基于GCRN的礦巖可爆性分級(jí)模型及其應(yīng)用

馬　康，張　群，盛建龍，劉艷章，柯麗華

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

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基于GCRN的礦巖可爆性分級(jí)模型及其應(yīng)用

馬康，張群，盛建龍，劉艷章，柯麗華

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

摘要：為了準(zhǔn)確反映巖體可爆性等級(jí)，構(gòu)建了由彈性波阻抗、堅(jiān)固性系數(shù)、平均裂隙距和標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗炸藥單耗4個(gè)因素組成的評(píng)價(jià)體系，采用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)傳統(tǒng)的巖體可爆性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化。利用灰色關(guān)聯(lián)相對(duì)貼近度(GCRN)來(lái)反映各可爆性等級(jí)之間的差別，確定各可爆性等級(jí)對(duì)應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)相對(duì)貼近度區(qū)間，以此劃分新的巖體可爆性等級(jí)。采用基于GCRN的礦巖可爆性分級(jí)模型對(duì)武鋼資源集團(tuán)公司程潮礦業(yè)有限公司東、西區(qū)礦體的可爆性級(jí)別進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，表明利用灰色關(guān)聯(lián)相對(duì)貼近度來(lái)劃分礦巖可爆性等級(jí)的方法是可行的。

關(guān)鍵詞：礦巖；巖體爆破；可爆性分級(jí)；GCRN；灰色關(guān)聯(lián)分析；程潮鐵礦

礦巖可爆性等級(jí)反映的是含礦巖體在爆破應(yīng)力波作用下破碎的難易程度，即巖體抵抗炸藥爆炸破碎的能力[1]。由于巖體物理力學(xué)性質(zhì)極其復(fù)雜，傳統(tǒng)上通常采用經(jīng)驗(yàn)類比的方法來(lái)確定其可爆性等級(jí)，隨后進(jìn)一步選擇合適的爆破方案[2]，但由于地質(zhì)條件的差異性，采用經(jīng)驗(yàn)類比法確定的礦巖可爆性分級(jí)通常與實(shí)際情況有較大差別，因此如何綜合考慮多種因素來(lái)定量描述、準(zhǔn)確反映巖體可爆性等級(jí)成為研究的重點(diǎn)，一些多因素綜合分析新理論如模糊數(shù)學(xué)、層次分析法、突變級(jí)數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色理論等越來(lái)越多地被應(yīng)用到礦巖可爆性分級(jí)評(píng)價(jià)中來(lái)[3]。灰色關(guān)聯(lián)分析法是灰色理論的重要組成部分，該方法具有所需原始數(shù)據(jù)少、運(yùn)算方便、易于挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律等特點(diǎn)[4]，非常適用于多因素、多屬性評(píng)價(jià)問(wèn)題，但傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)分析法是通過(guò)比較待評(píng)價(jià)對(duì)象與理想對(duì)象之間灰色關(guān)聯(lián)度的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)，而忽略了待評(píng)價(jià)對(duì)象與負(fù)理想對(duì)象之間的灰色關(guān)聯(lián)度，因而不適用于對(duì)象之間差別較小的評(píng)價(jià)問(wèn)題。理想點(diǎn)法[5]可根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想目標(biāo)的接近程度來(lái)對(duì)其進(jìn)行排序，可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)分析法存在的不足。為此，本文借鑒理想點(diǎn)法中理想解與負(fù)理想解的雙基準(zhǔn)和相對(duì)貼近度的思想，對(duì)灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行改進(jìn)，考慮待評(píng)價(jià)對(duì)象與理想對(duì)象及負(fù)理想對(duì)象之間的灰色關(guān)聯(lián)度，構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)相對(duì)貼近度(grey correlative relative nearness，GCRN)來(lái)反映礦巖可爆性等級(jí)之間的差別，以此作為礦巖可爆性分級(jí)的依據(jù)。同時(shí)，采用該方法對(duì)武鋼資源集團(tuán)公司程潮礦業(yè)有限公司所屬程潮鐵礦礦體的可爆性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證該方法在礦巖可爆性分級(jí)中的適用性。

1評(píng)價(jià)模型的建立

依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)相對(duì)貼近度進(jìn)行多屬性問(wèn)題評(píng)價(jià)的分析過(guò)程如下：

(1)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行量化處理，建立多屬性決策問(wèn)題模型。設(shè)該多屬性決策問(wèn)題有m個(gè)待評(píng)價(jià)對(duì)象n個(gè)指標(biāo)，第i個(gè)待評(píng)價(jià)對(duì)象的第k個(gè)指標(biāo)記為xi(k)，則第i個(gè)待評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)序列記為xi：

(1)

(2)選取待評(píng)價(jià)對(duì)象指標(biāo)中的最優(yōu)值、最差值分別構(gòu)成理想對(duì)象指標(biāo)序列xl和負(fù)理想對(duì)象指標(biāo)序列xf：

(2)

(3)

(3)對(duì)各對(duì)象指標(biāo)序列作無(wú)量綱化處理。無(wú)量綱化處理通常采用初值化、均值化、區(qū)間值化和歸一化等方法。待評(píng)價(jià)對(duì)象、理想對(duì)象和負(fù)理想對(duì)象指標(biāo)序列經(jīng)無(wú)量綱化處理后分別記為yi、yl和yf，則有：

(4)

(5)

(6)

(4)求待評(píng)價(jià)對(duì)象與理想對(duì)象和負(fù)理想對(duì)象的差值指標(biāo)序列Δli(k)、Δfi(k)：

(7)

(8)

(5)求待評(píng)價(jià)對(duì)象指標(biāo)與理想對(duì)象和負(fù)理想對(duì)象指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξli(k)和ξfi(k)：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(8)按照Si值的大小對(duì)待評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行排序、分級(jí)。

2基于GCRN的巖體可爆性分級(jí)

2.1巖體可爆性分級(jí)指標(biāo)的選取

在實(shí)際生產(chǎn)中，礦巖的可爆性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要分為力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、裂隙性指標(biāo)和爆破質(zhì)量指標(biāo)[6]。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，結(jié)合研究地段的地質(zhì)條件和試驗(yàn)的可實(shí)現(xiàn)性，本次礦巖可爆性評(píng)價(jià)的指標(biāo)選擇彈性波阻抗、堅(jiān)固性系數(shù)、平均裂隙距、標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗炸藥單耗4個(gè)因素，這些因素不僅代表了礦巖本身的物理性質(zhì)和地質(zhì)特點(diǎn)，而且在現(xiàn)場(chǎng)容易獲取，具有一定的合理性和可實(shí)現(xiàn)性。

2.2巖體可爆性分級(jí)

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)值的確定。參考文獻(xiàn)[8]中采用上述4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立的巖體可爆性分級(jí)情況，可得各等級(jí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)序列分別為：①易爆：x1=(5,8,0.1,0.35);②中等：x2=(6.5,10,0.3,0.4)；③難爆：x3=(10,14,0.75,0.55);④很難：x4=(13.5,16,1.25,0.78);⑤極難：x5=(15,18,1.75,0.9)。在理想狀況下，理想爆破等級(jí)各指標(biāo)值應(yīng)當(dāng)無(wú)限接近0，而負(fù)理想爆破等級(jí)各指標(biāo)值應(yīng)當(dāng)無(wú)窮大。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的數(shù)據(jù)，可取理想爆破等級(jí)的指標(biāo)為xl=(0,0,0,0)，負(fù)理想爆破等級(jí)的指標(biāo)為：xf=(27,38,10,8)。

(2)無(wú)量綱化處理。本研究選取的4個(gè)指標(biāo)均為成本型指標(biāo)，其評(píng)價(jià)值隨指標(biāo)值增大而減小[9]。對(duì)各分級(jí)等級(jí)指標(biāo)序列、理想爆破等級(jí)指標(biāo)序列和負(fù)理想爆破等級(jí)指標(biāo)序列進(jìn)行無(wú)量綱化處理，處理后各等級(jí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)序列如下：y1=(0.78,0.79,0.99,0.83)、y2=(0.76,0.74,0.97,0.80)、y3=(0.63,0.63,0.93,0.73)、y4=(0.50,0.58,0.88,0.61)、y5=(0.44,0.53,0.83,0.55)，理想爆破等級(jí)yl=(1,1,1,1)，負(fù)理想爆破等級(jí)yf=(0,0,0,0)。

(3)求差值指標(biāo)序列。由式(7)、式(8)分別求得各等級(jí)與理想爆破等級(jí)的差值指標(biāo)序列為：Δl1=(0.22,0.21,0.01,0.17)、Δl2=(0.24,0.26,0.03,0.20)、Δl3=(0.37,0.37,0.07,0.27)、Δl4=(0.50,0.42,0.12，0.39)、Δl5=(0.56,0.47,0.17,0.45)；各等級(jí)與負(fù)理想爆破等級(jí)的差值指標(biāo)序列為：Δf1=(0.78,0.79,0.99,0.83)、Δf2=(0.76,0.74,0.97,0.80)、Δf3=(0.63,0.63,0.93,0.73)、Δf4=(0.50,0.58,0.88,0.61)、Δf5=(0.44,0.53,0.83,0.55)。

(4)灰色關(guān)聯(lián)度與貼近度計(jì)算。由式(9)、式(10)分別求得各等級(jí)與理想爆破等級(jí)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)序列為：ξl1=(0.36,0.38,1.00,0.43)、ξl2=(0.43,0.41,1.00,0.49)、ξl3=(0.46,0.46,1.00,0.56)、ξl4=(0.49,0.55,1.00,0.58)、ξl5=(0.54,0.60,1.00,0.62)；各等級(jí)與負(fù)理想爆破等級(jí)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)序列為：ξf1=(1.00,0.99,0.86,0.96)、ξf2=(0.98,1.00,0.84,0.85)、ξf3=(1.00,1.00,0.78,0.92)、ξf4=(1.00,0.92,0.71,0.90)、ξf5=(1.00,0.90,0.69,0.59)。

由式(13)可得各等級(jí)的灰色關(guān)聯(lián)相對(duì)貼近度為：S1=0.36、S2=0.39、S3=0.41、S4=0.43、S5=0.47，理想爆破等級(jí)、負(fù)理想爆破等級(jí)的灰色關(guān)聯(lián)相對(duì)貼近度分別為：Sl=0，Sf=0.50。

根據(jù)各爆破等級(jí)對(duì)應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)相對(duì)貼近度，可將巖體可爆性分級(jí)情況整理如下：①易爆：Si∈(0,0.36)；②中等：Si∈(0.36,0.39)；③難爆：Si∈(0.39,0.41)；④很難：Si∈(0.41,0.47)；⑤極難：Si∈(0.47,0.50)。

3程潮鐵礦礦巖可爆性評(píng)價(jià)

3.1工程概況

程潮鐵礦是一座大型冶金地下礦山，是武漢鋼鐵(集團(tuán))公司主要的鐵礦石基地之一，目前開(kāi)采水平為-430 m水平，該階段礦體地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層、節(jié)理、裂隙發(fā)育。斷層在開(kāi)采區(qū)段內(nèi)以成礦后的為主，成礦前的斷裂不明顯，主要表現(xiàn)為導(dǎo)礦構(gòu)造和容礦構(gòu)造。

該礦山主要采用無(wú)底柱分段崩落法回采礦石，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中一次爆破后屢有大塊礦石出現(xiàn)，需要在井下進(jìn)行二次爆破。這一額外工序不僅降低了礦山生產(chǎn)效率，帶來(lái)了井下生產(chǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)，也增加了礦石開(kāi)采的成本。

為此，采用本文建立的GCRN模型對(duì)程潮鐵礦巖體可爆性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期將其地下采區(qū)劃分為不同可爆性等級(jí)的區(qū)域，使得生產(chǎn)過(guò)程中可以有針對(duì)性地選擇合理的爆破方案。

3.2指標(biāo)值的確定

(1)彈性波阻抗。采用RSMSY-5智能型超聲波測(cè)試儀，將一對(duì)換能器布置在一定距離的雙孔中，進(jìn)行跨孔測(cè)試，得到兩孔間衰減后的巖體聲波波形和波速[8]，并據(jù)此計(jì)算出巖體的彈性波阻抗，結(jié)果如表1所示。

表1　巖體的彈性波阻抗

(2)堅(jiān)固性系數(shù)。由程潮鐵礦地質(zhì)資料[8]及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果可知該礦東區(qū)各類巖體單軸抗壓強(qiáng)度分別為：閃長(zhǎng)巖75.72 MPa，花崗巖107.55 MPa、大理巖49.26 MPa，對(duì)應(yīng)的堅(jiān)固性系數(shù)f分別為8、11、5，由此可得東區(qū)平均堅(jiān)固性系數(shù)為f東=8；西區(qū)各類巖體單軸抗壓強(qiáng)度分別為：塊狀磁鐵礦75.67 MPa、矽卡巖59.61 MPa、斑巖95.42MPa，對(duì)應(yīng)的堅(jiān)固性系數(shù)f分別為8、6、10，可得西區(qū)平均堅(jiān)固性系數(shù)為f西=8。

(3)平均裂隙距。程潮鐵礦東區(qū)裂隙密度約為16條/m，平均裂隙間距為0.063 m/條，裂隙較發(fā)育；西區(qū)裂隙密度約為3條/m，平均裂隙間距為0.333 m/條，裂隙不太發(fā)育[8]。

(4)標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗炸藥單耗。根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論進(jìn)行單孔爆破漏斗試驗(yàn)，布孔的原則是要求各孔爆破后形成的漏斗互不干擾，孔口盡可能有足夠大的平整自由面，鉆孔軸線要垂直于幫壁，深孔和淺孔交替布置，炮孔排距大于2.5 m。東區(qū)布置間距為0.1 m的9個(gè)炮孔，其中8個(gè)孔深0.4～1.2 m，1個(gè)孔深1.4 m；西區(qū)布置間距為0.1 m的8個(gè)炮孔，孔深為0.4～1.2 m。每個(gè)炮孔內(nèi)裝填帶有1個(gè)起爆藥包的2卷硝銨黏性粒狀銨油炸藥，炸藥量為300 g，采用不間隔底部反向爆破。測(cè)試結(jié)果：東區(qū)礦體標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗半徑R≈0.6 m，標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗炸藥單耗為1.37 kg/m3；西區(qū)礦體標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗半徑R≈0.59 m，標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗炸藥單耗為3.20 kg/m3。

綜上可得程潮鐵礦礦體可爆性分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)值如表2所示。

表2　程潮鐵礦巖體可爆性分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)值

3.3礦巖可爆性評(píng)價(jià)

由上述GCRN模型計(jì)算可得程潮鐵礦東、西區(qū)巖體可爆性評(píng)價(jià)指標(biāo)序列分別為：x東=(13.61,8,0.063,1.37)，x西=(22.90,8,0.333,3.20)。結(jié)合x(chóng)東、x西與x1、x2、x3、x4、x5并進(jìn)行無(wú)量綱化處理可得：y東=(0.50,0.79,1.00,0.32)，y西=(0.15,0.79,0.97,0.40)。

將y東、y西代入式(7)～式(13)進(jìn)行計(jì)算可得：S東=0.44∈(0.41,0.47)，S西=0.49∈(0.47,0.50)，表明程潮鐵礦東、西區(qū)礦石的可爆性等級(jí)分別為很難和極難。

參照程潮鐵礦相關(guān)地質(zhì)資料及文獻(xiàn)[8]可知，采用本文方法對(duì)該礦礦巖可爆性進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果與實(shí)際情況基本一致,這表明利用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析方法，采用構(gòu)建的灰色關(guān)聯(lián)相對(duì)貼近度來(lái)衡量礦巖可爆性等級(jí)是可行的，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4結(jié)語(yǔ)

本文選取彈性波阻抗、堅(jiān)固性系數(shù)、平均裂隙距和標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗炸藥單耗4個(gè)礦巖可爆性等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析法，利用灰色關(guān)聯(lián)相對(duì)貼近度(GCRN)，對(duì)程潮鐵礦礦巖可爆性進(jìn)行評(píng)價(jià)和分級(jí)，得到程潮鐵礦東、西區(qū)礦體可爆性級(jí)別分別為很難和極難，與實(shí)際情況基本一致，表明基于GCRN的礦巖可爆性分級(jí)方法是可行的。

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[責(zé)任編輯鄭淑芳]

GCRN-based model for classification of ore-bearingrock-mass blastability and its application

MaKang,ZhangQun,ShengJianlong,LiuYanzhang,KeLihua

(College of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University ofScience and Technology, Wuhan 430081, China)

Abstract:To classify the ore-bearing rock-mass blastability, an assessment index model was constructed which considers mainly four factors, i.e. elastic wave impedance, firmness coefficient, average fracture width, and explosive consumption of standard blasting craters. The improved grey relational analysis method was used to optimize the traditional standards for ore-bearing rock-mass blastability classification, and the grey correlative relative nearness (GCRN) was used to reflect the difference between blastability grades and determine the GCRN interval corresponding to each blastability grade, which was then employed to classify rock-mass blastability. The application of the proposed GCRN-based model in Chengchao Iron Mine shows that the model results of blastability classification of ore bodies in eastern and western sections accords basically with the engineering realities, suggesting that the proposed model is feasible.

Key words：ore-bearing rock-mass; rock-mass blasting; blastability classification; GCRN; grey relational analysis; Chengchao Iron Mine

收稿日期：2015-12-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51204127)；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAA05B03).

作者簡(jiǎn)介：馬康(1991-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail：makang-work@163.com通訊作者：盛建龍(1964-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士.E-mail：wkdsjl@163.com

中圖分類號(hào)：TD235

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-3644(2016)03-0200-04