臺(tái)階爆破數(shù)據(jù)的不確定性及反饋式設(shè)計(jì)軟件解決辦法研究

范金國(guó),林大能

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

臺(tái)階爆破數(shù)據(jù)的不確定性及反饋式設(shè)計(jì)軟件解決辦法研究

范金國(guó)1,林大能2

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

由于臺(tái)階爆破參數(shù)的不確定性,以往的確定性爆破模型難以解決臺(tái)階爆破的參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化問題。提出反饋式設(shè)計(jì)的思想和方法,設(shè)計(jì)反饋式臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)軟件,并詳細(xì)闡述該系統(tǒng)反饋功能,試圖解決臺(tái)階爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化問題。

爆破數(shù)據(jù);不確定性;反饋式設(shè)計(jì);參數(shù)優(yōu)化;反饋功能

0 前 言

爆破數(shù)據(jù)的不確定性是指由于巖體本身性質(zhì)的復(fù)雜性、爆破破巖過程的高度復(fù)雜性,描述爆破的有關(guān)參數(shù)很難做到精確。爆破數(shù)據(jù)的不確定導(dǎo)致了臺(tái)階爆破參數(shù)設(shè)計(jì)問題迄今為止還沒有徹底解決。為了解決臺(tái)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(xiàng)試驗(yàn)精度和規(guī)模來完善確定性模型,他們借用彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)和近年發(fā)展的斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)來建立確定性的計(jì)算模型來進(jìn)行爆炸力學(xué)性質(zhì)分析,然而實(shí)踐證明這些手段并不能徹底解決爆破參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(fù)雜的爆破系統(tǒng)工程。鑒于此,本論文提出“反饋式設(shè)計(jì)”這種新思想和新方法,并設(shè)計(jì)“反饋式臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)軟件”作為反饋設(shè)計(jì)的工具,試圖解決臺(tái)階爆破參數(shù)優(yōu)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(shí)擬對(duì)臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)思想的改革起到推動(dòng)作用。

1 爆破數(shù)據(jù)的不確定性的來源

(1)巖體結(jié)構(gòu)具有不均勻性。按照地質(zhì)力學(xué)的觀點(diǎn),巖體是不均勻的結(jié)構(gòu)體,其變形破壞規(guī)律取決于巖體結(jié)構(gòu)。由于巖石本身的不連續(xù)性,使得巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)非常復(fù)雜,目前人們還不能對(duì)巖體裂隙系統(tǒng)的幾何參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的確定性描述。

(2)有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以覆蓋整體工程特征。通常露天礦的爆破規(guī)模為數(shù)十萬噸礦巖量,爆區(qū)長(zhǎng)度從數(shù)十米到數(shù)百米,在如此大的爆區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行爆破參數(shù)、爆破效果的測(cè)量,由于測(cè)試樣本數(shù)量的限制、測(cè)試條件的變化和測(cè)試方法的不一致,都會(huì)使得測(cè)量的結(jié)果不一樣。少量的、有限的數(shù)據(jù)不能完全覆蓋分布極不均勻的整個(gè)工程的特征。

(3)臺(tái)階爆破工程的模糊性、隨機(jī)性導(dǎo)致計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)、性質(zhì)、炸藥類型、爆破參數(shù)等。由于巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、炸藥參數(shù)的易變性和爆破參數(shù)的多樣性,使得采用上述參數(shù)建立的物理數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生極大的不確定性,導(dǎo)致設(shè)計(jì)精度的要求與客觀的模糊性、隨機(jī)性之間的矛盾更加突出。

2 反饋式設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)方案

2.1 設(shè)計(jì)思想介紹

由于上述的臺(tái)階爆破數(shù)據(jù)的不確定性,即使采用較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念,第一次設(shè)計(jì)出來的參數(shù)較難到達(dá)最優(yōu),這就使得反饋的功能非常必要。反饋式設(shè)計(jì)是指在進(jìn)行一次爆破參數(shù)設(shè)計(jì)以后,使用這些設(shè)計(jì)出來的參數(shù)進(jìn)行一次爆破施工,施工完以后把實(shí)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(duì)先前設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步修正,生成新的爆破參數(shù),在下一次爆破中采用修正以后的、新的爆破參數(shù)進(jìn)行施工。如果爆破效果再不滿意還可以再次反饋,以逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)化,從而得到理想的爆破效果。此外,由于露天礦的爆破規(guī)模較大,前期工程已經(jīng)達(dá)到最優(yōu)化的參數(shù)在后續(xù)工程中不一定是最優(yōu)的,甚至?xí)懿贿m合,這就需要在爆破的過程中不斷地對(duì)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的反饋優(yōu)化。由此可見,爆破參數(shù)優(yōu)化不是一蹴而就的工作,而是一個(gè)動(dòng)態(tài)的不斷修正的過程。

2.2 反饋式設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本軟件是以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為核心,將計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和工程爆破技術(shù)緊密結(jié)合在一起形成的一種綜合型的、集成化的反饋式輔助設(shè)計(jì)軟件,功能包括參數(shù)檢索、方案設(shè)計(jì)、計(jì)算分析、工程繪圖、輸出設(shè)計(jì)參數(shù)報(bào)表和反饋設(shè)計(jì)功能等。本系統(tǒng)不止是單純代替人工完成設(shè)計(jì)計(jì)算和自動(dòng)繪圖,而且是一種人機(jī)交互的綜合性系統(tǒng),把人的思維判斷和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的嚴(yán)謹(jǐn)運(yùn)算緊密結(jié)合在一起,用來尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

3 爆破設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)

爆破設(shè)計(jì)功能根據(jù)經(jīng)典理論進(jìn)行編程,和已經(jīng)出現(xiàn)爆破輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想沒有大的不同。在輸入一系列必須的已知參數(shù)后,即可設(shè)計(jì)出施工需要的布孔圖和所有的施工需要的所有參數(shù)。這些輸入?yún)?shù)是在爆破設(shè)計(jì)工作進(jìn)行之前就已經(jīng)確定的,包括炮孔直徑 (鑿巖機(jī)具決定)、臺(tái)階高度,炮孔密集系數(shù)、巖石密度、巖石可爆性分級(jí)、硬度系數(shù)、炸藥密度、爆速、爆熱、炸藥種類等。對(duì)話框見圖2。

圖2 第一次爆破設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)對(duì)話框

4 反饋功能設(shè)計(jì)

反饋功能是本系統(tǒng)在對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行再優(yōu)化的過程。從計(jì)算上講,這實(shí)際上是一個(gè)逆反的過程,第一次設(shè)計(jì)是由爆破已知條件推出需要的未知參數(shù),而這是根據(jù)爆破的結(jié)果去逆推需要的未知參數(shù)。這個(gè)過程大大地豐富了求未知參數(shù)的途徑,也增加了準(zhǔn)確性。

反饋要求主要由臺(tái)階爆破的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)決定,當(dāng)前一次爆破的效果和預(yù)期的效果有偏差時(shí),就需要進(jìn)行反饋糾正,輸入的參數(shù)的界面設(shè)計(jì)如圖3所示。如果在第一次爆破以后,發(fā)現(xiàn)平均塊度過大 (具體標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)具體鏟裝設(shè)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(gè)負(fù)的百分?jǐn)?shù),例如輸入“-5%”,表示需要把平均塊度降低 5%,具體數(shù)值由爆破設(shè)計(jì)人員觀測(cè)得到。輸入完后點(diǎn)擊界面下方的“確定”按鈕,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輸入的數(shù)值自動(dòng)重新調(diào)整設(shè)計(jì)相關(guān)的爆破參數(shù),如根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整單耗等,具體在這里輸入的是“-5%”,系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)輸入的數(shù)值和相對(duì)應(yīng)的算法標(biāo)準(zhǔn)增加一定值的單耗等,然后重新設(shè)計(jì)出其他的所有參數(shù)。

圖3 反饋要求參數(shù)輸入界面

事實(shí)上平均塊度并不是越小越好,如果發(fā)現(xiàn)塊度過小,即出現(xiàn)粉礦,同樣會(huì)不利于鏟裝。此外平均塊度過小還會(huì)浪費(fèi)炸藥,增加礦山日常運(yùn)營(yíng)的成本。在“平均塊度矯正”欄里輸入或選擇一個(gè)正的百分?jǐn)?shù),例如“+5%”即表示需要把平均塊度提高 5%。點(diǎn)擊“重新生成圖紙”以后,軟件會(huì)根據(jù)這個(gè)輸入的數(shù)值和相對(duì)應(yīng)的算法標(biāo)準(zhǔn)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(huì)出現(xiàn)要提高大塊率的情況,故此欄不能輸入正數(shù)),比如在“大塊率矯正”欄里輸入“-10%”,即要求系統(tǒng)會(huì)自動(dòng) (部分不是非定量研究的需要手動(dòng))按照大塊率降低 10%的要求重新進(jìn)行設(shè)計(jì),比如降低堵塞長(zhǎng)度、調(diào)整分段裝藥參數(shù)等。

在根底反饋方面,如果在第一次爆破以后發(fā)現(xiàn)根底過高或者過低,設(shè)計(jì)者只需要在“調(diào)根底高度”欄里輸入或選擇 1個(gè)正值或負(fù)值,在這里由于根底的高度不好量化,根底的高度是相對(duì)的而不是絕對(duì)的,比如臺(tái)階高度 10 m時(shí)有 0.5 m的根底和臺(tái)階高度在 5 m時(shí)有 0.5 m的根底是不同的,故這里采用根底絕對(duì)高度和臺(tái)階高度 H的比值作為根底程度的標(biāo)準(zhǔn)。在“調(diào)根底高度 /H”輸入 1個(gè)負(fù)的百分?jǐn)?shù)即表示原來的設(shè)計(jì)根底過高,需要降低根底,那么系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)和有關(guān)公式來計(jì)算需要改變的參數(shù),如增加超深的長(zhǎng)度等。同理,如果輸入的是正數(shù),即表示已經(jīng)破壞了下一個(gè)臺(tái)階面,需要減少超深長(zhǎng)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(fā)現(xiàn)震動(dòng)過大,影響到了周圍工程或者居民的生命財(cái)產(chǎn)安全,就需要通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)谋茀?shù)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(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)來調(diào)整單孔裝藥量和同時(shí)起爆的炮孔數(shù)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(dòng)過小的問題,這里不能輸入負(fù)數(shù)。

在消除后沖方面,如果后沖過大,會(huì)影響后一個(gè)臺(tái)階邊緣的鉆孔工作,導(dǎo)致鉆孔臺(tái)車的不安全,需要減少后沖。如果后沖過小也不行,會(huì)形成“傘檐”。在輸入了數(shù)據(jù)以后,系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)。

需要說明的是,上述參數(shù)用的都是百分?jǐn)?shù),這是由于影響爆破效果參數(shù)的復(fù)雜性,難以精確的量化,只能用“調(diào)檔”的辦法來矯正設(shè)計(jì)。

在輸入完上述需要輸入的參數(shù)以后,點(diǎn)擊“確定”按鈕,就會(huì)彈出如圖4所示的反饋后設(shè)計(jì)的對(duì)話框。

圖4 反饋后參數(shù)輸入對(duì)話框

在圖4所示的對(duì)話框中,不必重新輸入?yún)?shù),只需點(diǎn)擊右下方工具欄中的“讀取上次設(shè)計(jì)參數(shù)”,就可從數(shù)據(jù)庫的工程實(shí)例庫里讀出上一次輸入的參數(shù)。然后點(diǎn)擊“重新生成設(shè)計(jì)文件”即可生成新的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)輸出表。布孔設(shè)計(jì)的操作方法和第一次生成布孔設(shè)計(jì)的操作方法基本相同,可以重新得到 1個(gè)新的布孔圖。

5 結(jié) 語

要徹底解決臺(tái)階爆破參數(shù)設(shè)計(jì)中的參數(shù)優(yōu)化問題,若單靠提高單項(xiàng)試驗(yàn)精度和規(guī)模來完善確定性模型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。以往的爆炸力學(xué)性質(zhì)分析均借用彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)和近年發(fā)展的斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)來建立確定性的計(jì)算模型,實(shí)踐證明這些手段并不能徹底解決爆破參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。本論文提出了“反饋式設(shè)計(jì)”這種新思想和新方法,并設(shè)計(jì)了“反饋式臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)軟件”作為反饋設(shè)計(jì)的工具,為臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)人員提供了一種新方法,為解決臺(tái)階爆破參數(shù)優(yōu)化這種不確定性問題提供了一種新的思路,同時(shí)期望對(duì)臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)思想的改革和進(jìn)步起到推動(dòng)作用。

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2011-06-26)

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