线性聚能爆破时影响岩体损伤因素的灰色关联分析.pdf

第35卷第4期 2018年12月 Vol . 35 No. 4 Dec. 2018 爆破 BLASTING doi10.3963/j. issn. 1001 -487X. 2018.04.003 线性聚能爆破时影响岩体损伤因素的灰色关联分析 趙建平讖东遲，张耕，姚天矿,杨晓址 1.中南大学资源与安全工程学院，长沙4100832.湖南省有色地质勘查研究院，长沙410015 摘 要为了研究线性聚能爆破对炮孔周围岩体损伤的彩响，选用不同聚能锥角40。、50。、60。、70。、80。 的聚能管在井下巷道侧壁开展了线性聚能爆破和损伤测试试验。在不同参数下岩体损伤实测数据的基础 上，以岩体爆破损伤度作为系统特征变量，并选取装药量、爆心距、岩体质量、炮孔深度、聚能锥角和聚能方向 夹角作为相关因素变量，运用灰色关联法进行计算。结果表明聚能方向夹角和聚能锥角对周围岩体损伤的 影响程度最大，装药量和爆心距的影响次之,岩体质量和炮孔深度对聚能爆破岩体损伤的彩响相对于其它因 素要偏小一些，为线性聚能爆破的工程应用提供理论指导。 关键词线性聚能爆破；控制爆破；岩体损伤；灰色关联分析 中图分类号TD235.3 文献标识码A 文章编号1001 -487X201804 - 0014 - 06 Grey Relational Analysis of Influencing Factors of Rock Mass Damage during Linear Shaped Charge Blasting ZHAO Jian-ping ,DAI Dong-bo ,ZHANG Zhen-yang, YAO Tian-yu , YANG Xiao-hong2 1. Sch ool of Resources and Safety Engineering,Central South University,Ch angsh a 410083 ,Ch ina； 2. Hunan Non-ferrous Geol ogical Expl oration Institute,Ch angsh a 410015 ,Ch ina Abstract In order to study th e effect of l inear sh aped bl asting on th e damage of rock mass around th e boreh ol e, l inear sh aped bl asting and damage tests were conducted on th e sidewal l s of underground roadway using different sh aped energy cone angl es 40 ,50 ,60 ,70 and 80. Th e bl asting damage degree of rock mass is taken as a ch aracteristic variabl e of th e system, and th e ch arge vol ume, distance between bl asting center and testing point, rock mass qual ity, depth of boreh ol e, sh aped cone angl e and direction of sh aped ch arge are taken as th e rel evant factors. Th en, based on th e measured data of rock mass damage under different parameters in th e fiel d l inear sh aped energy bl asting tests, Grey Rel ation Anal ysis was pered. Resul ts sh ows th at th e direction of ing energy and sh aped cone angl e h as th e greatest impact on th e damage of th e surrounding rock mass. Th e infl uence of th e ch arge vol ume and distance between bl asting center and testing point is of secondary importance. Th e infl uence of rock mass qual ity and boreh ol e depth is smal l er th an oth er factors. Th e research resul ts can provide th eoretical guidance for th e engi neering appl ication of l inear sh aped bl asting. Key words l inear sh aped ch arge bl asting； control l ed bl asting； rock damage； grey rel ational anal ysis 线性聚能爆破是从锥形聚能爆破理论引申而来 的，相比常规爆破方法，线性聚能爆破在石材切割、 收稿日期2018-07-02 作者简介赵建平 1977 -,男，甘肃宕昌人.副教授、博士，主要从 事爆炸波与岩土工程的研究,E-mail jpzcsu 12“值为样本的容量值;m表示系统 特征因素变量的数目;/为相关因素变化值的数目。 2 正相关因素与负相关因素转化的转换 若禺与匕为负相关关系，可以通过算子D。的 作用，使X」的对称化像x从与y.有正相关关系。 J XjDo [xJld0,xJ2d0,---,xJkd0,---,Xjnd0] l xyAJ0 2 maxXy - xk k 1,2,3 ,,n 3 式中0是对称化算子;兀2是对称化像。 3 对序列进行无量纲化处理 为了保证各因素具有等效性和同序性,需要对 各因素的指标值进行数据变换，常用的方法有初值 化、均值化、区间值化等。此处运用均值化处理方 法，得到 Yi ZD [叽⑴,必2,必仏，,] 丄仏 4 Ji n k\ X；XjD\ [X；1,X；2,,X；仏，, xjg 巧学，兔丄Qxjk 5 式中是均值化算子必和占分别是乙和X,在均 值化算子下的像,简称均值像。 4 求出每一个系统特征变量与相关因素变量 之间的差序列、最大差和最小差。 差序列为亠仏\yk | 最大差为 Mj max max AyA 最小差为 mj min min k 5 计算关联系数 Z 赢;亀 式中,ge0,8为分辨系数,一般在0,1区间 取值。分辨系数数值的改变只会变化相对数值的大 小，不会影响灰色关联度的排序。一般取0.5。 6求关联度并分析结果 7 n k \ 若设灰色关联度Th 712 713 71/,表明X]对 岭的影响最大次之，，依次排列。 16爆破2018年12月 2线性聚能爆破岩体损伤影响因素分析 2 1线性聚能爆破试验 2. 1. 1聚能装置 罗勇等根据试验研究了不同形状和不同材料聚 能罩的聚能切割效果⑴；，对于岩石断裂要求高的定 向爆破,“V”型比半圆形聚能罩切割效果好,铜质比 铁质聚能罩切割效果好本试验中聚能管材料选用 壁厚为0.5 mm、直径为38 mm的不锈钢，聚能罩采 用壁厚为1 mm、形状为“V”字型的紫铜。为比较不 同锥角聚能管的致裂岩体效果，采用5组共15个不 同开口聚能角度的聚能管，聚能锥角分别为40。、 50。、60。、70。和 80。，如图 1 所示。 图1聚能管实物图 Fig. 1 Energy tube 2. 1.2现场测点布置 试验地点位于川口杨林坳矿区310 m水平某巷 道。巷道岩体以砾岩、砂岩和板岩为主，致密坚硬, 稳固性好。爆破孔和声波测试孔布置于巷道两侧岩 壁上，分为5组试验，每组试验选用3个相同聚能锥 角的聚能管,每个聚能管试验设计6个测试孔，图2 为1号聚能试验的爆破孔和测试孔现场布置图。根 据现场炮孔布置，对孔位进行测量，以爆破孔B1为 极点，与水平线逆时针方向夹角a为极轴，建立极 坐标系，对应测试孔B1C1-B1C6孔位坐标见图3。 33,90 O B1C3 32,180。 O B1C4 60,28 极轴 O 39,40。B1C1 O B1C2 44,322 O 28,270 B1C6 O B1C5 图3 1号试验孔位坐标图 Fig. 3 Hol e position graph of test No. 1 钻孔采用YT29A型气腿式凿岩机施工，所有钻 孔深度均为1-4 m,钻孔孔径均为42 mm。测试仪 器选用武汉中岩科技有限公司生产的RSM-SY5（T） 非金属声波检测仪，其主要性能为双通道,采样时 间间隔0. 1 -200 “s ,采样长度0.5-1 k可调，发射 脉宽0. 1 100 pls,采用收发一体的一发双收换 能器。 2.1.3测试过程 聚能管采用连续装药结构。将2号岩石乳化炸 药搓条后，通过振动方式装入聚能管中，装药 1-2 m,填塞0.2 m,次瞬发起爆。爆破前后，将一 发双收探头伸入孔底检测，同时用水管向内注水，以 5 cm为移距向外拉探头，直至探头被拉出孔，以查 明爆破前后围岩中声波速度的变化情况，为线性聚 能爆破对围岩损伤和扰动情况研究提供参考依据。 2.2系统特征变量和相关因素变量的确定 目前,岩石损伤的检测方法分为两类一是直接 检测法，用金相学方法直接测量岩石中各种损伤缺 陷的数目、形状大小、分布形态、方位取向、裂纹特性 及其所占的比例。二是间接检测法,通过一定的物 理假设去建立岩石的宏观物理量与损伤变量之间的 关系。间接方法中，利用超声波测试手段研究岩体 爆破损伤特性，以波速变化定义损伤参量进而建立 相关模型，是最有效、最便于推广的方法飞）。因此 本文将岩体的爆破损伤度定义为系统行为特征变量 y,文献［13］基于声波法建立了岩体损伤度（D）、完 整性系数（K）和声速降低率（7,）之间的关系 图2 1号试验钻孔现场布置图 Fig. 2 Dril l ing site l ayout of test No. 1 式中为爆破前岩体的弹性模量;E为爆破 后岩体的等效弹性模量;”。为爆破前岩体的声波速 度;”为爆破后岩体的声波速度。 8 第35卷第4期赵建平，戴东波,张振洋,等线性聚能爆破时影响岩体损伤因素的灰色关联分析17 大量的研究和实践表明，爆破对周围岩体的损 伤影响与爆破开挖方式、炸药类型、岩体完整性、爆 心距以及装药量等因素密切相关［141810分析的因 素越多，分析结果越合理。基于现场试验条件的限 制和线性聚能爆破的特点，选取聚能锥角、岩体质 量、炮孔深度、聚能方向、装药量和爆心距这六个因 素作为相关变量，即m6。聚能锥角为岩体质 量为禺，炮孔深度为禺，聚能方向夹角为，装药 量为爆心距为血。以爆破孔为原点，聚能方向 为基准线，从基准线转到测试孔的角度为聚能方向 夹角，原点到测试孔的距离为爆心距。岩体质量用 岩体完整性系数K,表示，岩体完整性系数K”为 式中％”为岩体中的纵波波速,m/s；Vpr为岩块 中的纵波波速,m/s。 从试验结果中选取出15组数据，即“ 15,数 据见表1。以这15组数据为分析样本，运用灰色关 联分析法计算线性聚能爆破时影响岩体损伤因素的 主次顺序。 表1线性聚能爆破时岩体损伤部分数据样本 Table 1 Rock fragment damage data sample during linear shape blasting 相关因素变量___________ 系统特征变量 序号“ 聚能 锥角/ X］ 岩体质量 炮孔 深度/cm X, 聚能方向 夹角/ Xs 装药量/g爆心距/cm Y 爆破 损伤度 1400.39070281436500.911 2400.95095411436570.868 3400.590100901436270.123 4500.34575361397610.890 5500.568100341397720.271 6500.41595901397480.221 7600.59085341350540.963 8600.61490241350730. 148 9600.864100411350460.803 10700.21690901290300. 120 11700.75550321290570.911 12700.945100311290470.926 13800.59075271207560. 933 14800.82590901207300. 100 15800.20655401207520.690 2.3灰色关联度计算 计算前，应先采用轴对称法进行相关性转化。 根据表1的试验数据，用前述计算步骤对数据线性聚能爆破时岩体损伤与影响因素之间的灰 样本进行灰色关联度分析。无量纲转换采用均值色关联度计算如下所示。 法，分辨系数为0.5。岩体损伤与岩体质量、聚能方 向和爆心距呈负相关关系［1920］,在进行灰色关联度 2.3.1原始数据 相关因素变量矩阵为 404040505050606060707070808080 0. 3900.9500. 5900.3450. 5680.4150. 5900.6140. 8640.2160. 7550. 9450. 5900. 8250.206 7095100751009585901009050100759055 284190363490342441903231279040 143614361436139713971397135013501350129012901290120712071207 505727617248547346305747563052 线性聚能爆破时岩体损伤数据序列r 2.3.2数列无量纲化处理 [0.911,0. 868,0. 123,0. 890,0. 271,0. 221,0. 963, 采用对称化算子D。将X］、乙、凤转化为与Y具 0.148,0.803,0. 120,0. 911,0. 926,0. 933,0. 100, 0.690] 有正相关关系的对称化像。将转换后的/D。、 X4/0、血0。替代相关因素变量矩阵X中的禺、乙和 18爆破2018年12月 x6之后,采用均值化法对其和y进行数据的无量纲0. 250,1. 357,0. 203,1. 539,1. 565,1. 576,0. 169, 化，得到矩阵X的均值象矩阵F以及F [1. 539,1. 467,0. 208,1. 504,0. 458,0. 373,1. 627, 1. 166]。 ■0.6670. 6670.6670. 8330. 8330. 8331.000 1. 1540. 7261.0001. 1881.0171. 1341.000 X， 0. 8271. 1221. 1810. 8861. 1811. 1221.004 1. 1561.0570. 6851.0951. Il l0. 6851. Il l 1.0751.0751.0751.0461.0461.0461.011 -1.0070. 9351.2480. 8920. 7761.0280. 965 1.0001.0001. 1671. 1671. 1671.3331.3331.333- 0. 9830. 7921.2870. 8750. 7301.0000. 8211.294 1.0631. 1811.0630. 5911. 1810. 8861.0630. 650 1. 1871.0570. 6851. 1261. 1331. 1640. 6851.065 1.0111.0110. 9660. 9660. 9660. 9030. 9030. 903 0. 7661.0491.2170. 9341.0390.9441.2170. 986 - 2.3.3 X与V的灰色关联度计算 采用式6.7对X和F的灰色关联度进行计 算得到灰色关联度和关联序如表2所示。 表2灰色关联度和关联序 Table 2 Grey relational degree and sorting 系统特征因素 相关因素 聚能锥角岩体质量炮孔深度聚能方向夹角装药量爆心距 爆破损伤度0.62160.58740. 5677 0. 68040.59830.5977 关联序256 134 2.4结果分析 由表2可知，对于线性聚能爆破,6个影响因素 对其周围岩体损伤的影响程度从大到小依次为聚 能方向夹角、聚能锥角、装药量、爆心距、岩体质量和 炮孔深度。线性聚能爆破不同于常规的爆破方法, 聚能方向夹角和聚能锥角的影响程度比装药量和爆 心距的大，这说明聚能罩具有较强的定向能量汇聚 能力，在实现切割作用的同时并减少对其它方向的 岩体破坏，通过设计合适的聚能方向可以显著的减 少岩体的损伤。岩体质量在6个因素中影响程度较 小，可以认为线性聚能爆破对不同完整性的岩体有 较强的适用性。 3结论 基于现场试验数据,通过灰色关联分析理论对 线性聚能爆破时影响岩体损伤的因素进行了分析, 结论如下 1 线性聚能爆破时聚能方向夹角和聚能锥角 对周围岩体损伤的影响程度最大，装药量和爆心距 的影响次之，岩体质量和炮孔深度对聚能爆破岩体 损伤的影响相对于其它因素要偏小一些。 2 在将线性聚能爆破应用于爆破后岩体完整 性要求高的工程时，应重点考虑聚能方向和聚能夹 角的选择。 3 用灰色理论的关联度分析作为聚能爆破损 伤效应影响因素分析的方法，可较精确直观的表示 各因素对岩体损伤的影响程度,并且具有计算简便、 适用性强、需求数据少的特点，在类似工程领域具有 较强的实用性。 参考文献References [1]郭德勇，赵杰超，吕鹏飞，等.煤层深孔聚能爆破动力 效应分析与应用[J].工程科学学报,2016,38 12 1681-1687. 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