淺談基于模糊數(shù)學(xué)理論的采礦方法選擇

張曉鵬

（國投新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001）

礦產(chǎn)資源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是國家經(jīng)濟(jì)起飛的首要條件及經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志，是生產(chǎn)力構(gòu)成的主要因素之一。采礦方法的選擇對安全生產(chǎn)、提高礦石產(chǎn)量、降低礦石損失率和貧化率、提高勞動生產(chǎn)率和降低成本等具有重要影響，關(guān)系到礦山的效益甚至礦山的生存和發(fā)展。采礦方法的選擇又是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，礦床地質(zhì)條件和礦體賦存條件與采礦方法之間是一個復(fù)雜的非線性關(guān)系。傳統(tǒng)的采礦方法難以適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件以及難以準(zhǔn)確預(yù)測和定量描述其他因素，基于此本文提出了用模糊數(shù)學(xué)理論來優(yōu)選采礦方法。選出的采礦方法在一定程度上能夠克服主觀性和隨意性，具有良好的科學(xué)性，并能為礦山企業(yè)選擇采礦方法提供可靠的理論依據(jù)。

1 傳統(tǒng)的采礦方法選擇技術(shù)

傳統(tǒng)的采礦方法選擇主要分為三步，首先根據(jù)礦床地質(zhì)特征和采礦技術(shù)條件初選可行方案，然后進(jìn)行技術(shù)積極分析，若比較的方案之間差異不明顯，需要進(jìn)行細(xì)致的綜合分析選出最優(yōu)的采礦方法。該方法依靠人的經(jīng)驗(yàn)，主觀隨意性較大，結(jié)果比較主觀、片面，缺乏科學(xué)性。因此，需要綜合采礦領(lǐng)域多位專家的經(jīng)驗(yàn)，并運(yùn)用科學(xué)理論將經(jīng)驗(yàn)決策上升到科學(xué)化的決策水平，實(shí)現(xiàn)采礦方法的優(yōu)化選擇。

2 現(xiàn)代采礦方法

2.1 基于數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的采礦方法

近代數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是發(fā)展當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，采礦方法的選擇只有運(yùn)用了近代數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)才能上升到科學(xué)的高度。近年來，很多專家學(xué)者對此進(jìn)行了深入研究并提出了運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)選擇采礦方法，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析選擇采礦方法，運(yùn)用灰色局勢決策選擇采礦方法，運(yùn)用多目標(biāo)決策選擇采礦方法，運(yùn)用價值工程選擇采礦方法以及運(yùn)用人工智能選擇采礦方法等。

灰色理論選擇采礦方法包括灰色關(guān)聯(lián)分析和灰色局勢決策，該方法可以克服采礦知識的不完全性和非確知性，但是沒考慮到方案中各目標(biāo)、各因素的相對重要程度，不符合實(shí)際情況；多目標(biāo)決策選擇采礦方法各目標(biāo)權(quán)重的確定具有一定的人為因素。權(quán)重確定的正確與否直接決定著決策結(jié)果是否合理。因而，此法得出的結(jié)果可能會與實(shí)際情況不符；運(yùn)用價值工程，主要考慮的是經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，選擇的采礦方法不能很好的適應(yīng)礦床地質(zhì)開采技條件。人工智能主要采用專家系統(tǒng)，但是專家系統(tǒng)仍存在著知識獲取的"瓶頸"，知識"窄臺階"，推理能力弱，智能水平低，系統(tǒng)次少，適用性差等問題。

模糊數(shù)學(xué)法：運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)選擇采礦方法沒有明確遵循的選擇準(zhǔn)則，主要選擇依據(jù)是各種地質(zhì)技術(shù)條件。首先，初選一些采礦方法，確定這些采礦方法所要求的地質(zhì)技術(shù)條件；然后，列出擬選址采礦方法的礦山的地質(zhì)技術(shù)條件，計(jì)算并確定它們與初選采礦方法所要求的地質(zhì)技術(shù)條件之間的模糊相似程度，選擇出條件最近似的采礦方法。

模糊數(shù)學(xué)還可以用來預(yù)測采礦方法將取得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。首先，列出本礦山的地質(zhì)技術(shù)條件，再收集一些采用同樣采礦方法的其他礦山的地質(zhì)技術(shù)條件，對它們進(jìn)行模糊聚類。聚類時，與本礦山近似程度最高的礦山取得高權(quán)值，其余礦山按聚類近似程度排序依次取較低的權(quán)值；然后將各礦山用這種采礦方法取得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)加權(quán)平均，得到本礦上采樣這種采礦方法可能取得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2.2 模糊數(shù)學(xué)選擇采礦方法的優(yōu)點(diǎn)

模糊數(shù)學(xué)中所指的模糊現(xiàn)象，是指某些客觀事物之間的差異，在中間過渡時所呈現(xiàn)的"不分明性"，這種客觀事物之間的"不分明性"在模糊數(shù)學(xué)上稱之為"模糊約束"或"模糊目標(biāo)"。采礦過程中，影響采礦方法選擇的因素眾多，礦體形態(tài)、產(chǎn)狀、規(guī)模、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、礦石價值、水文地質(zhì)條件、采礦過程中的安全和對地表的影響程度等都具有模糊性。反之，采礦方法不僅對地下資源的回收程度、投資大小、勞動生產(chǎn)率高低和礦石開采成本等主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有影響，而且還影響著工作安全、生產(chǎn)規(guī)模、礦石加工的經(jīng)濟(jì)效果。因此，采礦方法的選擇是一個典型的模糊決策問題。

采礦方法的選擇，主要采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價法，在分析對比采礦方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)時，只能按同類指標(biāo)單一地評估其優(yōu)劣程度，而難以從定量的角度，分析和驗(yàn)證各項(xiàng)指標(biāo)對采礦方法產(chǎn)生的綜合影響。在采礦方法評價過程中，特別是當(dāng)?shù)V體開采技術(shù)條件比較復(fù)雜，可供選擇的采礦方法在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上優(yōu)劣不明顯時，選擇者因受知識水平、業(yè)務(wù)能力、經(jīng)驗(yàn)豐富程度的影響所做出的決策，不可避免地帶有個人的主觀意念，甚至做出錯誤決策。由于采礦工程特殊復(fù)雜的客觀條件，采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價法作為采礦方法選擇的最終手段，有其局限性，要達(dá)到全面、準(zhǔn)確的擇優(yōu)效果是困難的。模糊數(shù)學(xué)原理，則提出了新的決策方法，為采礦方法的選擇提供了一種新的途徑。礦體處于復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力場中，其開采技術(shù)條件具有極大的模糊性、隨機(jī)性和未知性，因而，在進(jìn)行采礦方法方案選擇時，也存在著諸多影響因素的模糊性和隨機(jī)性。在運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)對采礦方法進(jìn)行優(yōu)選時，可以將采礦過程中的各種模糊或主觀因素轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)形式，量化分析各方案的評價指標(biāo)，使方案的評價和選擇更科學(xué)、合理、可靠。

3 優(yōu)選采礦方法

3.1 優(yōu)化的采礦方法選擇步驟和方法

步驟和方法的優(yōu)化：運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)技術(shù)對采礦方法選擇的步驟和方法進(jìn)行優(yōu)化，見圖1。技術(shù)上可行的采礦方法方案用專家系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序選出。優(yōu)劣難分的采礦方案用價值工程法、綜合評價系數(shù)法或模糊數(shù)學(xué)等數(shù)值法選出。對于優(yōu)劣難分的采礦方法方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，以經(jīng)濟(jì)效益等作為優(yōu)化準(zhǔn)則建立數(shù)學(xué)模型求解，求得最優(yōu)采礦方法。

圖1 優(yōu)化的采礦方法選擇步驟和方法

3.2 優(yōu)選采礦方法使用范圍

運(yùn)用近代數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)選采礦方法，使得選擇采礦方法的決策具有一定的科學(xué)性，但該類方法也有適用范圍，以下兩個方面就不適用數(shù)學(xué)優(yōu)選：

（1）特殊的礦床條件

巖金礦山主要是含金石英脈型礦床，且多數(shù)為薄與極薄礦體。此類礦床開采技術(shù)條件，一般礦巖較穩(wěn)固或穩(wěn)固，可供選擇的采礦方法單一，只有全面法或者削壁充填法，不適用數(shù)學(xué)優(yōu)選采礦方法。

（2）礦山生產(chǎn)條件

我國巖金礦山達(dá)數(shù)百座，但大多數(shù)為中小型礦山，其生產(chǎn)能力200t／d上下，且多數(shù)是薄或極薄礦脈，品位不高，資金有限，機(jī)械化程度低。此類礦山開采缺乏資金購置先進(jìn)機(jī)械設(shè)備，無能力建立填充系統(tǒng)，技術(shù)力量和管理經(jīng)驗(yàn)也相對不足，所以只適用常規(guī)采礦方法，并加以改進(jìn)以提高生產(chǎn)能力，降低采礦損失率、貧化率指標(biāo)，改善企業(yè)經(jīng)營狀況。

[1]徐忠義，杜前進(jìn).采礦知識問答[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997，1-454.

[2]金川有色金屬公司，北京有色冶金設(shè)計(jì)研究院.地下采礦方法[M].鞍山：中國礦業(yè)出版社，1994，1-482.

[3]韓現(xiàn)民，李曉，杜國棟.模糊評判在露天轉(zhuǎn)地下礦山的礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用[J]，工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，14(05)：1-7.

[4]暢文生，黃曉乃.模糊數(shù)學(xué)在采礦方法優(yōu)化選擇中的應(yīng)用[J]，長沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，16(4).