臺階爆破數據的不確定性及反饋式設計軟件解決辦法研究

范金國,林大能

(1.株洲市國土資源管理局, 湖南株洲市 412007;2.湖南科技大學能源與安全工程學院,湖南湘潭市 411201)

臺階爆破數據的不確定性及反饋式設計軟件解決辦法研究

范金國1,林大能2

(1.株洲市國土資源管理局, 湖南株洲市 412007;2.湖南科技大學能源與安全工程學院,湖南湘潭市 411201)

由于臺階爆破參數的不確定性,以往的確定性爆破模型難以解決臺階爆破的參數設計和優化問題。提出反饋式設計的思想和方法,設計反饋式臺階爆破設計軟件,并詳細闡述該系統反饋功能,試圖解決臺階爆破參數的設計和優化問題。

爆破數據;不確定性;反饋式設計;參數優化;反饋功能

0 前 言

爆破數據的不確定性是指由于巖體本身性質的復雜性、爆破破巖過程的高度復雜性,描述爆破的有關參數很難做到精確。爆破數據的不確定導致了臺階爆破參數設計問題迄今為止還沒有徹底解決。為了解決臺階爆破中的不確定性問題,很多的科研工作者試圖提高單項試驗精度和規模來完善確定性模型,他們借用彈性力學、彈塑性力學和近年發展的斷裂力學、損傷力學來建立確定性的計算模型來進行爆炸力學性質分析,然而實踐證明這些手段并不能徹底解決爆破參數的優化設計問題。

由于工程爆破中大量不確定性問題的存在,確定性模型就難以表征復雜的爆破系統工程。鑒于此,本論文提出“反饋式設計”這種新思想和新方法,并設計“反饋式臺階爆破設計軟件”作為反饋設計的工具,試圖解決臺階爆破參數優化這種不確定性問題,減少宏觀判斷中的人為因素影響,同時擬對臺階爆破設計思想的改革起到推動作用。

1 爆破數據的不確定性的來源

(1)巖體結構具有不均勻性。按照地質力學的觀點,巖體是不均勻的結構體,其變形破壞規律取決于巖體結構。由于巖石本身的不連續性,使得巖體結構的力學性質非常復雜,目前人們還不能對巖體裂隙系統的幾何參數進行系統的確定性描述。

(2)有限的實驗數據難以覆蓋整體工程特征。通常露天礦的爆破規模為數十萬噸礦巖量,爆區長度從數十米到數百米,在如此大的爆區范圍內進行爆破參數、爆破效果的測量,由于測試樣本數量的限制、測試條件的變化和測試方法的不一致,都會使得測量的結果不一樣。少量的、有限的數據不能完全覆蓋分布極不均勻的整個工程的特征。

(3)臺階爆破工程的模糊性、隨機性導致計算結果的不確定性。影響爆破效果的因素是多方面的,包括:巖體結構、性質、炸藥類型、爆破參數等。由于巖體結構的復雜性、炸藥參數的易變性和爆破參數的多樣性,使得采用上述參數建立的物理數學模型產生極大的不確定性,導致設計精度的要求與客觀的模糊性、隨機性之間的矛盾更加突出。

2 反饋式設計軟件系統方案

2.1 設計思想介紹

由于上述的臺階爆破數據的不確定性,即使采用較為先進的設計理念,第一次設計出來的參數較難到達最優,這就使得反饋的功能非常必要。反饋式設計是指在進行一次爆破參數設計以后,使用這些設計出來的參數進行一次爆破施工,施工完以后把實際的爆破效果和期望的爆破效果的差距反饋給軟件,由軟件對先前設計的參數進行進一步修正,生成新的爆破參數,在下一次爆破中采用修正以后的、新的爆破參數進行施工。如果爆破效果再不滿意還可以再次反饋,以逐步實現對爆破設計參數的最優化,從而得到理想的爆破效果。此外,由于露天礦的爆破規模較大,前期工程已經達到最優化的參數在后續工程中不一定是最優的,甚至會很不適合,這就需要在爆破的過程中不斷地對參數進行動態的反饋優化。由此可見,爆破參數優化不是一蹴而就的工作,而是一個動態的不斷修正的過程。

2.2 反饋式設計軟件系統設計方案

本軟件是以計算機圖形學為核心,將計算機科學技術和工程爆破技術緊密結合在一起形成的一種綜合型的、集成化的反饋式輔助設計軟件,功能包括參數檢索、方案設計、計算分析、工程繪圖、輸出設計參數報表和反饋設計功能等。本系統不止是單純代替人工完成設計計算和自動繪圖,而且是一種人機交互的綜合性系統,把人的思維判斷和計算機系統的嚴謹運算緊密結合在一起,用來尋求最優設計方案。系統總體設計框架圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框架

3 爆破設計功能設計

爆破設計功能根據經典理論進行編程,和已經出現爆破輔助設計系統的設計思想沒有大的不同。在輸入一系列必須的已知參數后,即可設計出施工需要的布孔圖和所有的施工需要的所有參數。這些輸入參數是在爆破設計工作進行之前就已經確定的,包括炮孔直徑 (鑿巖機具決定)、臺階高度,炮孔密集系數、巖石密度、巖石可爆性分級、硬度系數、炸藥密度、爆速、爆熱、炸藥種類等。對話框見圖2。

圖2 第一次爆破設計輸入參數對話框

4 反饋功能設計

反饋功能是本系統在對爆破參數進行了優化設計的基礎上進行再優化的過程。從計算上講,這實際上是一個逆反的過程,第一次設計是由爆破已知條件推出需要的未知參數,而這是根據爆破的結果去逆推需要的未知參數。這個過程大大地豐富了求未知參數的途徑,也增加了準確性。

反饋要求主要由臺階爆破的評價標準決定,當前一次爆破的效果和預期的效果有偏差時,就需要進行反饋糾正,輸入的參數的界面設計如圖3所示。如果在第一次爆破以后,發現平均塊度過大 (具體標準根據具體鏟裝設備的不同各有不同),需要減少平均塊度,那么就在“平均塊度矯正”里輸入 (或選擇)1個負的百分數,例如輸入“-5%”,表示需要把平均塊度降低 5%,具體數值由爆破設計人員觀測得到。輸入完后點擊界面下方的“確定”按鈕,系統會根據輸入的數值自動重新調整設計相關的爆破參數,如根據一定的標準調整單耗等,具體在這里輸入的是“-5%”,系統根據這個輸入的數值和相對應的算法標準增加一定值的單耗等,然后重新設計出其他的所有參數。

圖3 反饋要求參數輸入界面

事實上平均塊度并不是越小越好,如果發現塊度過小,即出現粉礦,同樣會不利于鏟裝。此外平均塊度過小還會浪費炸藥,增加礦山日常運營的成本。在“平均塊度矯正”欄里輸入或選擇一個正的百分數,例如“+5%”即表示需要把平均塊度提高 5%。點擊“重新生成圖紙”以后,軟件會根據這個輸入的數值和相對應的算法標準減少一定值的單耗,也可以使用非耦合裝藥來減少裝藥線密度等。

在第一次爆破以后如果塊度不均勻,大塊率過高 (不可能會出現要提高大塊率的情況,故此欄不能輸入正數),比如在“大塊率矯正”欄里輸入“-10%”,即要求系統會自動 (部分不是非定量研究的需要手動)按照大塊率降低 10%的要求重新進行設計,比如降低堵塞長度、調整分段裝藥參數等。

在根底反饋方面,如果在第一次爆破以后發現根底過高或者過低,設計者只需要在“調根底高度”欄里輸入或選擇 1個正值或負值,在這里由于根底的高度不好量化,根底的高度是相對的而不是絕對的,比如臺階高度 10 m時有 0.5 m的根底和臺階高度在 5 m時有 0.5 m的根底是不同的,故這里采用根底絕對高度和臺階高度 H的比值作為根底程度的標準。在“調根底高度 /H”輸入 1個負的百分數即表示原來的設計根底過高,需要降低根底,那么系統會自動根據輸入的數據和有關公式來計算需要改變的參數,如增加超深的長度等。同理,如果輸入的是正數,即表示已經破壞了下一個臺階面,需要減少超深長度和減少底部裝藥等。

在降震方面,如果在第一次爆破以后發現震動過大,影響到了周圍工程或者居民的生命財產安全,就需要通過設計適當的爆破參數來降低爆破地震。例如在“降震”欄后輸入 10%,即表示需要降震10%,那么系統會自動根據這個數據來調整單孔裝藥量和同時起爆的炮孔數量 (單次起爆藥量),也可以改變起爆方式來降震。由于沒有震動過小的問題,這里不能輸入負數。

在消除后沖方面,如果后沖過大,會影響后一個臺階邊緣的鉆孔工作,導致鉆孔臺車的不安全,需要減少后沖。如果后沖過小也不行,會形成“傘檐”。在輸入了數據以后,系統也會根據數據調整相應的參數。

需要說明的是,上述參數用的都是百分數,這是由于影響爆破效果參數的復雜性,難以精確的量化,只能用“調檔”的辦法來矯正設計。

在輸入完上述需要輸入的參數以后,點擊“確定”按鈕,就會彈出如圖4所示的反饋后設計的對話框。

圖4 反饋后參數輸入對話框

在圖4所示的對話框中,不必重新輸入參數,只需點擊右下方工具欄中的“讀取上次設計參數”,就可從數據庫的工程實例庫里讀出上一次輸入的參數。然后點擊“重新生成設計文件”即可生成新的爆破設計參數輸出表。布孔設計的操作方法和第一次生成布孔設計的操作方法基本相同,可以重新得到 1個新的布孔圖。

5 結 語

要徹底解決臺階爆破參數設計中的參數優化問題,若單靠提高單項試驗精度和規模來完善確定性模型是遠遠不夠的。以往的爆炸力學性質分析均借用彈性力學、彈塑性力學和近年發展的斷裂力學、損傷力學來建立確定性的計算模型,實踐證明這些手段并不能徹底解決爆破參數的優化設計問題。本論文提出了“反饋式設計”這種新思想和新方法,并設計了“反饋式臺階爆破設計軟件”作為反饋設計的工具,為臺階爆破設計人員提供了一種新方法,為解決臺階爆破參數優化這種不確定性問題提供了一種新的思路,同時期望對臺階爆破設計思想的改革和進步起到推動作用。

[1] 劉殿軍.臺階炮孔爆破計算機輔助設計軟件開發與應用[D].大連:大連理工大學,2008.

[2] 韋愛勇.控制爆破技術 [M].北京:電子科技大學出版社,2009:9-40.

[3] 劉殿軍.臺階炮孔爆破計算機輔助設計軟件開發與應用[D].大連:大連理工大學,2008.

[4] 黃小明.安家嶺露天礦臺階爆破質量優化研究[J].金屬礦山,2007,378(7):49-52.

[5] 姚 江.露天爆破設計軟件的開發與研制[D].遼寧:東北大學,2004.

[6] 劉殿中.工程爆破手冊[M].北京:冶金工業出版社,1999:2-4,206-225.

[7] 吳 立.鑿巖爆破工程[M].武漢:中國地質出版社,2005:6-25,181-190.

[8] 于亞倫.工程爆破理論和技術 [M].北京:冶金工業出版社,2008:152-172,195-199.

2011-06-26)

范金國 (1982-),男,湖南隆回人,碩士研究生,主要從事采礦技術研究和礦產資源規劃研究。