基于GCRN的礦巖可爆性分級模型及其應(yīng)用

馬　康，張　群，盛建龍，劉艷章，柯麗華

(武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢，430081)

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基于GCRN的礦巖可爆性分級模型及其應(yīng)用

馬康，張群，盛建龍，劉艷章，柯麗華

(武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢，430081)

摘要：為了準確反映巖體可爆性等級，構(gòu)建了由彈性波阻抗、堅固性系數(shù)、平均裂隙距和標準爆破漏斗炸藥單耗4個因素組成的評價體系，采用改進的灰色關(guān)聯(lián)分析法對傳統(tǒng)的巖體可爆性等級劃分標準進行優(yōu)化。利用灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度(GCRN)來反映各可爆性等級之間的差別，確定各可爆性等級對應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度區(qū)間，以此劃分新的巖體可爆性等級。采用基于GCRN的礦巖可爆性分級模型對武鋼資源集團公司程潮礦業(yè)有限公司東、西區(qū)礦體的可爆性級別進行評價，評價結(jié)果與實際情況基本一致，表明利用灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度來劃分礦巖可爆性等級的方法是可行的。

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

礦巖可爆性等級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]。由于巖體物理力學性質(zhì)極其復雜，傳統(tǒng)上通常采用經(jīng)驗類比的方法來確定其可爆性等級，隨后進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)驗類比法確定的礦巖可爆性分級通常與實際情況有較大差別，因此如何綜合考慮多種因素來定量描述、準確反映巖體可爆性等級成為研究的重點，一些多因素綜合分析新理論如模糊數(shù)學、層次分析法、突變級數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色理論等越來越多地被應(yīng)用到礦巖可爆性分級評價中來[3]?；疑P(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、運算方便、易于挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律等特點[4]，非常適用于多因素、多屬性評價問題，但傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)分析法是通過比較待評價對象與理想對象之間灰色關(guān)聯(lián)度的大小來實現(xiàn)綜合評價，而忽略了待評價對象與負理想對象之間的灰色關(guān)聯(lián)度，因而不適用于對象之間差別較小的評價問題。理想點法[5]可根據(jù)評價對象與理想目標的接近程度來對其進行排序，可以很好地彌補傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)分析法存在的不足。為此，本文借鑒理想點法中理想解與負理想解的雙基準和相對貼近度的思想，對灰色關(guān)聯(lián)分析法進行改進，考慮待評價對象與理想對象及負理想對象之間的灰色關(guān)聯(lián)度，構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度(grey correlative relative nearness，GCRN)來反映礦巖可爆性等級之間的差別，以此作為礦巖可爆性分級的依據(jù)。同時，采用該方法對武鋼資源集團公司程潮礦業(yè)有限公司所屬程潮鐵礦礦體的可爆性進行評價，以驗證該方法在礦巖可爆性分級中的適用性。

1評價模型的建立

依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度進行多屬性問題評價的分析過程如下：

(1)確定評價指標，對定性指標進行量化處理，建立多屬性決策問題模型。設(shè)該多屬性決策問題有m個待評價對象n個指標，第i個待評價對象的第k個指標記為xi(k)，則第i個待評價對象的指標序列記為xi：

(1)

(2)選取待評價對象指標中的最優(yōu)值、最差值分別構(gòu)成理想對象指標序列xl和負理想對象指標序列xf：

(2)

(3)

(3)對各對象指標序列作無量綱化處理。無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。待評價對象、理想對象和負理想對象指標序列經(jīng)無量綱化處理后分別記為yi、yl和yf，則有：

(4)

(5)

(6)

(4)求待評價對象與理想對象和負理想對象的差值指標序列Δli(k)、Δfi(k)：

(7)

(8)

(5)求待評價對象指標與理想對象和負理想對象指標的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξli(k)和ξfi(k)：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(8)按照Si值的大小對待評價對象進行排序、分級。

2基于GCRN的巖體可爆性分級

2.1巖體可爆性分級指標的選取

在實際生產(chǎn)中，礦巖的可爆性評價指標主要分為力學性質(zhì)指標、裂隙性指標和爆破質(zhì)量指標[6]。根據(jù)文獻[7]，結(jié)合研究地段的地質(zhì)條件和試驗的可實現(xiàn)性，本次礦巖可爆性評價的指標選擇彈性波阻抗、堅固性系數(shù)、平均裂隙距、標準爆破漏斗炸藥單耗4個因素，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，而且在現(xiàn)場容易獲取，具有一定的合理性和可實現(xiàn)性。

2.2巖體可爆性分級

(1)評價指標值的確定。參考文獻[8]中采用上述4個評價指標建立的巖體可爆性分級情況，可得各等級對應(yīng)的指標序列分別為：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，理想爆破等級各指標值應(yīng)當無限接近0，而負理想爆破等級各指標值應(yīng)當無窮大。根據(jù)文獻[7]中的數(shù)據(jù)，可取理想爆破等級的指標為xl=(0,0,0,0)，負理想爆破等級的指標為：xf=(27,38,10,8)。

(2)無量綱化處理。本研究選取的4個指標均為成本型指標，其評價值隨指標值增大而減小[9]。對各分級等級指標序列、理想爆破等級指標序列和負理想爆破等級指標序列進行無量綱化處理，處理后各等級對應(yīng)的指標序列如下：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yl=(1,1,1,1)，負理想爆破等級yf=(0,0,0,0)。

(3)求差值指標序列。由式(7)、式(8)分別求得各等級與理想爆破等級的差值指標序列為：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)；各等級與負理想爆破等級的差值指標序列為：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)度與貼近度計算。由式(9)、式(10)分別求得各等級與理想爆破等級的灰色關(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)；各等級與負理想爆破等級的灰色關(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)可得各等級的灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度為：S1=0.36、S2=0.39、S3=0.41、S4=0.43、S5=0.47，理想爆破等級、負理想爆破等級的灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度分別為：Sl=0，Sf=0.50。

根據(jù)各爆破等級對應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度，可將巖體可爆性分級情況整理如下：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價

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)公司主要的鐵礦石基地之一，目前開采水平為-430 m水平，該階段礦體地質(zhì)構(gòu)造復雜，斷層、節(jié)理、裂隙發(fā)育。斷層在開采區(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)為導礦構(gòu)造和容礦構(gòu)造。

該礦山主要采用無底柱分段崩落法回采礦石，實際生產(chǎn)過程中一次爆破后屢有大塊礦石出現(xiàn)，需要在井下進行二次爆破。這一額外工序不僅降低了礦山生產(chǎn)效率，帶來了井下生產(chǎn)的安全風險，也增加了礦石開采的成本。

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

3.2指標值的確定

(1)彈性波阻抗。采用RSMSY-5智能型超聲波測試儀，將一對換能器布置在一定距離的雙孔中，進行跨孔測試，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)堅固性系數(shù)。由程潮鐵礦地質(zhì)資料[8]及實驗室測試結(jié)果可知該礦東區(qū)各類巖體單軸抗壓強度分別為：閃長巖75.72 MPa，花崗巖107.55 MPa、大理巖49.26 MPa，對應(yīng)的堅固性系數(shù)f分別為8、11、5，由此可得東區(qū)平均堅固性系數(shù)為f東=8；西區(qū)各類巖體單軸抗壓強度分別為：塊狀磁鐵礦75.67 MPa、矽卡巖59.61 MPa、斑巖95.42MPa，對應(yīng)的堅固性系數(shù)f分別為8、6、10，可得西區(qū)平均堅固性系數(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)標準爆破漏斗炸藥單耗。根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論進行單孔爆破漏斗試驗，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個炮孔，其中8個孔深0.4～1.2 m，1個孔深1.4 m；西區(qū)布置間距為0.1 m的8個炮孔，孔深為0.4～1.2 m。每個炮孔內(nèi)裝填帶有1個起爆藥包的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。測試結(jié)果：東區(qū)礦體標準爆破漏斗半徑R≈0.6 m，標準爆破漏斗炸藥單耗為1.37 kg/m3；西區(qū)礦體標準爆破漏斗半徑R≈0.59 m，標準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評價指標值如表2所示。

表2　程潮鐵礦巖體可爆性分級評價指標值

3.3礦巖可爆性評價

由上述GCRN模型計算可得程潮鐵礦東、西區(qū)巖體可爆性評價指標序列分別為：x東=(13.61,8,0.063,1.37)，x西=(22.90,8,0.333,3.20)。結(jié)合x東、x西與x1、x2、x3、x4、x5并進行無量綱化處理可得：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)進行計算可得：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[8]可知，采用本文方法對該礦礦巖可爆性進行分級，結(jié)果與實際情況基本一致,這表明利用改進的灰色關(guān)聯(lián)分析方法，采用構(gòu)建的灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度來衡量礦巖可爆性等級是可行的，具有一定的應(yīng)用價值。

4結(jié)語

本文選取彈性波阻抗、堅固性系數(shù)、平均裂隙距和標準爆破漏斗炸藥單耗4個礦巖可爆性等級評價指標，采用改進的灰色關(guān)聯(lián)分析法，利用灰色關(guān)聯(lián)相對貼近度(GCRN)，對程潮鐵礦礦巖可爆性進行評價和分級，得到程潮鐵礦東、西區(qū)礦體可爆性級別分別為很難和極難，與實際情況基本一致，表明基于GCRN的礦巖可爆性分級方法是可行的。

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[責任編輯鄭淑芳]

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

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51204127)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAA05B03).

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

中圖分類號：TD235

文獻標志碼：A

文章編號：1674-3644(2016)03-0200-04