基于粗糙模糊集理論的采礦方法優化研究

趙樹果 宋煥虎 宋衛東

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063000；2.開灤(集團)有限責任公司，河北 唐山 063018；3.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

基于粗糙模糊集理論的采礦方法優化研究

趙樹果1宋煥虎2宋衛東3

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063000；2.開灤(集團)有限責任公司，河北 唐山 063018；3.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

針對傳統采礦方法選擇存在的弊端，將粗糙集理論與模糊集理論結合應用于采礦方法優化選擇，提出液壓支護長壁法開采緩傾斜薄礦體的新方法。將采礦方法優化評價結果作為決策屬性，綜合分析開采安全性、經濟技術指標、環境友好等因素，選取11種影響因素作為條件屬性，構建樣本集合，建立了采礦方法優選指標體系、隸屬度矩陣和權重系數矩陣，對擬定采礦方法進行定量分析；應用粗糙集理論中知識依賴性和屬性重要性評價法，將模糊數學權系數的確定轉化為粗糙集中屬性重要性評價問題，從約簡結果中提取判別規則，給出預測模型權系數計算方法，確定液壓支護長壁式崩落法為最佳開采方案。結果表明，應用粗糙模糊集理論選出的采礦方法具有較強的適應性，達到了安全、高效、低消耗采礦的目的，提高了采礦方法優化選擇的科學性和客觀性，有較高理論與工程應用價值。

粗糙模糊集理論 評價因素體系 最優采礦方法 優化評價

礦山生產系統是一個復雜多層次的動態平衡系統[1]。選擇的采礦方法是影響企業投資及其經濟效益的最重要的因素。近年來，數值方法的不斷發展使采礦方法的優選逐漸向數值化、定量化發展，應用較廣的方法有模糊數學法、層次分析法、多目標決策法、價值工程法、相容分析法等[2]，數值方法的應用為礦山的安全高效、經濟環保開采提供了有力的理論支持和技術保障。同時，隨著優選采礦方法由單一、簡單、經驗向綜合、復雜、定量方面的發展，多個理論被結合起來應用，如陳建宏等[2]提出用“蜘蛛圖法”直觀表達采礦方法優化選擇的表示法。李向東等[3]認為將影響采礦方法的主要因素用模糊數學定量化，采用層次分析法選取權重可以減少人為因素的影響。黃德鏞等[4]將專家系統、人工神經網絡、計算機輔助設計等思想和方法引入采礦方法優選中，設計出采礦方法智能化決策支持系統。吳愛祥等[5]提出了“相似率價值工程法”，通過結合層次分析法計算各種采礦方法的價值大小來確定優化方案。羅章等[6]把工程技術人員的經驗建成專家系統，為其他相似工程的選擇提供依據。在各種優化方案中，關鍵的難點是權重的確定，各優化選擇方法各具優缺點，如專家咨詢的弱點是過分依賴專家的統計理論和經驗，結果有時存在較大的誤差；相關分析法、誤差和最小法是基于統計理論的方法，數據處理的工作量大，需要借助數值計算求取近似值；基于灰色理論、遺傳算法等在確定權重時需要求解誤差和最小問題[7]。

本研究以鄂西緩傾斜薄鐵礦體為工程背景，結合緩傾斜薄鐵礦床工程地質、開采技術條件，建立采礦方法綜合評判指標體系，采用粗糙集理論與模糊數學理論相結合的方法，將模糊數學權系數的確定問題轉化為粗糙集中屬性重要性評價問題，利用粗糙集理論中的知識依賴性和屬性重要性評價方法，給出預測模型權系數的計算方法，確定了最優方案，克服了傳統權系數確定方法的主觀性[8]。

1 工程概況

官店鐵礦涼水井—大莊礦段屬泥盆“寧鄉式”海相沉積型赤鐵礦床，產于上泥盤統寫經寺組底部，直接頂為灰綠色、藍灰色頁巖，間接頂大多為淺灰色泥灰巖、泥質灰巖等。-8′至-16′線范圍內礦體走向為北北東—南西西，傾向北北西，礦體呈層狀、透鏡狀產出，礦體厚度較穩定，平均3.74 m，屬緩傾斜礦體；礦體走向長14 km，寬約4～6 km，面積60 km2。礦體、圍巖主要力學參數見表1。

表1 巖石力學參數

2 基于粗糙模糊集理論的采礦方法優化

2.1 采礦方法與評價指標體系選擇

綜合分析礦體賦存特征與地質條件，從安全、經濟技術指標、高效開采角度及環境友好方面分析各種開采方案的可行性，初步確定采用綜合機械化盤區房柱法、液壓支護長壁式崩落法、液壓支護削壁充填法和房柱法開采嗣后崩落法[8]等。構造影響該礦采礦方法選擇的11項評價指標體系(見表2)，評價因素集V={采礦成本，采切比，礦塊生產能力，貧化率，損失率，工藝繁簡程度，機械化程度，安全性，通風條件，勞動強度，對地表的破壞程度}，方案集U={綜合機械化盤區房柱法，液壓支護長壁式崩落法，液壓支護削壁充填法，房柱法開采嗣后崩落法}。

表2 采礦方法選擇的指標體系

2.2 基于模糊理論構建隸屬度矩陣

給論域U中元素賦以區間[0，1]內一個數。設U={u1，u2，…un}為待分類事物全體，rij表示元素ui與uj相似系數，0≤rij≤1(i、j=1，2，…，n)；rij=0表示ui與uj不同，無相似；rij=1表示它們完全相似或等同；當i=j時，rij表示ui自己與自己相似程度，恒取1[9]。

(1)定量評價指標的隸屬度計算。

正指標:

(1)

負指標：

(2)

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

(2)定性評價指標定量化。采用10分制評分法進行定性指標的定量化處理，同時將極小型指標進行一致化處理(見表3)。

表3 定性指標的定量化標準

(3)評價指標屬性值確定。采用10分制或對指標屬性值進行賦值法對擬定方案實施效果進行分析和預計，采取平均方法得到擬定采礦方法的指標屬性值，見表4。

表4 擬定采礦方法的指標屬性值

分別對正負指標進行計算，可得到涼水井—大官店礦段可行采礦方法的優選指標的隸屬度矩陣為

2.3 基于粗糙集理論構建權重系數矩陣

將擬定采礦方法的評價結果分為中、好、差3個等級，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數據分析工具處理。

(1)權重數據的收集。ROSETTA軟件是Rough集理論框架的表格邏輯數學分析工具包，可實現對數據的挖掘和對知識的獲取，可以進行最小屬性的約簡計算和產生易使用的If-then決策規則或描述模型，對得到的規則或模式進行驗證和分析，檢測有效性[11]。將表5通過主菜單欄中的“文件”選項 “Project”窗口，選擇“ODBC”項，通過“Open database”，“選擇數據源”對話框，選擇 “采礦方法決策表.xls”文件[9]，導入數據。

表5 采礦方法的條件屬性與決策屬性

(2)數據預處理。數據處理包括數據補齊、離散化等過程，經預處理后進入屬性約簡過程。選擇“Boolean reasoning algorithm”算法進行離散化處理[10]，對離散化生成的項目進行屬性約簡(Reduce)，約簡采用Genetic algorithm(遺傳算法)。

(3)上下近似集計算與等價類的獲取。

(4)規則生成與挑選。數據約簡后在新生成項上右擊，選擇“Generate rules”算法，形成規則結果，同時，根據研究工作所需進行規則挑選。

(5)統計(Statistics)。在新生成項上選擇“Statistics”菜單，進行屬性的重要度計算，得到指標體系權重系數矩陣

[0.122 0.068 0.124 0.098 0.108 0.107

0.054 0.116 0.069 0.075 0.667].

3 模糊綜合評判確定最優方案

最優采礦方法評價向量

B=(b1，b2，…，bn)，

向量中bi的值越大，則與之相對應的采礦方案的可選度越高，利用B=W·R原則計算得到綜合評判的評價向量

B=W·R=

(0.684 4 1.051 6 0.494 0 0.482 3).

4 結 論

(1)提出了液壓支護長壁法開采緩傾斜薄礦體的開采方法，進行采礦方法初選，綜合分析開采的安全性、經濟技術指標、高效開采的角度及環境友好等因素，構建了影響采礦方法優化的指標體系，并確定了指標體系的重要度。

(2)將粗糙集理論與模糊集理論結合應用于采礦方法的優化選擇。建立了隸屬度矩陣和權重系數矩陣；采用模糊數學最大隸屬度原則方法對本研究中擬定的各種采礦方法進行定量化分析，得出各種采礦方法的評價向量B；確定液壓支 護長壁式崩落法為最佳開采方案，其次為盤區組合機械化房柱法。

(3)應用粗糙集理論挖掘出數據中的內在規律，提高了預測結果的科學性與客觀性，克服了傳統方法的主觀性，為采礦方法的優化選擇提供了新思路與方法。

(4)粗糙集不限制問題的屬性數量，綜合確定了常規的11種影響因素。但隨著綠色采礦理念的廣泛應用，可更多地考慮采礦方法的影響因子，以使預測結果更符合礦山的可持續發展。

[1] 陳 艷.粗糙集理論及其推廣模型的研究[D].成都：電子科技大學，2008. Chen Yan.Research of Rough Set Theory and Its Promotion Model[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China，2008.

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(責任編輯 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

河北省自然科學基金項目(編號：E2015209172)，唐山市科技計劃項目(編號：12140208A-12)。

趙樹果(1969—)，女，副教授，博士，碩士研究生導師。

TD851

A

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