武家塔露天矿岩层台阶爆破参数优化.pdf

万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 在武家塔露天煤矿生产过程中，台阶爆破作为重要的生产环节，其爆破效果 影响着整个生产系统。该矿岩层台阶主要以中、粗砂岩、泥岩等中软岩为主，该 矿岩层台阶爆破大多采用统一的爆破参数，所以爆破效果不佳。因此，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， 进行可爆性分区， 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。 本文为了合理的优化台阶爆破参数， 应用普式系数法以及岩体波阻抗根据矿 区岩层岩石的各物理力学性质对矿区岩石进行了可爆性分区。 通过运用层次分析 法与熵值法相结合的方法分析影响露天矿岩层台阶爆破效果的权值， 并确定影响 爆破效果因素的权重。根据已经确定的爆破效果影响因素，现场取得实际样本， 并测出所得样本的各力学性质，将这些数据收集汇总作为 BP 神经网络爆破优化 模型的训练数据。本文重点是充分利用人工神经网络所具有的自学习、自适应、 自组织和非线性动力学特性等特点，建立了面向 MATLAB 语言的爆破参数与 爆破效果之间的 BP 神经网络预测模型，并根据已测出的各力学性质，最终确定 选择最小抵抗线、密度、泊松比、弹性模量、岩石抗压强度以及岩石抗拉强度作 为模型的输入参数， 选取大块率、 炸药单耗、 孔距、 超深和堵塞长度为输出参量， 利用 MATLAB 软件建立反向 BP 神经网络进行训练，并将爆破参数进行优化。 将优化之后的参数根据现场的实际情况进行微调， 最终确定该矿不同爆区的最优 爆破参数。将现场的块度分布情况利用 MATLAB 软件中的图像处理法针对性的 将岩石块度分布进行统计分析汇总，分析爆破效果和经济效益，得出结论。 通过对武家塔露天煤矿的矿区进行可爆性分区，利用 BP 神经网络来建立符 合该矿山的爆破参数预测模型，针对不同爆区得出不同参数，将所得最优参数应 用到现场试验，经过对比分析不同爆区的爆破效果，最终验证可知，所建立模型 建立合理，符合要求，可以有效指导该矿山生产，降低采矿成本，提高该矿的经 济效益。 关键字关键字煤矿；爆破参数优化；可爆性；BP 神经网络；爆破效果 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract In the production process of Wujiata opencast coal mine, bench blasting is an important production link, and its blasting effect affects the whole production system. The blasting effect of bench blasting in this mine is poor because of the unified blasting parameters. Therefore, according to different geological structure and lithology, the blasting parameters are optimized. The optimal blasting parameter scheme is put forward to reduce the blasting cost and improve the blasting efficiency under the premise of ensuring the blasting effect, thus reducing the mining cost of the mine. In order to optimize the parameters of bench blasting reasonably, According to the physical and mechanical properties of rock strata in mining area, the blast zone of rock in mining area is divided by using the general coefficient and wave impedance of rock mass. The influence of open-pit mines is analyzed by combining analytic hierarchy process AHP with entropy . Weight of bench blasting effect, The weight of the factors influencing the blasting effect is determined. According to the determined factors of blasting effect, the actual samples are obtained on the spot, and the mechanical properties of the samples are measured. These data are collected and summarized as the training data of BP neural network blasting optimization model. The emphasis of this paper is to make full use of the artificial neural network Based on the characteristics of self-learning, self-adaptation, self-organization and nonlinear dynamics, a BP neural network model for predicting blasting parameters and blasting effects in MATLAB language is established. The minimum resistance line, density, Poissons ratio, modulus of elasticity, compressive strength of rock and tensile strength of rock are selected as parameters of the model. The reverse BP neural network is established by using MATLAB software to train, and the blasting parameters are optimized. The optimized parameters are based 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III on the present situation. The actual situation of the field is fine-tuned to determine the optimal blasting parameters in different blasting areas of the mine. Using the image processing in MATLAB software, the distribution of rock fragmentation is statistically analyzed and summarized. The blasting effect and economic benefit are analyzed, and the conclusion is drawn. Through the analysis and research above, according to the Wujiata open-pit coal mine blasting parameters, blasting parameters prediction model to build in line with the actual situation of the mine by using BP neural network and training, through the final inspection, the model is reasonable, the accuracy meets the requirements, can effectively improve the mine production, reduce the cost of mining and improve the mine economic benefits. KeywordsKeywordsCoal mine;optimization of blasting parameters;explosiveness; BP neural network;blasting effect 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 IV 目录 摘要.................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................II 1 绪论.....................................................................................................................1 1.1 选题背景..................................................................................................1 1.2 选题的目的和意义..................................................................................2 1.3 国内外研究及应用现状概况..................................................................3 1.4 研究内容及方法......................................................................................6 1.4.1 研究内容.......................................................................................6 1.4.2 研究方法.......................................................................................7 1.5 创新点......................................................................................................7 1.6 技术路线..................................................................................................8 2 台阶爆破的影响因素及逐孔起爆参数选取.....................................................9 2.1 武家塔露天煤矿概况..............................................................................9 2.1.1 矿区概况.......................................................................................9 2.1.2 露天矿矿床賦存条件.................................................................10 2.2 武家塔露天矿生产现状........................................................................11 2.3 武家塔台阶爆破的影响因素................................................................12 2.3.1 岩性及地质构造对爆破的影响.................................................12 2.3.2 爆破设计对爆破的影响.............................................................12 2.3.3 爆破技术参数对爆破的影响.....................................................15 2.4 爆破参数确定........................................................................................19 3 可爆性分区研究及确定参数的权重...............................................................23 3.1 岩石性质................................................................................................23 3.1.1 岩石物理性质.............................................................................23 3.1.2 岩石力学性质.............................................................................24 3.1.3 地质条件.....................................................................................24 3.1.4 地形条件.....................................................................................24 3.2 岩石力学特征........................................................................................24 3.3 岩石可爆性分级....................................................................................25 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 V 3.4 确定影响岩层爆破因素的权重............................................................27 3.4.1 层次分析法的基本理论.............................................................28 3.4.2 层次分析法确定爆破参数权重.................................................28 3.4.3 构造判断矩阵.............................................................................28 3.4.4 层次单排序及其一致性检验.....................................................29 3.4.5 熵值法确定权重.........................................................................31 3.5 本章小结................................................................................................33 4 基于神经网络的爆破参数优化.......................................................................34 4.1 概述........................................................................................................34 4.2 神经网络理论........................................................................................34 4.3 神经网络预测模型................................................................................34 4.3.1 输入参数的确定.........................................................................35 4.3.2 输出参数的确定.........................................................................35 4.4 BP 神经网络训练、模型的计算及仿真.............................................37 4.5 对假设样本的爆破参数的反向预测....................................................44 4.6 本章小结................................................................................................45 5 爆破效果分析...................................................................................................46 5.1 易爆区域爆破参数的优化....................................................................46 5.2 中等难度爆区爆破参数优化................................................................47 5.3 优化后爆破效果分析............................................................................48 5.4 块度分析................................................................................................49 5.4.1 图像边缘检测.............................................................................49 5.4.2 块度统计分析.............................................................................51 5.5 铲装效率分析........................................................................................53 5.5.1 易爆区区域铲装效率对比.........................................................53 5.5.2 中等爆区区域产状效率对比.....................................................53 5.6 经济效益对比分析................................................................................53 5.7 本章小结................................................................................................54 6 结论...................................................................................................................55 参考文献..............................................................................................................56 在学研究成果......................................................................................................61 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 VI 致谢..................................................................................................................63 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1绪论绪论 1.1选题背景选题背景 自然界在一定条件下生成了促进社会经济工业发展的基础矿产能源材料能 源促进了国家的长期稳定健康发展，如果没有足够的矿产资源的输送，前进的道 路就会被阻断。不仅如此，在世界范围内，我们经历了一次、二次工业革命，现 如今我们进入了信息革命的时代， 这期间发生的变化都离不开矿产资源作为基础 原料的地位， 可以说是矿产资源的消耗促使了经济的高速发展。 据有关资料显示， 我国超过 3/5 的农产品资料、4/5 左右的生产原料、以及超过 4/5 的能源燃料，都 来源于矿产的开发利用。在整个经济的发展过程中，经济学研究人员发现，生产 中的资源消耗是与生产总值有着巨大联系的，当生产总值的总额超过 4000 美元 的时候，国家的发展处于总进程的中后期阶段，这个时候需要的能源支持是最集 中最重要的阶段，用量也是最大的阶段。我国的经济数据显示，自 2008 年开始， 到 2010 年以后已经陆续超过 4000 美元大关，这就意味着，中国的长期发展目标 在一步步抵达目标计划的中线，并力争在 21 世纪中叶达到中等发达国家的生产 力阶段，实现我国基本现代化的愿望和梦想，因此在这以后的时间长跑中，国内 的各行各业都会表现出大力发展不断取得新进展的号角， 对于矿产资源能源的需 要也势必迎来新的高速增长期，以满足国家生产工业化进程的基础资料要求。 国家的发展离不开基础能源资料，而人类在不断地向前发展的过程中，我们 会慢慢的发现，当今社会也在面临着资源持有量低，损耗现象严重的后果，对于 煤等能源资源的大力开采， 已经显现出了资源在我国的储量中被以高速度的趋势 削减，可见能源资料的利用已经和开采产生了一种不平衡性，在多年以后，能源 资料将会是一种稀有的资料，人类的发展也与这些资料的存有量息息相关。20 世纪 70 年代，有一位来自教授在书中写到了关于人类社会的发展终端阶段与地 球含有能源总量的终点界限的问题， 得出了全球范围内的人类社会对于资源的高 速度索取，以能源的大量消耗换取经济社会高速发展的不平衡现象，这势必造成 极其严重的后果， 这种发展手段是不恰当的， 需要我们全社会人对其关注和反省。 目前，我国的经济发展正是基于这样的发展模式，但是我们也已经认识到了 自身的做法与自然界的发展是不平衡的，因此在 2015 年以后，在国家的相关政 策下，我们开始调整我们的发展速度，以及对能源资料的索取速度，在我国的城 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 市化进程中，基础能源、有色金属等原料消耗量依然在逐年增加，但是我们在寻 找平衡的速度， 也势必将早就这些材料在我国的经济发张过程中发挥更加重要的 作用，利用效率也会更加充分，以煤炭能源为主要开采的代表下，露天煤矿的开 采也在逐渐显露头角，进一步补充着我国对煤炭资源的需求量占有比例。由于露 天开采相对于地下矿产资源的开采具有更多的优势特点，包含有生产效率高、机 械化水平发达、生产安全隐患性较小等明显的特征，但是例如在生产过程中因爆 破作业而产生的震动、飞石、噪声、炮烟污染以及对周围岩壁或建筑物的影响， 对周围居民日常生活的影响都是不容忽视的重要方面所以露天矿爆破作业过程 中的各种危害以及安全隐患都是需要通过一定的技术方法，使其降到最低，这样 不仅有利于开采的长期稳定发展，而且也能提高效益，使露天矿爆破作业开采效 果以最佳的水平表现出来。在对露天矿产资源实行爆破作业时，评定最终作业效 果好坏的最主要因素是爆破作业完成后最终的岩体破碎块度大小来确定的爆破 效果优劣。合理的爆破块度可以大幅度降低后续破碎的工作强度，大幅度降低开 采成本，提高生产率。根据爆破工程要求的不同，对不同的岩层有着不同的爆破 块度的要求。因此，为优化武家塔露天矿爆破作业的合理参数，本文将采用现场 考察以及模拟实验综合方法， 对该矿某些水平的矿岩爆破作业台阶爆破合理参数 进行设计研究，优化确定最佳的爆破参数，并对优化后的效果进行对比分析，得 出优化后的参数所产生的经济效益。 1.2选题的目的和意义选题的目的和意义 煤炭作为重要的能源目前来说仍是我国生产生活中不可缺少的， 占我国能源 消耗的六成以上，是我国发展经济的重要保障。但是由于近些年来，受到经济危 机和国际原油价格的冲击，国内的煤炭及衍生产品出现过多的剩余，市场从原来 的供不应求变成了现在的供大于求，造成煤价不断下降，给矿山企业的生存造成 了不小的压力。但是凡事有好也有坏，在这种外部环境的刺激下，会带动科技的 向前发展，推动着生产设备和材料等的改革和创新，从而为矿山企业的生存注入 了活力。对爆破工作方面进行研究的专家们为顺应市场提出了新的需求，从而产 生了精细爆破这个新的概念。 所谓精细爆破就是在对爆破方案进行设计时对爆破 参数的选取定量化，在整个施工过程中所有操作步骤要精细化，从而进一步严格 控制炸药爆炸后的能量释放以及岩石的破碎程度等，以期能达到理想的爆破效 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 果。此外，更要对有害的爆破效应加以控制从而保证爆破更加的安全、绿色、经 济、合理。煤炭在以后的很长一段时间仍然是我国的主要消耗型能源，因此在矿 山采掘过程中进行精细爆破，有着深远的意义。 爆破在露天矿山挖掘过程中有着重要作用， 其作为露天采矿工艺的首道工序 对接下来的铲装效率和控制矿石质量等有着极大的影响。 故爆破操作人员一直在 对爆破参数的优化进行研究。通常来说，在进行中深孔爆破时通常选择偏大的炸 药单耗和偏小的孔网参数，这样可以保证爆破结束后，岩石会和原岩相脱离，产 生的爆堆少，岩块大，没有根底出现。但另外来讲，若在矿山台阶爆破作业时过 多的消耗炸药，那么爆破后会产生空气冲击波、地震波和飞石现象，对人员和建 筑的安全造成威胁。炸药的过量使用会使爆破产生的冲击波影响到伟爆区域，造 成其过度破损，使爆堆分散且不规则，影响爆破效果；增大了凿岩和炸药成本， 从而导致总支出的增加，影响经济效益。此外，若孔网参数大、炸药单耗小，爆 破效果也是极差的，还会对接下来的后续工作如采装和运输等造成较大的影响， 增加二次破岩的成本。因此，要先对爆破参数进行优化设计，参数中主要对孔网 参数和炸药单耗进行重点分析研究，然后再进行爆破施工作业，这样可以尽可能 的使矿山生产投入更小的成本从而得到更大的经济效益[1]。 1.3国内外研究国内外研究及应用及应用现状现状概况概况 台阶爆破作业是露天矿开采矿产资源必不可少的一重要环节， 在长期的生产 作业发展阶段已经成为各大矿山企业备受关注的技术攻关课题， 经过长期的研究 与关注，已经形成了较为广泛应用的先进露天台阶爆破理论，并且伴随着一系列 重大理论的发现，很多更加精准高效的露天台阶爆破作业技术爆破器材、生产装 备以及钻孔爆破装备也相继涌现出来， 这也就促使了我国露天矿台阶爆破作业朝 着更加精准安全低影响的方向发展的更迅速， 同时也为各大矿山企业的工程进度 和企业效益等方面提供了更多优化的选择[1]。 在爆破作业过程中，能否取得最终的理想效果，这与最初的参数设计以及工 程作业是否标准有着最直接的关系，因此在露天台阶爆破作业之前，应首先对孔 网参数、炸药药包的起爆顺序、炸药的单孔炸药用量等进行合理参数设计优化， 以便于能使每次露天台阶爆破作业结束后都可以看到理想的完好效果。同时，合 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 理的设计参数与操作标准可以使爆破过程中产生的安全危害、爆破震动、对周围 岩体的震动等降到最低，抵抗由于爆破作业而造成的危害。通过对各大矿山企业 考察，查阅文献综述了解到，不仅我国，即便是世界的矿山工作者也在为优化合 理的爆破作业参数不断地奋斗在第一线，从分析影响爆破效果的各种因素出发， 应用最先进的计算机软件辅助，对比不同的工程条件，调整影响爆破作业不同因 素的参数值，收集整理爆破作业后的效果数据，不断对比优化各项参数值，研究 最佳的露天台阶爆破合理爆破设计参数值，以达到理想的爆破效果，提高开采的 经济效益，通过现场的实验与模拟实验相结合的方法，也更加贴近实际效果，为 爆破作业的参数优化提供了更多的基础数据支持， 填补矿山生产爆破领域的研究 工作。 在爆破方面的研究中，有一个经典的理论是利文斯顿漏斗模型，这一理论的 提出为后期矿山爆破工作者研究爆破参数提供了重要的理论依据， 这一理论是对 球状药包在岩体爆破工程作业时炸药作用于岩体内的破坏变形作用进行了深入 分析， 得出球状药包在岩石内部爆炸后所产生的能量传播释放规律以及球形药包 爆炸对岩体的破坏作用效果规律[2]。基于此理论，矿山工作者依照在矿山爆破作 业中常常使用的柱状药包装药结构进行了对比分析研究，通过多组现场试验，发 现了柱状药包装药方式下，药包爆炸后的能量传播是一种爆炸气体形成的冲击 波， 这种冲击波的能量作用于气体周围的岩体而对岩体造成破坏，最终达到使岩 体破碎的效果， 经过实验研究一些专家学者认为合理的孔网参数设计对爆破效果 有一定作用。实验的数据是经过多做数据比较后的最佳方案，而在实际的现场施 工作业过程中， 会受到现场作业环境以及现场作业人员的基本素质以及技术技能 的影响，难免会存在误差，另外现场的试验研究，会为合理确定爆破设计参数带 来较大的工程量， 有事做现场实验也有一定的困难， 时间也较长， 对于这些问题， 矿山工作者在设计爆破参数的时候， 经常会利用相似的岩体机构进行爆破参数优 化设计，在小型范围内的岩体进行相似爆破模拟实验研究，最终拟合出柱状药包 装药结构的理论结果，发现了柱状药包装药结构方式所对应的表现形式，进而得 出在不同炮孔直径下岩体底部抵抗范围内，爆破炮孔间距系数的影响相似关系， 按照低孔爆破装药优化后的爆破设计参数值，根据理论计算公式，可以得出最佳 的岩体爆破孔间距以及装药设计参数[37]。 1970 年以后，国内外兴起了应用计算时辅助解决工程中的一些数值计算模 拟实验研究。一种基于计算机辅助的图像处理技术应用在了爆破参数优化设计 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -5- 上。 还有基于人工神经网络的岩石力学特性、炸药品种和孔网参数等进行爆破参 数优化的方法[7]。 接着出现了 K-R 模型、 B-R 模型应用在爆破参数优化设计上[8]。 基于地质条件对爆破效果的影响制作了研究模型。 三维离散裂隙破坏岩体的爆破 效果模型、 二维极限平衡以及利用空气间隔装药方式对岩石破坏效果的影响也得 出了相应的结论。还有利用 BCM 模型应用计算机辅助模拟了爆破过程对岩体破 坏程度的影响分析，优化了爆破参数[814]。应用有限元分析法分析延时破坏过程 的规律并根据规律优化爆破参数。 我国应用计算机辅助进行数值模拟的研究方法是从 1990 年以后开始传入并 大力发展，国内研究者通过分析国外研究人员的研究成果，不断创新和进一步开 发， 把计算机数值模拟研究爆破影响效果的方法引入到工程实际应用中，取得了 巨大进展。 经过长时间的探索， 计算机数值模拟在在其他学科的应用也相继涌现， 尤其是应用到爆破合理参数设计优化方面，取得很多成果。例如在岩体受爆破影 响的作用效果模拟，在调整爆破参数以及炸药自身特性等方面都能够很好的应 对， 但计算机的数值模拟与实际工程实况有着很大的差距，所以还需要进一步的 理论研究。 针对这种情况，基于 BP 神经网络的技术应用在露天矿爆破参数优化设计上 并对爆破的最终效果进行分析研究已经成为一种新的方法， 这种方法的流程包括 要建立针对性的函数模型，并且根据数据与影响因素之间存在的非线性函数关 系， 进行进一步分析研究，得出爆破过程中设计参数的改变所产生的数据与爆破 后效果的关系，这样不仅可以优化设计参数，还可以预测爆破效果，相关的流程 是将影响爆破效果的数据输入模型中定义为输入参数， 将想要优化后的爆破参数 输入后定义为输出参数，之后模型会自动分析参数，经过内部的解析计算，得出 最终的优化后的模型爆破参数。 基于爆破理论应用神经网络建立了岩石爆炸的模 型作为研究基础参数， 对爆破作业过程中爆炸产生的能量对岩体的作用进行网络 预测， 得出实际工程数据与预测所得到的计算值非常接近，为合理设计爆破参数 提供了参考依据，进一步提升爆破作业的效果。谭章禄是我国运用 BP 神经网咯 优化爆破参数的开启者，而郑长青等人通过应用 BP 神经网络的方法，将爆破参 数导入网络中并最终设计出了一套与理想效果贴进的台阶爆破参数设计指导数 据， 为提高爆破效果增加