扎哈淖尔露天煤矿岩层爆破参数优化研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目扎哈淖尔露天煤矿岩层爆破参数优化研究 英文题目英文题目The Blasting Parameters Optimization in The Zhahanaoer Opencast Mine of Rock Blasting 学位类学位类别别 工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 李国明 学号学号201202126 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 韩万东 职称职称 教授 协助指导教协助指导教师师 郭义 职称职称 讲师 2015 年 6 月 6 日 分类号分类号 TD235 TD235 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 10127 10127 独独 创创 性性 说说 明明 本人郑重声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写的研究成果， 也不包含为获得内蒙古科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名 日期 关于学位论文使用授权的说明关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、 使用学位论文 （纸质版和电子 版）的规定，即本人唯一指定研究生院有权保留送交学位论文在学校相关 部门存档，允许论文在校内被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 在论文作者同意的情况下， 研究生院可以转授权第三方使用 查阅该论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名 导师签名 日期 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 本文主要针对扎哈淖尔露天矿岩层台阶不合理爆破参数， 导致有些岩层爆区爆破 效果好，有些岩层爆区效果不理想，大块率不合理，单耗偏高，从而影响该矿的经济 效益。该矿岩层台阶主要以中、粗砂岩、泥岩等中软岩为主，每次爆破效果不错，但 是该矿岩层台阶爆破大多采用统一的爆破参数，不加以区分岩层台阶岩石的主要成 分，使爆破效果还没有达到最佳。因此，本文针对该矿岩层台阶爆破参数进行优化， 根据不同地质构造、岩性情况，进行爆破分区，提出最优爆破参数方案，在保证爆破 效果的前提下，降低爆破成本，提高爆破效率，从而降低矿山的开采成本。 本文具体研究内容与方法如下 （1）本文通过查阅文献学习国内外露天矿爆破参数优化相关理论与方法，同时 收集扎哈淖尔露天煤矿岩层地质资料， 及该矿的每次岩层爆破使用的设计参数和相应 统计的爆破效果资料；为优化该矿岩层台阶爆破提供基础资料。 （2）应用层次分析法分析影响露天矿岩层台阶爆破效果的权值，分析确定影响 爆破效果的主控因素。 （3）通过层次分析法得到影响爆破效果的因素，然后将这些影响因素指导工业 试验。具体是在实验室测得不同台阶岩层的力学性质与构造数据前提下，利用逐渐调 整孔网参数、底盘抵抗线、炸药单耗等数据，应用到现场试验爆破，得到不同爆破效 果，将这些数据收集后作为 BP 神经网络爆破优化模型的训练样本数据。 （4）利用现场现场试验数据作为样本建立 BP 神经网爆破优化模型，经验证模 型误差在合理范围内，该模型可以作为优化该矿岩层台阶爆破参数依据。 （5）模型确定后，将不同岩层台阶岩石力学参数与理想的爆破效果作为输入参 数，得到优化后的输出参数；根据现场实际情况，对这些优化后参数进行微调，最终 确定该矿不同岩层的最优的爆破参数；将优化后的爆破参数应用到现场实践，分析爆 破效果与经济效益，得出结论。 关键词关键词煤矿岩层；爆破参数优化；BP 神经网络；爆破效果 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract This paper mainly Zhahanaoer surface mine blasting rock stairs unreasonable arguments, lead to some good effect of blasting rock blasting area, some rock blasting area is not ideal, high boulder yield, low blast volume, high consumption, thus affecting economic mine. Mainly in the mine rock steps, coarse sandstone, mudstone mainly soft rock, blasting every good results, but most of mine blasting rock stairs uni blasting parameters, without distinction stepped rock ations major ingredients to make blasting effect It is not yet optimal. Therefore, this article blasting parameters for mine rock steps to optimize the composition of distinguishing level of the step, the optimal blasting parameters proposed scheme, at little or no cost to maintain the original premise blasting costs, increase the total amount of each blasting to improve mine economic benefits. In this paper, concrete results are as follows 1 The literature review, data collection and blasting status of mine geological data; combined with current research, theoretical analysis of the main factors that affect the rock open pit bench blasting, blasting parameters applied with the mine rock blasting for parameter optimization theoretical foundation. 2 In the laboratory measured rock mechanical properties of different steps and configuration data provided by the gradual adjustment holes network parameters, chassis resistance line, explosives consumption data, applied to the field test blasting, bursting to get different results, these data were collected after the as BP neural network optimization blasting training data model. 3 Analytic Hierarchy Process Analysis weights affect the rock open pit bench blasting effect of the analysis to determine the impact of the main factors of blasting effects, provide a theoretical basis for the establishment of BP neural network model. 4The use of live field test data as samples of BP net blasting optimization model, proven model error is within reasonable limits, the model can be used as parameters to 内蒙古科技大学硕士学位论文 III optimize the mine bench blasting rock basis. 5 After the model to determine the different strata of rock mechanics parameters stepped ideal blasting effect as the parameters, output parameters to get optimized; according to the actual situation, after these optimization parameters to fine-tune, and ultimately determine the optimal mine different strata blasting parameters; the optimized parameters are applied to field practice blasting, blasting effects and economic analysis concluded. Zhahanaoer ation of open pit bench blasting parameter optimization, optimal blasting parameters obtained to improve mine efficiency, thus ensuring maximization of mine production efficiency. Key WordsCoal Mine Rock; Frame; Blasting Parameter Optimization; BP Neural Network Blasting Effects; 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 目目 录录 摘 要 ..................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 1 绪论 .......................................................................................................................................... 1 1.1 国内外相关研究现状与发展 ..................................................................................... 1 1.2 课题研究背景及意义 .................................................................................................. 3 1.2.1 扎哈淖尔露天煤炭岩层台阶爆破现状 .......................................................... 3 1.2.2 目前爆破存在的主要问题和缺陷 .................................................................. 4 1.2.3 课题主要的研究意义 ...................................................................................... 6 1.3 本文研究的主要内容与主要方法 ............................................................................. 7 1.3.1 研究内容 ............................................................................................................ 7 1.3.2 研究方法 ............................................................................................................ 8 2 矿区概矿 ................................................................................................................................. 9 2.1 概述 ............................................................................................................................... 9 2.2 位置及交通 .................................................................................................................. 9 2.3 岩石工程地质特征 .................................................................................................... 10 2.4 开采工艺的选择 ........................................................................................................ 10 2.5 剥离方式与开采系统的选择 ................................................................................... 11 2.5.1 剥离方式 .......................................................................................................... 11 2.5.2 剥离开拓运输系统 ......................................................................................... 13 3 扎哈淖尔露天矿台阶爆破的影响因素及效果评价 ........................................................ 14 3.1 露天矿深孔台阶爆破参数的设计 ........................................................................... 14 3.2 爆破参数对岩石台阶爆破效果的影响 ................................................................... 15 3.3 岩石基本性质的影响 ................................................................................................ 18 3.3.1 岩石主要物理性质 ......................................................................................... 18 3.3.2 岩石的主要力学性质 ..................................................................................... 19 3.4 岩石的构造的影响 .................................................................................................... 20 3.5 炸药爆炸性能的影响 ................................................................................................ 21 3.5.1 爆速 ................................................................................................................. 21 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 3.5.2 炸药感度 ......................................................................................................... 22 3.5.3 猛度 ................................................................................................................. 22 3.6 爆破效果评价标准 .................................................................................................... 23 4 扎哈淖尔露天矿岩层台阶爆破的试验研究 ..................................................................... 24 4.1 爆破试验的方案 ........................................................................................................ 24 4.2 爆破优化试验及效果分析 ....................................................................................... 26 4.3 试验结论与不足 ........................................................................................................ 28 4.4 本章小结 ..................................................................................................................... 28 5 层次分析法确定影响岩层爆破因素的权重 ..................................................................... 30 5.1 概述 ............................................................................................................................. 30 5.2 层次分析法的基本理论 ............................................................................................ 30 5.3 层次分析法在矿山应用 ............................................................................................ 33 5.3.1 爆破影响因素的层次结构模型 .................................................................... 34 5.3.2 构造判断矩阵 .................................................................................................. 34 5.3.3 层次单排序及其一致性检验 ......................................................................... 35 5.3.4 层次总排序 ...................................................................................................... 36 5.4 扎哈淖尔露天矿影响台阶爆破主控因素选取 ...................................................... 38 5.5 本章小结 ..................................................................................................................... 38 6 BP 神经网络在露天矿岩层爆破的应用 ........................................................................... 39 6.1 概述 ............................................................................................................................. 39 6.2 神经网络理论 ............................................................................................................ 39 6.3 爆破参数优化模型 .................................................................................................... 40 6.3.1 台阶爆破优化模型建立 ................................................................................. 40 6.3.2 隐含层神经元数量 ......................................................................................... 41 6.3.3 网络训练函数 .................................................................................................. 43 6.3.4 网络输出层传递函数 ..................................................................................... 44 6.4 爆破参数优化模型的验证 ....................................................................................... 46 6.5 本章小结 ..................................................................................................................... 50 7 爆破模型在矿山的应用及分析 .......................................................................................... 52 7.1 爆破模型在岩层台阶的应用 ................................................................................... 52 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 7.1.1 泥岩台阶爆破参数的优化 ............................................................................. 52 7.1.2 砂岩台阶爆破参数的优化 ............................................................................. 53 7.1.3 混合岩层台阶爆破参数的优化 .................................................................... 54 7.2 优化后爆破效果分析 ................................................................................................ 55 7.3 经济效益概算 ............................................................................................................ 56 7.4 本章小结 ..................................................................................................................... 57 结 论 ................................................................................................................................... 58 参考文献 .................................................................................................................................. 59 在学研究成果 .......................................................................................................................... 63 致 谢 ................................................................................................................................... 64 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 1 绪论绪论 伴随着工业产业的飞速发展，能源、资源特别是矿产资源，在国民经济发展扮演 着支柱性产业的角色。能够做到科学合理有规划的对矿产资源进行开发利用，创造出 更大的经济效益和社会效益，关乎科学发展整体目标的实现、关乎国计民、关乎子孙 后代的生存和发展。 因此， 应该选取合理的开釆方法对有限的不可再生资源进行开采， 并以此达到生产最优化、科学化和现代化的目的。随着现代科学技术的不断发展在矿 山开采过程中所引发的不良反应和负面效应已引起了每一位有远见卓识的科技工作 者的高度重视。爆破工程所产生的爆破振动、爆破飞石、爆破噪音等危险因素都会给 矿山现场及周围建筑物等带来危险； 爆破过程中炸药所产生的气体及烟尘给周边植物 环境带来严重污染，直接或间接的影响人们的正常生活；怎么才能做到矿山生产合理 化、科学化，将露天矿的台阶爆破所带来的安全隐患或危险降到最低，同时在保证矿 山经济效益得到提高的前提下，使得露天矿台阶爆破效果最好；因此，主要针对扎哈 淖尔露天矿岩层台阶不合理爆破参数，导致有些岩层爆区爆破效果不好，对部分岩层 台阶爆破参数进行优化；并对优化后的爆破参数所产生的经济效益进行研究[10]。 1.1 国内外相关研究现状与发展国内外相关研究现状与发展 露天矿台阶爆破是进行矿山开采和生产的核心环节， 也是我们需要进行研究的核 心内容，在矿山的发展过程中一直受到矿山从业学者们的关注。在近些年随着比较先 进的爆破理论的提出以及较先进工程爆破技术和现场爆破器材的出现， 科技工作者们 对先进生产仪器和钻孔爆破设备的开发， 给爆破工程带来了全新的活力使爆破向着精 细化的方向迈进， 这一切是的露天采矿无论是在安全生产方面还是在经济效益方面都 有了极大的提高。在爆破施工和生产过程中，爆破参数的选取或设计的是否合理，直 接对爆破效果产生影响； 在爆破施工之前， 主要对爆破的孔网参数、 炸药的起爆顺序、 炸药的用量等进行设计，这些爆破参数直接影响着爆破效果好坏；同时，能否选取合 理的微差时间也能对爆破效果产生相当程度的影响； 炸药能否与岩石波阻抗达到相互 匹配也会对爆破效果产生直接的影响。 各个国家的科学工作者尤其是矿山工作者和计 算机工作者一直致力于爆破参数的优化研究，从能够对爆破效果产生影响的各种因 素，大部分学者主要是通过逐步调整爆破参数，然后收集爆破后的效果数据，通过反 馈的数据，在调整爆破参数，直到达到最优的爆破效果与经济成本最低的目的；这些 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 现场试验也填补矿山生产爆破领域的研究工作 [13]。 在对矿山生产爆破方面的研究领域中利文斯顿漏斗理论比较典型， 对于这一理论 的提出，使得爆破方面的学者及工作人员对爆破参数的确定有了理论支持依据。该理 论主要提出了球状药包在对岩石进行爆破时， 炸药对岩层内部破坏机理及爆破后的效 果，系统分析了球状药包在岩石内部产生的能量波传递方式，与岩石的破坏规律。然 而在大多数露天矿岩层台阶爆破过程当中，一般都不会采用球状药包装药结构，而是 采用柱状药包的装药结构；因此在利文斯顿漏斗理论基础上，对柱状药包对岩石的破 坏机理进行研究，通过大量的现场试验得出，破碎岩石时炸药能量以两种形式释放出 来，一种是冲击波，一种是爆炸气体。但是，岩石破碎的究其原因主要是冲击波作用 的结果还是爆炸气体作用的结果；大量学者通过大量试验证明，柱状药包装药结构对 岩石的破坏机理是炸药爆破过程中所产生的冲击波能量作用在岩石上， 使得岩石内部 破碎，从而达到爆破的效果，大量的实践表明，专家学者所采用的方法对最初确定孔 网参数有一定的作用[12 ，16]。但在矿山爆破参数的优化过程中，大多数情况都会受到现 场施工的的影响，因此有些试验还存在些误差；同时在矿山上进行工业试验不但需要 消耗较长的时间，并且会带来较大的工作量，在做现场试验是会遇到相当大的困难。 在部分矿山采用深孔爆破进行矿山的爆破作业，对参数进行优化时，利用爆破相似性 理论探寻最优爆破参数。在具有相似的岩石进行小型区域内的爆破试验研究；进过研 究推导出柱状药包爆破进行的相似准则， 得到柱状稱合药包爆破参数的相对规范的表 示形式， 这样就能揭示出不同炮孔直径下底盘抵抗线之间以及爆破炮孔的密集性系数 之间存在着内在的相似关系，依据浅爆破孔径优化后得到的相关爆破参数，利用相似 性原理，得到中深孔爆破所选取的最佳爆破孔网参数[12]。 二十世纪七十年代， 在国外许多国家都通过计算机对一些工程项目进行数值计算 和数值模拟工作，直到二十世纪九十年代末，相关数值模拟理论才引入到了我国；我 国大量的学者在国外的数值模拟理论基础，通过自主创新和二次开放，将这些计算机 模拟计算大量应用到我国的工程项目当中；其中 BP 神经网络就被应用到了矿山爆破 参数优化的研究当中；近些年，在对爆破参数进行优化的同时，一些其他门类学科数 值模拟的研究也发展起来，这些数值模拟理论也应用到了爆破参数优化的研究当中。 如岩石的破碎机理的模拟， 对调整爆破参数及炸药的性能方面的模拟分析都取得了很 好的科研成果。但是与变化多端的地质结构特性存在着相当大的差距，进行数值模拟 所产生的结果与我们根据实际情况所取得的结果现存较大差距， 好有待于进行下一步 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 具体的研究[22]。 随着神经网络建模分析技术的快速发展，BP 神经网络技术对露天矿台阶爆破参 数优化及预测提供了新的理念，其主要机理是通过建立函数模型，找到两组数据或参 数之间存在的非线性关系，这样正好符合了爆破参数与爆破效果直接存在的关系，因 此通过建立爆破参数与爆破效果的 BP 神经网络模型，就可以对露天矿的爆破提供指 导与预测作用；具