遗传算法优化地下矿山开采顺序的应用研究.pdf

遗传算法优化地 下矿山开采顺序 的应 用研 究 周科平古搀生 中南大学 资源环 境 与建筑 工程 学 院 长 沙 4 1 0 0 8 3 摘要针对地 下矿 1 1 I 开采顺序优化卉 的 问题 ．本文作 者在 回采顺 序数值模拟 的基础上 ．应 用遗 传算法对地下矿山开采顺 序进行 丁优化 ．取褂 r满意 的结粜 关键词遗传算法开采顺 序优化 0P T I MI z AT1 0N O F S T OP I NG S E Q - U ENCE I N uNDE RGR0uND MI NE BY US I NG GENEr r I C ALGORI THM M ETH0D Zh o u K g Gu I e s h e n g Mid s - u t h Uml v e r s i t y 4 1 i 0 8 3 Ab s t mc t Ac c or d i n g t o t h e p mb { e ms r v [ a t e d wi t h o pt i m i z a t ion o f s t o ph g s e q ue nc e i n u n d e r gr ou n d mi ne a n d i n c o m b l n at l o n wi t h nu tn e r i e a [c alc ulat i on． t h e a ut h o r ha s a d o pt e d t he g en e t i c a l g or i t h m me t h o d L 。o pt i mi z e t he s l o pi ng* q u e n c e ． [ hi s me t h o d h a s b e e n pr o v e n c b s ． c c s f u l Ke y wo r d sGe ne t i c a l go rit hm me t h o d， t o l dn g s e qu e n c e， Opt i mi z a t i o n 1 概述 岩土与采 矿工 程结构 在施工 过程 中都处 于加 载 与卸载 的 复杂变化 过程 中 ，由于开挖具 有加 载途 径 性 ，所 以．施工过程不同，开挖顺序不同，支护与 充 填 步骤 不同 ，都 有 各 自不 同 的应 力 ／ 应变 历 史过 程 和最终 不同 的力学效应 。与此同时 ，采矿 工 程系 统 是 一个耗 散结构 的开 放 系统 ，采矿 过程 是一 个 完善的系统分析和计算问题，是一个决策过程 ．采 矿工 艺过 程和结 构优化 是开 挖力学效 应 系统工 程技 术决策过程问题 。不同的开挖过程 、回采顺序 、步 骤和落矿参数 ，不同的工艺方 法 、采 准、切割方 式 、采 充循 环制 度 ，不 同的施 工方 法与施工 工 艺都 具有不同的力学效应及其变化历史过程以及不同的 最终 效应 。 由于开挖 是造成围岩应力重新分布 的基本原 因 ，因此地 下 调室 的开 挖方式 、采 矿工程 的 回采顺 序优化已引起人们的广泛关注。遗传算法是一种抽 象 生物进 化过 程的基 于 自然选 择 和生物遗 传机 制 的 优化算法 ，它通过随机融合群体中合理的生存 素 来形成一种具 有创新 意义 的个体 ，经过群体 的选 5 0 代 ，使个体的适应值不断提高 ，最终群体中适应值 最 高的个 体 即是优化 问题 的最优解 或扶优 解 。本文 作者应用遗传算法结合数值计算的方法对采场回采 顺序进行了优化 2回采顺序 优化 的遗传 算法设计 2． 】编码方 案 遗 传算 法的编 码方 案有很 多种 ，对 于每 一种遗 传算 法 ，其 编码方 案应 该是 问题 可行 方案 的一个虽 小 且完整的表达式 。最小表达式即仅包含问题解决 方 案所需要 的信息 ；完 整表达 式意 味着包含 问题解 决方案足够的信息。如果表达式包含了比问题解决 方案所需要的更多的信息 ．那么将大大增加搜索空 问的范围。此外 ，编码方案不应该表示不可行的方 案 ．如果表 达式 中包含 了不可 行方案 ，同样将 增 大 搜索空间的范围，从而使搜索更加困难。 对于用遗传算法优化矿体的回采顺序 ，传统的 遗传算法编码方案将可能产生非法 的后代，因此 ， 作者 设计 了如 图 1所示 的编码方 案。在 图 l中 ，l 、 2 、3 ⋯⋯代表矿体 的回采顺 序，t 1 ； 、t 2 ； 、t 3 ⋯代 表开 采 该 矿 段 所 产 生 的 效 果 ，包 括 采 场 顶 板 下 中国矿业 2 0 0 1年第 l 0卷第 5期 维普资讯 沉 、围岩破 损 区 、塑性 变形 区等指标 。遗传算 法就 是用这 些指 标作 为适应 函数来 衡量矿 体 回采顺 序方 案的优 劣 。 l 2 3 t J t 【 t 囤 1 回采顺序优化遗传算法编码方案囤 2 ． 2 适应 函数 的确定 适应函数是遗 传算法搜索的驱动力，因此台理 确定适应函数是应用遗传算法的一项十分重要的步 骤 在地下 矿 山的 回采顺序优 化过程 中 ，由于采 场 的稳 定性 等岩石 力学 指标直 接关 系到矿 山 的安全生 产 和经 济效益 ，所 以 ，人们 在通常 的优 化过程 q J 采 用 的是 岩石力学 目标 。矿 山开采系统 作 为一个 旨在 生 产矿 石的工程 系统 ，它并 不需要 全面 而精确 地控 制岩体的各种力学反应 ，而只要求岩体的力学行为 能 够保 证安全而 顺利 地开采 。因此 ．采 矿工程 系统 的岩石力学 目标可以概括为作业场所及其通道的 稳定性 ，未采 矿块 的可采状 态 ，开 采 系统的结 掏稳 定性 。 对 于一个 采矿工 程系统 而言 ，岩石 力学 日标可 以用某个 或某 些 数学 变 量来 表 示 ，如稳 定 性 指 数 、 采场 闭合率 、巷道破 坏率 、栗场周 边 主要收敛 位移 和破坏 区 面 积 体 积 等 若 Y 表示 岩石 力学 目 标 ，A、B、C ⋯ ． ． 表 示控 制 变量 ， u表 示 变帚 约束空 间 ，则 优化模 型 的一 般形式 为 YF A， B， C， ⋯ A． I j ， C， ⋯ ∈ U 显 然 ， 在处 理实 际问题 时 ， 建立 上式 的确定 型 函 数关系是非常困难的， 而只能通过数值模拟来揭示 目标与变量之间的相关关系遗传算法的群体是向 着适应值大的方向进化， 对于求 目标函数极小值问 题的适 应值 函数 为 FM F A， B， C⋯ 式 中 M 为当前代 中的撮大值 2 ． 3 遗传算子的设计 1 初 始化 染色体的实数部分采用随机的方法来产生 ，取 值范 围 以对 回采顺 序 的数值 模拟 所取 得 的结 果为 基 础 。每个步骤 的状 态 回采 、充填 从整 个 回果 步 骤的集合中随机选取。 2 杂交算子 对于回采顺序优化遗传算法的编码方案，杂交 算子包括两部分 每一部分对应染色体中的一种数 据类型。对于矩阵中的实数采用混合杂交算子 ；对 遣 传算法优化地下矿 山开采顺序的应用研究 于矩 阵 中对应 于各 回采 步骤 的数 据采用 均匀 杂交算 予。混合杂交算子用于在染色体中的每个实数单元 产生新 的值 回采步骤 从 父代随 机选择 ，均匀 杂交 算子独立于数据类型，每个单元从一个父代或其它 父代 中复制 。如 图 2所 示 圈 2遗传算法优化 回采顺序的均 匀杂 交算子 3 变异算子 对 于矩 阵 中 的 每 一 实 数 单 元 ，采 用 正态 性 变 异 ；而 对 于矩阵 中的 回采 步骤则通 过触 发方式来 实 现变异 染色体中单个实数元素通过选择一个基于 高斯曲线所选择的值来进行变异。高斯曲线由平均 值和标 准差来 定 义 ，平 均值 等 于先前 的数 值 ，偏 差 则是适应 性 的 。 回采 步 骤在 有效 的 回采 步骤 之间随机挑 选 以便 进行变异 ，如果 回采步 骤矩 阵 中的一 个元素 被选 择 产生变异 ，那么它的值就变为相应任务中的另一个 有效 值 。 2 ． 4 回采顺序优化的遗传算法的程序设计 根据上述回采顺序优化的遗传算法的设计，利 用美国 P L I S A D E公 司开发的遗传算法优化工具箱 开发了回采顺序遗传算法优 化的程序 图 3 。程 序运 行 的 基 本 步 骤 是 ，用 户 首 先 启 动 制 表 软 件 E x c e l 9 7中的一 个 系统 模 型 ，然 后从 菜 单 中调 用 用 户 自己开发的应用软件 ，当用户在对话框 中输入一 些必要的信息后，程序便开始工作，对成千上万种 方案进行 自动估算直到找到一个最优方案为 止。 圈 3 遗传算法优化回采顺序程序界面 51 维普资讯 3工 程实 例 3 ． 1 矿区工程地质条件 三 山岛金 矿矿体 分布在 三 山岛断裂 带 内的构造 蚀变带 中 ，在 胶东群 变质 岩系 与燕山期 玲瑰 花 岗岩 接触带 的花岗岩一侧 该岩体经历了中生代以来的 多次 构 造 活 动 ，岩 浆 侵 ，热 液 的烛 变 和胶 结 作 用 ，因绢 云母 化 、硅 化 、黄铁 矿化 、方解 石化 和磁 铁 矿化 ，以及石英 受力重 结 晶等 ，使 断裂 破碎带 的 岩石产生了一定的胶结作用，提高了碎裂蚀变花 岗 岩 的完 整性 和岩 石强度 。从 岩石学角 度来 说 ，矿 区 围岩 主要 为构造 岩 根 据 破碎 和 蚀 变 程度 的不 同 ， 可分 为 未 蚀 变 的 碎 裂 花 岗 岩 ，绢 英老 化 碎 裂 花 岗 岩 ，绢英 质碎斑 岩 ，黄铁绢 英质碎 班老 和黄铁 绢英 质康棱岩五种类型，矿体赋存在后两种岩石中。由 于蚀 变 和胶结作 用 ，后三种岩 石 的物理 力学性 质差 别不 大 。从工 程地质 力学观 点和 肉眼识 别的便 利 出 发，自三山岛断裂带中心向两侧的老性可依次分为 黄铁绢英岩 、黄铁绢英岩化花岗岩和未蚀变的中粗 粒 斑状 黑云母 花 岗岩 。绝大部 分金矿 赋存 在该类 岩 石 中。黄铁绢英 岩 化花 岗岩 属 中一 轻度 蚀 变 岩 石 ， 蚀 变矿 物相对 较少 ，主要为绢 云母 和碳 酸岩 黑云 母较少 ，主要分布在矿体上 、下盘 。 3 ． 2 回采顺 序数 值模 拟优化 根据采场 回采 的设 计 方 案 ，整 个 采场 分成 2 8 条进 路 ，每 条 进 路 的 宽 度 为 3 ． 5 m，回 采 高 度 4 ． 0 m。采用 了三 种不 同充填 料 ，即灰砂 比分别 为 l 8 、1 1 2的充填体和非胶结充填体。选择 的充填 体 的物理力 学参 数 如表 1 所 示 。 表 1 充填体的物理 力学参数 表 2 F L A C模拟几种典型的回采顺序的进路顶板下沉 量 顶板最大 顶板最大 顶板最大 顶板最大 顶板最大 回呆顺序 下沉量 回呆顺序 下 沉量 凹呆顺序 下沉量 回采顺序 下沉量 回采顺序 下沉量 mm t n l i l mm mm mm 3． 【 } 6 7． 8 7 6 4 5 【 0． 3 4 1 1 ． 1 6 1 3． 51 1 2 5 4 1 4 3 5 1 6 7 6 1 6 l 2 1 5 8 3 1 7 8 1 1 4 46 1 3． 8 7 l 6． 7 7 l 8． 2 6 l 4 8 5 1 8 4 7 1 8 7 8 1 9 5 4 2 0 6 3 2 1 8 5 21 4 0 2 2． 09 7 6 1 6 1 4 60 8 43 5 1 1 2 8 5 2 中国矿业 2 0 0 1 年第 l 0卷第 5期 鲫H 肿 m m m 朋 川m 控 n m” 旧 汀 鸺篮 拈m 0 n 4 9 B r二 ∞ 玎 加 H 舱 拍 鸽 4 m “ 博 加 ” 嚣 ；拍 蚪 非 卯 ” 勰 盯 蛐 舵 卯 卵 如 博 n H “ H 2 “ 如 孙 丑 N 翌 坩 圮 0 7 H “ ∞ 弼 昭 拍 ” 螺 他拍 ∞ m n 儿 鲍 n 玎 控 l 巧 耵 强 孙 N 儿 姐 “ 孙 地 ” H 7 8 3 4 ● 忙 }号 H％Ⅲ m m Ⅲ m 。 m幢 丝n 博 博控 m 0 卜 、 n H “ 加 n ∞ 拍 弛 维普资讯 矿体的回采顺序从定性的角度来说 ，『 l』 以分为 三种 ，即从矿体的中央往两翼 ．从矿体的两翼 ， 丰 中央和 一翼到另一翼。对于三山岛金矿来说 ，情 况更 为复 杂一些 ，在上述 三 种回采方 案 ，还存在 着 进路的回采顺序问题 ，进路是隔一采一 ．还是隔 l_ ． 采一 的 问题 等 。所有这些 问题 ．用 常规 的方法 是难 以解决 的 ，常规 的方法得 到 的 回采顺 序 只能是 准最 优的 ，不可能达到最优。同时为了采用遗传算法优 化采场 回采顺序，首先必须对 回采顺序进行数值模 拟 ，本文采用的数值模拟方法为拉格朗 日元方法。 任选 2 0种回采顺序用 已从进行数值模拟 ，表 2是 其 中 5种 典型 的采场 回采顺 序的模拟 结 果。 3 ． 3 回采 顺序 化 在数值模拟的基础上，用遗传算法来优化采场 的回采 顺序 ，其 适 应 函数 为采 场 顶板 的最 大 位 移 ， 也就是说，优化的 目标是使各采场顶板中点的最大 位移之和最小。假设全部进路采完后 ．进路顶板 的 下沉量的总和不超过一次性把矿体全部 回采完后 ， 各点所产生的位移总和，以此作为采用遗传算法优 化回采顺序的约束条件；同时，进路的充填接顶率 为 1 0 0 ％。以上述假设为基础，采用如前所述的采 场回采顺序编码方案 ，交叉概率取 0 ． 5 ．突变概率 为 0 ． 1 ，经 过 1 0 0 6次的运 行后 ，得 到 回采 顺序 的 最 佳结果 ，优化 后的结果 如表 3中的灰色部分所示 。 表 3回采顺序优 化前 后的采场顶板最士下沉量的 比较 顶板最大 顶扳最大 顶扳最大 顶板最大 顶扳蛀太 司栗顺序 下沉量 回采顺序 下沉 量 凹采顺序 下沉量 同采顺序 下沉量 回采顺序 下沉量 mmn n m mm mm ⋯ t 9 34 27 4 l14 28 6 394 7 3．06 - 麓 骧匪l碧 匿 蕊 2 l5．12 28 3 254 24 5 048 3 7 87 n 3 8 t72 23 9．24 26 7 897 5 6 45 l I l_ 4 9 65 24 5．37 22 l0 37 9 10 34 5 21 4 25 l3 43 18 l0 94 l3 1l 16 醺 _ 6 l3 75 26 l0 24 2 l2 4l t1 13 5l _ i 7 10 38 21 l7 38 l6 14 65 I l2 54 霪I 8 l2 05 22 14 36 l2 l6 38 4 14 35 9 l8 88 l7 19 34 l l6 93 2 16 76 l 0 l l 8 l 8 l 6 8 S l I1 1 4 4 7 6 l 2 l t 1 8 6 4 l 9 1 0 3 6 6 l 7 0 5 1 0 1 5 ．8 3 - l l 2 2 3 l 4 2 0 1 8 4 3 8 1 7 7 5 8 1 7 ．8 1 ’ l ， 1 3 5 9 3 l 5 2t 7 3 4 1 6 2 6 I 5 l 4 ．4 6 l 。 l 4 2 2 9 6 1 6 1 9 8 7 1 1 4 5 6 1 9 l 3 ．8 7 i E 【 5 8 1 4 9 1 1 2 2 45 2 l 5． 3 8 1 7 l 6 7 7 l 6 1 4 7 9 1 2 2 l 4 3 1 8． 4 2 1 2 t 8 2 6 t 1 7 2 2． 21 1 3 2 2． 8 7 7 1 6． 5 7 l 6 l 4 8 5 1 8 1 2． 3 3 1 4 2t ． 6 9 5 t 7 7 6 1 4 l 8 4 7 1 9 8 6 2 9 2 3． 6 4 9 l 9 6 8 2t l 8 7 8 目l I 20 6 394 10 22 I 8 13 【8 47 25 1 9 54 豳 l 一 I 2l 7 8 3 2 7 2 4 l 5 1 【 2 0 3 5 2 3 2 0 6 3 _} 2 2 l 8 2 6 8 22 7 8 1 5 2 2 6 7 1 8 2 0 8 5 2 3 L 8 1 4 3 2 4 4 6 1 2 0 s 8 2 2 2I 4 0 ’ 1 ’1 A ● ⋯1 1 ⋯‘ ’ J ⋯0 - 踺 目 2 6餐l2 2 2 6 2 4 9 ㈡3 25 24 13 24 14 60 [1--27 95 25 23 23 23 47 28 8 43528 54 2 25 27 25 8 26 28 _‘ 隧目 7． 1 gl ． l 罄 目 l0 34 l II 簸目 绷 为 了对 遗传算 法优 化的 回采顺 序的结果 进行 验 证 ，用 F L A C对 遗传算法 所得 到 的结果重新 进行 了 数值计算 ，2 8条进路顶板 中点的最大位移之 和为 3 0 6 2 5 ram，与遗传算 法优化的结 果相 比，相对误 差仅为 2 1 5 ％，因此说 明用遗传算法来优化矿体 的回采顺序是可行 的，得到的结果是可靠的。由表 3中的结果可知，优化后的回来顺序采场顶板 的下 沉量 比未优化的回采顺序最 多的减少 2 1 6 ． 9 3 r n m， 遗传算法优化地下矿 山开采顺序的应用研究 最少的也减少 8 3 ， 8 ram，这说明采用遗传算法来优 化采场 回采顺序是十分有效的。从优化后的回采顺 序来看 ，采场的最佳开采顺序从定性的角度来说是 中央往两翼推进 ，这与采用一般的数值分析方法 所得到 的定 性分 析结 果是 一致 的 。 4结论 1 本文作者把遗传算法与岩石力学数值分析 相结台，应用于地下矿山回采预序的优化，并且取 5 3 维普资讯 植 物粉料一硫 酸 法直接浸 出软锰矿 的 实践 杨幼平黄可龙 中南大 学化 学亿 I 学院 长 沙 4 1 0 0 8 3 摘要研 究了“植物粉料一硫酸法直接浸出轼锰矿的新工艺力 法 ．并 对该法 的原 理和工 艺条件进 行 了较详细 的探 时。试验结果表 明 软 锰 中锰的浸 出率受 到软锰矿 用量 、植物 粉料用量 、硫 酸用量 、 浸出温度及 浸出时间等因素 的影 响。该法在鞍住的工艺条件下 ，锰的浸 出率可达 9 5 ％以上 。 关键词软 锰矿植物粉料硫酸直接浸小 TES T 0F PYR0LUSI TE DI RECT LEACHI NG I N S ULPHURI C ACI D W I TH ADDI T1 0N 0F P LANT P0W DER AS REDUCI NG AGENT Ya n g Yo u pi n g Hu a n g Ke Ion g Mi d , o u t h Un i v e r s i t y 4 1 0 0 8 3 Ab s t r a c t Th e p r i nc i p l e a n d t e c hn o ] og i c a ]c on d i t i on s o f p yr o] u s he di r e c t] c ac hi n g i n s u ] phu r i c a c i d wi t h a d d i t i o n o 1 “ p l a n t p o wd e r f s u c h a s s a wd u s t ．r i c e h u s k∞ r e d u c i n g a g e n t a r e d is c u s s e d i n d e t a i l s Te s t r e u h s 8 ho w t ha t t h e p e r c e nt a g e 。f ma ng a n e s e l e a ch e d ou t i s de pe nd e nt of t py r o I u s i t e c h a r g e p l a n t po wde r c h a r ge， s ul p hu ric a c id v ol u me． t o mp e r a t ur e a nd d ur a t i o n o f l e a c hi n g Un d er a pp r o pr i a t e t e c h no l o gic a l c o n d i t i o n s ， 95％ o f ma n g a n e s e can b e【 e a c h e d o u t Ke y wo r d sP y r o l u s i v e ． P l a n t[ x wd e r ，S u i p h u r i c a c i d， Di r e c t 1 e a c h i n g 软锰矿 浸 出工艺 一直是 国 内外 锰 矿加工 的一个 重要研究内容 ，根据其工艺流程不 同，可归纳为两 大类 即软锰 矿 预 还原 浸 出 法 和 软 锰 矿 直 接 浸 出 法 。软锰矿 直 接 浸 出法 有 黄 铁 矿一 硫 酸 谩 出 洼 、 连 二硫 酸 钙 法 、二 氧 化 硫 吸收 法 、硫 酸 亚 铁 侵 出 法 、细菌 浸 出 法 等[ ～ 。我 国软 锰 矿 品 位 低 、杂 质含量高 ，通过试验寻找一种在技术上可行 、在经 济上 合 理 的 新 型 还 原 剂 ， 进 一 步 改 善 浸 出 操 作 条 得 了满意 的结 果 ，从 而使得 地下 矿 山回采顺 序 的优 化从传统的定性分析、优化上升到定量分析与优化 的阶段 。实践 证 明 ，用遗传 算法 来优 化矿体 的回采 顺序优化是一种比较适宜的、科学的方法。 2 本文作者在利用遗传算法对矿体 回采顺序 进行优化 的过程中，针对采矿方法的特点 ，设计了 合适 的 编码 方 案和遗传 算子 ，分析结 果表 明 ，采用 这种编码方案对矿体的回来1 顷序 的优化分析是十分 成 功 的 3 适 应 函数是遗传 算法 搜索 的驱 动力 ，本文 采用的适应 函数是采场顶板 的最大位 移。事实上 ， 衡量回采顺序优劣的标准并不是唯一的，还有很多 其它方 面 的 因素 ，因此 ，在适应 函数 的选 取方 面还 有待进一步探索。 参 考 文 献 肖专文等遗 传算法 与神经网络协同求解采矿工程中的忧化 问题 中国矿业 1 9 9 8 2 云庄豆等 矿石品位优化的遗传算法 盒j 茜矿山 1 9 9 7 f 5 昱洪词遗恃 算法在鳝天矿 开采设计中的 喧用 金属矿 山 1 9 9 7 3 王战 枉等 遗 传规划 和瓦斯 赛 出强 度 的预 测 中 国矿业 1 9 9 9 4 张 纪会 等 模 拟进 化算 法研究 进展 系统 工 程与 电子 技术 I 9 9 8 3 】 云庆夏等遗传算法和遗传规划丑其在矿业 中的应用 中国 矿业1 9 9 7 2 收稿 日期 2 0 0 1年 5月 8日 [ 作者简介] 古德生 中国工程院 院士教 授博 士生导 师 中国矿业 2 0 0 1年第 1 0卷 第 5期 2 3 4 5 6 维普资讯