基于粗糙模糊集理論的采礦方法優(yōu)化研究

趙樹(shù)果 宋煥虎 宋衛(wèi)東

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063000；2.開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018；3.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

基于粗糙模糊集理論的采礦方法優(yōu)化研究

趙樹(shù)果1宋煥虎2宋衛(wèi)東3

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063000；2.開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018；3.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

針對(duì)傳統(tǒng)采礦方法選擇存在的弊端，將粗糙集理論與模糊集理論結(jié)合應(yīng)用于采礦方法優(yōu)化選擇，提出液壓支護(hù)長(zhǎng)壁法開(kāi)采緩傾斜薄礦體的新方法。將采礦方法優(yōu)化評(píng)價(jià)結(jié)果作為決策屬性，綜合分析開(kāi)采安全性、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境友好等因素，選取11種影響因素作為條件屬性，構(gòu)建樣本集合，建立了采礦方法優(yōu)選指標(biāo)體系、隸屬度矩陣和權(quán)重系數(shù)矩陣，對(duì)擬定采礦方法進(jìn)行定量分析；應(yīng)用粗糙集理論中知識(shí)依賴性和屬性重要性評(píng)價(jià)法，將模糊數(shù)學(xué)權(quán)系數(shù)的確定轉(zhuǎn)化為粗糙集中屬性重要性評(píng)價(jià)問(wèn)題，從約簡(jiǎn)結(jié)果中提取判別規(guī)則，給出預(yù)測(cè)模型權(quán)系數(shù)計(jì)算方法，確定液壓支護(hù)長(zhǎng)壁式崩落法為最佳開(kāi)采方案。結(jié)果表明，應(yīng)用粗糙模糊集理論選出的采礦方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，達(dá)到了安全、高效、低消耗采礦的目的，提高了采礦方法優(yōu)化選擇的科學(xué)性和客觀性，有較高理論與工程應(yīng)用價(jià)值。

粗糙模糊集理論 評(píng)價(jià)因素體系 最優(yōu)采礦方法 優(yōu)化評(píng)價(jià)

礦山生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜多層次的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)[1]。選擇的采礦方法是影響企業(yè)投資及其經(jīng)濟(jì)效益的最重要的因素。近年來(lái)，數(shù)值方法的不斷發(fā)展使采礦方法的優(yōu)選逐漸向數(shù)值化、定量化發(fā)展，應(yīng)用較廣的方法有模糊數(shù)學(xué)法、層次分析法、多目標(biāo)決策法、價(jià)值工程法、相容分析法等[2]，數(shù)值方法的應(yīng)用為礦山的安全高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保開(kāi)采提供了有力的理論支持和技術(shù)保障。同時(shí)，隨著優(yōu)選采礦方法由單一、簡(jiǎn)單、經(jīng)驗(yàn)向綜合、復(fù)雜、定量方面的發(fā)展，多個(gè)理論被結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，如陳建宏等[2]提出用“蜘蛛圖法”直觀表達(dá)采礦方法優(yōu)化選擇的表示法。李向東等[3]認(rèn)為將影響采礦方法的主要因素用模糊數(shù)學(xué)定量化，采用層次分析法選取權(quán)重可以減少人為因素的影響。黃德鏞等[4]將專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等思想和方法引入采礦方法優(yōu)選中，設(shè)計(jì)出采礦方法智能化決策支持系統(tǒng)。吳愛(ài)祥等[5]提出了“相似率價(jià)值工程法”，通過(guò)結(jié)合層次分析法計(jì)算各種采礦方法的價(jià)值大小來(lái)確定優(yōu)化方案。羅章等[6]把工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)建成專家系統(tǒng)，為其他相似工程的選擇提供依據(jù)。在各種優(yōu)化方案中，關(guān)鍵的難點(diǎn)是權(quán)重的確定，各優(yōu)化選擇方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，如專家咨詢的弱點(diǎn)是過(guò)分依賴專家的統(tǒng)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)果有時(shí)存在較大的誤差；相關(guān)分析法、誤差和最小法是基于統(tǒng)計(jì)理論的方法，數(shù)據(jù)處理的工作量大，需要借助數(shù)值計(jì)算求取近似值；基于灰色理論、遺傳算法等在確定權(quán)重時(shí)需要求解誤差和最小問(wèn)題[7]。

本研究以鄂西緩傾斜薄鐵礦體為工程背景，結(jié)合緩傾斜薄鐵礦床工程地質(zhì)、開(kāi)采技術(shù)條件，建立采礦方法綜合評(píng)判指標(biāo)體系，采用粗糙集理論與模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合的方法，將模糊數(shù)學(xué)權(quán)系數(shù)的確定問(wèn)題轉(zhuǎn)化為粗糙集中屬性重要性評(píng)價(jià)問(wèn)題，利用粗糙集理論中的知識(shí)依賴性和屬性重要性評(píng)價(jià)方法，給出預(yù)測(cè)模型權(quán)系數(shù)的計(jì)算方法，確定了最優(yōu)方案，克服了傳統(tǒng)權(quán)系數(shù)確定方法的主觀性[8]。

1 工程概況

官店鐵礦涼水井—大莊礦段屬泥盆“寧鄉(xiāng)式”海相沉積型赤鐵礦床，產(chǎn)于上泥盤統(tǒng)寫經(jīng)寺組底部，直接頂為灰綠色、藍(lán)灰色頁(yè)巖，間接頂大多為淺灰色泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r等。-8′至-16′線范圍內(nèi)礦體走向?yàn)楸北睎|—南西西，傾向北北西，礦體呈層狀、透鏡狀產(chǎn)出，礦體厚度較穩(wěn)定，平均3.74 m，屬緩傾斜礦體；礦體走向長(zhǎng)14 km，寬約4～6 km，面積60 km2。礦體、圍巖主要力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

2 基于粗糙模糊集理論的采礦方法優(yōu)化

2.1 采礦方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系選擇

綜合分析礦體賦存特征與地質(zhì)條件，從安全、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、高效開(kāi)采角度及環(huán)境友好方面分析各種開(kāi)采方案的可行性，初步確定采用綜合機(jī)械化盤區(qū)房柱法、液壓支護(hù)長(zhǎng)壁式崩落法、液壓支護(hù)削壁充填法和房柱法開(kāi)采嗣后崩落法[8]等。構(gòu)造影響該礦采礦方法選擇的11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見(jiàn)表2)，評(píng)價(jià)因素集V={采礦成本，采切比，礦塊生產(chǎn)能力，貧化率，損失率，工藝繁簡(jiǎn)程度，機(jī)械化程度，安全性，通風(fēng)條件，勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)地表的破壞程度}，方案集U={綜合機(jī)械化盤區(qū)房柱法，液壓支護(hù)長(zhǎng)壁式崩落法，液壓支護(hù)削壁充填法，房柱法開(kāi)采嗣后崩落法}。

表2 采礦方法選擇的指標(biāo)體系

2.2 基于模糊理論構(gòu)建隸屬度矩陣

給論域U中元素賦以區(qū)間[0，1]內(nèi)一個(gè)數(shù)。設(shè)U={u1，u2，…un}為待分類事物全體，rij表示元素ui與uj相似系數(shù)，0≤rij≤1(i、j=1，2，…，n)；rij=0表示ui與uj不同，無(wú)相似；rij=1表示它們完全相似或等同；當(dāng)i=j時(shí)，rij表示ui自己與自己相似程度，恒取1[9]。

(1)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度計(jì)算。

正指標(biāo):

(1)

負(fù)指標(biāo)：

(2)

式中,rij為j方案i指標(biāo)的隸屬度；ximin為i指標(biāo)的下限值；ximax為i指標(biāo)的上限值；xij為各方案指標(biāo)的平均值。

(2)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)定量化。采用10分制評(píng)分法進(jìn)行定性指標(biāo)的定量化處理，同時(shí)將極小型指標(biāo)進(jìn)行一致化處理(見(jiàn)表3)。

表3 定性指標(biāo)的定量化標(biāo)準(zhǔn)

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬性值確定。采用10分制或?qū)χ笜?biāo)屬性值進(jìn)行賦值法對(duì)擬定方案實(shí)施效果進(jìn)行分析和預(yù)計(jì)，采取平均方法得到擬定采礦方法的指標(biāo)屬性值，見(jiàn)表4。

表4 擬定采礦方法的指標(biāo)屬性值

分別對(duì)正負(fù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，可得到?jīng)鏊蠊俚甑V段可行采礦方法的優(yōu)選指標(biāo)的隸屬度矩陣為

2.3 基于粗糙集理論構(gòu)建權(quán)重系數(shù)矩陣

將擬定采礦方法的評(píng)價(jià)結(jié)果分為中、好、差3個(gè)等級(jí)，為決策屬性值，a1～a11為條件屬性值，表5為所建立的采礦方法的條件屬性與決策屬性表，并以決策表的形式通過(guò)數(shù)據(jù)分析工具處理。

(1)權(quán)重?cái)?shù)據(jù)的收集。ROSETTA軟件是Rough集理論框架的表格邏輯數(shù)學(xué)分析工具包，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘和對(duì)知識(shí)的獲取，可以進(jìn)行最小屬性的約簡(jiǎn)計(jì)算和產(chǎn)生易使用的If-then決策規(guī)則或描述模型，對(duì)得到的規(guī)則或模式進(jìn)行驗(yàn)證和分析，檢測(cè)有效性[11]。將表5通過(guò)主菜單欄中的“文件”選項(xiàng) “Project”窗口，選擇“ODBC”項(xiàng)，通過(guò)“Open database”，“選擇數(shù)據(jù)源”對(duì)話框，選擇 “采礦方法決策表.xls”文件[9]，導(dǎo)入數(shù)據(jù)。

表5 采礦方法的條件屬性與決策屬性

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)補(bǔ)齊、離散化等過(guò)程，經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入屬性約簡(jiǎn)過(guò)程。選擇“Boolean reasoning algorithm”算法進(jìn)行離散化處理[10]，對(duì)離散化生成的項(xiàng)目進(jìn)行屬性約簡(jiǎn)(Reduce)，約簡(jiǎn)采用Genetic algorithm(遺傳算法)。

(3)上下近似集計(jì)算與等價(jià)類的獲取。

(4)規(guī)則生成與挑選。數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)后在新生成項(xiàng)上右擊，選擇“Generate rules”算法，形成規(guī)則結(jié)果，同時(shí)，根據(jù)研究工作所需進(jìn)行規(guī)則挑選。

(5)統(tǒng)計(jì)(Statistics)。在新生成項(xiàng)上選擇“Statistics”菜單，進(jìn)行屬性的重要度計(jì)算，得到指標(biāo)體系權(quán)重系數(shù)矩陣

[0.122 0.068 0.124 0.098 0.108 0.107

0.054 0.116 0.069 0.075 0.667].

3 模糊綜合評(píng)判確定最優(yōu)方案

最優(yōu)采礦方法評(píng)價(jià)向量

B=(b1，b2，…，bn)，

向量中bi的值越大，則與之相對(duì)應(yīng)的采礦方案的可選度越高，利用B=W·R原則計(jì)算得到綜合評(píng)判的評(píng)價(jià)向量

B=W·R=

(0.684 4 1.051 6 0.494 0 0.482 3).

4 結(jié) 論

(1)提出了液壓支護(hù)長(zhǎng)壁法開(kāi)采緩傾斜薄礦體的開(kāi)采方法，進(jìn)行采礦方法初選，綜合分析開(kāi)采的安全性、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、高效開(kāi)采的角度及環(huán)境友好等因素，構(gòu)建了影響采礦方法優(yōu)化的指標(biāo)體系，并確定了指標(biāo)體系的重要度。

(2)將粗糙集理論與模糊集理論結(jié)合應(yīng)用于采礦方法的優(yōu)化選擇。建立了隸屬度矩陣和權(quán)重系數(shù)矩陣；采用模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度原則方法對(duì)本研究中擬定的各種采礦方法進(jìn)行定量化分析，得出各種采礦方法的評(píng)價(jià)向量B；確定液壓支 護(hù)長(zhǎng)壁式崩落法為最佳開(kāi)采方案，其次為盤區(qū)組合機(jī)械化房柱法。

(3)應(yīng)用粗糙集理論挖掘出數(shù)據(jù)中的內(nèi)在規(guī)律，提高了預(yù)測(cè)結(jié)果的科學(xué)性與客觀性，克服了傳統(tǒng)方法的主觀性，為采礦方法的優(yōu)化選擇提供了新思路與方法。

(4)粗糙集不限制問(wèn)題的屬性數(shù)量，綜合確定了常規(guī)的11種影響因素。但隨著綠色采礦理念的廣泛應(yīng)用，可更多地考慮采礦方法的影響因子，以使預(yù)測(cè)結(jié)果更符合礦山的可持續(xù)發(fā)展。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Study on the Optimization of Mining Methods Based on Rough Fuzzy Set Theory

Zhao Shuguo1Song Huanhu2Song Weidong3

(1.CollegeofMiningEngineering，NorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tangshan063009，China；2.KailuanGroupCo.，Ltd.，Tangshan063018，China；3.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

Based on the deficiencies in selection of conventional mining methods，a new method of exploring the gentle dip thin ore body with the hydraulic pressure support long wall method was put forward，through integrating the rough set theory with the fuzzy set theory in mining method optimization.With the comprehensive analysis of mining safety，economic，technical index and friendly environment factors，11 kinds of influence factors are taken as condition attributes and the results of mining optimization and evaluation are as decision attributes to build the mining method optimization evaluation index system，the membership degree matrix and weight coefficient matrix on the quantitative analysis for the proposed mining methods；The knowledge dependency and attribute importance of theory evaluation method is applied to transform the weight coefficient of fuzzy mathematics into rough set attribute importance evaluation.Discriminated rule is extracted from the reduction results to propose the calculation method of weight coefficient and determine the optimal scheme for hydraulic support long wall caving method.The results show that mining method selected by rough fuzzy set theory are adaptable，with features of safety，high efficiency and low consumption.It makes the selection of mining method more scientific and objective，and has a higher theoretical and engineering practical value.

Rough fuzzy set theory，System of appraisal factors，Optimal mining method,Optimization evaluation

2015-03-10

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：E2015209172)，唐山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：12140208A-12)。

趙樹(shù)果(1969—)，女，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TD851

A

1001-1250(2015)-05-048-04