توصيفگر ها :
نرخ نفوذ حفاري , يادگيري ماشين , مدل جنگل تصادفي , الگوريتم تقويت گراديان طبيعي , الگوريتم تقويت طبقهبندي , الگوريتم بهينه سازي بيزين
چكيده فارسي :
حفاري به عنوان يكي از مراحل كليدي در فعاليتهاي معدني و عمراني، نقش تعيينكننده اي در قابليت توليد كلي پروژه، كاهش هزينه ها و
بهينه سازي زمان ايفا كرده است. باتوجه به پيچيدگي هاي موجود در عمليات حفاري، شناسايي و تنظيم پارامترهاي عملياتي براي افزايش نرخ
نفوذ حفاري يكي از چالشهاي اساسي در صنعت معدن محسوب مي شود. در اين پژوهش، يك چارچوب جامع مبتني بر مدلهاي يادگيري
ماشين و الگوريتمهاي بهينه سازي براي بهبود نرخ نفوذ حفاري در معدن شهيد حججي با دادههاي محدود طراحي و پيادهسازي شده است .
ابتدا، به دليل محدوديت دادههاي معدني، از مجموعهدادههاي مرتبط مس سرچشمه كه شرايط مشابه زمين شناسي و عملياتي نزديكي به معدن
مورد بررسي داشت، استفاده شده است. سه مدل پيشبيني شامل الگوريتم تقويت طبقهبندي، الگوريتم تقويت گراديان طبيعي و الگوريتم
جنگل تصادفي براي پيشبيني نرخ نفوذ حفاري بر اساس سه پارامتر ورودي كليدي شامل فشار پشت مته ، فشار هواي فشرده و شاخص
مقاومت زمين شناسي توسعه يافته اند. نتايج ارزيابي مدلها نشان داده كه مدل تقويت طبقه بندي با دستيابي به ضريب تعيين بالا
و خطاي كم ، عملكرد بهتري نسبت به دو مدل ديگر داشته است. در گام بعدي، براي بهينه سازي پارامترهاي عملياتي و
شناسايي مقادير بهينه آنها جهت بيشينه سازي نرخ نفوذ حفاري، از الگوريتم بهينه سازي بيزين استفاده شده است. اين الگوريتم، با بهرهگيري
از مدل تقويت طبقه بندي بهعنوان تابع هدف، توانسته مقادير بهينه اي براي پارامترهاي عملياتي شناسايي كرده كه شرايط قابليت توليد عملياتي
را به حداكثر رساند. اين مقادير سپس بر روي دادههاي واقعي معدن مورد مطالعه يعني شهيد حججي اعمال شده و نتايج نشان داده كه مدل
باقابل يت بال با دادههاي جديد تطابق پيدا كرده است. نتايج ارزيابي اين مدل نشان داده كه با دستيابي به ضريب تعيين بال و
خطاي كم ، عملكرد يكي ديگر از چالشهاي اساسي در اين پژوهش، عدم وجود شاخص مقاومت زمينشناسي براي
دادههاي معدن شهيد حججي بوده است. براي حل اين مسئله، دادههاي معدني بر اساس چهار محدوده مقاومت زمينشناسي شامل مقاومت
كم، مقاومت متوسط، مقاومت زياد و مقاومت بسيار زياد طبقهبندي شدهاند. سپس، الگوريتم بهينهسازي بيزين براي هر يك از اين محدودهها
اعمال شده و شرايط عملياتي بهينه براي هر محدوده به طور جداگانه استخراج گرديده است. در دادههاي مقاومت كم زمين شناسي، بهترين
نرخ نفوذ حفاري برابر با 0/794 متر بر دقيقه، زماني حاصل مي شود كه فشار پشت مته برابر با 68 bar و فشار هواي فشرده برابر با 7 bar ، در
دادههاي مقاومت متوسط زمينشناسي، بهترين نرخ نفوذ حفاري برابر با 0/856 متر بر دقيقه، زماني حاصل مي شود كه فشار پشت مته برابر با
68 bar و فشار هواي فشرده برابر با 7 bar باشد، در دادههاي مقاومت زياد زمينشناسي، بهترين نرخ نفوذ حفاري برابر با 0/611 متر بر
دقيقه، زماني حاصل مي شود كه فشار پشت مته برابر با 70 bar و فشار هواي فشرده برابر با 7 bar باشد و در دادههاي مقاومت خيلي زياد
زمينشناسي، بهترين نرخ نفوذ حفاري برابر با 0/401 متر بر دقيقه، زماني حاصل مي شود كه فشار پشت مته برابر با 64 bar و فشار هواي
فشرده برابر با 7 bar باشد. نتايج اين طبقهبندي و بهينه سازي نشان داده كه شرايط عملياتي بهينه در هر محدوده به طور قابلتوجهي متفاوت
بوده و تأثير مستقيم بر نرخ نفوذ حفاري داشته است. اين پژوهش، با تركيب مدل هاي پيشرفته يادگيري ماشين، تكنيك هاي بهينه سازي و
تحليل عدم قطعيت، چارچوبي جامع براي بهينه سازي عمليات حفاري در معادن ارائه داده است. عالوه بر بهبود نرخ نفوذ حفاري، اين رويكرد
نشان داده كه استفاده از روشهاي هوشمند در مديريت پارامترهاي عملياتي، مي تواند به كاهش هزينهها، افزايش ايمني و قابليت توليد كلي
فرايند كمك كند. اين چارچوب نه تنها براي معادن مشابه قابل اجرا است، بلكه پتانسيل قابل توجهي براي توسعه بيشتر و اعمال در ساير
فرايندهاي صنعتي دارد . اين تحقيق، گامي مؤثر در جهت بهره گيري از ابزارهاي هوشمند براي حل چالشهاي عملياتي معادن بوده و مي تواند
بهعنوان مبنايي براي تحقيقات آينده در زمينههاي مشابه مورداستفاده قرار گيرد.
چكيده انگليسي :
Drilling, as one of the key phases in mining and civil engineering activities, plays a decisive
role in overall project productivity, cost reduction, and time optimization. Given the
complexities involved in drilling operations, identifying and adjusting operational
parameters to increase the drilling penetration rate is considered one of the primary
challenges in the mining industry. In this research, a comprehensive framework based on
machine learning models and optimization algorithms has been designed and implemented
to improve the drilling penetration rate at the Shahid Hojaji mine with limited data. Initially,
due to the limitation of mining data, related datasets from the Sarcheshmeh Copper Mine,
which had similar geological and operational conditions, were used. Three prediction
models, including the classification boosting algorithm, natural gradient boosting algorithm,
and random forest algorithm, were developed to predict the drilling penetration rate based
on three key input parameters: bit pressure, compressed air pressure, and geological strength
index. Model evaluations indicated that the classification boosting model performed better
than the other two models, achieving a high coefficient of determination and low
error . In the next step, Bayesian optimization was utilized to optimize
operational parameters and identify their optimal values to maximize the drilling penetration
rate. This algorithm, using the classification boosting model as the objective function,
identified optimal values for operational parameters that maximized operational productivity
conditions. These values were then applied to the actual data from the Shahid Hojaji mine,
and results showed that the model matched the new data with high accuracy. evaluation
results indicated that the model achieved a high coefficient of determination and
low error . One of the major challenges in this research was the lack of a
geological strength index for the Shahid Hojaji mine data. To address this issue, mining data
was classified into four geological strength ranges: low, medium, high, and very high. The
Bayesian optimization algorithm was then applied to each of these ranges, and optimal
operational conditions were extracted separately for each range. For low geological strength
data, the best drilling penetration rate was 0/794 meters per minute when the bit pressure
was 68 bar and the compressed air pressure was 7 bar. For medium geological strength data,
the best drilling penetration rate was 0/856 meters per minute when the bit pressure was 68
bar and the compressed air pressure was 7 bar. For high geological strength data, the best
drilling penetration rate was 0/611 meters per minute when the bit pressure was 70 bar and
the compressed air pressure was 7 bar. For very high geological strength data, the best
drilling penetration rate was 0/401 meters per minute when the bit pressure was 64 bar and
the compressed air pressure was 7 bar. These classification and optimization results indicated
that optimal operational conditions varied significantly in each range and had a direct impact
on the drilling penetration rate. This research, by combining advanced machine learning
models, optimization techniques, and uncertainty analysis, provided a comprehensive
framework for optimizing drilling operations in mines. Besides improving the drilling
penetration rate, this approach demonstrated that using intelligent methods to manage
operational parameters can help reduce costs, increase safety, and enhance overall process
productivity. This framework is not only applicable to similar mines but also holds
significant potential for further development and application in other industrial processes.
This research is a significant step toward leveraging intelligent tools to solve operational
challenges in mines and can serve as a basis for future research in related fields.