優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集的崩落放出塊度偏好規(guī)律分析

劉溫泉

(黑龍江紫金龍興礦業(yè)有限公司,黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

采用崩落法所得的崩落礦石塊度可分為初始?jí)K度、崩落塊度和放出塊度三類[1]。初始?jí)K度是原始的結(jié)構(gòu)面節(jié)理裂隙分隔而成的塊度;崩落塊度是原巖在自然重力或誘導(dǎo)應(yīng)力等條件下,從原巖剝離時(shí)形成的塊度;放出塊度是崩落后的塊度在經(jīng)過(guò)放礦結(jié)構(gòu)時(shí)受到擠壓和破碎后礦石最終達(dá)到鏟裝工作面的塊度[2]。三類塊度中,放出塊度直接關(guān)系到鏟裝運(yùn)設(shè)備的選型,二次破碎效率與成本,以及后續(xù)的選礦加工的磨破效率與成本。因此對(duì)放出塊度及其影響因子之間的規(guī)律進(jìn)行分析,對(duì)于礦山企業(yè)高效經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)而積極的意義。

放出塊度一般可采用巖石力學(xué)或塊度預(yù)測(cè)專用軟件分析預(yù)測(cè),在軟件模擬前,需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化或理想概化,導(dǎo)致其模擬出來(lái)的結(jié)果必然與實(shí)際情況存在差異[3]。本次研究嘗試以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況作為依據(jù),對(duì)放出塊度及其影響因子之間的信息進(jìn)行深入分析與挖掘。粗糙集理論收集系統(tǒng)的樣本信息形成包括影響因子和影響結(jié)果在內(nèi)的知識(shí)系統(tǒng),對(duì)知識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行屬性約簡(jiǎn)后,再進(jìn)行規(guī)則規(guī)律提取,以揭示影響因子與影響結(jié)果之間的內(nèi)在關(guān)系[4-5]。考慮到礦石放出塊度的某些影響因子明顯對(duì)放出塊度的大小及形狀存在傾向性影響,存在明顯的偏好關(guān)系,故采用優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集理論對(duì)崩落法放出塊度進(jìn)行分析。相對(duì)于傳統(tǒng)的不可分辨關(guān)系的粗糙集理論,優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集理論考慮了崩落放出塊度各影響因子的偏好信息,考慮更加全面,且優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集理論所生成的規(guī)則集具有向上或者向下的包容關(guān)系[6],可減小確定性分析而帶來(lái)的誤差,生成的規(guī)則的可靠性也更高[7-8]。相對(duì)于其他分析方法,其分析過(guò)程更加合理,得到的結(jié)果與規(guī)律也更加可靠。

1 系統(tǒng)建模

1.1 影響因子分析

崩落礦石三類塊度在崩落采出過(guò)程中由于階段銜接而帶有明顯的因果關(guān)系,崩落放出塊度除受到放出體高度,礦石本身的強(qiáng)度、硬度等因素影響外,與礦石的崩落塊度和原始?jí)K度也有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[9]。因此原始?jí)K度和崩落塊度的影響指標(biāo)必然也會(huì)影響崩落法最終的放出塊度。鑒于以上分析,參考相關(guān)文獻(xiàn),得到崩落法放出塊度的潛在影響因素有巖體質(zhì)量、巖石應(yīng)力條件、節(jié)理產(chǎn)狀、重力、采場(chǎng)暴露面積、崩落高度、采場(chǎng)形狀及底部結(jié)構(gòu)等。其中巖體質(zhì)量由巖體質(zhì)量等級(jí)表征,巖石應(yīng)力由巖石應(yīng)力系數(shù)表征,節(jié)理產(chǎn)狀由節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)整系數(shù)表征,重力情況由重力調(diào)整系數(shù)反映,采場(chǎng)形狀由采場(chǎng)形狀因子表征[10]。

1.2 知識(shí)系統(tǒng)建立

崩落礦石放出塊度的影響因子的量化表征可以作為放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)的條件屬性,包括巖體質(zhì)量等級(jí)c1、巖石應(yīng)力系數(shù)c2、節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)整系數(shù)c3、重力調(diào)整系數(shù)c4、采場(chǎng)暴露面積c5、崩落高度c6、采場(chǎng)形狀因子c7及底部結(jié)構(gòu)c8。而崩落放出塊度存在兩個(gè)對(duì)礦山開(kāi)采比較有意義的指標(biāo):放出塊度最大尺寸和放出塊度主要形狀。這兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)礦石的鏟裝運(yùn)及后續(xù)的過(guò)篩破碎均有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。故崩落礦石放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)選取放出塊度最大尺寸d1和放出塊度主要形狀d2作為決策屬性。得到崩落礦石放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)為:

式中,U為各崩落采場(chǎng)樣本對(duì)象集;A為屬性的集合,包括條件屬性集合C與決策屬性集合D,即A=C∪D,且C∩D=?;V為各類屬性值域或信息域的并集,即V=∪Va,其中a∈A,Va為屬性a的值域或信息域;f為信息函數(shù),它指明了U×A→V的規(guī)則,對(duì)于?a∈A,?x∈U,f(x,a)∈Va。

1.3 數(shù)據(jù)離散

各屬性的離散方法多種多樣,等區(qū)間、等寬度、等頻率等均可作為屬性數(shù)據(jù)離散的方法,而某些屬性按照規(guī)范、慣例可由數(shù)據(jù)直接對(duì)應(yīng)定性評(píng)價(jià),也可以作為屬性離散的方法。崩落礦石放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)的各屬性按照合適的離散方法離散后,即生成該知識(shí)系統(tǒng)規(guī)律分析的決策表。

1.4 優(yōu)勢(shì)關(guān)系分析及屬性約簡(jiǎn)

崩落礦石放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)的條件屬性,對(duì)于崩落礦石放出塊度最大尺寸d1和放出塊度主要形狀d2可能存在偏好信息,因此,有必要對(duì)條件屬性對(duì)應(yīng)決策屬性進(jìn)行偏好信息分析。以放出塊度最大尺寸d1 為例,如其包含三個(gè)偏好順序類:Cl1={小},Cl2={中},Cl3={大}。根據(jù)偏好決策類對(duì)論域進(jìn)行劃分,可得如下決策類的并集:

同時(shí),應(yīng)用適當(dāng)?shù)募s簡(jiǎn)算法可搜尋到一定數(shù)量的約簡(jiǎn),將包含條件屬性最少且屬性出現(xiàn)頻率最多的約簡(jiǎn)視為最優(yōu)約簡(jiǎn)。

1.5 偏好規(guī)則的生成

根據(jù)搜尋到的最優(yōu)約簡(jiǎn),生成崩落礦石放出塊度規(guī)律分析的最少偏好決策規(guī)則集:“至少”偏好規(guī)則集D≥與“至多”偏好規(guī)則集D≤。

“至少”偏好規(guī)則集D≥如下:

“至多”偏好規(guī)則集D≤如下:

生成的偏好規(guī)則支持?jǐn)?shù)足夠大時(shí)即可成為偏好規(guī)律,以此來(lái)指導(dǎo)礦山生產(chǎn)實(shí)踐。

系統(tǒng)建模流程見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)建模流程

2 規(guī)律實(shí)證分析

2.1 知識(shí)系統(tǒng)構(gòu)建

通過(guò)文獻(xiàn)研究及實(shí)地調(diào)研等多種方式,獲得正在或曾經(jīng)采用過(guò)崩落法的24個(gè)崩落采場(chǎng)的相關(guān)信息,構(gòu)建崩落礦石放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng),見(jiàn)表1。需要注意的是,巖體質(zhì)量等級(jí)統(tǒng)一換算為南非RMR 法標(biāo)準(zhǔn),放出塊度主要形狀是崩落礦石中放出塊度形狀中占據(jù)主導(dǎo)的塊度形狀,理論上由三維塊體模型參數(shù)判定,實(shí)際上一般現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)判定。

表1 崩落放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)

2.2 數(shù)據(jù)離散與優(yōu)勢(shì)關(guān)系分析

對(duì)知識(shí)系統(tǒng)各條件屬性和決策屬性進(jìn)行離散,由于樣本對(duì)象較少,為了生成的規(guī)則支持?jǐn)?shù)足以提取出規(guī)律,需要各條件屬性的離散分級(jí)不能太多,且離散化的方法應(yīng)首先遵循專業(yè)慣例。確定數(shù)據(jù)離散方式為:巖石應(yīng)力系數(shù)(0,0.5]為小、(0.5,1.0]為大;節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)整系數(shù)(0.2,0.6]為小、(0.6,1.0]為大;重力調(diào)整系數(shù)[2,4]為小、(4,6]為中、(6,8]為大;采場(chǎng)暴露面積[0,200]為小、(200,2000]為中、(2000,∞]為大;崩落高度[0,50]為低、(50,∞]為高;采場(chǎng)形狀因子[0,60]為小、(60,∞]為大;放出塊度最大尺寸[0,0.5]為小、(0.5,1.0]為中、(1.0,∞]為大。

離散后得到放出塊度規(guī)律分析決策表(見(jiàn)表2)。

表2 崩落放出塊度規(guī)律分析決策

對(duì)各條件屬性相對(duì)決策屬性的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析,得到各條件屬性對(duì)于各決策屬性的優(yōu)勢(shì)關(guān)系,見(jiàn)表3。

2.3 屬性約簡(jiǎn)

采用遺傳算法對(duì)崩落放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)的兩個(gè)子知識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行屬性約簡(jiǎn)。對(duì)于放出塊度最大尺寸規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng),遺傳算法共搜尋得到13組約簡(jiǎn),其中最優(yōu)約簡(jiǎn)為{c2,c4,c6}及{c1,c2,c6};對(duì)于放出塊度主要形狀規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng),遺傳算法共搜尋得到6組約簡(jiǎn),其中最優(yōu)約簡(jiǎn)為{c1,c5,c6,c7,c8}、{c2,c4,c5,c6,c7}、{c1,c2,c5,c6,c7}及{c4,c5,c6,c7,c8}。

2.4 優(yōu)勢(shì)關(guān)系規(guī)則生成

考慮到一般技術(shù)人員的認(rèn)知水平和習(xí)慣認(rèn)知,選擇包含明顯優(yōu)勢(shì)關(guān)系屬性的最優(yōu)約簡(jiǎn),以便進(jìn)行優(yōu)勢(shì)關(guān)系分析。對(duì)放出塊度最大尺寸規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng),以最優(yōu)約簡(jiǎn){c1,c2,c6}生成偏好規(guī)則集,對(duì)放出塊度主要形狀規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng),以最優(yōu)約簡(jiǎn){c1,c5,c6,c7,c8}生成偏好規(guī)則集。

放出塊度最大尺寸規(guī)律分析的“至少”偏好規(guī)則集D≥見(jiàn)表4。

表4 放出塊度最大尺寸的D≥偏好決策規(guī)則集

放出塊度最大尺寸規(guī)律分析的“至多”偏好規(guī)則集D≤見(jiàn)表5。

表5 放出塊度最大尺寸的D≤偏好決策規(guī)則集

放出塊度主要形狀規(guī)律分析的“至少”偏好規(guī)則集D≥見(jiàn)表6。

表6 放出塊度主要形狀的D≥偏好決策規(guī)則集

放出塊度主要形狀規(guī)律分析的“至多”偏好規(guī)則集D≤見(jiàn)表7。

表7 放出塊度主要形狀的D≤偏好決策規(guī)則集

2.5 規(guī)律提取與分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)規(guī)則的支持?jǐn)?shù)大于等于5時(shí),規(guī)則具有較高的可靠性,可稱之為規(guī)律。據(jù)此,得到放出塊度最大尺寸偏好規(guī)律見(jiàn)表8,放出塊度主要形狀偏好規(guī)律見(jiàn)表9。

表8 放出塊度最大尺寸偏好規(guī)律

表9 放出塊度主要形狀偏好規(guī)律

利用優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集對(duì)崩落放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)的放出塊度最大尺寸子知識(shí)系統(tǒng)的24個(gè)對(duì)象集合提取出10條規(guī)律,各規(guī)律支持?jǐn)?shù)為5～14。對(duì)放出塊度主要形狀子知識(shí)系統(tǒng)的24個(gè)對(duì)象集合提取出6條規(guī)律,各規(guī)律支持?jǐn)?shù)最少為5～14。

由不可分辨關(guān)系粗糙集生成的規(guī)則:放出塊度最大尺寸子知識(shí)系統(tǒng)有且只有一條規(guī)則支持?jǐn)?shù)為5,能被認(rèn)作規(guī)律;而放出塊度主要形狀子知識(shí)系統(tǒng)的規(guī)則支持?jǐn)?shù)絕大多數(shù)為1,僅有一條為2,沒(méi)有足夠的支持?jǐn)?shù)提取出規(guī)律。

2.6 規(guī)律應(yīng)用

根據(jù)表8及表9得到的規(guī)律,為控制崩落礦石放出塊度的最大尺寸,可對(duì)采場(chǎng)崩落高度進(jìn)行有針對(duì)性的控制;為控制崩落礦石放出塊度的主要形狀,可對(duì)采場(chǎng)暴露面積、采場(chǎng)崩落高度、采場(chǎng)形狀和采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對(duì)性的控制。根據(jù)實(shí)踐結(jié)果,對(duì)部分礦山崩落采場(chǎng)采取控制措施后,超過(guò)90%的采場(chǎng)得到了與規(guī)律揭示匹配的崩落礦石放出塊度最大尺寸或形狀的結(jié)果。說(shuō)明了優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集對(duì)崩落礦石放出塊度規(guī)律分析的可靠性。

3 結(jié)論

(1)采用優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集理論對(duì)崩落礦石放出塊度的兩個(gè)子知識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了屬性約簡(jiǎn)。放出塊度最大尺寸規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng)約簡(jiǎn)為3個(gè)條件屬性;放出塊度主要形狀規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng)約簡(jiǎn)為5個(gè)條件屬性,從而降低了分析難度和規(guī)則提取的復(fù)雜性,間接提高了規(guī)則的支持?jǐn)?shù)。

(2)優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集生成的放出塊度最大尺寸規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng)的偏好規(guī)則的支持?jǐn)?shù)為5～14,生成的放出塊度主要形狀規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng)的偏好規(guī)則的支持?jǐn)?shù)為1～14。規(guī)則的支持?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于不可分辨關(guān)系粗糙集生成的規(guī)則支持?jǐn)?shù),說(shuō)明優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集對(duì)小樣本對(duì)象進(jìn)行規(guī)則生成和規(guī)律提取具有相對(duì)可靠?jī)?yōu)勢(shì)。

(3)崩落礦石放出塊度最大尺寸規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng)約簡(jiǎn)后的3個(gè)條件屬性,約簡(jiǎn)生成了10條偏好規(guī)律;而崩落礦石放出塊度主要形狀規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng)約簡(jiǎn)后的5個(gè)條件屬性約簡(jiǎn)生成了6條偏好規(guī)律,這說(shuō)明約簡(jiǎn)的屬性數(shù)越少,生成規(guī)則的支持?jǐn)?shù)就越多,提取的規(guī)律也就越多。