . 38竹 。 5 0 。 2 . 5 1 . 2 33 . 5 1 . 0盛0 11 . 8 7 . 6 T 95 份 。勺6 3 。 勺6 丫9 . , 色T 。 26 35 IT . 6 勺 。了 .n内 U ,通占 立 12 _ 04 16 . 21 6 . 65 舫肠 的 的7 0和, 0 分层 、 人 充坟 大 , n 门人月 几叨 自U 521 21a 法 A , 人 . 315 侣00 1200 320 5 45 0二丫TO 2 . 5 65 1 。 ST 丫 2 . TS 4 . 3 2 _ 2匕 5 0 . 65 10 425 32 16 . 4毛 12 . 2 1丁 . 石 .J 勺 ,U tO”J 毛 月.立 月五 分段 才A. T00 空场 奋 A 1600 法 A 300 A 306 0 . IT 5 6 3 。 色43 4 . 44 40 1 . 56T . 5 . , 勺9 16 1010 9 1111 叨 匆 匀 11515 T丫7 心 . 5 4 . 5 . 5 12 12 12 101010 99 4 . 5 106 . 5 6 . 5 9 9 马 5 1 . 5 10 15 . 9 盯 . 6 18 . 26 1010 8010 . 5 16 . 了13 委攀A 660 1阶毛T 1010 10 琳表 1 中的分层充填法为例 , 说明 B P 网络模型在推测技术经济指标中的应 用 。 首 先将表 1 中分层充填法的各矿山指标变换为 扣 , 1〕之 间的数 , 作为 B P网络模型的 学习 样本集 , 然后 训 练神经网络模型B PZ , 模型 的误差 ￡设 为。 . 01 , 训练出来的B PZ模型输 出的结果列 于表 2 。 衰 2 分层充坡法 矿 山技术经济指标的B PZ模型翰出 矿山编号棋型精度比较 采场生产 能力t/d Y i 采矿工效 v t 采矿 损失率 Y , 采矿贫化率 Y - 采矿成本 元 t / 丫 , 模型输出7 0 期望输出和 102 3 , 3 1028 . 29 模型输 期望输 42 . 66 42 _ 50 14 14盖 。 2 12 1阳6 5D 2 0 时6 5 驳 白O内D 氏 .0.nl卜c U U 们 uz J,J 性 6丹6nJ 性 舟n,nuc.o 。.。 3 212 4 .. ⋯ 2 2 2 。 白4 吸, 曰2 3 J盆j.人 .合 月 自O自nJ、l 内“. “品比 八 U 八 U 6 U nU.J的 OJ吸 J性 匀 .0no 出 出 模 型输出 期望 输出 32 . 04 32 . 0 12 . 2 12 . 2 模型输 一出 期望输出 16 . 38 16 . 44 17 . 37 1了 4 A t 灿幻A’ 东坪金犷 10 _ 5 2 184 仿B P Z网络模型的建模 过程 , 对 浅孔 留 矿法与分段空场法也建立了 B 网络 模型 BP 和B F3 , 它们在东坪金矿的 应用列 于表 3 。 应 I 模糊数学方 法推测的技术经济指标 P 1 J 第仓期曹庆林 采矿 方 法选择的一种新方法 也列 于表 3 。 可以看 出 , BP网络 模 型的 输 出结果大部分落在或接近于模糊关系方程推 测的指标范围 , 可 见B P网络 模 型的 准确 性 和可靠性 。 以表 3 中BP网络模 型确定的指 标值为基础 , 应用 楼蜘数学方 法或灰色局势 决策方 法确定适用 于东坪金矿的最优开采方 案龙很容易的 。 表 3 神经网 络方 法与模糊推侧的技术经济指标 采场生产能力 米矿 方法计算方法t /d Y 1 采矿工效 廿 采矿势失率 Y 3 采矿贫化率 书 Y 采矿成本 元/ Y , 浅孔留矿法 模糊数学, 9 神经网络 21一55 . 36 535 分层充填法 分段空场法 模糊数学 神经网络 40 . 6一47 . 7 6 60 . 125 68 . 96一9了 .下 8 9 . 875 OT一9 . 63 8 . 78 94一4 . 74 3 . 42 14一10 . 96 4 . 14 7 . 22一888 10 . 14 3 . 93一4 . 94 1 。 82 T 。 05一11 . 48 14 . 0 60 . 02一“ . 09 12 . 87 25 . 13一,0 . 2朽 10 . 32.目 j 30 . 16一46 . 23 58 . 23 12 . 48一13 . 盯 12 . ST 15 . 15一IT . 73 L _ 18 . 4 13几5-15 . 侣3 1任 . 07 5 3 灰色局势决策法终选采矿方 法 所谓灰色局势决策 , 实质就 是多目标决 策的单目标化 , 即将局势的多个目标谊通过 目标效果测度化为单一目标值 , 即局势的综 合效果测度 , 从定 量 的角度进行方案优选 。 对于单点 , 效果测度表示为 上 限效果测度 rj 二” j u / 世一 uij u二。 二 5 下限效 果测度 r;j二”二, 。 u / ;j uij u二a 二 亏 式中 , u 二 一局势中效果最大值 . u;j 一局势的效果 。- 多目标局势决策 , 局势有多个目标 , 首 先计算其中每一目标的决策元 , 并构造每一 目标的决策矩阵 , 然后 构造综合 矩阵 , 矩阵 中的元素按下式计算 资 , 告户厂 。 7 u二*。一局 势中效果最小值 ; 表 4 最后 根据综 合矩阵中效果测度仁 大小 , 进行优劣排序 , r; 大者为优 。 以表 3 中BP模型输出的数据为 基础 , 「 采 用灰 色局势法优选东坪金矿的采矿方法 , 计算得到的效果测度如表 4所示 。 采矿方法技术指标的效果洲度 采矿方法 采场生产能力 t/d Y 1 采矿工效 子 采矿损失率 多 采矿 贫化率采矿成本 拓元t/综合效果测度 Y , Y 气 浅孔留矿法 , I 分层充埃法 , I 分段空场法 , l 1 389 . 4T 15 1 ⋯能8 6 99 0 . 璐1了6 800 0 . 6毛19 , 58 0 勺 .二 , nU 4 电 臼 O 口 1 10 8 8 9 1 1 6 4 由表 4 可知 , 综合效果测度的大小顺 序 为 亚 I l 。 因此 , 选 择分层充填法 。 优 选结果 与文献 中 的模糊分析法选择的结 果 是一致的 , 4 结语 l 采矿方法选择的三个步孩中 , 技术 经济分析是最主要的一个步骤 , 是采矿方法 下转第3 36助 2 33 6湖 南有 色金属 第1 0 卷 后仍保留出水管放水降压 。 这择既可以保证 巷道安全通过断层破碎带 , 又可以 保证采矿 的安全作业 。 3 . 2 排堵结合 在采矿区水降压疏干的前提下 , 在非开 采 区的西部地段 , 针对断 层含水性好 , 水量 大 , 水中含泥砂多 , 难以疏干的特点 , 采取 井下局部注浆堵水的方法进行治水 , 即采取 井下 预注浆或后注浆的措施 , 将地下 水封堵 于岩层 之中 , 保证掘进工程进行 。 具体做法 是 先采取水平 钻工程对 可疑地段进行超前 探水 , 掌握含水层的特 征以后 , 采取相应的注 桨工艺 , 进行预注浆堵水 。 如果巷道已经揭 露含水层而突水 , 则需在突水点建堵水墙或 止浆壁 , 创造注浆堵水条件 , 然后进行注浆 堵水 。 在非采矿区进行局部注浆堵水 , 即可 保证巷道的正 常通过 , 亦可减少进入坑 内的 水量和泥砂量 , 节约生产成本 , 同时也可以 防止矿区地面的工程地质灾害 。 如猫仔湾矿 段副斜井1 7 8m突水后进行局部注浆堵水 工 程 。 公 。 3 综合治理 在深入 调 查分析矿 段的水文地质条件的 基础上 , 针对不同地段的水文地质条件 , 相 应地采取或排或堵的防治 水方法 , 同时进行 其他相关的水文地质工作 。 具体做法是在井 下坚持 “有疑必 探 , 先探后 掘 ” 的施工方 针 , 防止 意外突水 。 同时切实做好井下 水量 和 泥砂量的长期观测工作 , 掌握地下水动态 的变化规律 , 做好坑道水文地质测量工作 , 加强对 涌水 、 涌泥与含水构造的综合 分析工 作 , 及时 指导生产和安全 。 在地表 , 建立健 全地下水动态观测孔网 , 做好地下水动态的 长期 观测工作 。 建立地面沉降观测 网 , 定时 按时进行测量工作 , 及时整理分析成果 。 对 地面塌洞要做好调 查记录 工作 , 掌握其发展 动态 。 对危险区内的建筑物进行定期 观测 , 及时采取治理措施 。 对铜 山岭小溪 , 要做好 严重危害段的防渗防塌工作 , 对次危害段做 好防渗处理工作 。 4 结束语 在岩溶地区金属矿山采取上述综 合治理 地下水的方针以后受到明显效果 , 可保证该 类矿区安全生产 。 但需指出 , 针对既定矿山 含水层特征而采取的相应治水方案 , 有其特 殊性的一面 , 并处于不 断探索和总结的过程 之中 , 还具有一 定的风险性 。 因此 , 综合治 理矿区地下水的工作是一项系统而长期的工 作 , 它要求矿山在生产过程中 , 不断地探明 和搜集水文地质资料 , 充分揭示矿区地下水 的分布和运动规律 , 有针对性地采取相应的 技术措施 , 才能确保该 类矿山持 续安全生 产 。 上接第32 5 页 选择的核心内容 , 但也是难度最大而最复杂 的内容 , 神经网络方法能很好地解决这个问 题 , 是采矿方法选择中技术分析部分一种准 确可靠的人工智能方法 。 2神经网络方法结合模糊数学理论和 灰色系统理论 , 可很好地解决采矿方法选择 中的方案初选 、 技术经济分析和方案优选问 题 , 为采矿方 法选择提供了一套完整系统的 分析方法 。 3神经网络 方法在矿业工程中的应用 是多方面的 , 从矿 山地质参数确定 、 岩石性 态预测 、 采场地压分析到采矿方案的优选 等 方面均有广泛的应用前景 。 参 考文献 R住m e lh ar tD . E . , e t a l . P ar a ll e 1Di s trib ute d P r oe e s sing E xP ioratio nsin the Mi erostruetu re of C o红n ition . V o l . lF o u几da tion s . MITP r.二 Ca口b r亏dge . MA1986 刘东等长沙矿山研究院季刊 , 舞招 . 199