基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的沉積巖型礦山爆破開采成本的預(yù)測與控制模型

胡勇輝，劉連生

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）

新疆某鉛鋅礦是國內(nèi)罕見的一座大型沉積型鉛鋅礦，礦床工業(yè)類型為砂（礫）巖型層控礦床。經(jīng)相關(guān)工程地質(zhì)調(diào)查，確定該礦的礦巖屬于工程地質(zhì)較差的軟巖，在國內(nèi)幾乎沒有與該礦開采條件相類似的礦山。由于各地層礦巖性質(zhì)不均，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，接近地表的巖層風(fēng)化較為嚴(yán)重，層間泥夾層分布廣，初步開采設(shè)計的爆破參數(shù)與實際情況存在諸多問題，導(dǎo)致采礦成本的增加和生產(chǎn)效率的降低，采場礦石貧化率、損失率增加，安全問題突出。為獲得最優(yōu)爆破參數(shù)，分別在該礦的2280、2265分層的19、21、23、25、27、31勘探線的回采進路中進行了單位炸藥消耗量、排間距、孔底距、崩礦步距等爆破參數(shù)的試驗。利用獲得的爆破參數(shù)結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行爆破開采成本預(yù)測與控制，最終提出合理的爆破參數(shù)。

1 工程概況和爆破器材

該礦采用無底柱分段崩落法進行回采，中段高為60m，回采分段高為15m，沿礦體走向布置主運輸巷道，運輸巷道斷面設(shè)計為4.5m×4.5m的三心拱，斷面面積約為20m2。礦塊沿走向布置，長50～60m，寬為礦體厚度。當(dāng)?shù)V體垂厚度大于15m，回采巷道垂直礦體走向布置；礦體垂厚小于15m時，回采巷道沿礦體走向布置，出礦進路垂直礦體走向布置，間距15～22m，斷面為15.9m2，溜井間距100m，出礦選用CY－3柴油鏟運機，載重6t，斗容3.1m3，出礦距離50～150m。

穿孔設(shè)備為YGZ－90型鑿巖機，孔徑60mm，采用垂直上向扇形布孔，優(yōu)化前排距為1.5m，孔底距為1.9m，為深孔爆破。采用粉狀銨油炸藥，炸藥密度大約980kg／m3，其爆速不小于3000m／s，用裝藥器裝藥，裝藥直徑為60mm，裝藥量為2.77kg／m。采用孔口起爆方式，雷管選用導(dǎo)爆管雷管，全孔敷設(shè)導(dǎo)爆索。

2 爆破參數(shù)優(yōu)化和控制采礦成本與預(yù)測的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)

采礦成本的控制與預(yù)測是采礦生產(chǎn)的重要工作之一，通過較為準(zhǔn)確的采礦成本預(yù)測與控制，可以經(jīng)濟合理地調(diào)整礦塊參數(shù)和爆破參數(shù)，安排勞工，降低成本，提高效益。采礦成本的大小與整個采礦系統(tǒng)之間有密切的聯(lián)系，它同時受通風(fēng)費用、排水費用、運輸費用、采礦工藝的影響。影響采礦成本的各因子之間存在復(fù)雜的相互作用。由于系統(tǒng)的復(fù)雜，利用傳統(tǒng)方法很難建立起一個精確和完善的預(yù)測與控制模型。而BP神經(jīng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)由于結(jié)構(gòu)簡單，具有較強的非線性映射能力同時具有對非線性復(fù)雜系統(tǒng)預(yù)測的良好特性，可以有效地描述其本身具有的不確定、多輸入等復(fù)雜的非線性特性。

由于影響采礦成本的因子眾多，本文僅從開采時爆破器材消耗量和采礦爆破工藝兩個方面的影響因子作為建立控制采礦成本的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入因子。

模型的輸出節(jié)點與輸入因子要有密切關(guān)系，且要充分反映開采過程中的爆破開采成本與生產(chǎn)效率之間的情況。本文將爆破開采效率P（m3／h）與爆破器材消耗D（元／m3）的比值P／D（性價比）作為衡量模型性能的指標(biāo)。P／D不但能夠很好地反映爆破參數(shù)的變化所引起爆破成本與生產(chǎn)效率的變化，而且爆破開采效率P與爆破器材消耗D的統(tǒng)計較為簡單，以P／D作為模型性能的指標(biāo)具有簡單、準(zhǔn)確等優(yōu)點。

2.1 爆破器材

該礦爆破所用的爆破器材包括：粉狀硝銨炸藥、柴油、導(dǎo)爆索、導(dǎo)爆管及雷管，其價格如表1所示。

表1 爆破器材價格

2.2 爆破工藝

爆破開采時，采礦爆破工藝參數(shù)主要有炸藥單耗、排距、孔底距和崩礦步距等參數(shù)。根據(jù)金屬礦礦巖可爆性評價及井下采場深孔爆破參數(shù)優(yōu)化的理論與試驗研究［1］，這些參數(shù)在生產(chǎn)優(yōu)選控制與預(yù)測模型中需加以重點考慮。

2.2.1 炸藥單耗的初步確定

炸藥單耗是工程爆破重要的爆破參數(shù)之一，也是指導(dǎo)爆破設(shè)計和施工的重要依據(jù)。合理的炸藥單耗能夠達到最佳爆破效果，過高和過低的炸藥單耗對爆破效果都產(chǎn)生不利影響。根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論，炸藥單耗可以通過標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗試驗求算。

爆破漏斗試驗地點的選擇要與實際生產(chǎn)地點巖性相同或接近的地段［2－3］，巖體無明顯的弱結(jié)構(gòu)面，即無斷層、宏觀裂隙、節(jié)理、層理與爆震裂隙等。試驗地點選在2280分層19線的拉底巷道的幫壁上，炮孔直徑為60mm，試驗炮孔一共6個，要求鉆孔位置選在比較平整的幫壁上，且嚴(yán)格垂直幫壁，不得超深。

所有試驗炮孔均采用人工進行耦合裝藥，根據(jù)相關(guān)資料的經(jīng)驗總結(jié)［4－8］爆破漏斗試驗炸藥單耗q值取3.23kg／m3，用導(dǎo)爆管雷管進行孔底起爆。裝藥完后用炮泥進行嚴(yán)格的堵塞，炮孔爆破后，扣除漏斗口周圍巖石片落部分，圈定漏斗口的邊界。以炮孔為中心，相隔45°直接量取8個不同方向的漏斗半徑r，取其平均值作為爆破漏斗半徑r，測出實際最小抵抗線w，計算出爆破作用指數(shù)n。試驗統(tǒng)計和計算標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中求得爆破漏斗平均半徑r為0.86m，平均最小抵抗線為0.63m，實際爆破作用指數(shù)n＝r／w＝1.37。根據(jù)鮑列斯闊夫公式反算出實際的標(biāo)準(zhǔn)單位炸藥消耗量q值為1.66kg／m3。

炸藥單耗與自由面?zhèn)€數(shù)和巖石物理力學(xué)性質(zhì)具有密切關(guān)系。自由面多，爆破應(yīng)力波通過界面產(chǎn)生反射拉伸波越多，這些波返回時又互相干擾，產(chǎn)生綜合復(fù)雜的破壞作用［9］，能夠以低單耗獲得較好的爆破效果。根據(jù)該礦區(qū)的礦巖物理力學(xué)性質(zhì)，且深孔爆破屬于具有兩個自由面的爆破，在進行深孔爆破試驗時，初始試驗采用的炸藥單耗為標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗炸藥單耗的52%，即0.86kg／m3。

以標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗試驗確定的炸藥單耗為依據(jù)，在控制排距為1.5m，孔底距為1.9m的情況下，進行不同炸藥單耗的爆破試驗。在2280分層31線－27線回采進路中分別進行炸藥單耗為0.95kg／m3、0.93kg／m3、0.91kg／m3、0.90kg／m3、0.89kg／m3的試驗.；在25線－23線回采進路進行炸藥單耗為0.89kg／m3、0.88kg／m3、0.87kg／m3、0.86kg／m3、0.85kg／m3的試驗；在21線－19線回采進路進行炸藥單 耗 為 0.84kg／m3、0.82kg／m3、0.80kg／m3、0.78kg／m3、0.76kg／m3的試驗。每個單耗值實驗的排數(shù)都為10排，試驗次數(shù)為4次，每次起爆對應(yīng)的排數(shù)為2排、2排、3排、3排，排間采用毫秒延期起爆，時間間隔不小于50ms。不同炸藥單耗情況下的爆破試驗結(jié)果如表3所示。

表2 爆破漏斗試驗參數(shù)

表3 不同炸藥單耗的爆破試驗結(jié)果

綜合多次試驗爆破效果分析和總結(jié)，礦區(qū)合理的單耗范圍為0.82～0.87kg／m3，爆破設(shè)計采用單耗值為0.85kg／m3。實際單耗控制在0.82～0.87kg／m3范圍內(nèi)，爆破后效果較為理想，大塊率較低（3%～20%），對后續(xù)施工影響小。

2.2.2 扇形深孔排間距與孔底距的選取

在采場把崩礦中，扇形深孔的排間距就是最小抵抗線，通常根據(jù)鉆孔直徑、礦巖特性、炸藥威力以及對巖石破碎程度要求而定［10］，而孔底距是指較淺炮孔的孔底與較深炮孔間的垂直距離。炮孔密集系數(shù)是孔底距與最小抵抗線的比值，即

式中：m為炮孔密集系數(shù)；a為孔底距，m；w為最小抵抗線吧，m。

m、a、w三個參數(shù)直接決定了炮孔的孔網(wǎng)密度，其中，最小抵抗線反應(yīng)了排與排之間的孔網(wǎng)密度，孔底距反應(yīng)了排內(nèi)的深孔的孔網(wǎng)密度，而炮孔密集系數(shù)則反應(yīng)了它們之間的相互關(guān)系。這三個參數(shù)選擇是否正確，直接影響著采礦過程中各項經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。

結(jié)合各冶金礦山的經(jīng)驗，炮孔密集系數(shù)可為m＝1.0～2.0。最小抵抗線w可根據(jù)與炮孔直徑d的關(guān)系，從相關(guān)礦山的實際資料中參考選取。目前礦山采用的最小抵抗線數(shù)值大致如表4所列［11］。

表4 最小抵抗線與炮孔直徑的關(guān)系對應(yīng)表

經(jīng)上述分析，我們進行設(shè)計單耗為0.85kg／m3，實際單耗控制在0.82～0.87kg／m3范圍內(nèi)不同孔底距和排間距的爆破試驗。試驗將孔底距分成五組，取值分別為1.9m、2m、2.1m、2.2m、2.3m；每組對應(yīng)七種不同的排間距，取值分別為1.4m、1.5m、1.6m、1.7m、1.8m、1.9m、2m。試驗地點布置在2280分層23～25勘探線、19勘探線回采進路中；部分布置在2265分層19勘探線回采進路中。

爆破后，對五組不同孔底距對應(yīng)七種不同排間距的爆破效果記錄和分析，發(fā)現(xiàn)隨著孔底距和排間距的不斷增大，前排爆破對后排炮孔影響越來越嚴(yán)重，后排炮孔堵塞和錯位越來越多；眉線破壞逐漸明顯；頂板和兩幫掉塊也增多；明顯減緩了下一次爆破施工的進度。在孔底距一定的情況下，隨著炮孔密集系數(shù)的增大，爆破后大塊率逐漸減小，當(dāng)炮孔密集系數(shù)增大到一定的范圍時，大塊率保持的較為平穩(wěn)，其關(guān)系如圖1所示。

圖1 炮孔密集系數(shù)與大塊產(chǎn)出率關(guān)系圖

綜合爆破效果和施工進度等方面因素的考慮，合理的排距為1.6～1.8m，合理的孔底距為2～2.2m。

2.2.3 崩礦步距的確定

多次爆破試驗結(jié)果和放礦貧化損失檢測表明，當(dāng)兩個進路同時進行崩礦時，崩礦步距以每個進路三排為宜，即崩礦步距為5.3m左右；單個進路落礦時，崩礦步距以每個進路四排為宜，即崩礦步距為7m左右。

通過大量的現(xiàn)場爆破試驗，爆破參數(shù)可從表5中選取。

表5 爆破參數(shù)

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、訓(xùn)練與預(yù)測

爆破參數(shù)的優(yōu)化不僅要考慮參數(shù)的適用性，同時還應(yīng)該考慮到爆破生產(chǎn)成本，所以，在爆破參數(shù)優(yōu)選時，應(yīng)該將爆破開采的價格比作為衡量指標(biāo)?？梢杂脕碓u價爆破效果的指標(biāo)很多，如單耗、排拒、孔底距、放礦步距等，如果采用單一的爆破參數(shù)作為衡量指標(biāo)存在一定的片面性。所以，將一次爆破下的礦石方量與爆破1m3消耗爆破器材成本的比值（性價比）作為衡量指標(biāo)進行綜合考慮，以性價比作為模型的輸出點，這樣以開采單位體積礦石所需的爆破器材成本和爆破參數(shù)一起作為系統(tǒng)的影響因素，那么這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有9個影響因子作為輸入節(jié)點，即模型有9個輸入節(jié)點。以性價比作為模型的輸出，因此模型只有一個輸出節(jié)點。

我們一共收集了20個學(xué)習(xí)樣本，見表6。

表6 中的前9項為學(xué)習(xí)樣本中的輸入因子，最后一項為輸出量。利用表6中的樣本對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。在訓(xùn)練前，應(yīng)對不在［0，1］區(qū)間的數(shù)據(jù)進行歸一化處理。

表6 學(xué)習(xí)樣本

模型采用單隱層的BP網(wǎng)絡(luò)進行采礦成本預(yù)測。因為輸入層有9個神經(jīng)元，網(wǎng)絡(luò)只有1個輸出數(shù)據(jù)，所以中間層可以取12個神經(jīng)元。因此，網(wǎng)絡(luò)為9×12×1的結(jié)構(gòu)。由于數(shù)據(jù)都進行了歸一化處理，網(wǎng)絡(luò)中間層的神經(jīng)元傳遞函數(shù)采用S型正切函數(shù)tansing，輸出層神經(jīng)元傳遞函數(shù)采用S型對數(shù)函數(shù)logsig。

對模型的訓(xùn)練、預(yù)測和優(yōu)選進行了相應(yīng)的編程計算，訓(xùn)練時模型精度取0.001，學(xué)習(xí)步長選0.05。經(jīng)過17次迭代后，精度達到要求，訓(xùn)練完畢，圖2給出了模型訓(xùn)練時的誤差變化曲線。此時，模型各節(jié)點的連接權(quán)值已確定，可以隨時進行同類型樣本的預(yù)測。

根據(jù)爆破器材和爆破工藝參數(shù)的取值范圍，對模型各因素利用逐項區(qū)間密集掃描技術(shù)采值，作為模型的預(yù)測樣本。由于輸入因素和預(yù)測樣本的數(shù)量很多，為保證預(yù)測樣本的全面性，利用計算機對9個因素依次取值，并自動剔除不合要求的數(shù)據(jù)。將選取的預(yù)測樣本直接輸入模型進行預(yù)測，可得到所有預(yù)測樣本的性能價格比。表7列出了模型七組預(yù)測樣本預(yù)測后反歸一化的結(jié)果。

圖2 訓(xùn)練誤差曲線

表7 模型預(yù)測結(jié)果

從表7的預(yù)測結(jié)果來看，預(yù)測和實際偏差很小，第3組和第7組預(yù)測和實際的性能比都較高。結(jié)合多次生產(chǎn)實踐和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對采礦成本的預(yù)測與控制，該鉛鋅礦采用無底柱分段崩落法的最佳爆破參數(shù)值為：炸藥單耗為0.85kg／m3、排距為1.75m、孔底距為2.1m、崩礦步距為5.25m，此時爆破開采實際性價比達33.73m3／元，符合生產(chǎn)要求。

3 結(jié)語

本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對采礦成本的預(yù)測與控制并結(jié)合現(xiàn)場試驗的方法，對該砂（礫）巖型層控礦床特殊的工程地質(zhì)條件下的爆破參數(shù)優(yōu)化得出如下結(jié)論。

1）通過不斷的爆破試驗分析和總結(jié)，該鉛鋅礦采用無底柱分段崩落采礦法的合理爆破參數(shù)取值范圍為：炸藥單耗為0.82～0.87kg／m3；排距為1.5～1.8m；孔底距為1.9～2.2m；崩礦步距為3～7.2m。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對采礦成本的預(yù)測與控制模型，爆破參數(shù)可進一步優(yōu)化，優(yōu)化后的爆破參數(shù)值為：炸藥單耗為0.85kg／m3、排距為1.75m、孔底距為2.1m、崩礦步距為5.25m，此時爆破開采實際性價比可達到33.73m3／元，符合生產(chǎn)要求。

2）利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對采礦成本的預(yù)測與控制模型的方法，可準(zhǔn)確地對爆破參數(shù)進行優(yōu)化，為爆破開采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供新思路；同時為開采條件類似的礦山進行爆破參數(shù)優(yōu)化提供借鑒。

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