爆破振动特征参量预测的非线性模型及应用.pdf
爆破振动特征参量预测的非线性模型及应用 ① 马春德1,2, 董陇军1, 周亚楠3, 徐纪成2 (1.中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083;2.中南大学 高等研究中心,湖南 长沙 410083;3.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院,辽宁 阜新 123000) 摘 要 选取最大段药量、总药量、水平距离、高差、前排抵抗线、预裂缝穿透率、完整性系数、测点与最小抵抗线方向夹角、炸药爆速 9 个因素为判别指标,基于非线性分析方法支持向量机理论建立了预测爆破振动幅值、主频率、主频率持续时间等的爆破振动特征 参量预测模型。 将该方法应用到大冶有色铜绿山矿露天采场爆破振动对砌体结构破坏效应预测问题中,对现场实测的 93 组数据 进行训练和检验,用另外 15 组现场数据作为预测样本进行测试,预测结果与实测情况吻合较好。 研究表明,该方法回判估计的误 判率低,判别性能良好,是爆破振动对砌体结构破坏效应预测的一种有效新方法,可以在实际工程中进行推广应用。 关键词 爆破工程; 支持向量机模型; 爆破振动速度; 主频率; 主频率持续时间 中图分类号 TD235文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2014.06.001 文章编号 0253-6099(2014)06-0001-04 Nonlinear Model for Predicting Characteristic Parameters of Blasting Vibration and Its Application MA Chun⁃de1,2, DONG Long⁃jun1, ZHOU Ya⁃nan3, XU Ji⁃cheng2 (1.School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China; 2.Center for Advanced Study, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China; 3. College of Safety Science and Engineering,Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning, China) Abstract With some factors, including charge weight of the largest section, total weight of explosive, horizontal distance, elevation difference, front⁃row burden, the penetration of pre⁃shear, integrity coefficient of rock mass, the angle between reporting point and the minimum burden, and velocity of denotation, as discriminant indexes, a model has been established, based on nonlinear analysis of support vector machine, for predicting characteristic parameters of blasting vibration, such as blasting vibration amplitude, dominant frequency and duration. This prediction model was applied in the Tonglvshan Mine in Daye, for predicting the damage of vibration to the masonry structure due to blasting in open⁃pit mine. With 93 groups of in⁃situ measurement taken as training sets, another 15 groups of in⁃situ data as samples for prediction, it was found that the prediction results were in consistent with practical measurement. It is concluded that the proposed prediction model, as an effective tool with lower error rate in prediction, can find a wide application in practical engineering project. Key words blasting engineering; support vector machine; blasting vibration velocity; dominant frequency; dominant frequency duration 爆破是矿业、交通以及水电工程中土石开挖的主 要施工手段。 在爆破开挖过程中,爆破引起的振动影 响临近建筑物安全。 准确分析和预报爆破引起的质点 振动速度规律进而对爆破设计和施工进行优化是有效 减小爆破振动危害的主要方法。 目前,工程中往往是 根据现场振动监测结果,根据萨氏公式进行回归分析, 然后基于回归分析得到的萨氏公式预测爆破振动速度 的量值[1-2]。 但是萨氏公式中仅仅考虑了装药量、爆 源距两个参数,通常情况下,其预测爆破振动速度的精 度不高,因为爆破振动不仅与爆破设计参数如药量、段 间隔、爆源距等有关,还与爆破场地的地质条件如地形 地貌引起的高程差、岩性和岩体结构等有关[3-4],爆破 振动速度与这些参数和条件之间存在着极其复杂的非 线性关系。 因此,很难用一个经验公式把这些因素考 ①收稿日期 2014-06-28 基金项目 国家自然科学基金资助项目(50674107;10872218);国家博士后基金资助(2014M552163) 作者简介 马春德(1976-),男,辽宁丹东人,博士后,主要从事岩石力学与采矿工程方面的研究工作。 第 34 卷第 6 期 2014 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.34 №6 December 2014 虑进去。 对爆破震动的预报通常分两种情况,一种是对爆 破振动特征参量(幅值、主频率和持续时间)进行预 报,之后根据爆破振动安全判据来判断被保护建(构) 筑物的安全状况,最后对爆破振动进行控制,这是目前 绝大多数研究人员采用的研究方法;第二种是根据爆 破参数、场地条件和被保护建(构)筑物特征以及专家 知识,直接对被保护建(构)筑物的安全状况进行预 测。 两种预测方法均需要大量的测试数据。 第一种研究方法采用的振动强度预报经验公式为 萨道夫斯基公式及其变形,通过大量实际监测,采用回 归分析方法可以得出经验系数 K 和 α 值,从而达到预 报爆破地震峰值质点振动速度的目的。 由于影响爆破 振动的因素很多,因此该方法预测精度较差。 近年来, 不少学者把神经网络模型应用于爆破振动速度预测, 取得了较好的预测效果[5-11]。 第二种研究方法除爆破条件外还涉及被保护对 象,影响因素更多,并且包含很多不确定因素。 综上所述,爆破振动产生的负面效应是工程爆破 不可避免的问题,在爆破前对可能产生的振动进行预 报,以便采取措施对有关目标进行保护,对任何一次爆 破是非常重要的。 对不同爆破条件下爆破振动信号时 频特征的研究,在很大程度上为爆破振动预报研究奠 定了一定基础。 然而以上研究的严重缺陷是没有对爆 破振动的主频率和持续时间进行很好的研究。 事实上,在很多情况下,工程爆破需要保护的目标 如露天矿边坡或建筑物等距爆源都比较近,需要在比 例距离较小时对爆破振动实现较高精度的预测,因此, 要求找出一种新的更为有效的方法,这种方法既有较 高的预测精度,又可反映爆破振动受多因素影响的事 实,还可以预测爆破振动的主频率和持续时间[12-20]。 本文以大冶有色铜绿山矿露天采场爆破振动预测为 例,应用 SVM 实现对爆破主要特征参量爆破振动的主 频率和持续时间的预测。 1 支持向量机模型 支持向量机是基于统计学理论的一种新的学习方 法,它是建立在一套较好的有限样本下的机器学习理 论框架和通用办法。 它能够很好地解决小样本、非线 性、高维数和局部极小点等实际问题。 其基本思想是 通过某种事先选择的非线性映射,将输入向量映射到 一个高维特征空间,在这个空间内构造最优分类超平 面,其基本过程如图 1 所示[21]。 对于支持向量机的函数拟合问题,就是用函数 图 1 支持向量机结构示意 f(x) = wx + b 拟合数据{xi,yi},i = 1,2,,n,xi∈Rn, yi∈ R 的问题,按照支持向量机理论拟合函数为 f(x) = wx + b =∑ k i = 1 (ai - a ∗ i )K(xxi) + b (1) 式中 ai,a∗ i ,b 是通过解下面的二次优化问题获得的, 通常 ai,a∗ i 只有一小部分不为 0,被称为支持向量。 max w(a,a∗) =- 1 2 ∑ k i,j = 1(a i - a ∗ i )(aj - a ∗ j )K(xixj ) + ∑ k i = 1 yi(ai - a ∗ i ) - ε∑ k i = 1 (ai + a ∗ i )(2) s.t. ∑ k i = 1 (ai - a ∗ i ) = 0 0 ≤ ai, a∗ i ≤ C, (i = 1,2,,k) { (3) 式中 C 为惩罚因子,表示对超出误差 ε 的样本的惩罚 程度;K(xixj)是核函数,在支持向量机算法中通过引 入核函数巧妙地解决高维计算问题。 目前常用的核函 数主要有 1) 线性核 K(x,y) = xy(4) 2) 多项式核 K(x,y) = [(xy) + 1] d (d = 1,2,) (5) 3) 径向基函数核 K(x,y) = exp -x - y 2 σ2 (6) 4) 2 层神经网络核 K(x,y) = tanh[a(xy) - δ](7) 2 爆破振动特征参量预测的支持向量 机模型 2.1 模型输入变量的确定 岩体爆破开挖伴随着炸药能量的释放和周围岩土 介质的运动两个过程,期间爆炸对岩土介质的作用可 看作是波动力学过程,可视为应力波在介质中传播和 2矿 冶 工 程第 34 卷 对介质的扰动。 综合考虑后,选取最大段药量(kg)、 总药量(kg)、水平距离(m)、高差(m)、前排抵抗线 (m)、预裂缝穿透率(%)、完整性系数、测点与最小抵 抗线方向夹角()、炸药爆速(m/ s)为判别因子,分别 用 X1~X9表示。 待预测的爆破振动特征参量为对峰 值质点振动速度(cm/ s)、第一主频率(Hz)、第一主频 率持续时间,分别表示为 Y1~Y3。 2.2 模型的确定 输入参量应包括影响爆破振动的所有主要因素, 具体到铜绿山露天采场,网络输入确定为① 段药量; ② 总装药量;③ 距离;④ 高差;⑤ 抵抗线;⑥ 预裂爆 破效果;⑦ 岩体结构构造;⑧ 测点和爆区相对位置; ⑨ 炸药种类。 网络的输出参量显然是峰值质点振动速度、第一 主频率和第一主频率持续时间。 3 应用实例 将本文建立的模型应用到大冶有色铜绿山矿露天 采场爆破振动特征参量的预测研究中。 现场实测的数 据有 108 组,将 93 组作为训练样本建立模型,另外 15 组作为测试样本检验模型的合理性。 将测试样本的 X1~X9及 Y1~Y3数据列于表 1 中。 通过本文建立的模型对预测样本进行预测,将 Y1 ~Y3的预测值及其相对误差列入表 2。 从表 2 得知, 支持向量机模型所得的预测值与实际监实测值的相对 误差较低,有个别样本误差偏高外,大部分相对误差在 可接受的范围之内。 从图 2 可以清楚的看到,峰值质 点振动速度(cm/ s)的计算结果与实测结果吻合最好, 表 1 测试数据实测结果 序号 X1X2X3X4X5X6X7X8X9Y1Y2Y3 13501 050114.716.85800.381602 8000.41726.5195 23702 15070.342700.731804 2004.75448.6985 33702 150101.254700.561154 2001.55449.5790 44943 952122.662.1500.321202 8000.60841.7610 57304 380115.750.96500.421804 2001.59725.3635 68405 660214.775.1600.521204 2000.21838.4890 78901 80072.142.051000.73804 2003.19439.2345 88901 80053.23051000.65504 2002.38941.6415 91 0905 450231.930.051000.72904 2000.49627.8650 101 2903 870177.673.0600.561804 2001.10240.4415 111 4106 780189.964.0500.511804 2001.04738.3985 121 6364 980125.142.2400.551804 2002.12440.6830 131 7905 370393.198.04600.71502 8000.30216.2505 141 8508 50068.530.0600.501802 8003.88040.61 380 152 1804 360226.9106.0500.46604 2000.49826.8565 表 2 实测值与预测值对比 序号 预测值实测值相对误差 Y1Y2Y3Y1Y2Y3Y1Y2Y3 1∗0.7423.9406.840930.41726.519543.22501109108.6364 23.2451 135.75274.75448.698548.973915.315.30484 31.7944.11 034.6071.55449.579012.87793130.96291 4∗0.3740.3682.564880.60841.761055.416511.911.89588 51.431.7779.926531.59725.36354.072222.822.82308 6.2135.5903.977680.21838.48902.597161.571.570526 72.1640359.938633.19439.234547.9314.334.330037 82.439.5362.828712.38941.64150.410612 -13 -12.5714 90.626.9530.816460.49627.865016.99024 -18 -18.3359 100.9541579.341021.10240.441515.14139.639.60025 111.2636.2855.24191.04738.398516.96649 -13 -13.1734 122.339.1755.981292.12440.68307.307705 -8.9 -8.91792 13∗0.6621661.402320.30216.250553.822883130.97076 143.2438.91 242.37753.8840.61 38018.1872 -10 -9.97265 150.9427.3613.22060.49826.856546.526618.538.53462 注 ∗样本表示误差较大的样本。 3第 6 期马春德等 爆破振动特征参量预测的非线性模型及应用 图 2 计算结果与实测结果比较 其次为第一主频率(Hz)和第一主频率持续时间。 以 上结果证明本文建立的模型是合理可靠的。 可见用支 持向量模型对爆破振动参量预测是可行且科学有 效的。 4 结 论 爆破振动受多种因素的影响,其爆破振动速度的 预报一直是爆破界关注的重点,而预测方法的选择往 往影响预报的精度。 选取最大段药量、总药量、水平距 离、高差、前排抵抗线、预裂缝穿透率、完整性系数、测 点与最小抵抗线方向夹角、炸药爆速 9 个因素为判别 指标,基于支持向量机理论建立了预测爆破振动幅值、 主频率、主频率持续时间等的爆破振动特征参量预测 预测模型。 将该方法应用到大冶有色铜绿山矿一露天 采场爆破振动对砌体结构破坏效应预测问题中,对现 场实测的 93 组数据进行训练和检验,用另外 15 组现 场数据作为预测样本进行测试,预测结果与实测情况 吻合较好。 研究表明,该方法回判估计的误判率低,判 别性能良好,是爆破振动对砌体结构破坏效应预测的 一种有效新方法,可以在实际工程中进行推广应用。 参考文献 [1] 张世雄,杨明亮,尹家国,等. 预测爆破波振动强度的经验公式及 其在采矿中的应用[J]. 爆破,2000,17(3)13-17. 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