劉溫泉

(黑龍江紫金龍興礦業(yè)有限公司,黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

采用崩落法所得的崩落礦石塊度可分為初始?jí)K度、崩落塊度和放出塊度三類[1]。初始?jí)K度是原始的結(jié)構(gòu)面節(jié)理裂隙分隔而成的塊度;崩落塊度是原巖在自然重力或誘導(dǎo)應(yīng)力等條件下,從原巖剝離時(shí)形成的塊度;放出塊度是崩落后的塊度在經(jīng)過放礦結(jié)構(gòu)時(shí)受到擠壓和破碎后礦石最終達(dá)到鏟裝工作面的塊度[2]。三類塊度中,放出塊度直接關(guān)系到鏟裝運(yùn)設(shè)備的選型,二次破碎效率與成本,以及后續(xù)的選礦加工的磨破效率與成本。因此對(duì)放出塊度及其影響因子之間的規(guī)律進(jìn)行分析,對(duì)于礦山企業(yè)高效經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)而積極的意義。

放出塊度一般可采用巖石力學(xué)或塊度預(yù)測(cè)專用軟件分析預(yù)測(cè),在軟件模擬前,需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化或理想概化,導(dǎo)致其模擬出來的結(jié)果必然與實(shí)際情況存在差異[3]。本次研究嘗試以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況作為依據(jù),對(duì)放出塊度及其影響因子之間的信息進(jìn)行深入分析與挖掘。粗糙集理論收集系統(tǒng)的樣本信息形成包括影響因子和影響結(jié)果在內(nèi)的知識(shí)系統(tǒng),對(duì)知識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行屬性約簡(jiǎn)后,再進(jìn)行規(guī)則規(guī)律提取,以揭示影響因子與影響結(jié)果之間的內(nèi)在關(guān)系[4-5]?？紤]到礦石放出塊度的某些影響因子明顯對(duì)放出塊度的大小及形狀存在傾向性影響,存在明顯的偏好關(guān)系,故采用優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集理論對(duì)崩落法放出塊度進(jìn)行分析。相對(duì)于傳統(tǒng)的不可分辨關(guān)系的粗糙集理論,優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集理論考慮了崩落放出塊度各影響因子的偏好信息,考慮更加全面,且優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集理論所生成的規(guī)則集具有向上或者向下的包容關(guān)系[6],可減小確定性分析而帶來的誤差,生成的規(guī)則的可靠性也更高[7-8]。相對(duì)于其他分析方法,其分析過程更加合理,得到的結(jié)果與規(guī)律也更加可靠。

1 系統(tǒng)建模

1.1 影響因子分析

崩落礦石三類塊度在崩落采出過程中由于階段銜接而帶有明顯的因果關(guān)系,崩落放出塊度除受到放出體高度,礦石本身的強(qiáng)度、硬度等因素影響外,與礦石的崩落塊度和原始?jí)K度也有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[9]。因此原始?jí)K度和崩落塊度的影響指標(biāo)必然也會(huì)影響崩落法最終的放出塊度。鑒于以上分析,參考相關(guān)文獻(xiàn),得到崩落法放出塊度的潛在影響因素有巖體質(zhì)量、巖石應(yīng)力條件、節(jié)理產(chǎn)狀、重力、采場(chǎng)暴露面積、崩落高度、采場(chǎng)形狀及底部結(jié)構(gòu)等。其中巖體質(zhì)量由巖體質(zhì)量等級(jí)表征,巖石應(yīng)力由巖石應(yīng)力系數(shù)表征,節(jié)理產(chǎn)狀由節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)整系數(shù)表征,重力情況由重力調(diào)整系數(shù)反映,采場(chǎng)形狀由采場(chǎng)形狀因子表征[10]。

1.2 知識(shí)系統(tǒng)建立

崩落礦石放出塊度的影響因子的量化表征可以作為放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)的條件屬性,包括巖體質(zhì)量等級(jí)c1、巖石應(yīng)力系數(shù)c2、節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)整系數(shù)c3、重力調(diào)整系數(shù)c4、采場(chǎng)暴露面積c5、崩落高度c6、采場(chǎng)形狀因子c7及底部結(jié)構(gòu)c8。而崩落放出塊度存在兩個(gè)對(duì)礦山開采比較有意義的指標(biāo):放出塊度最大尺寸和放出塊度主要形狀。這兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)礦石的鏟裝運(yùn)及后續(xù)的過篩破碎均有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。故崩落礦石放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)選取放出塊度最大尺寸d1和放出塊度主要形狀d2作為決策屬性。得到崩落礦石放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)為:

式中,U為各崩落采場(chǎng)樣本對(duì)象集;A為屬性的集合,包括條件屬性集合C與決策屬性集合D,即A=C∪D,且C∩D=?;V為各類屬性值域或信息域的并集,即V=∪Va,其中a∈A,Va為屬性a的值域或信息域;f為信息函數(shù),它指明了U×A→V的規(guī)則,對(duì)于?a∈A,?x∈U,f(x,a)∈Va。

1.3 數(shù)據(jù)離散

各屬性的離散方法多種多樣,等區(qū)間、等寬度、等頻率等均可作為屬性數(shù)據(jù)離散的方法,而某些屬性按照規(guī)范、慣例可由數(shù)據(jù)直接對(duì)應(yīng)定性評(píng)價(jià),也可以作為屬性離散的方法。崩落礦石放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)的各屬性按照合適的離散方法離散后,即生成該知識(shí)系統(tǒng)規(guī)律分析的決策表。

1.4 優(yōu)勢(shì)關(guān)系分析及屬性約簡(jiǎn)

崩落礦石放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)的條件屬性,對(duì)于崩落礦石放出塊度最大尺寸d1和放出塊度主要形狀d2可能存在偏好信息,因此,有必要對(duì)條件屬性對(duì)應(yīng)決策屬性進(jìn)行偏好信息分析。以放出塊度最大尺寸d1 為例,如其包含三個(gè)偏好順序類:Cl1={小},Cl2={中},Cl3={大}。根據(jù)偏好決策類對(duì)論域進(jìn)行劃分,可得如下決策類的并集:

同時(shí),應(yīng)用適當(dāng)?shù)募s簡(jiǎn)算法可搜尋到一定數(shù)量的約簡(jiǎn),將包含條件屬性最少且屬性出現(xiàn)頻率最多的約簡(jiǎn)視為最優(yōu)約簡(jiǎn)。

1.5 偏好規(guī)則的生成

根據(jù)搜尋到的最優(yōu)約簡(jiǎn),生成崩落礦石放出塊度規(guī)律分析的最少偏好決策規(guī)則集:“至少”偏好規(guī)則集D≥與“至多”偏好規(guī)則集D≤。

“至少”偏好規(guī)則集D≥如下:

“至多”偏好規(guī)則集D≤如下:

生成的偏好規(guī)則支持?jǐn)?shù)足夠大時(shí)即可成為偏好規(guī)律,以此來指導(dǎo)礦山生產(chǎn)實(shí)踐。

系統(tǒng)建模流程見圖1。

圖1 系統(tǒng)建模流程

2 規(guī)律實(shí)證分析

2.1 知識(shí)系統(tǒng)構(gòu)建

通過文獻(xiàn)研究及實(shí)地調(diào)研等多種方式,獲得正在或曾經(jīng)采用過崩落法的24個(gè)崩落采場(chǎng)的相關(guān)信息,構(gòu)建崩落礦石放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng),見表1。需要注意的是,巖體質(zhì)量等級(jí)統(tǒng)一換算為南非RMR 法標(biāo)準(zhǔn),放出塊度主要形狀是崩落礦石中放出塊度形狀中占據(jù)主導(dǎo)的塊度形狀,理論上由三維塊體模型參數(shù)判定,實(shí)際上一般現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)判定。

表1 崩落放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)

2.2 數(shù)據(jù)離散與優(yōu)勢(shì)關(guān)系分析

對(duì)知識(shí)系統(tǒng)各條件屬性和決策屬性進(jìn)行離散,由于樣本對(duì)象較少,為了生成的規(guī)則支持?jǐn)?shù)足以提取出規(guī)律,需要各條件屬性的離散分級(jí)不能太多,且離散化的方法應(yīng)首先遵循專業(yè)慣例。確定數(shù)據(jù)離散方式為:巖石應(yīng)力系數(shù)(0,0.5]為小、(0.5,1.0]為大;節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)整系數(shù)(0.2,0.6]為小、(0.6,1.0]為大;重力調(diào)整系數(shù)[2,4]為小、(4,6]為中、(6,8]為大;采場(chǎng)暴露面積[0,200]為小、(200,2000]為中、(2000,∞]為大;崩落高度[0,50]為低、(50,∞]為高;采場(chǎng)形狀因子[0,60]為小、(60,∞]為大;放出塊度最大尺寸[0,0.5]為小、(0.5,1.0]為中、(1.0,∞]為大。

離散后得到放出塊度規(guī)律分析決策表(見表2)。

表2 崩落放出塊度規(guī)律分析決策

對(duì)各條件屬性相對(duì)決策屬性的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析,得到各條件屬性對(duì)于各決策屬性的優(yōu)勢(shì)關(guān)系,見表3。

2.3 屬性約簡(jiǎn)

采用遺傳算法對(duì)崩落放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)的兩個(gè)子知識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行屬性約簡(jiǎn)。對(duì)于放出塊度最大尺寸規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng),遺傳算法共搜尋得到13組約簡(jiǎn),其中最優(yōu)約簡(jiǎn)為{c2,c4,c6}及{c1,c2,c6};對(duì)于放出塊度主要形狀規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng),遺傳算法共搜尋得到6組約簡(jiǎn),其中最優(yōu)約簡(jiǎn)為{c1,c5,c6,c7,c8}、{c2,c4,c5,c6,c7}、{c1,c2,c5,c6,c7}及{c4,c5,c6,c7,c8}。

2.4 優(yōu)勢(shì)關(guān)系規(guī)則生成

考慮到一般技術(shù)人員的認(rèn)知水平和習(xí)慣認(rèn)知,選擇包含明顯優(yōu)勢(shì)關(guān)系屬性的最優(yōu)約簡(jiǎn),以便進(jìn)行優(yōu)勢(shì)關(guān)系分析。對(duì)放出塊度最大尺寸規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng),以最優(yōu)約簡(jiǎn){c1,c2,c6}生成偏好規(guī)則集,對(duì)放出塊度主要形狀規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng),以最優(yōu)約簡(jiǎn){c1,c5,c6,c7,c8}生成偏好規(guī)則集。

放出塊度最大尺寸規(guī)律分析的“至少”偏好規(guī)則集D≥見表4。

表4 放出塊度最大尺寸的D≥偏好決策規(guī)則集

放出塊度最大尺寸規(guī)律分析的“至多”偏好規(guī)則集D≤見表5。

表5 放出塊度最大尺寸的D≤偏好決策規(guī)則集

放出塊度主要形狀規(guī)律分析的“至少”偏好規(guī)則集D≥見表6。

表6 放出塊度主要形狀的D≥偏好決策規(guī)則集

放出塊度主要形狀規(guī)律分析的“至多”偏好規(guī)則集D≤見表7。

表7 放出塊度主要形狀的D≤偏好決策規(guī)則集

2.5 規(guī)律提取與分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)規(guī)則的支持?jǐn)?shù)大于等于5時(shí),規(guī)則具有較高的可靠性,可稱之為規(guī)律。據(jù)此,得到放出塊度最大尺寸偏好規(guī)律見表8,放出塊度主要形狀偏好規(guī)律見表9。

表8 放出塊度最大尺寸偏好規(guī)律

表9 放出塊度主要形狀偏好規(guī)律

利用優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集對(duì)崩落放出塊度規(guī)律分析知識(shí)系統(tǒng)的放出塊度最大尺寸子知識(shí)系統(tǒng)的24個(gè)對(duì)象集合提取出10條規(guī)律,各規(guī)律支持?jǐn)?shù)為5～14。對(duì)放出塊度主要形狀子知識(shí)系統(tǒng)的24個(gè)對(duì)象集合提取出6條規(guī)律,各規(guī)律支持?jǐn)?shù)最少為5～14。

由不可分辨關(guān)系粗糙集生成的規(guī)則:放出塊度最大尺寸子知識(shí)系統(tǒng)有且只有一條規(guī)則支持?jǐn)?shù)為5,能被認(rèn)作規(guī)律;而放出塊度主要形狀子知識(shí)系統(tǒng)的規(guī)則支持?jǐn)?shù)絕大多數(shù)為1,僅有一條為2,沒有足夠的支持?jǐn)?shù)提取出規(guī)律。

2.6 規(guī)律應(yīng)用

根據(jù)表8及表9得到的規(guī)律,為控制崩落礦石放出塊度的最大尺寸,可對(duì)采場(chǎng)崩落高度進(jìn)行有針對(duì)性的控制;為控制崩落礦石放出塊度的主要形狀,可對(duì)采場(chǎng)暴露面積、采場(chǎng)崩落高度、采場(chǎng)形狀和采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對(duì)性的控制。根據(jù)實(shí)踐結(jié)果,對(duì)部分礦山崩落采場(chǎng)采取控制措施后,超過90%的采場(chǎng)得到了與規(guī)律揭示匹配的崩落礦石放出塊度最大尺寸或形狀的結(jié)果。說明了優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集對(duì)崩落礦石放出塊度規(guī)律分析的可靠性。

3 結(jié)論

(1)采用優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集理論對(duì)崩落礦石放出塊度的兩個(gè)子知識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了屬性約簡(jiǎn)。放出塊度最大尺寸規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng)約簡(jiǎn)為3個(gè)條件屬性;放出塊度主要形狀規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng)約簡(jiǎn)為5個(gè)條件屬性,從而降低了分析難度和規(guī)則提取的復(fù)雜性,間接提高了規(guī)則的支持?jǐn)?shù)。

(2)優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集生成的放出塊度最大尺寸規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng)的偏好規(guī)則的支持?jǐn)?shù)為5～14,生成的放出塊度主要形狀規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng)的偏好規(guī)則的支持?jǐn)?shù)為1～14。規(guī)則的支持?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于不可分辨關(guān)系粗糙集生成的規(guī)則支持?jǐn)?shù),說明優(yōu)勢(shì)關(guān)系粗糙集對(duì)小樣本對(duì)象進(jìn)行規(guī)則生成和規(guī)律提取具有相對(duì)可靠?jī)?yōu)勢(shì)。

(3)崩落礦石放出塊度最大尺寸規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng)約簡(jiǎn)后的3個(gè)條件屬性,約簡(jiǎn)生成了10條偏好規(guī)律;而崩落礦石放出塊度主要形狀規(guī)律分析子知識(shí)系統(tǒng)約簡(jiǎn)后的5個(gè)條件屬性約簡(jiǎn)生成了6條偏好規(guī)律,這說明約簡(jiǎn)的屬性數(shù)越少,生成規(guī)則的支持?jǐn)?shù)就越多,提取的規(guī)律也就越多。