پیش‌بینی و اصلاح یکنواخت ابعاد خردشده سنگ ناشی از انفجار با استفاده از مدل‌های ترکیبی یادگیری ماشین: مطالعه موردی معدن سنگ آهن گهرزمین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی معدن، واحد سیرجان، دانشگاه آزاد اسلامی، سیرجان، ایران

2 دانشجوی دکتری تخصصی، گروه مهندسی معدن، واحد سیرجان، دانشگاه آزاد اسلامی، سیرجان، ایران

3 سرپرست واحد عملیات، امور معدن شرکت معدنی و صنعتی گهرزمین، سیرجان، ایران

4 کارشناس واحد حفاری و انفجار، امور معدن شرکت معدنی و صنعتی گهرزمین، سیرجان، ایران

چکیده

طراحی دقیق الگوی انفجار و پیش‌بینی اندازه ذرات خردشده نقش کلیدی در بهینه‌سازی عملکرد استخراج و کاهش هزینه‌های عملیاتی در معادن روباز ایفا می‌کند. هدف این پژوهش، توسعه چارچوبی یکپارچه برای پیش‌بینی اندازه ذرات خردشده (D_80) و اصلاح پارامترهای طراحی انفجار در معدن سنگ آهن گهرزمین بود. بدین منظور، با استفاده از ابزارهای یادگیری ماشین و مدل‌های ترکیبی به همراه روش استنتاج فازی، بر اساس داده‌های ۱۹ انفجار برداشتی و داده‌های افزوده‌شده با تکنیک داده‌افزایی تصادفی، مدل‌های پیش‌بینی‌کننده ایجاد شدند. به منظور جلوگیری از بروز خطا و سوگیری در یادگیری مدل‌ها بر اثر نشت داده‌ها ناشی از نمونه‌های فرضی هم‌خانواده، مدل‌سازی با استفاده از روش اعتبارسنجی متقابل گروهی بر اساس شناسه بلوک‌های اولیه انجام گرفت و داده‌افزایی فقط داخل فولدهای اعتبارسنجی اعمال شد. ده‌ها مدل پایه و ترکیبی پشته‌سازی و میانگین وزن‌دار آموزش داده شدند. نتایج ارزیابی مدل‌ها نشان داد که مدل پشته‌سازی (SVR-CatBoost) با = 0/7398 R_CV^2، =0/8678 R_Full^2، =0/8299 R_Test^2 و فاصله بیش‌برازش برابر با 0/1281 بهترین تعادل بین دقت و پایداری را ارائه کرد و به‌عنوان مدل نهایی پایدار و قابل اعتماد انتخاب شد. مدل میانگین وزن‌دار (SVR-CatBoost) نیز با=0/7438 R_CV^2 و فاصله بیش‌برازش 0/1187 در رتبه دوم قرار گرفت. برخی مدل‌های پایه با وجود R_CV^2 بالا، روی داده تست عملکرد ضعیفی نشان دادند که اهمیت ارزیابی هم‌زمان روی داده‌های تست را تأیید می‌کند. همچنین مدل فازی با ضریب تعیین =0/497 R^2 عملکرد ضعیفی ثبت نمود. بر اساس نتایج حاصل از تحلیل حساسیت توسط روش‌های رگرسیون خطی، SHAP، Sobol و Morris و همچنین مدل‌سازی‌های هوشمند انجام شده، اصلاح پارامترهای طراحی انفجار در ۲۲ بلوک آزمایشی به صورت کاملاً تفکیک‌شده برای دو نوع سنگ شیست و کنگلومرا انجام شد. بر این اساس در سنگ باطله شیست به ازای خردکردن هر ۱۰۰ هزار تن سنگ، تعداد چال‌ها ۳۰ درصد، خرج ویژه ۴۰ درصد و هزینه‌های عملیاتی حفاری و انفجار معادل ۷/۵ درصد برای آنفو و ۵/۰ درصد برای امولایت کاهش یافت. همچنین برای سنگ باطله کنگلومرا تعداد چال‌ها ۲۳ درصد، خرج ویژه ۳۰ درصد و هزینه‌های عملیاتی بطور متوسط ۲۲ درصد به ازای هرچال کاهش یافت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Prediction and Uniform Modification of Fragmented Rock Dimensions due to Blast by Hybrid Machine Learning Models: A Case Study of Gohar Zamin Iron Ore Mine

نویسندگان [English]

  • Hossein Samareh 1
  • Farhad Hamzeh 2
  • Masoud Soltani nezhad 3
  • Mohammad Javad Askari 4
1 Assistant Professor, Dept. of Mining Engineering, Si.C., Islamic Azad University, Sirjan, Iran
2 Ph.D., Dept. of Mining Engineering, Si.C., Islamic Azad University, Sirjan, Iran
3 Supervisor of Operation Branch, Mining Dept. of Goharzamin Mining and Industrial Co., Sirjan, Iran
4 Expert of Drilling & Blasting Branch, Mining Dept. of Goharzamin Mining and Industrial Co., Sirjan, Iran
چکیده [English]

Precise blast pattern design and the prediction of fragmented particle size play a key role in optimizing extraction performance and reducing operational costs in open-pit mines. The aim of this research was to develop an integrated framework for predicting fragmented particle size (D80) and refining blast design parameters at the Gohar-Zamin iron ore mine. To this end, using machine learning tools and hybrid models together with incorporating fuzzy inference based on data from 19 blasting events and data augmented via a random data augmentation technique, predictive models were developed. To prevent errors and bias in model learning caused by data leakage from related samples, modeling was performed using the Group K-Fold cross-validation method based on initial block identifiers, and data augmentation was applied only within the validation folds. Dozens of base, ensemble stacking, and weighted-average models were trained. Model evaluation results demonstrated that the stacking model (SVR-CatBoost) with R_CV^2= 0.7398, R_Full^2= 0.8678, R_Test^2= 0.8299, and an over fitting gap of 0.1281 offered the best balance between accuracy and stability, and was consequently selected as the final, stable, and reliable model. The weighted average model (SVR-CatBoost) ranked second, with an R_CV^2=0.7438 and an over fitting gap of 0.1187. Despite high R_CV^2values, some base models performed poorly on the test data, confirming the importance of simultaneous evaluation using test data. Additionally, the fuzzy model demonstrated poor performance, recording a coefficient of determination (R²) of 0.497. Based on the results of sensitivity analyses, using linear regression, SHAP, Sobol, and Morris methods as well as intelligent modeling, the blast design parameters for 22 test blocks were adjusted, with distinct modifications applied to the schist and conglomerate rock types. Accordingly, for schist waste rock, the crushing of every 100,000 tons of rock resulted in a 30% reduction in the number of blast holes and a 40% reduction in specific charge; drilling and blasting operating costs decreased by 7.5% for ANFO and 0.5% for Emulate. Similarly, for conglomerate waste rock, the number of holes by 23%, specific charge by 30%, and operating costs by an average of 22% per hole was reduced.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rock Fragmentation
  • Hybrid Machine Learning Modeling
  • Cross- Group Validation
  • Optimization Blast Systems
  • Gohar Zamin Mine

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 17 آبان 1405
  • تاریخ دریافت: 21 دی 1404
  • تاریخ بازنگری: 17 مهر 1405
  • تاریخ پذیرش: 17 آبان 1405