基于模糊综合评价理论的采矿方法优选.pdf

第 3 5卷第 3期 2 0 1 5年 0 6月 矿 冶 工 程 M I NI NG AND M ETALLURGI CAL ENGI NEERI NG V0 l l 3 5№ 3 J u n e 2 01 5 基 于模糊综合评价 理论 的采矿方法优选① 汪朝 ，郭进 平 西安建筑科技大学 材料与矿资学院 ， 陕西 西安 7 1 0 0 5 5 摘要利用模糊综合评价理论 ， 对地下矿山采矿方法进行优选。将采矿方法待选方案作为评价集， 技术经济指标作为因素集， 首 先根据层次分析法， 将决策分为目标层、 准则层和措施层， 采用 比例标度法建立因素间的判断矩阵， 从而计算因素权重； 然后构建评 价集与因素集之间的模糊关系矩阵； 最后将因素权重与模糊关系矩阵作乘积运算， 得到各方案的综合评价值。以某汞矿为例 ， 采用 模糊综合评价方法进行了采矿方法优选 ， 最终选择机械化上向水平分层充填法作为开采方案； 优化结果与企业设计采用的方法一 致 ， 证 明该决策方法是可行 的。 关键词 采矿方法 ； 优选； 模糊综合评价； 层次分析法； 判断矩阵 中图分 类号 T D 8 5 3 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 3 6 0 9 9 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 7 文章编 号 0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 5 0 3 - 0 0 2 7 0 4 Opt i m i z a t i o n o f M i n i ng M e t h o d S e l e c t i o n wi t h Fu z z y Co mp r e he n s i v e Ev a l ua t i o n WANG Z h a o ，G UO J i n p i n g S c h o o l o fMa t e r i a l s a n d Mi n e r a l R e s o u r c e s ， X i a n U n i v e r s i t y ofA r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， X i a n 7 1 0 0 5 5 ，S h a a n x i ， C h i n a Ab s t r a c t R e s e a r c h o n o p t i mi z a t i o n o f u n d e r g r o u n d mi n i n g t e c h n i q u e s e l e c t i o n w i t h f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n w a s s t a t e d．W i t h mi n i n g t e c h n i q u e f o r s e l e c t i o n a s e v a l u a t i o n s e t a nd t e c h n o - e c o n o mi c i n d i c a t o r s a s f a c t o r s e t ， t he fin a l d e c i s i o n w a s d i v i d e d i n t o t h r e e l e v e l s b a s e d o n A H P，i n c l u d i n g o b j e c t i v e l e v e l ，p r o j e c t l e v e l a n d f a c t o r l e v e 1 ．A p r o p o r t i o n a l s c a l e me t h o d w a s u s e d t o c o n s t r u c t a j u d g me n t m a t r i x o f f a c t o r s ， S O a s t o d e t e r m i n e w e i g h t i n g f a c t o r s ． A f t e r t h e ma t r i x f o rm a t wa s c o n s t ruc t e d for t h e f u z z y r e l a t i o n s b e t we e n e v a l u a t i o n s e t a n d f a c t o r s e t ．t h e ma t r i x o f f u z z y r e l a t i o n s mu l t i p l i e d b y f a c t o r - w e i g h t ma t r i x c o u l d l e a d t o t h e c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n o f e a c h s c h e me ．T h i s f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n me t h o d w a s u s e d for a me r c u r y o r e mi n e，l e a d i n g t o t h e me c h a n i c a l u p wa r d h o ri z o n t a l c u t a n d fil l s t o pi n g me t h o d s e l e c t e d a s a n o p t i mi z e d mi n i n g me t h o d．Th i s r e s u l t ，b e i ng a g r e e a b l e wi t h t h e e n g i n e e r i n g d e s i g n， i n d i c a t e s t he f e a s i bi l i t y o f s u c h me t h o d． Ke y w o r d s mi n i n g m e t h o d ； o p t i m i z a t i o n ； f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n ； a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s ； j u d g r n e n t m a t ri x 采矿方法的选择关系到 回采工艺效率 、 设备选型、 材料消耗 、 掘进工作量 、 劳动生产率以及矿石的损失与 贫化等 j 。长期以来， 采矿工程师在选择采矿方法时 主要依靠专家经验 ， 采用相似类 比法进行决策。但 当 遇到复杂的开采技术条件 比如 围岩条件差的缓倾斜 矿体 时， 就很难作出最优的决定。为克服这种主观 决策 的缺点 ， 学者们提 出了很 多采矿方法优化 的数学 方法 ， 如模糊数学 、 遗传算法 、 神经 网络 以及灰色聚类 分析等 ， 这些方法从定量 或定量定性相结合 的角 度对采矿方法进行优选 ， 在某种程度上克服 了主观决 策的缺点 ， 能作出最优的决策 。本文采用模糊综合 评价理论对采矿方法进行优选。 1 模糊综合评价理论 模糊综合评价是对评价对象优劣受多种因素影响 的事物 ， 作 出一个能合理地综合这些属性 或因素 的总 体评判 。模糊综合评价的步骤分为 ① 确立系统的评 价集与因素集 ； ② 确定 因素集 中各元 素的重要 性权 数； ③ 构建评价集对因素集的隶属度矩阵； ④ 根据模 糊综合理论进行综合评价。 ①收稿 E t 期 2 0 1 4 -1 2 - 2 5 基金项目 西安建筑科技大学学科重点培育计划基金项 目 E 0 9 0 0 3 ； “ 濮耐” 教育奖学金青年教师科研基金 P L 2 0 1 2 0 9 作者简介 汪朝 1 9 8 7 一 ， 男 ， 湖北安 陆人 ， 硕 士， 助教， 主要从 事数字矿 山与采矿 系统工程方面 的教学与研究工作 。 矿冶工程 第 3 5卷 1 ． 1 确立评价集与因素集 评价集是评价对象的集合 ， 如各种采矿方法 ， 一般 用 表示 ， { ， ， ， ⋯， } ， m为评价对 象的个 数。因素集是评价因素的集合， 用 u表示， u { u ， u ， ． ． ， } ， 凡 为评价对象的个数。 1 ． 2 因素重要性权数确定 由于因素的重要性不 同， 进行模糊评价之前必须 确定其权数。根据层次分析法 ， 确定权数 的步骤为 构 建层次结构模型、 构造判断矩 阵、 一致性检验 、 层次单 排序 、 层次总排序 引。 1 构建层次结构模型。因素的层次结构模型分 为完全相关结构、 完全独立结构和混合结构 。构建结 构模型时 ， 既要考虑与实际相符 ， 又要尽量简化 ， 本次 研究采用三层混合结构分析因素的重要性， 该模型从上 到下分为 目标层 0 、 准则层 A 和措施层 B ， 措施层 即为评价因素集合_ l ， 层次结构模型如图 1 所示。 图 1 因素集层次结构模型 2 构造判断矩 阵。判断矩阵反应 了各层各 因素 之间的重要性关系， 采用 1 9的 比率标度法 ， 对各 因 素的重要性进行专业 比较 ， 比较值分别用 0 b 表示 ， 其意义如表 1 所示 。 表 1 比例标度法意义 以措施层因素为例 标度 b 意义 b l 和 b j 的重要性相 同 b 比6 ， 稍重要 b 比 较重要 b 比 非常重要 b i 比 6 j 绝对重要 注 2 、 4 、 6 、 8 为上述两判断级的中问值； 1 ／ i f 1 ， 2 ， 3 ， ⋯ 表示与 i 判 定意义相反。 由此构造判断矩阵 A A b 1 1 b1 2 b 2 1 b2 2 b l b 2 ⋯ b1 ⋯ b 2 ● ● ⋯ b 3 一致性检验 。一致性检验是为了检验各元素 重要度之 间的协 调性 ， 避免判断矩 阵出现逻辑错误。 度量一致性的指标可用 来判断 C ， 二 f 2 ， 一 f n l 、 式中 A 为判断矩 阵特征值的最大值 ， 若 ≤O ． 1 ， 则 认为判断矩阵具有满意 的一致性 。 4 层次单排序 。层次单排序是计算某 一层 次各 元素对相邻上一层次各元素的重要性并进行排序 。根 据判断矩阵有 i 1 ， 2 ， ⋯， n 3 归一化处理 b f i 1 ， 2 ， ⋯， n b 即为B 关于A中某元素的相对重要度。 5 层次总排序。层次总排序表示最低层次上 的 各元素对总 目标的影响程度的排序 。通过逐层加权计 算 ， 可得最低层 B各因素的重要性权值 。 W W1 ， 2 ， 3 ， ⋯ ， ， ， ⋯ ， W 其中 w 1 ∑a ,i i i ,j 1 ， 2 ， ⋯， 4 式中0 表示A层各元素对 目 标层 0的单排序， 6 ； 表示 最低层元素 B 对上层元素 A 的单排序结果。 1 ． 3 建立模糊关系矩阵 对 因素集内的诸 因素 ， 评价对象中的不 同元素可 能有不 同的评定值 ， 用 r 表示因素 在评价对象 上 的隶属度 ， 由此建立评价矩阵 。 R 5 由于各个评价指标 的单位不 同， 且定量与定性表 示 同时存在 ， 因此其隶属度计算方法不一样 ， 两种评价 指标的隶属度计算方法如下 定量指标隶属度计算 一 当 为正指标时， r f ； “ 一h 当B j 为负指标时， r 。 C 其中b y 和 6 分别为 因素指标的最大值和最小值； d为极差值 ， a b j ⋯一 b j m i ； 6 方案 因素的指标值。 定性指标的隶属度计算 定性指标采用等级评定法， 可按表 2的七级赋值 一 一 一6 丁 n V ， V 一6 c 写 r r r 一 一 一 第 3期 汪朝等 基于模糊综合评价理论 的采矿方法优选 2 9 标准给出评定值 。 表 2 定性指标等级评定法 等级 最好 好 较好 中等 较差 差 最差 评定值0 ． 9 5 0 - 8 O 0 ． 6 5 1 ． 4 模糊综合评价 计算出了各 因素对评价对象的隶属度矩 阵 R， 以 及各因素的重要性权数 ， 即可做出综合性评价 ， 各方 案评价值向量计算公式为 S ． W1 ， W 2 ， W 3 ， ⋯， ， ⋯， W ‘ s 1 ， s 2 ， s 3 ， ⋯， ， ⋯， s 6 由 s ， s ， s ， ， ⋯， ， ⋯， s 中的各值即可比较出最 优方案 。 2 应用实例 陕西某汞矿受断层控制， 产于构造破碎带中， 总体 走向为北偏东 7 O 。 ， 倾 向 1 6 0 。 ， 倾角 为 3 O 。 ～6 0 。 ， 矿体 平均厚度 3 m， 属缓倾斜一 倾斜薄矿体 ， 围岩性质较好 ， 属缓倾斜难采矿体 。经过 方案初选 ， 确定 了 5种采矿 方法 浅孑 L 留矿法 方案 1 、 普通上 向分层充填采矿法 方案 2 、 机械化上向分层充填采矿法 方案 3 、 浅孔 房柱嗣后充填采矿法 方案 4 、 爆力运搬充填采矿法 方案 5 。经过分析计 算 ， 各方案 的经济技术指标见 表 3 。 表 3 方案经济技术指标值 序号 指标 名称 单 位方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 方案 5 2 ． 1 确定评价集与因素集 由初选结果建立评价集与因素集 评价集 { 方 案 1 ， 方案 2 ， 方案 3 ， 方案 4 ， 方案 5 } ； 因素集 { 顶板 安全 ， 通风条件 ， 采矿成本 ， 采切 比， 损失率 ， 贫化率 ， 采 矿工效 ， 生产能力 } ； 由层 次分析理论可知 ， 因素集元 素构成措施层 B。 2 ． 2 确定各因素重要性权数 1 构建层次结构模型。根据该矿 山的具体情况 ， 采矿方法选择 最佳采矿方法 O 主要考虑 以下 几个 因素 安全 因素 A 、 经济 因素 A 、 资源因素 A ， 、 效率因素 A 。各层次诸因素间的关系如图 2所示 。 l 最 优 采 矿 方 法 D I 一一一 ＼ 安 全 因 素 ． 1 经 济 因 素 ， 资 源 因 素 l 效 率 因 索 、 ／ ＼ 采 采 损 贫 采 生 矿 切 失 化 矿 产 成 比 蛊 蛊 工 能 本 B 4 效 力 图 2 采矿方法选择诸 因素层次 结构 模型 2 建立判断矩阵。通过专家论证 ， 对 因素的重要 性进行比较， 采用 1 9 标度方法， 建立模糊判断矩阵， 如表 4 8所示。 表 4 判断矩 阵 O- A B3 曰d B5 口6 B- 1 1 ／ 2 1 ／ 3 1 ／ 3 1 2 1 1 ／ 2 1 ／ 4 3 1 1 ／ 3 1 ／ 4 1 ／3 1 矿冶工程 第 3 5卷 表 8 判断矩阵A 3 矩阵的一致性检验。根据公式计算 出判断矩 阵 0 -．4与A 2 的 值分别为0 ． 0 3 7 和 0 ． 0 5 6 ， 矩阵的 一 致性较好 。 4 层次单排序。分别计算 出上述 5个矩 阵的元 素重要性权重 ， 对矩阵 O - A A1 A2 A3 3 3 ／ l _ - 1 ． 3 1 6 0 ． 5 3 7 0 ． 53 7 丽2 ． 6 3 2 归一化后得 Wo 0 ． 2 6 2 ， 0 ． 1 0 7 ， 0 ． 1 0 7 ， 0 ． 5 2 4 同理可求得矩阵 A - ， A ， A， ， A - 各 因素 的权 重值并归一后得 0 ． 8 ， 0 ． 2 Wa 棚 0 ． 3 2 0 ， 0 ． 1 6 7 ， 0 ． 0 7 0 ， 0 ． 0 6 3 ， 0 ． 3 8 w a 伸 0 ． 3 3 3 ， 0 ． 6 6 7 W A 0 ． 2 8 3 ， 0 ． 7 1 7 5 层次总排序。各分指标 B ， ， B ， ， B ， B 5 ， B ， B ， 日 。 对总 目标 0的权重分配值可由表 9计算 求得。 表 9 因素权重 W值计算袭 由表 9可知 I V 0 ． 2 1 0 ， 0 ．0 5 2 ， 0 ．0 3 4 ， 0 ．0 1 8 ， 0 ． 0 4 3 ， 0 ．0 7 8 ， 0 ． 1 8 9 ， 0 ． 3 7 6 2 ． 3 建立模糊关系矩阵 根据评价集 与因素集 的关 系， 构建 了隶属度 矩阵 ， 如式 7 所示 ， 数值指标 和非数值指标按前述方 法进行处理。 R 0 ． 5 0 ． 8 0 ． 8 0 ． 5 0 ． 8 0 ． 35 0 ． 5 0 ． 5 0 ． 5 0 ． 3 5 0 0 ． 1 4 1 0 ． 6 4 0 ． 8 8 0 ． 0 2 O 1 0 ． 0 8 0 ． 2 2 1 0 0 0 ． 23 0 ． 4 6 0 ． 3 7 0 ． 1 9 O 0 ． 1 9 1 0． 9 6 l 0 0． 9 4 0． 9 2 1 0 ． 9 2 0 0 ． 9 2 0 ． 7 7 7 2 ． 4 综合评价及结果 由式 6 计算可得 S R 0 ． 7 5 3 ， O ． 7 4 9 ， 0 ． 2 4 6 ， 0 ． 7 0 2 ， 0 ． 7 8 1 根据隶属矩 阵的建立方法可知 ， 评价值越小方案 越优 ， 因此综合评价的结果为采用方案 3 ， 即机械化上 向水平分层充填采矿法最佳。该采矿方法工人劳动强 度小 ， 回采过程安全可靠 ， 技术经济上可行 ， 与企业设 计拟采用的采矿法一致。因此采用模糊综合评价理论 进行采矿方法优选是可行 的。 3 结 论 采用模糊综合评价法对某缓倾斜难采矿体进行了 采矿方法优选 ， 最终选择机械化上 向水平分层充填法 作为矿山的主要开采方法 。通过研究 ， 得 出以下结论 1 利用模糊综合评价理论进行采矿方法优选 ， 克 服了过度依赖工程技术人员的经验进行采矿方法选择 的缺 点 。 2 在确定因素集的重要性权重时， 采用了层次分 析法的思想， 使计算出来的权重值更加合理， 但在构建 判断矩阵时， 采用了专家评价意见， 因此优选结果仍具 有一 定 主观性 。 3 模糊综合评价法是 一种定量与定性相结合 的 方法， 优化过程既利用了数学模型的精确性 ， 又考虑了 专家经验 的重要性 ， 优选结果实用可靠 ， 可以作为采矿 方法选择的一种决策手段。 参考文献 [ 1 ] 陈建宏 ， 刘浪 ， 周智勇 ， 等． 基于主成分 分析与神 经网络 的采矿 方法优选[ J ] ． 中南大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 4 1 5 1 9 6 7 1 9 7 2． [ 2 ] 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 ． [ 3 ] 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 ． [ 4 ] 倪彬 ， 王少宾 ， 刘晓 明． 基 于 P h a s e 围岩稳 定性分 析 的采矿方 案优选[ J ] ． 矿冶工程 ， 2 o 1 4 4 2 5 2 9 ． [ 5 ] 赵国彦 ， 唐洋 ， 刘志 祥 ， 等． 基 于改进的 AH P T O P S I S评 判模 型 的盛大铁矿采矿方法优选 [ J ] ． 科技 导报 ， 2 0 1 4 3 2 5 2 8 ． 下转 第 3 6页 矿冶工程 第 3 5卷 增大 ， 剪切应变增量最大值也在逐渐增大 ， 并逐渐趋于 稳定， 最大值分布的区域逐渐增大， 都集中在坡脚处， 而且剪切应变增量的形状趋于一致。 3 结 论 1 边坡三维方 向长度越小 ， 边坡 安全系数越大 ， 随着三维方向长度增大， 安全系数逐渐降低并最终趋 于定值 。 2 当边坡三维方 向长度小于边坡高度时， 安全系 数下降明显， 边坡的三维效应影响明显； 当边坡三维方 向长度不小于边坡高度时 ， 安全系数变化不大 ， 边坡的 三维效应影响减弱。 参考文献 [ 1 ] 何忠 明， 张力 ， 王玲 ， 等． 通平高速公 路路堑 高边 坡稳定 性综 合评价[ J ] ． 矿冶工程， 2 0 1 4 1 6 - 8 ． [ 2 ] 郑颖人 ， 赵 尚毅． 岩土工程极限分析有限元 法及其应用 [ J ] ． 土木 工程学报 ， 2 0 0 5 ， 3 8 1 9 2 1 0 4 ． [ 3 ] 郑颖人 ， 赵 尚毅 ，张鲁渝． 用有 限元强度 折减法进行 边坡稳定 分 析[ J ] ． 中国工程科学， 2 0 0 2 1 0 5 7 - 7 8 ． [ 4 ] 宋婷 ， 何润 洲． 极 限平衡 与强 度折 减法 在边坡 分 析 中的对 比 [ J ] ．山西建筑 ， 2 0 1 0 2 3 1 2 1 1 2 3 ． [ 5 ] 谭晓慧， 王建国， 王印． 边坡稳定的非线性有限元分析[ J ] ． 岩 土力学 ， 2 0 0 8 ， 2 9 8 2 0 4 7 2 0 5 0 ． [ 6 ] 林杭 ， 曹平 ， 李江腾 ， 等． 边坡I 临界失 稳状态 的判 定标准 分析 [ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 8 ， 3 3 6 6 4 3 6 4 7 ． [ 7 ] 郑颖人， 赵尚毅． 有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 4， 2 3 1 9 3 3 8 1 3 3 8 8 ． 上 接第 3 3页 过程 中要控制注浆压力和注浆量 ， 根据 围岩吸浆情况 及时调整浆液配 比， 从而达到注浆结束标准 。另外 ， 在 施工探孑 L 和注浆过程 中要加强施工组织管理 ， 合理安 排平行作业， 减少探治水时间。该矿斜坡道工程通过 采取上述措施， 探治水效果良好， 缩短了施工工期， 施 工安全和进度都得到了保障。 参考文献 [ 1 ] 王剑峻． 基建矿井巷道施工防探水方案研究[ J ] ． 中国矿山工程 ， 2 0 1 4． 4 3 1 3 9 4 3 ． [ 2 ] 张 飞龙 ， 吴国强 ， 孙波． 井巷过 断层注浆堵水技术应用 [ C] ∥第 七届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集， 2 0 1 2 6 4 7 8 ． [ 3 ] G B 5 0 6 5 3 2 0 1 1 ， 有色金属矿山井巷工程施工规范[ s ] ．