基于粗糙模糊集理论的采矿方法优化研究

赵树果 宋焕虎 宋卫东

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063000；2.开滦(集团)有限责任公司，河北 唐山 063018；3.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

基于粗糙模糊集理论的采矿方法优化研究

赵树果1宋焕虎2宋卫东3

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063000；2.开滦(集团)有限责任公司，河北 唐山 063018；3.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

针对传统采矿方法选择存在的弊端，将粗糙集理论与模糊集理论结合应用于采矿方法优化选择，提出液压支护长壁法开采缓倾斜薄矿体的新方法。将采矿方法优化评价结果作为决策属性，综合分析开采安全性、经济技术指标、环境友好等因素，选取11种影响因素作为条件属性，构建样本集合，建立了采矿方法优选指标体系、隶属度矩阵和权重系数矩阵，对拟定采矿方法进行定量分析；应用粗糙集理论中知识依赖性和属性重要性评价法，将模糊数学权系数的确定转化为粗糙集中属性重要性评价问题，从约简结果中提取判别规则，给出预测模型权系数计算方法，确定液压支护长壁式崩落法为最佳开采方案。结果表明，应用粗糙模糊集理论选出的采矿方法具有较强的适应性，达到了安全、高效、低消耗采矿的目的，提高了采矿方法优化选择的科学性和客观性，有较高理论与工程应用价值。

粗糙模糊集理论 评价因素体系 最优采矿方法 优化评价

矿山生产系统是一个复杂多层次的动态平衡系统[1]。选择的采矿方法是影响企业投资及其经济效益的最重要的因素。近年来，数值方法的不断发展使采矿方法的优选逐渐向数值化、定量化发展，应用较广的方法有模糊数学法、层次分析法、多目标决策法、价值工程法、相容分析法等[2]，数值方法的应用为矿山的安全高效、经济环保开采提供了有力的理论支持和技术保障。同时，随着优选采矿方法由单一、简单、经验向综合、复杂、定量方面的发展，多个理论被结合起来应用，如陈建宏等[2]提出用“蜘蛛图法”直观表达采矿方法优化选择的表示法。李向东等[3]认为将影响采矿方法的主要因素用模糊数学定量化，采用层次分析法选取权重可以减少人为因素的影响。黄德镛等[4]将专家系统、人工神经网络、计算机辅助设计等思想和方法引入采矿方法优选中，设计出采矿方法智能化决策支持系统。吴爱祥等[5]提出了“相似率价值工程法”，通过结合层次分析法计算各种采矿方法的价值大小来确定优化方案。罗章等[6]把工程技术人员的经验建成专家系统，为其他相似工程的选择提供依据。在各种优化方案中，关键的难点是权重的确定，各优化选择方法各具优缺点，如专家咨询的弱点是过分依赖专家的统计理论和经验，结果有时存在较大的误差；相关分析法、误差和最小法是基于统计理论的方法，数据处理的工作量大，需要借助数值计算求取近似值；基于灰色理论、遗传算法等在确定权重时需要求解误差和最小问题[7]。

本研究以鄂西缓倾斜薄铁矿体为工程背景，结合缓倾斜薄铁矿床工程地质、开采技术条件，建立采矿方法综合评判指标体系，采用粗糙集理论与模糊数学理论相结合的方法，将模糊数学权系数的确定问题转化为粗糙集中属性重要性评价问题，利用粗糙集理论中的知识依赖性和属性重要性评价方法，给出预测模型权系数的计算方法，确定了最优方案，克服了传统权系数确定方法的主观性[8]。

1 工程概况

官店铁矿凉水井—大庄矿段属泥盆“宁乡式”海相沉积型赤铁矿床，产于上泥盘统写经寺组底部，直接顶为灰绿色、蓝灰色页岩，间接顶大多为浅灰色泥灰岩、泥质灰岩等。-8′至-16′线范围内矿体走向为北北东—南西西，倾向北北西，矿体呈层状、透镜状产出，矿体厚度较稳定，平均3.74 m，属缓倾斜矿体；矿体走向长14 km，宽约4～6 km，面积60 km2。矿体、围岩主要力学参数见表1。

表1 岩石力学参数

2 基于粗糙模糊集理论的采矿方法优化

2.1 采矿方法与评价指标体系选择

综合分析矿体赋存特征与地质条件，从安全、经济技术指标、高效开采角度及环境友好方面分析各种开采方案的可行性，初步确定采用综合机械化盘区房柱法、液压支护长壁式崩落法、液压支护削壁充填法和房柱法开采嗣后崩落法[8]等。构造影响该矿采矿方法选择的11项评价指标体系(见表2)，评价因素集V={采矿成本，采切比，矿块生产能力，贫化率，损失率，工艺繁简程度，机械化程度，安全性，通风条件，劳动强度，对地表的破坏程度}，方案集U={综合机械化盘区房柱法，液压支护长壁式崩落法，液压支护削壁充填法，房柱法开采嗣后崩落法}。

表2 采矿方法选择的指标体系

2.2 基于模糊理论构建隶属度矩阵

给论域U中元素赋以区间[0，1]内一个数。设U={u1，u2，…un}为待分类事物全体，rij表示元素ui与uj相似系数，0≤rij≤1(i、j=1，2，…，n)；rij=0表示ui与uj不同，无相似；rij=1表示它们完全相似或等同；当i=j时，rij表示ui自己与自己相似程度，恒取1[9]。

(1)定量评价指标的隶属度计算。

正指标:

(1)

负指标：

(2)

式中,rij为j方案i指标的隶属度；ximin为i指标的下限值；ximax为i指标的上限值；xij为各方案指标的平均值。

(2)定性评价指标定量化。采用10分制评分法进行定性指标的定量化处理，同时将极小型指标进行一致化处理(见表3)。

表3 定性指标的定量化标准

(3)评价指标属性值确定。采用10分制或对指标属性值进行赋值法对拟定方案实施效果进行分析和预计，采取平均方法得到拟定采矿方法的指标属性值，见表4。

表4 拟定采矿方法的指标属性值

分别对正负指标进行计算，可得到凉水井—大官店矿段可行采矿方法的优选指标的隶属度矩阵为

2.3 基于粗糙集理论构建权重系数矩阵

将拟定采矿方法的评价结果分为中、好、差3个等级，为决策属性值，a1～a11为条件属性值，表5为所建立的采矿方法的条件属性与决策属性表，并以决策表的形式通过数据分析工具处理。

(1)权重数据的收集。ROSETTA软件是Rough集理论框架的表格逻辑数学分析工具包，可实现对数据的挖掘和对知识的获取，可以进行最小属性的约简计算和产生易使用的If-then决策规则或描述模型，对得到的规则或模式进行验证和分析，检测有效性[11]。将表5通过主菜单栏中的“文件”选项 “Project”窗口，选择“ODBC”项，通过“Open database”，“选择数据源”对话框，选择 “采矿方法决策表.xls”文件[9]，导入数据。

表5 采矿方法的条件属性与决策属性

(2)数据预处理。数据处理包括数据补齐、离散化等过程，经预处理后进入属性约简过程。选择“Boolean reasoning algorithm”算法进行离散化处理[10]，对离散化生成的项目进行属性约简(Reduce)，约简采用Genetic algorithm(遗传算法)。

(3)上下近似集计算与等价类的获取。

(4)规则生成与挑选。数据约简后在新生成项上右击，选择“Generate rules”算法，形成规则结果，同时，根据研究工作所需进行规则挑选。

(5)统计(Statistics)。在新生成项上选择“Statistics”菜单，进行属性的重要度计算，得到指标体系权重系数矩阵

[0.122 0.068 0.124 0.098 0.108 0.107

0.054 0.116 0.069 0.075 0.667].

3 模糊综合评判确定最优方案

最优采矿方法评价向量

B=(b1，b2，…，bn)，

向量中bi的值越大，则与之相对应的采矿方案的可选度越高，利用B=W·R原则计算得到综合评判的评价向量

B=W·R=

(0.684 4 1.051 6 0.494 0 0.482 3).

4 结 论

(1)提出了液压支护长壁法开采缓倾斜薄矿体的开采方法，进行采矿方法初选，综合分析开采的安全性、经济技术指标、高效开采的角度及环境友好等因素，构建了影响采矿方法优化的指标体系，并确定了指标体系的重要度。

(2)将粗糙集理论与模糊集理论结合应用于采矿方法的优化选择。建立了隶属度矩阵和权重系数矩阵；采用模糊数学最大隶属度原则方法对本研究中拟定的各种采矿方法进行定量化分析，得出各种采矿方法的评价向量B；确定液压支 护长壁式崩落法为最佳开采方案，其次为盘区组合机械化房柱法。

(3)应用粗糙集理论挖掘出数据中的内在规律，提高了预测结果的科学性与客观性，克服了传统方法的主观性，为采矿方法的优化选择提供了新思路与方法。

(4)粗糙集不限制问题的属性数量，综合确定了常规的11种影响因素。但随着绿色采矿理念的广泛应用，可更多地考虑采矿方法的影响因子，以使预测结果更符合矿山的可持续发展。

[1] 陈 艳.粗糙集理论及其推广模型的研究[D].成都：电子科技大学，2008. Chen Yan.Research of Rough Set Theory and Its Promotion Model[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China，2008.

[2] 陈建宏，林成义.采矿方法数值优化选择的直观表示法——蜘蛛图法[J].有色金属：矿山部分，1999(6)：12-14. Chen Jianhong，Lin Chengyi.Visual representation of numerical optimization of mining method selection：Spider Diagram method[J].Nonferrous Metal：Mine Section，1999(6)：12-14.

[3] 李向东.金山金矿采矿方法模糊优化选择[J].世界采矿快报，1999，15(2)：28-31. Li Xiangdong.Fuzzy optimization selection of mining methods for Jinshan Gold Mine[J].World Mining News，1999，15(2):28-31.

[4] 黄德镛，胡运权，陈孝华，等.基于模糊推理和神经网络的采矿方法智能决策系统[J].有色金属，2002，54(2)：104-107. Huang Deyong，Hu Yunquan，Chen Xiaohua，et al.Mining method of fuzzy inference and neural network-based intelligent decision system[J].Nonferrous Metals,2002，54(2)：104-107.

[5] 罗 章，李启月，赵伏军.基于模糊数学专家系统的研究与开发[J].江西有色金属，2002，16(3)：11-15. Luo Zhang，Li Qiyue，Zhao Fujun.Research and development of expert system based on fuzzy mathematics[J].Jiangxi Nonferrous Metals，2002，16(3):11-15.

[6] 吴爱祥，张卫锋，郭 立.相似率价值工程法在采矿方法优选中的应用[J].中南工业大学学报，2000，31(4)：294-296. Wu Aixiang，Zhang Weifeng，Guo Li.Similarity ratio value engineering method in optimization of mining method[J].Journal of Central South University of Technology,2000,31(4):294-296.

[7] 柳小胜.基于粗糙模糊集理论的采矿方法优选[J].采矿技术，2008，8(4)：1-2. Liu Xiaosheng.Optimization of mining method based on rough-fuzzy set theory[J].Mining Technology，2008,8(4):1-2.

[8] 吕 垒.缓薄矿体盘区组合机械化开采方法优化研究[D].武汉：武汉科技大学，2010. Lu Lei.Sustained and Thin Ore-body Panels Combined Mechanized Mining Method Optimization[D].Wuhan:Wuhan University of Science and Technology,2010.

[9] 张钦礼，朱永刚.采空区顶板事故分析与安全管理[J].采矿技术，2006，6(3)：340-344. Zhang Qinli，Zhu Yonggang.Gob roof accident analysis and safety management[J].Mining Technology，2006，6(3):340-344.

(责任编辑 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

河北省自然科学基金项目(编号：E2015209172)，唐山市科技计划项目(编号：12140208A-12)。

赵树果(1969—)，女，副教授，博士，硕士研究生导师。

TD851

A

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