基于拉开档次法 的矿山开采程序综合评价.pdf

SerialNo . 477 January . 2009 现 代 矿 业 MORDEN M I NI NG 总 第 477期 2009年 1月第 1期 贺 义 1983- , 男, 硕士生, 430081湖北省武汉市。 基于拉开档次法 的矿山开采程序综合评价 贺 义 陈 勇 黄炳林 王幼珠 武汉科技大学资源与环境工程学院 摘 要 露天开采程序的基本要求是在满足生产能力要求的条件下, 既能安全持续生产, 又能 花费少的投资和生产费用获得最大的经济效益。在考虑这些因素的基础上, 使用 拉开档次法 构 建评价模型对矿山开采程序进行评价, 使其更加科学。阐述了使用 拉开档次法 评价模型确定矿 山开采程序的方法和步骤, 最后结合某金属矿山进行了实例分析。 关键词 矿山; 开采程序; 拉开档次法 中图分类号 TD851 文献标识码 A 文章编号 10095683 2009 01 0053 04 Comprehensive Esti mation ofM ineM ining Procedure Based onW eight CoefficientM ethod H eY i Chen Yong Huang Binglin W ang Youzhu College of Resources and EnvironmentEngineering , Wuhan University of Science and Technology Abstract The basic requirement of open pit m ining procedure was that it could not only conduct safety production ,but also achievemost econom ic benefitsw ith less investment and production expenses under the condition to meet the needs of capacity . Based on these factors , weight coefficientwas used to establish an esti mationmodel to esti mate them inem ining procedure ,so as to make the procedure more rationa. l The and procedures to determ ine the m ine m ining procedure by the modelwere presented . The status of a certainm etalm inewas analyzed . Keywords M ine ; M ining procedure ; W eight coefficient 露天矿的开采程序是指在既定的开采境界内采 剥工程在时间和空间上的发展变化方式, 即采剥工 程的初始位置、 在水平方向的扩展方式、 在垂直方向 的降升方式及工作帮的构成特征等。开采程序对基 建工程量的大小、 矿山建设速度、 矿山生产能力及能 否均衡持续生产、 生产剥采比的大小及其发展变化 方式、 矿产资源的合理利用等都有重要影响 [ 1]。因 此, 选择最优的开采程序在矿山设计、 矿山生产过程 中是一项至关重要的工作。 露天开采程序的基本要求是在满足生产能力要 求下, 既能安全持续生产, 又能花费少的投资和生产 费用获得最大的经济效益。目前常用的开采程序优 化都是基于 功能驱动 原理的方法。常见的有价 值工程法、 层次分析法、 模糊数学法、 灰色系统法 等 [ 2 7]。 价值工程法受影响因素指标的选择性较大, 专 家评估也难免主观随意性, 参数选择应该具体情况 具体分析。层次分析法构造两两比较矩阵时, 受主 观因素影响大。模糊数学方法于选用恰当的隶属函 数工作较复杂, 难度较大, 对于如何建立合理的因素 集还有待进一步研究。灰色系统法只有一种计算方 法, 即算术平均法, 这区别不了各目标的重要程度。 考虑到上述各方法的缺点, 建立了一个新的综 合评价模型 利用基于差异驱动原理的 拉开档次 法 来确定初步权重系数, 采用线性模型进行综合 评价。并以某铁矿开采程序优化为例探索了这一方 法的合理性。 1 基于 拉开档次法 开采程序综合评价模型构建 拉开档次方法的基本思想为 从整体上尽可能 体现出各被评价对象之间的差异, 使之尽量拉开档 次, 以利于对其排序。拉开档次法具有客观、 评价过 程透明和保序性好等特点。 基于 拉开档次法 开采综合评价模型构建要 解决的几大问题是 确定被评价对象; 建立评价指标 体系; 确立与各项评价指标相对应的权重系数; 选择 或构造综合评价模型; 计算各系统的综合评价值并 53 进行排序。 1 . 1 评价模型指标体系确立 指标体系必须科学、 客观、 合理, 尽可能全面地 反映影响评价对象的所有因素, 因此必须遵循一定 的原则。这些原则包括 一致性原则、 系统性原则、 可比性原则、 可测性原则、 科学性原则等。 各矿山的具体情况不同, 所考虑的开采程序的 侧重点也不尽相同。在文中研究过程中, 收集了不 同矿山开采程序指标体系研究成果, 遵循指标体系 建立的原则, 依据指标出现的频率, 并征求专家的意 见, 构建了矿山开采程序研究指标体系 见表 1。 表 1 矿山开采程序研究指标体系 经济效益指标 技术可行性 年利润 成本 投资 开沟位置 生产剥采比均衡 剥离高峰期 工作帮坡角 运输道路条件 技术可行性 矿山产量需求 采场作业条件 生产管理 损失贫化指标 矿山达产时间 矿山稳产时间 基建剥离量 基建剥离期 1 . 2 开采程序综合评价模型建立 运用确立的评价指标体系, 采用 拉开档次法 对矿山开采程序进行优化。其基本过程如下。 1 . 2 . 1 评价指标的预处理 包括评价指标的一致化和无量纲化。一致化处 理就是将各指标类型统一, 在对各方案进行综合评 价之前, 必须对评价指标的类型作一致化处理。本 研究过程中, 将极小型指标 指标越小越好 和居中 型指标 指标越居中越好 统一转化成极大型指标 指标越大越好 。 对于一些定性指标, 如运输道路条件、 采场作业 条件、 生产管理、 损失贫化指标等, 采用专家打分法 对其量化, 使其融入到定量评价模型当中。 由于所研究的各指标的量纲也不尽相同, 因此 在研究过程中, 需对原始数据进行标准化处理。设 有 n个样本, m 个特征变量, 设第 j个变量的观测值 为 xij, 可构成一个 n m 阶矩阵 X xijn m x11x12∀x1m x21x22∀x2m x31x32∀x3m ∀∀∀∀ xn1xn2∀xnm , 1 yij xij-Xj Sj 1 i n, 1 j m , 2 其中 Xj 1 n n i 1xij 1 i n, 1 j m , 3 Sj 1 n- 1 n i 1xij - Xj 2 1 i n, 1 j m , 4 式中, xij为指标的原始观测值; yij的 样本 平均值和 样本 均方差分别为 0和 1 , 称为标准观测值; Xj、 Sj j l, 2 , ∀, m 分别为第 j项指标观测值的 样本 平均值和 样本 均方差。 1 . 2 . 2 确定指标权重 权重系数的原则是 从整体上尽可能体现各被 评价对象之间的差异, 使之尽量拉开档次, 以利于排 序。开采程序综合评价需要从多方面、 多角度来考 虑, 它是一项比较复杂的工作, 如涉及面广、 指标多、 权重确定困难等, 每个方面处理得是否合理将会影 响到评价结果的可靠性。 从几何来看, n 个被评价对象可以看成是由 m 维个评价指标构成的评价空间中的 n个点。寻求 n 个被评价对象的评价值就相当于把这 n个点向某一 维空间做投影。选择指标权系数, 使得各被评价对 象之间的差异尽量拉大, 也就是根据 m 维评价空间 构造一个最佳的一维空间, 使得各点在此一维空间 上投影点最为分散, 即分散程度最大。 取极大型评价指标 x1, x2, x3, ∀, xm的线性函数 为系统的综合评价函数 yi xi11 xi22 ∀, ximm x . 5 式中, 1, 2, ∀, m为 m 个指标的权重系数 向量, x x1, x2, ∀, xm为第 i个系统 Si的第 m 个 标准观测值, 记 y y1 y2 y3 ∀ yn , A x11x12∀x1m x21x22∀x2m x31x32∀x3m ∀∀∀∀ xn1xn2∀xnm 则式 5可以写成 y A , 6 式中, yi为第 i个系统的综合评价值; xij为第 i个系 统第 j个指标的标准观测值。 确定权重系数 就是求指标向量的线性函数 x, 使此函数对 n个系统取值的分散程度或方差尽 可能地大。而变量 y xw 按 n个系统取值构成样本 方差为 S 2 1 n n i 1y1 - y 2 y T y n - y 2. 7 将 y A带入式 6中, 由于原始数据标准化 处理后, 可知 y 0, 于是有 54 总第 477期 现代矿业 2009年 1月第 1期 ns 2 w TATA TH , 8 式中, H A TA为实对称矩阵。 显然, 若 不加限制时, 式 7可取任意大的 值。此处限定 T 1 , 求式 7的最大值, 也就是 选择 使得 约束条件 max TH T 1 0 . 9 若取 为矩阵 H 的最大特征值所对应的标准 特征向量, 式 8可取得最大值。权重系数就是矩 阵 H 的最大特征值所对应的特征向量, 并将其归一 化。 为了达到理想效果, 最后再采用综合集成赋权 法确定最终权重系数。运用归一化得到的权重值和 功能驱动 原理得到的权重系数, 选择 乘法 集成 法计算最终的权重系数, 计算公式为 wj pjqj/ n 1piqi, 10 其中 pj、 qj分别为 拉开档次法 和 功能驱动 原理 生成的相应的权重系数。 1 . 2 . 3 建立模型 对指标进行相应处理并确定好权重系数后, 根 据实际情况, 选择线性加权法的数学模型进行计算。 即 y m 1w jxj,11 式中, wj和 xj分别为可选程序指标值和相应的权重 系数。 将指标值和确定的权重应用到所选用的评价模 型, 根据计算结果的大小对各规模进行排序, 最后得 出评价结论。 2 矿山开采程序评价模型使用实例 对某铁矿四种开采方案进行方案选择。经过分 析整理, 得到初步数据如表 2所示。根据该矿山实 际情况, 经过筛选, 主要考虑以下的经济指标 基建 剥离量、 基建期剥离矿石量、 生产剥采比、 剥离高峰 期、 基建剥离期、 运输道路条件、 采场作业条件、 生产 管理和损失贫化指标等。 1一致化处理。上述的指标中, 基建剥离量、 基建剥离矿石量、 生产剥采比、 剥离高峰期和基建剥 离期为定量指标, 其中基建剥离矿石量为极大型指 标, 其它的都是极小型指标, 采用取倒数的一致化处 理方法, 即 x * l/x, x 0, 将上面的极小型指 表 2 矿山方案初步数据表 方案 基建 剥离量 /万 t 生产 剥采比 / t/t 剥离 高峰期 /a 基建 剥离期 /a 运输 道路 条件 采场 作业 条件 生产 管理 损失 贫化 指标 方案一 横向开采 315 . 837 . 1581 . 5差差难差 方案二 纵采缓帮 387 . 588 . 4872较好好易好 方案三 纵采陡帮 192 . 356 . 8991 . 0较差差难较好 方案四 分期陡帮 1585 . 50101 . 0好较好易好 标转化为极大型指标。而运输道路条件、 采场作业 条件、 生产管理和损失贫化指标等定性指标, 则通过 赋值方法量化, 采用十分打分制, 使其量化。最后得 到一致化处理后的数据。 0 . 0031660 . 13990 . 12500 . 66701111 0 . 002580 . 11790 . 14290 . 50791010 0 . 00520 . 14510 . 1111 . 03719 0 . 006330 . 18180 . 101 . 01071010 2无量纲化处理。为了从整体上突出 3个方 案之间的差异, 在此采用向量归一化法, 使用式 1 式 3, 对上面一致化处理后的数据进行无量纲 化处理。无量纲化处理后得到的数据结果为 - 3 . 5852- 2 . 7863- 2 . 87340 . 29132 . 23842 . 23842. 23842 . 2384 - 2 . 5581- 2 . 4902- 2 . 4755- 2 . 26511 . 32512 . 42732. 97842 . 9784 - 2 . 5872- 2 . 5118- 2 . 5302- 2 . 04870 . 26063 . 03061- 1 . 26214 . 8289 - 2 . 5906- 2 . 4955- 2 . 5399- 2 . 05212 . 82601 . 20002. 82602 . 8260 3确定权重系数。利用基于差异驱动原理的 拉开档次法, 使用式 4 式 8计算, 用拉开档次 法求得矩阵 H A TA最大特征值所对应的特征向 量, 并将 归一化后, 由于计算过程较为复杂, 这里 只给出计算结果 0 . 1512 , 0 . 1363 , 0 . 1381 , 0. 074 , 0. 097 , 0 . 1263 , 0 . 1011 , 0 . 1769 . 在此设定 功能驱动 原理得出的权重系数为 0 . 2 , 0 . 3 , 0 . 05 , 0 . 1 , 0 . 1, 0 . 1 , 0 . 05 , 0. 1。使用式 10 计算最终的 权重系数为 wj pjqj/ n 1 piqi 0 . 2319 , 0 . 3134 , 0 . 0530, 0 . 0571 , 0. 0734 , 0 . 0969 , 0 . 0388 , 0 . 1355。 4选择模型, 得出结果。选择线性加权法的 数学模型进行计算。将方案的指标值和上面所求的 权重系数带入式 11得到 第一个方案的综合评价 值 y1 0. 433872 ; 第二个方案的综合评价值 y2 3 . 202572 ; 第三个方案的综合评价值 y3 2 . 266469 ; 55 贺 义 陈 勇等 基于 拉开档次法 的矿山开采程序综合评价 2009年 1月第 1期 第四个方案的综合评价值 y4 3 . 276144 。 数据为极大型, 因此评价结果也是越大越好, 由 于第四方案的综合评价值最大, 因此得到的结论为 第四方案为最佳开采程序方案。 3 结 语 1使用基于 拉开档次法 的综合评价模型评 价矿山开采程序能达到较好的效果, 具有一定的现 实意义。 2使用该模型来评价矿山开采程序是一种新 的尝试, 文中只是提出方法和思路, 有一些具体问题 尚待继续探索。该模型只针对离散方案, 需要首先 确定合理的可选方案, 结果只是可选方案中的一个, 不能通过类似微分的方式逼近最优值, 结果只能是 相对最优, 而不是绝对最优。事实上, 可选方案的确 定依然是本方法的基础, 做好可选方案的选择非常 重要。 参 考 文 献 [ 1] 中国矿业学院. 露天采矿手册 [M ]. 北京 煤炭工业出版社, 1986 . 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