云锡老厂深部开采通风系统方案优化.pdf

Se r i e s No ． 4 20 J u n e 2 01 1 金 氍 METAL MI NE 总 第4 2 0 期 2 0 1 1 年第 6期 安全 与环保 云锡老厂深部 开采通风系统方案优化 余文章 戴晓江 季现伟 王孝东 昆明理工 大学国土资源工程 学院 摘要介绍 了多 目标决策灰色关联投影法 的原 理及 特点 ， 以风压 、 等积孔 、 特征巷道 风量 、 年 通风 电费 、 风机 购置费等作为指标集， 对云锡老厂深部开采通风系统设计可能方案进行客观分析优选 ， 获得最佳方案。该方案实 施后， 通风效果明显改善， 通风费用降低。应用实例表明， 将该投影法应用到矿井通风系统方案优化中， 其结果科 学 、 有效 、 可行 。 关键词 多目标决策灰 色关联投影法矿 井通风方案优化 De s i g n Sc he me Opt i m i z a t i o n o f De e p M i ni n g Ve nt i l a t i o n S y s t e m i n Yun xi La o c h an g M i n e Y u We n z h a n g D a i X i a o j i a n g J i X i a n w e i Wa n g X i a o d o n g F a c u l t y o fL a n d R e s o u r c e E n g i n e e r i n g， K u n m i n g 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 A b s t r a c t T h e t h e o r y a n d i t s f e a t u r e s o f t h e g r e y r e l a t i o n p r o j e c t i o n w i t h mu 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 a r e i n t r o - du c e d a nd de s c r i be d．Ta ki n g wi n d p r e s s u r e，e q u i v a l e n t o rific e，f e a t ur e v e n t i l a t i o n ai r flo w，a n n ua l po we r c o s t s f o r a i r a n d f a n a c q u i s i t i o n e x p e n s e s a s t h e i n d e x s e t ，t h e o b j e c t i v e a n a l y s i s a n d o p t i mi z a t i o n o n t h e p o s s i b l e d e s i g n s c h e m e o f d e e p mi n i n g v e n t i l a t i o n s y s t e m i n Yun x i La o c h a n g Mi r e a r e mad e t o g e t a n o p t i ma l s c he me ．The n．t h e v e n t i l a t i o n e f f e c t i s i m pr o v e d o b v i o u s l y a n d c o s t s a r e l o we r e d a f t e r t h e i mpl e me n t a t i o n o f t h e s c h e me ．The pr a c t i c a l a pp l i c a t i o n s h o ws t h a t t h e p r o j e c t i o n me t h o d i s s c i e n t i fi c ， e f f e c t i v e a n d f e a s i b l e i n o p t i mi z a t i o n o f m i n e v e n t i l a t i o n s y s t e m ． Ke y w o r d s Mu l t i o b j e c t i v e d e c i s i o n ，G r e y r e l a t i o n p r o j e c t i o n me t h o d ， Mi n e v e n t i l a t i o n ， S c h e m e o p t i m i z a t i o n 矿井通风系统是一个 复杂的非线性系统 ， 具有 随机性、 模糊性和不确定性特征 。为了实现矿井 通风的系统方案优化 ， 需要使用某种方法从拟定的 多个方案中优选 出最佳的通风系统 。矿井通风系统 方案涉及到多个 因素指标 目标 之 间并不是相互 独立的， 尽管它们之间的相互关系并不明确 ， 但实际 上却是存在的， 从本质上讲 ， 这是一种灰色多 目标决 策问题 J 。云锡老厂根据采掘作业风量需求 、 矿井 开拓及生产布局 己拟定 出多个可行 的通风 系统方 案 ， 这些方案各有其优缺点。为保证 所采纳方案先 进科学 ， 本研究将灰色关联投影法应 用于云锡老厂 深部开采通风系统设计方案的优选 ， 该优化方案实 施后 ， 通风效果明显改善。 1 优化方法选择 矿井通风 系统是 由相互关联 、 相互制约的众 多 因素构成的动态复杂系统 ， 对有关 因素不 同角度 的 考虑 ， 导致产生多个设计方案。通风 系统方案优 化 的主要 内容之一 ， 就是要应用模糊评判 、 层次分析 、 多 目标决策的灰色关联投影法等科学的决策方法 ， 从众多的设计方案中筛选出可靠性高、 通风效果好 、 经营费用低 的综合最 优方案。在 灰色关联投影法 中， 一个决策方案本身就是 因素指标集的映射 ， 因素 指标集一旦确定 ， 决策方案也就确定 了 J 。这种方 法综合了整个 因素指标空 间的影响， 避免单方 向偏 差 ， 反映了整个因素指标空间的影 响。灰色关联投 影法本质上是一种简单加权 系数方法 ， 该方法中的 加权系数是与原加权系数 的平方成正比的一组新的 加权系数 ， 通过新 的算法 ， 使重要指标 的加权系数得 到进一步加强。并且以投影值的大小作为评判决策 方案优劣的标准。因此 ， 考虑采用多 目标决策灰 色 关联投影法进行矿井通风系统方案优选。 2 多 目标决策 的灰 色关联投 影法原 理 2 ． 1 多指标决策域的集合 A { 方案 1 ， 方案 2 ， 方案 3 ， ⋯， 方案 n } 余 文章 1 9 8 5 ～ ， 男 ， 硕士， 6 5 0 0 9 3云南省 昆明市学府路昆明理工大 学莲华校区。 总第4 2 0期 金 畿 砖 2 0 1 1 年第 6期 { A l ， A 2 ， 4 3 ， ⋯， A } ． 记 是因素指标 的集合 V { 指标 1 ， 指标 2， 指标 3 ， ⋯ 指标 m} { V 1 ， ， ， ⋯， } ． 方案A 对指标 的属性值 指标值 记为 i 1 ， 2 ， ⋯， ； 1 ， 2， ⋯， m 。 通常， 指标有属性值愈 大愈好 的指标 效益型指标 或属性值愈小愈好的 指标 成本型指标 。 记最佳决策方案A 。 的因素指标 为 y 0 ， ， 且满足当因素指标 为效益型 愈大愈好 指 标时， m a x Y I j ， ， ⋯ ， ， 当因素指标 为成本型 愈小愈好 指标时 ， y 0 7rai n Y 1 ， ， y 2 一， ， ． 则矩阵 Y 1 i0 ， 1 ， 2 ， ⋯ ， ； J - 1 ， 2 ， ⋯ ， m 为方案集 对指标集 的决策矩阵。 2 ． 2 初值化处理 对一个数列 的所有数据均用它 的第一个数去 除， 从而得到一个新数列。该数列有共同的起点 ， 无 量纲 ， 其数据值均大于 0 。 记 l ， 为 y的生成序列 ， l ， ， i0 ， 1 ， 2， ⋯， n ； 1 ， 2， ⋯， ， y Y ， i0 ， 1 ， 2， ⋯， 凡 ； 1 ， 2， ⋯， m ， 并且满足 Yf Y ／ Y叫， i0 ， 1 ， 2， ⋯， n 1 ， 2 ， ⋯， m ． 经过初值化处理以后 ， 很显然 Y 。 1 J1 ， 2， ⋯ ，m 。 这里 I ， 。 即为理想方案。 以 。 为母 因素， 以 Y i1 ， ⋯， n ； 1 ， 2 ， ⋯ ， m为子因素就可以得 到其他方案与理想方案的关联度 。 2 ． 3 关联度 r fj 的计算 为子因素 Y i1 ， 2 ， ⋯， ； 1 ， 2 ， ⋯ ， m 关于母因素 Y 。 1 1 ， 2 ， ⋯， m的关联度 ， r ’ ， y ， 孝为特定关联映射； 则有 n I y 0 J y I A “ I l ， 一 l ， I 1 3 8 y， 嘶 一 Y IA mn ax m m a I Y q ，一 l ， I ’ 1 式中， 常数 A称为分辨系数。 它的作用在于调整 比较 环境 的大小 ， 即将 比较环境缩小改变。 当 A 0时 ， 环境消失 ； A 1时 ， 环境 “ 原封不动”地保持着。 通 常 ， 取 A 0 ． 5 。 2 ． 4 多目标灰色关联度判断矩阵 R的构造 多 目标灰色关联度判断矩阵 R的构造公式 R T 01 F 0 2 FI l Fl 2 ● ／ -n 1 ／ n 2 2 由 n1 m个元素组成灰色关联度判断矩 阵 R， 很显然 ， 在这里 r 0 r 。 ⋯ r 。 1 。 2 ． 5 加权系数 的确定 ] 对实际问题选定被综合的指标后 ， 确定各个指 标的权重系数 ， 常有 以下几种方法 主观赋权法 ， 客 观赋权法。主观赋权法其特点在于集 中专家的经验 与意见 ， 确定各指标的权值 。专家意见主要依据个 人经验 ， 具有主观性 ， 因而导致每一次的所赋权值会 有所差别。客观赋权法则是从指标的统计性质来考 虑， 它 由调查所得的数据决定 ， 具有客观性 ， 所 以被 广泛使用。客观赋权法又分为方差倒数赋权法和变 异系数赋权法。 1 方差倒数赋权法 。用方差的倒数赋权来综 合各种相互独立的预测， 方差达到最小。所以选用 方差的倒数来计算权重系数 ／ o -； ／ ∑町 。 ， i 1 ， 2 ， ⋯ ， ． 3 2 变异系数赋权法是在方差倒数赋权法的基 础上提出的。一组数据的变异系数是它的标准差除 以均值的绝对值。即对数据 z ， z ， ⋯ ， 。记 ∑ 4 ， 1 n 、 1 ／ 2 5 ； J， 5 则 S z ／l j I ， 6 就是 ， ， ⋯， 的变异系数 。 于是 ， 对选用 的指标 ， ， ⋯， ， 利用被评价 对象 的数据 ， 各个指标都有各 自的变异 系数 ] 。 为 了方便 ， 用 表示 的变异系数 ， i1 ， 2 ， ⋯， ， 此 时， 相应的权重系数 ／ ∞ ’ ／ ∑ i 1 ， 2 ， ⋯， ． 7 余文章等 云锡老厂深部开采通风 系统方案优化 2 0 1 1年第 6期 2 ． 6灰色关联投影权值矢量 灰色关联投影权值矢量为 ／厂 一 ／ √ 2 ． 7 决策方案的投影值 决策方案 的投影值为 m D ， Y R ， 1 ， 2 ， 3 ， ⋯， m ． 9 i 3 实例应用 评价矿井通风系统方案 的指标较多 ， 直接利用 这些指标对矿井通风系统进行评价太过繁琐 ， 根据 老厂矿 的实际情况， 使用指标从技术可行性、 经济合 理性两方面进行 比较 ， 其 中技术指标主要有矿井风 压 、 矿井等积孔、 某巷道风量 、 轴功率 ； 经济合理性指 标则有通风设施年通风 电费 、 风机购置费用等。 通过对老厂通风系统现场调查 和建立数 学模 型 ， 并经过详细分析与计算 ， 提 出了4个可行的矿井 通风系统方案 ， 结合 6个评价指标 ， 对每个方案都进 行 了详细计算和分析， 得出了 4个通风方案的每个 指标值 ， 见表 1 “ 。 表 1 各方 案指标计算汇 总 已知方案 U{ 方案 1 、 方案2 、 方案 3 、 方案4} ， 指标集 V{ 风压 、 等积孔 、 某巷道风量 、 轴功率 、 年 通 风 电费 、 风 机购 置费用 } 。 1 根据灰 色关联投 影法及表 1所 给数 据， 可 以列 出相对最佳设计方案 的因素指标。 U o { 9 5 4 ， 6 ． 0 8 ， 1 ． 6 6， 2 0 4 ． 0 6， 5 1 7 1 7 0 ， 1 4 ． 1 8 0 6 } ． 下面就可以列出方案集 对指标集 的属性矩阵 Y 9 5 4 6 ． 0 8 1 ． 6 6 2 0 4 ． 0 6 5 1 7 1 7 0 1 4 ． 1 8 0 6- 1 I 1 0 2 1 5 ． 9 4 1 ． 6 6 2 3 2 ． 2 6 1 9 4 5 8 1 5 ． 1 0 4 5 l l 1 0 2 2 5 ． 9 2 1 ． 3 3 2 3 1 ． 4 6 1 7 2 2 8 1 4 ． 1 8 0 6 l l 9 6 6 6 ． 0 4 0 ． 0 9 2 0 4 ． 0 6 5 1 7 1 7 0 1 5 ． 1 0 4 5 l J 9 5 4 6 ． 0 8 0 ． 3 5 2 1 1 ． O 7 5 6 3 0 9 3 1 4 ． 1 8 0 6 2 根据灰色关联投影法原理 1 ， 对 y进行初 值化处理 ， 得到 l ， 3 在得到初始化序列 Y 后 ， 根据关联度 r 的 计算原理就可以得到灰色关联判断矩阵 R 1 1 1 1 1 1 。 1 Q 9 I 2 1 9 6 3 4 1 Q 8 2 4 6 Q7 3 5 7 n9 0 8 4 l Q 9 0 0 9 Q9 5 8 4 Q7 5 3 Q 8 2 7 6 Q7 3 2 6 1 l n9 7 9 9 1 9 8 9 2 Q 3 5 2 Q 8 3 3 1 Q9 0 8 4 I 1 1 Q 3 3 3 4【 l 9 8 5 2【 l 8 8 1 2 1 4 加权系数 的计算。①根据方差倒数赋权 法 ， 对 4个方案 中同一字段 的指 标计算 权 重系数 ∞ ￡ ， ” { 0 ． 2 3 4 7 1 1 ， 0 ． 2 3 4 2 5 2 ， 0 ． 2 6 2 1 9 9 ， 0 ． 2 6 8 8 3 7 } ， ” { 0 ． 2 5 4 5 5 6 ， 0 ． 2 5 6 2 7 9 ， 0 ． 2 4 6 1 9 7 ， 0 ． 2 4 2 9 6 8 } ， ” { 0 ． 0 0 2 7 3 8 ， 0 ． 0 0 4 2 6 5 ， 0 ． 9 3 1 4 1 ， 0 ． 6 1 5 8 7 } ， { 0 ． 2 2 1 9 6 8 ， 0 ． 2 2 3 5 0 5 ， 0 ． 2 8 5 8 9 3 ， 0 ． 2 6 8 6 3 4 } ， { 0 ． 2 3 2 4 7 7 ， 0 ． 2 3 3 3 1 7 ， 0 ． 2 7 8 4 5 8 ， 0 ． 2 5 5 7 4 8 } ， ” { 0 ． 2 3 4 2 4 1 ， 0 ． 2 6 5 7 5 9 ， 0 ． 2 3 4 2 4 1 ， 0 ． 2 6 5 7 5 9 } ． ②根据变异 系数赋 权法 ， 求得 各个 指标 权重 系数 ∞ 2 { 0 ． 2 5 ， 0 ． 2 5 ， 0 ． 2 5 ， 0 ． 2 5， 0 ． 2 5 ， 0 ． 2 5 } ， S { 0 ． 0 1 8 1 2 3 ， 0 ． 0 0 6 4 3 1 5 6 8 ， 0 ． 4 5 5 0 9 8 2 5 1 ， 0 ． 0 3 2 2 6 6 0 9 1 ， 0 ． 0 2 1 8 1 9 2 2 ， 0 ． 0 1 8 1 9 6 4 0 5 } ， { 3 ． 4 6 4 8 6 2 ， 3 ． 4 7 1 2 6 7 ， 3 ． 9 1 3 2 8 9 ， 3 ． 4 6 6 5 8 3 ， 3 ． 4 6 8 6 1 ， 3 ． 4 6 4 8 6 6 } ， ’ 0 ． 1 6 3 0 5 6 ， 0 ． 1 6 3 3 5 8 ， 0 ． 1 8 4 1 5 9 ， 0 ． 1 6 3 1 3 7 ， 0 ． 1 6 3 2 3 3 ， 0 ． 1 6 3 0 5 7 T ． 5 根据 8 式可计算 出灰色关联投影权值矢 量 W 0 ． 1 5 9 1 7 4 ， 0 ． 1 5 9 7 6 3 ， 0 ． 2 0 3 0 4 ， 0 ． 1 5 9 3 3 2 ， 0 ． 1 5 9 5 1 8 ， 0 ． 1 5 9 1 7 4 T ． 6 然后根据 9 式 ， 可 以计算得出各个决策方 案的投影值 DI O ． 9 2 9 8 2 1 ， 0 ． 8 7 5 8 3 1 ， 0 ． 8 2 2 3 1 7 ， 0 ． 8 4 3 3 4 6 ． 7 通过 比较 4个方案的投影值可知方案 1的 投影值最大 ， 方案一为优选 出的最优方案 。因此选 用方案一作为老厂新采区的通风系统改造方案。 5 结论 1 利用多 目标决策的灰色关联投影法可以对 云锡老厂通风系统方案进行优化 ， 其优化方案结果 科学、 方便 、 有效。 下转第 1 4 8页 1 3 9 啪 4 O Q 9 9 跚 跚 Q Q Q 2 ， Q 一 、 『 7 7 4 ％ Q Q n 总第 4 2 0期 金 属 矿 山 2 0 1 1年第6期 3 结论 采用 B P神经 网络， 以硫化矿石的吸氧量 、 自热 起始温度和 比表面积为输入层单元 ， 以硫化矿石的 自然危险性等级为输 出层单元 ， 建立了硫化矿石 自 燃倾 向性鉴定模 型， 并将模 型在 MA T L A B上实现。 利用训练好 的网络对硫化矿石的自燃倾 向性进行预 测 ， 误差率最高为 0 ． 0 5 2 ， 满足硫化矿石 自燃倾 向性 预测的要求， 为硫化矿石自燃倾向性鉴定提供了新 的方法 [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 吴超 ， 孟廷让 ．高硫矿井 内因火灾防治理论 与技术 [ M] ．北 京 冶金工业 出版社 ，1 9 9 5 ． 赵军 ， 张兴凯 ， 王云海 ．硫铁矿 的 比表面积 、 孔体 积及其对 硫铁矿吸附能力的影响研究[ J ] ．中国安全生产科学技术， 2 0 0 8， 4 4 1 1 9 1 2 1 ． 赵军 ， 张兴凯 ， 王云海 ．硫 化矿石 自燃倾 向性鉴定技术研究 上接第 1 3 9页 2 灰色关联投影法没有单独地 以矿井通风系统方 案中的某一方案的决策与经验方案比较作为决策方 案优劣的标准， 它是在具有制约性 和随机性众 多影 响因素条件下反映出各决策方案与经验方案之问的 决策程度 。 3 利用灰色关联投影法能准备快捷地计算 出 灰色关联投影值 ， 但在加权系统和指标类型的选择 上还有待于进一步研究。 4 在灰色关联投影法 中决策方案本身与因素 指标集之间存在着传递性 。这种方法综合 了整个因 素指标空间的影响， 尤其是在因素指标值样本量少 而且数据离散的情况下 ， 灰色关联投影法能够避免 单方向偏差 ， 从而全面地分析发指标间的相互关系 ， 反映了整个因素指标空间的影 响， 因此决策模 型是 科学可信 的。 [ J ] ．中国安全生产科学技术 ， 2 0 0 9， 5 6 1 0 5 1 0 9 ． [ 4] 赵军 ， 张兴凯 ， 王 云海 ．基于程序升 温氧化法的硫化矿石 自 燃倾 向性研究 [ J ] ．中 国安 全生产科 学技术 ， 2 0 0 9 ， 5 2 2 4 ． 2 7 ． [ 5 ] 胡汉华 ， 刘征 ， 李孜军 ， 等 ．硫 化矿石 自燃 倾 向性 等级分类 的 F is h e r 判别分析法 [ J ] ．煤炭学报 ， 2 0 1 0 1 0 1 6 7 4 ． 1 6 7 9 ． [ 6 ] 李明 ， 吴超 ， 李孜军 ．多因素耦合条件下硫化矿 自燃神 经 网络动态预 测模 型研 究 【 J ] ．中 国安 全 科学 学 报 ， 2 0 0 7， 1 7 8 3 2 - 3 6 ． [ 7 ] 陈万宏 ．基于 cB u i l d e r 与 MA T L A B接 口的轴系计算 系统 设计与实现 [ D] ．上 海 上海交通大学 ， 2 0 0 8 ． [ 8 ] 谢振华 ， 陈庆 ．尾矿坝监测数 据分析 的 R B F神经 网络 方法 [ J ] ．金 属矿 山， 2 0 0 6 1 0 6 9 - 7 1 ． [ 9 ] 周勃 ， 吴超 ， 李茂 楠 ， 等 ．硫化矿石 预氧化前后 自燃倾 向 性 的比较研究 [ J ] ．中国矿业 ， 1 9 9 8 ， 7 5 7 7 - 7 9 ． [ 1 0 ] 陆伟 ．基于耗氧量的煤 自燃倾 向性快速鉴定方法[ J ] ．湖 南科技大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 2 3 1 1 5 ． 1 8 ． 收稿 日期2 0 1 1 _ I 4 ． 2 1 参考文献 骆正保 ． 高阳矿井通风系统改造方案优化[ J ] ．煤矿开采， 2 0 0 1 4 7 3 - 7 5 ． 王应 明 ．一种多指标决策与评 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